Трещиностойкость элементов конструкций, эксплуатируемых в условиях Крайнего Севера

Специфика природно-климатических условий северного региона предъявляет повышенные требования ко всем эксплуатируемым здесь видам техники, оборудования сооружений и средств транспорта [17, 5lJ" Опыт многолетней эксплуатации машин и металлоконструкций в суровых климатических условиях Севера показывает, что в зимние месяцы резко повышается количество отказов техники и разрушения металлоконструкций, связанных с хрупким разрушением [40, 45,107]. Поток отказов деталей и узлов автомобилей на Севере в зимнее время по сравнению с летним увеличивается в полтора-два раза, а по сравнению с полосой умеренного климата в четыре-пять раз [18, 28, 95, 98J. Наиболее тяжелые аварии, связанные с большими материальными потерями, происходят при разрушении ответственных деталей и узлов машин большой единичной мощности и высокой производительности, например, при разрушении ступицы передних колес и кожухов мотор-колес задних осей автосамосвалов М-200 фирмы «Юнит-Риг» (Канада-США) грузоподъемностью 180 т, сварной поперечной рамы автосамосвала БелАЗ грузоподъемностью 75 т и т. д. Разрушение магистральных трубопроводов и их узловых соединений также связано с большими экономическими потерями. В результате анализа статистической обработки фактических случаев разрушений установлено, что их основной причиной является наличие исходных металлургических, технологических или возникновение эксплуатационных дефектов типа трещин [53]" При этом развитие очаговых трещин зависит от многих факторов, таких, как вид конструктивной формы, уровень и характер нагружения, температура эксплуатации и физико-механические свойства материала элемента конструкции, В эксплуатационных условиях обнаружение трещин может произойти на разных стадиях их развития. При заблаговременном обнаружении трещин необходимо оценить их опасность при дальнейшей эксплуатации дефектной конструкции, особенно, тогда, когда ее простои на ремонт связаны с большими экономическими затратами* Очевидно, что при своем дальнейшем развитии в условиях эксплуатации эти дефекты постепенно снижают уровень разрушающих напряжений. Традиционные методы расчета на прочность не решают задачу определения разрушающих напряжений в случае возникновения трещин, а ограничиваются установлением действующих нагрузок и в зависимости от их величины и предела прочности материала конструкции сводятся к определению уровня допускаемых напряжений. Однако, постепенное снижение величины разрушающего напряжения с развитием трещины может привести к такому состоянию материала элемента конструкции, когда наступит разрушение конструкции при нагрузках, значительно меньших, чем допускаемые" Таким образом, достоверная оценка степени опасности дефекта, обнаруженного еще на работоспособной конструкции, может быть произведена сопоставлением значений действующего и разрушающего напряжений, т. е. определением величины остаточного запаса прочности элемента конструкции с дефектом.

Решение этой проблемы в такой постановке позволило бы допустить временную контролируемую эксплуатацию техники и металлоконструкций с трещиноподобными дефектами при своевременном их выявлении. В этом случае контроль за ходом развития дефекта и определение его геометрических размеров осуществляется различными методами дефектоскопии, а снижение уровня действующих нагрузок обеспечивается ограничением производственных мощностей или температуры эксплуатации. Актуальность решения поставленной задачи подтверждается многочисленными случаями неоправданных длительных простоев дорогостоящей техники большой единичной мощности, нарушениями производственного цикла из-за повреждений крупных металлоконструкций, магистральных трубопроводов и т. д.

Решение данной проблемы может быть осуществлено применениемв расчетах подходов механики разрушения, путем расчетного или экспериментального определения характеристик трещиностойкости материала исследуемой конструкции. Однако, фундаментальные расчетные методы определения трещиностойкости, как метод конечных элементов, очень сложны и невозможны для экспресс-анализов спорных ситуаций в производственных условиях, а экспериментальные методы требуют проведения значительного объема лабораторных испытаний с вырезанием проб из материала исследуемой конструкции, что также невозможно без ущерба общей конструктивной прочности еще работоспособной конструкции.

