Повышение прочностной надежности транспортных дизелей (1025560), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Если при нагреве напряжения превысили условный предел текучести материала, то при разгрузке (охлаждении) появятся остаточные напряжения противоположного знака (рис.1.17). Со временем остаточные напряжения накапливаются и могут достигатьпредела текучести материала в области растяжения. Остаточные напряженияпосле первого цикла деформирования способствуют тому, что при последующем нагружении часть температурного перепада (t m j n -t m a x ) во втором цикле бу-48дет расходоваться на компенсацию растягивающих напряжений, таким образом, напряжения сжатия в высокотемпературной части цикла снижаются. Кроме того, материал при пластическом деформировании упрочняется, что снижаетдолю пластических деформаций в последующих циклах нагружения, происходит приспособляемость материала, с его последующим деформированием фактически в области упругости.За счет приспособляемости (квазиупругого деформирования) удается обеспечить высокие показатели по долговечности.
Как видно из рис. 1.17. при температуре tl размах пластической деформации во втором и третьем циклах нагружения существенно уменьшился.В соответствие с теоремой о приспособляемости, установленной Меланом[61,74], конструкция приспособится к действию повторных нагрузок после некоторого количества циклов, если возможно найти такое не зависящее от времени распределение остаточных напряжений, что их сумма с упругими напряжениями в каждой точке тела образует безопасное напряженное состояние, подкоторым понимают область напряжений, ограниченную поверхностью текучести:°*+Рц=°11.1где <т,у - тензор упругих напряженийр9 - тензор остаточных напряженийa-j - компоненты тензора напряжений в рассмотренном циклеТо есть при циклическом нагружении напряжения должны лежать в области, ограниченной поверхностью текучести (необходимое условие безопасногосостояния).
Сущность этого утверждения состоит в следующем: если приспособляемость конструкции к действию повторных нагрузок вообще возможна, тоона обязательно наступит. С другой стороны справедлива и обратная теорема оприспособляемости, которую вкратце можно сформулировать следующим образом: если сумма остаточных и упругих напряжений будет лежать или выходить за пределы поверхности текучести, то приспособляемость невозможна.49tt,S3t,tSvjS3Рис. 1.17. Диаграмма циклического деформирования высокопрочного чугуна (tl<t2<t 3 )На явлении приспособляемости основана оценка ресурса крышек цилиндров на Коломенском заводе.
Методика основана на получении данных по остаточной напряженности крышек после некоторой наработки. Сущность методики состоит в следующем: если остаточные напряжения в наиболее напряженных областях огневого днища (межклапанных перемычках) не превышают предельно допустимого значения, то для данной партии деталей гарантируетсябезотказная работа (с долей отказов 7%) в течение всего срока эксплуатациидизеля.
Допустимый отказ в этот период связан с различием, как свойств материала отдельных деталей, так и с неодинаковыми условиями нагружения. Методика позволяет оценить остаточный ресурс крышек цилиндров дизелей с раз-50личной степенью форсирования, при наличии данных об остаточных напряжениях. Так, на рис. 1.18. показаны диаграммы накопления остаточных напряжений в крышках дизелей ЧН 26/26 в течение моторесурса при различных температурах на поверхности огневого днища крышки. Предельным уровнем остаточных напряжений является экспериментально установленной уровень 200МПа. Видно, что температуры порядка 360°С являются предельными с точкизрения обеспечения заданного ресурса конструкции.Темп роста остаточных напряжений (рис.
1.18.) характеризует интенсивность накопления повреждений в структуре материала, а значит, качественнохарактеризует механизм деформирования материала. Методика, основанная науровне остаточных напряжений, таким образом, качественно показывает, работоспособна конструкция или нет, что является одним из ее недостатков, поскольку в настоящее время требуется количественная оценка долговечности.К существенным недостаткам методики можно также отнести: необходимость выборки партии крышек из эксплуатации с последующей их разрезкойдля определения остаточных напряжений, недостаточная оперативность метода, не позволяющая применить его к проектируемой конструкции, сложность идороговизна метода контроля остаточных напряжений.Для количественной оценки долговечности материала конструкции в условиях циклического температурного нагружения за пределом упругостиприменяются критерии, основанные на экспериментальных данных.В рассмотренной литературе [47,50,60] посвященной оценке долговечностижаропрочных сплавов, применяемых в теплоэнергетическом машиностроении,показано, что зависимость Коффина дает хорошие результаты при уровне дол3говечности не более 10 циклов.