В связи с изложенным основная цель работы заключалась в разработке ускоренного метода определения трещиностойкости деталей машин и элементов конструкций, позволяющего производить расчет разрушающих напряжений, критических размеров трещин и остаточного запаса прочности для экспресс-анализа возможности их дальнейшей эксплуатации в экстремальных климатических условиях*Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи: — исследовать несущую способность конструкций с трещиноподобны-ми дефектами, эксплуатируемых в суровых климатических условиях Севера, и характеристики трещиностойкости их материалов на основе усовершенствования методики экспериментов при низких температурах— разработать экспрессный метод определения характеристик трещиностойкости материалов и установить степень его достоверности по результатам лабораторных и натурных испытаний— исследовать статические, динамические значения характеристик прочности и трещиностойкости ряда конструкционных сталей в широком интервале низких температур, используемых при строительстве металлоконструкций в северном исполнении и на их основепредложить наиболее достоверный расчетный критерий по результатам ударных испытаний— оценить работоспособность конкретных деталей машин и элементов конструкций с трещиноподобными дефектами при различных режимах эксплуатации в условиях низких температур и сформулировать методические рекомендации для расчета их эксплуатационной надежности.

Диссертация состоит из пяти разделов.

Первый раздел — введение.

Во втором разделе приведен литературный обзор существующих критериев линейной и упруго-пластической механики разрушения и их практического применения для расчета на прочность элементов конструкций с дефектами типа трещин в условиях статического и динамического нагружения.

В третьем разделе излагается выбор расчетной схемы и теоретическое обоснование экспрессного метода оценки трещиностойкости элементов конструкций. Приводятся результаты экспериментальной проверки достоверности предлагаемого метода путем проведения лабораторных и натурных испытаний.

В четвертом разделе описывается ряд методических разработок, проведенных при исследовании динамической прочности и трещиностойкости конструкционных сталей. Обосновывается выбор расчетного параметра по результатам стандартных ударных испытаний и экспериментально доказывается возможность использования предлагаемого метода оценки трещиностойкости и при ударном характере приложения нагрузок для низколегированных сталей 17Г1С, 14Г2СМ? и 14Х2ГМР.

В пятом разделе производится комплексный анализ характерных случаев разрушения кожухов мотор-колес автосамосвалов особо большой грузоподъемности М-200 с известной геометрией очаговых трещин с использованием основных методических подходов, разработанныхпри выполнении данной диссертационной работы.

Научная новизна работы заключается в том, что на основе известной зависимости предельной нагрузки образца с трещиной, подвергаемого на сосредоточенный изгиб, от прочностных свойств материала предложен новый метод оценки трещиностойкости элементов конструкций и показаны способы его практического применения. Установлено, что для низколегированных трубных сталей статические и динамические значения характеристик прочности и трещиностойкости отличаются незначительно. Показано, что высокие значения ударной вязкости не гарантируют высокую динамическую прочность и трещиностойкость, которые являются наиболее достоверными характеристиками для дальнейших инженерных расчетов по результатам ударных испытаний.

Достоверность экспериментальной части диссертационной работы обеспечена разработкой новых типов датчика, динамометра, различных приспособлений, использованием современного испытательного оборудования и регистрирующей аппаратуры, а достоверность предлагаемого метода оценки трещиностойкости элементов конструкций подтверждена результатами лабораторных и натурных испытаний.

Практическая ценность результатов работы заключается в том, что предлагаемый метод оценки трещиностойкости может способствовать широкому внедрению в инженерных расчетах прогрессивных подходов механики разрушения для оценки остаточной прочности и прогнозирования работоспособности элементов конструкций с дефектами в условиях эксплуатации. Основным достоинством метода является необязательность проведения сложных лабораторных испытаний и простота расчетов.

Результаты диссертационной работы использовались при составлении научно-технического отчета по анализу кожухов моторколес и ступиц передних колес автосамосвалов М-200 производствафирмы Юнит-Риг (Канада-США), Данный отчет явился научным обоснованием для предъявления аргументированных претензий фирмепоставщику и содействовал производству замены указанных деталей за счет фирмы-производителя. Общая экономическая эффективность данной работы из расчета стоимости запасных частей по 30 автосамосвалам М-200 составила 911 тыс. руб. Разработанная автором расчетная методика использовалась при составлении научно-технического отчета на тему: «Исследование свойств новых материалов в условиях пониженных температур» для обоснования рекомендаций по применению конструкционных сталей и сплавов в условиях низких температур.

Акты внедрения по двум вышеуказанным работам прилагаются в приложении к диссертации. Методические вопросы, разработанные автором, использовались при составлении научно-технических отчетов по теме: I.10.2.8 «Исследование и прогнозирование несущей способности деталей машин и сварных металлоконструкций, эксплуатируемых в экстремальных условиях Крайнего Севера». Программы: ШЛИ, БАМ.

Основные результаты работы докладывались на Всесоюзных научно-технических конференциях: «Работоспособность машин и' конструкций в условиях низких температур» (г.Якутск, 1978 г.), «Разрушение металлов и сварных конструкций при низких температурах» (г.Якутск, 1978 г.), на 1У Всесоюзной конференции «Физика разрушения» (г.Киев, 1980 г.), на совещании рабочей группы «Прочность конструкций, работающих в условиях низких температур» при Научном Совете ГКНГ по проблеме «Конструкционная прочность и разрушение» (г.Ленинград, 1983 г.).

По результатам выполненных исследований опубликовано 10 статей.

П. Методы определения характеристик сопротивления разрушению материалов и элементов конструкцийВ литературе описано множество случаев разрушений деталей машин и элементов металлоконструкций, происшедших в условиях низких температур [il, 12, 34, 97, 103, 120]. Наиболее катастрофические из них, такие как разрушение мостов в Бельгии и Германии [19, 97], цельносварных судов различного назначения в США [II, 97] привлекли внимание специалистов во всех странах мира, поставив перед ними задачу глубокого анализа причин катастроф и выработки мероприятий, необходимых для предупреждения подобных разрушений в дальнейшем.

Серьезные работы в этом направлении у нас в стране были начаты только в Х-й пятилетке, когда реализовывалась первая программа стандартизации в области прочности [54].

В 1981 г. Госстандартом утверждена Программа стандартизации по надежности, прочности и износостойкости на I98I-I985 гг, и на период до 1990 г. и принято соответствующее постановление. В этой связи необходимо отметить, что интенсивное развитие в последние годы работ по исследованию характеристик прочности и долговечности материалов и элементов конструкций выдвинуло на одно из ведущих мест механику разрушения. Усовершенствование традиционных подходов, не учитывающих наличия дефектов типа трещин, привело к разработке методов определения сопротивления конструкционных материалов образованию и развитию трещин, получивших название вязкости разрушения или трещиностойкости. При этом в основу методов испытаний материалов по определению трещиностойкости были положены схемы и виды нагружения, конструкции образцов, размеры и ориентация трещин, критерии разрушения и исходные уравнения, полученные в механике разрушения [54]•2Л. Критерии линейной и упругопластической механики разрушения и некоторые методы их расчетного определенияСовременный взгляд на разрушение металлов берет свое начало от работы Гриффитса о распространении трещин, опубликованной в 1920 г. [ИЗ]• Данная работа содержала теоретическое обоснование энергетических условий разрушения. В результате этих исследований им была установлена взаимосвязь между критическим напряжением и длиной трещины i.

2.1где Jf — поверхностная энергия материала-Е — модуль упругости.

Используя выводы Гриффитса, Ирвин в 1953 г. впервые сформулировал понятие вязкости разрушения [114, 116] и ввел критерий разрушения Kt для пластины, растянутой на бесконечности напряжением б>:/Гу = 2.2Этот параметр характеризует напряженное состояние в вершине трещины в линейно-упругом теле" Критическое значение Kt f соответствующее трещине нормального отрыва обозначается KiC и является основным критерием линейной механики разрушения (ЛМР). Различие между KiQ и К{ существенно и аналогично различию между прочностью и напряжением [23, 77], 2.3Поскольку Kj принимается в качестве единственного параметра, описывающего все поле напряжений в окрестности вершины трещины, его можно назвать силовым критерием [б, 35, Зб]"В дальнейшем Ирвин показал, что этот критерий в случае уп ругого материала идентичен скорости освобождения упругой энергии Q в вершине трещины и связан с ним соотношениемТаким образом, линейная механика разрушения обеспечивает единственные и однозначные соотношения между напряжением, деформацией, энергией и длиной трещины. Однако, несмотря на большую полезность критериев ЛМР, область их применения ограничена случаями, когда разрушение материала не сопровождается развитой текучестью в вершине трещины. Этим случаям соответствуют такие факторы, как высокопрочное состояние материала или условия наг-ружения, не допускающие образования протяженных зон пластичности в вершине трещины. Желание расширить пределы применимости ЛМР при решении более практических задач, связанных с применением материалов низкой и средней прочности и элементов металлоконструкций произвольной толщины, способствовало возникновению нелинейной механики разрушения. Разрушение таких материалов сопровождается значительным пластическим течением в вершине трещины, поэтому требуются другие, более общие критерии разрушения, способные учитывать нелинейное поведение материала в вершине трещины. Расчет нелинейности производится с применением различных подходов, но общепринятым для всех является то, что определенная зона пластичности может быть допущена в поле напряжений у вершины трещины без существенного искажения характера полянапряжений [24, 25 31, 43, 70, Юо].