Следует отметить ряд отличий по условиям нагружения конструкций в рассмотренной литературе и в случае с крышками цилиндров, а также отличие по свойствам применяемых материалов. Максимальные температуры цикла, размахи температур и напряжений, выдерживаемыеконструкциями котлов, корпусов турбин, лопаток турбин и паропроводов, как51правило, значительно выше температур на поверхности огневого днища крышки. Для большинства указанных конструкций характерен в большей степенимягкий тип нагружения с накоплением односторонней деформации и разрушением квазистатического характера и термоусталостного малоциклового характера (до 1000 циклов), в то время как для крышки имеет место термоусталостный тип разрушения с достаточно большим количеством циклов до разрушения.
Допускаемый размах неупругих деформаций в конструкциях из жаропрочных сплавов, как правило, выше. Условия нагружения (по количеству циклов иих продолжительности) также значительно отличаются. В частности количество циклов макротеплосмен за весь срок эксплуатации для лопатки турбины стационарной энергоустановки отличается минимум на порядок в меньшую сторону от количества циклов, выдерживаемых крышкой цилиндра транспортногоа оостгт,МПа00,250,50,751,0J1,25 N-10 ,n;Рис. 1.18.
График нарастания остаточных напряжений в межклапанных перемычках крышек цилиндров по мере увеличения наработки в зависимости оттемпературы: (1 - 355°С, 4 - 360°С, 5 - 390°С, 2 - 410°С, 3 - 465°С )дизеля. В связи с этим можно отметить, что для качественной и количественной(при наличии необходимых экспериментальных данных по поведению материала) оценки долговечности крышек цилиндров применять описанные критерии можно, однако их необходимо модифицировать.52Типовой цикл нагружения крышки цилиндра (в координатах температура время) представляет собой трапецию с образующими в виде кривых нагрева иохлаждения. Цикл содержит стационарную часть в виде выдержки приТтахрис. 1.19.
Как было отмечено выше использование зависимости КоффинаАер -Nk = С правомерно при малых долговечностях, когда доля пластическихдеформаций значительна. С этой точки зрения более адекватным представляется использование в левой части уравнения Коффина размаха полных деформаций за цикл.
Мэнсон и Ленджер предложили зависимости соответственно:06(NAs =In-2где:l-¥-0.6N-0.53.5 ah-0.121.2•N2-<r_,1.3Де — размах полных деформаций в циклеN — число циклов до разрушения*Р — коэффициент поперечного сужения при одноосном растяженииРе,%Ттах_£.1т.^100%TminРис. 1.19. Типовой цикл температурного нагружения крышки цилиндрапри работе двигателя53Предложенная Биргером зависимость более полно описывает процесс накопления повреждений в металле при циклической нагрузке без проявления релаксации и ползучести:1 Г, 1 \ •N- >ЛЕ = — -\ In2 \ 1-у/)u2-а_, (NAо+11.4KN Jгде N 0 — база определения предела выносливостиm — тангенс наклона кривой многоцикловой долговечности.При этом в последнюю зависимость можно внести поправку на несоответствие частоты нагружении при определении предела выносливости и частотыприложения действительной нагрузки. В работах [47,50,67] отмечено, что существенную роль в процесс накопления повреждений вносит постоянная составляющая цикла в виде среднего напряжения цикла, что может быть учтеномодификацией уравнения Мэнсона:Л°бJ3 <Г t~„ \-o.6 + 3.5-(crb-am)_NЕ'0.12NАе = 1п-1 5Размах деформации при жестком нагружении предлагается определять:А£=А, 12-а .Г'In+ ?~-^1 + г~ 1-у/ ^ (7 a_t 1 + г*^1 + а1-г\ь 1-г J;1.6где г — коэффициент асимметрии цикла по деформации.Во всех рассмотренных выше уравнениях не учитывают явления ползучести при повышенных температурах цикла, которая может значительно снижатьдолговечность.
Ползучесть проявляется в накоплении односторонней деформации при мягком нагружении, что может приводить к квазистатическому разрыву. Явление ползучести оказывает существенное влияние на исчерпание располагаемой пластичности материала, что (чаще всего) резко снижает сопротивляемость материала при малоцикловом нагружении. Применительно к крышкецилиндра эффект ползучести (релаксации напряжений) приводит к росту размаха деформаций в цикле и, в конечном итоге, росту остаточных напряжений.Вероятно, после некоторого количества циклов, релаксация напряжений вносит54основной вклад в дальнейший рост остаточных напряжений поскольку, приспособляемость конструкции к действию только циклических нагрузок происходитдостаточно быстро.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