В зависимости от применяемых подходов отличают силовые [5, 10, 38, 47, 76, Иб], энергетические [33, 104, 105, 109, III] и деформационные [26, 52, 76] критерии упругопластического разрушения.

Принципиальным отличием указанных характеристик трещиностойкости разрушения от стандратных механических характеристик состоит в том, что они определяются не только предельными усилиями (или деформациями), но и размерами трещин.

Согласно работе [54] связь между силовыми, деформационными и энергетическими критериями в случае испытания на растяжение силой Р гладких цилиндрических или плоских образцов с площадью поперечного сечения? можно описать следующими соотношениями: гоПри растяжении силой Р широких плоских образцов с центральной трещиной длиной Zi связь между указанными критериями описывается с помощью характеристик вязкости разрушения [54]: (кс> КС6, /с} =f[?, § T (Vef* wJ-2.6где / - соответствующие функциональные зависимости характеристик разрушения от уровня нагрузок Р л свойств материала, размеров образцов и трещинJT) e Юе, /77^ - постоянные, зависящие от свойств материала и уровня нагружения — ГГ) й — показаг метель упрочнения материала в упругопластической областиОгпредел текучести.

Величины б §, О-в уравнениях (2.5) характеризуют номинальные (осредненные по сечению и длине образца) напряжения, деформации и энергию, а Уосредненную по сечению образца деформацию.

В уравнении (2.6) величины /Г, I, «Г, G, J выражают местные напряжения, деформации и энергию в окрестности вершины трещины. Для упругого тела (Юо = I) показатели степеней = = те — ГП^ s I и для описания закономерностей хрупкого разрушения справедливы уравнения линейной механики разрушения. Однако при возникновении значительных пластических деформаций в зоне трещины зависимости между силовыми, деформационными и энергетическими критериями не подчиняются общепринятым соотношениям линейной механики разрушения в результате перераспределения напряжений и деформаций в зависимости от относительного уровня номинальных напряжений и показателя упрочнения ГП0 в упруго-пластической области. В этом случае экспериментальное определение характеристик трещиностойкости необходимо осуществлять с использованием уравнений (2.6) нелинейной механики разрушения приМетодические вопросы экспериментального определения этих характеристик достаточно хорошо отражены как в зарубежных, так и в отечественных изданиях [5, 7, 8, 38, 71]. В настоящее время у нас в стране в связи с программой работ по созданию комплекса межотраслевых нормативно-технических документов «Методы расчетови испытаний на прочность* разработаны единые методические указания по определению характеристик вязкости разрушения при статическом [57] и динамическом [58j нагружениях. Ведутся интенсивные научно-исследовательские работы по определению этих характеристик для отдельных специфических видов нагружения, как при продольном и поперечном сдвигах [Юб], при высоких температурах [55] и др.

Однако, существующие методы расчета элементов конструкций при наличии в них трещин, основанные на известных критериях линейной и нелинейной механики разрушения, обладают рядом существенных недостатков. Рассмотрим наиболее теоретически обоснованные и экспериментально подтвержденные из них: — коэффициент, интенсивности напряжений К и раскрытия трещины.

Метод расчета, основанный на предельном значении коэффициента интенсивности (2.2), ограничен со стороны малых длин трещин условием, накладываемым на напряжение в ослабленном сечении, & вет[50 53]. Следовательно, данный метод непригоден при малых длинах трещин, которые наиболее часто встречаются в условиях эксплуатации.

Метод расчета, основанный на экспериментальном определении величины пластического раскрытия в вершине трещины применительно к телам ограниченных размеров, становится весьма сложным, а аналитическое определение раскрытия трещины связано с большими трудновтями, чем определение коэффициента интенсивности напряжений.

Кроме того, как отмечено в работе [50], экспериментально определяемая величина 6С зависит от размеров и формы пластической зоны, которая при измерении <$о никак не фиксируется. Это положение также может вызвать определенные расхождения в условиях вычисления и измерения смещения.

Наиболее универсальным методом, сочетающим простоту критерия предельного коэффициента интенсивности напряжений с пригодностью критерия раскрытия трещины при их малых длинах, является подход, основанный на пределе трещиностойкости. Рассмотрим более подробно аналитический вывод и практическое приложение данного критерия.

С учетом этого получиме- = а 2.12По правилам дифференцирования определенного интеграла уравнение (2Л2) можно переписать в виде&euro-Gc-R (0^Ctocо9 2.13огде U (t) — компонента перемещения поперек линии трещины, которую можно записатьU (ej = I р (е), 2Л4.

ВЫВОДЫ.

1. Широкое внедрение в практику прогнозирования работоспособности деталей машин и элементов металлоконструкций с дефектами типа трещин расчетных и экспериментальных критериев механики разрушения затруднено сложностью фундаментальных расчетных методов и необходимостью проведения значительного объема лабораторных испытаний цри их экспериментальном определении.

2. Достоверную оценку несущей способности конструкций с трещиноподобными дефектами можно провести путем сопоставления разрушающих и действующих напряжений по опасному сечению элемента конструкции с дефектом.

3. Расчетные диаграммы нагружения образцов с трещиной на сосредоточенный изгиб, полученные сочетанием жестко-пластического и линейно-упругого модельных состояний материала, можно рассматривать как линейную аппроксимацию упругопластических диаграмм разрушения и на их основе предложить экспрессный метод оценки трещиностойкости деталей машин и элементов металлоконструкций, позволяющий определить в условиях эксплуатации уровень разрушающих напряжений, критических размеров дефекта и величины остаточного запаса прочности.

4. Натурными испытаниями труб большого диаметра, полноразмерных сосудов высокго давления с трещиноподобными дефектами и лабораторными испытаниями образцов из их материалов установлено, что погрешность предлагаемого метода оценки трещиностойкости при определении разрушающих напряжений элементов конструкций на начальной стадии развития трещин не превышает 10%.

5. Низкотемпературными ударными испытаниями с осциллографиро-ванием цроцесса разрушения стандартных образцов из широкого круга. конструкционных сталей установлено, что высокие значения ударной вязкости не гарантируют высокие значения динамической прочности и трещиностойкости. При этом наиболее приемлемыми параметрами для проведения инженерных расчетов являются силовые критерии, определяемые по характерным точкам осциллограмм разрушения.

6. Исследованиями низколегированных сталей 17Г1С, 14Г2САФ и 14Х2ГМР не выявлено наличие существенных различий между статическим и динамическим значениями прочности и трещиностойкости, что позволяет применение предлагаемого метода для оценки динамической трещиностойкости элементов конструкций из сталей данного класса.

7. Фрактографический и металлографический анализы характерных случаев разрушения кожухов мотор-колес из литых сталей повышенной прочности автосамосвалов особо большой грузоподъемности М-200 показал, что центрами зарождения микротрещин явились неметаллические включения, которые после образовали очаговую усталостную трещину в зоне наибольшей концентрации напряжений.

Результаты исследований по комплексному анализу характерных разрушений кожухов мотор-колес и ступиц передних колес использованы для составления аргументированных претензий фирме-поставщику и содействовали производству замены указанных деталей за счет фирмы-производителя. Общая экономическая эффективность данной работы из расчета стоимости запасных частей по 30 автосамосвалам М-200 составила 911 тысяч рублей.

Личный вклад автора оценивается 5% от общей стоимости работ, что составляет 40 ООО рублей".