Разработка методики выращивания усталостных трещин на моделях судовых валов

№11, 2005г.

111

УДК: 658.52.011

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ВЫРАЩИВАНИЯ УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН НА МОДЕЛЯХ

СУДОВЫХ ВАЛОВ

Т.А. Кужахметов

Астраханский государственный технический университет, г. Астрахань

Судовые валы являются ответственными деталями судовых энергетических установок, к которым предъявляются высокие требования по надежности и долговечности. В процессе эксплуатации валы приобретают дефекты в виде усталостных трещин, которые, являясь сильными концентраторами напряжений, приводят к усталостному разрушению. Именно поэтому Правилами морского Регистра судоходства эксплуатация валов с трещинами запрещена.

Однако исследователями было отмечено существование трещин, остановившихся в своем развитии. Такие трещины определили в класс нераспространяющихся. Присутствие таких трещин обусловлено изменением условий нагружения, изменением напряженного состояния в вершине трещины, поверхностным упрочнением путем пластического деформирования, свойствами материала, изменением окружающей среды и др.

Известно, что трещина претерпевает два основных периода при своем существовании: зарождение и развитие. По некоторым данным известно, что одним из факторов, тормозящим рост трещин, является поверхностный наклеп, который оказывает гораздо большее воздействие на период развития трещины, чем на ее зарождение. Однако не до конца изучены вопросы влияния поверхностного пластического деформирования на кинетику трещин, напряженно-деформированное состояние в вершине трещины, на усталостные характеристики деталей с трещинами.

В связи с вышесказанным была поставлена задача оценить влияние поверхностного пластического деформирования на усталостные характеристики моделей судовых валов.

Исследование данного вопроса включает в себя выращивание трещин определенной глубины с последующим обкатыванием роликом.

Трещину выращивали на круглых образцах с полукруглой выточкой (рис 1). Диаметр выточки в опасном сечении составляет 20 мм. Коэффициент концентрации напряжений равен единице.

Рис. 1. Круглые образцы с полукруглой выточкой

Образцы изготовлены из поковок Стали 35 ГОСТ 1050-88. Химический состав и механические свойства стали приведены в таблице 1.

Таблица 1

Химический состав и механические свойства Стали 35

Химический состав

Содержание элементов, %

С Мп Сг N1 Р 8 Си

0,377 0,621 0,211 0,204 0,052 0,00 0,043 0,231

Механические свойства

ах, МПа ав, МПа апц, МПа 5, % V, % Е, хШ24 Н/мм

288...302 582.604 278.299 23.30 46.50 1,1.1,9

Для определения скорости роста трещин было испытано 13 образцов на выносливость при круговом изгибе. Частота нагружения образцов составила 7,12 Гц. Выращивание трещины производилось в два этапа: первый - зарождение при высоком уровне нагружения 295 МПа, второй - развитие или стабильный рост при низком уровне - 265 МПа. Понижение напряжений было необходимо для получения более точных значений скорости роста трещин. Выбор напряжений обусловлен рекомендациями, по которым верхний предел составляет

112

Вестник ДГТУ. Технические науки.

(0,9... 1,1)ат, а нижний - 1,1о.1.

При напряжении в опасном сечении равным 295 МПа трещина появлялась после 8-10 циклов, после чего напряжения уменьшались до 265 МПа. На низком уровне напряжений образец испытывался на протяжении 5-10 .10 циклов до получения трещины длиной 11.15 мм. Затем образец доламывался вручную и производился анализ излома (рис 2), обмер трещины и вычисление скооости поста.

Рис. 2. Изломы образцов

Появление и рост трещины наблюдались через микроскоп УШМ-1 увеличением 56, 64 и 120 крат. Длина трещины измерялась с помощью окуляра с восьмикратной мерной шкалой. Шкала была отградуирована с ценой деления 0,02 мм. Для наблюдения делались перерывы в испытаниях через каждые 25600 и 12800 циклов.

Результаты проведенных испытаний представлены в таблице 2.

Таблица 2

№ образц а Зарожден ие трещины, цикл. Рост трещины, цикл. Длина зародивш. трещины, мм Длина трещины после долома, мм Глубина трещины, мм Скорость роста, мм/цикл

1 115290 32210 - 11,2 4,23 1,32Ы0-4

2 106750 75150 - 14,98 5,22 6,919-10-5

3 104620 15800 - 13,51 4,73 2,994-10-4

4 96080 77710 - 12,67 4,11 5Д47-10-5

5 58070 57650 - 12,56 3,56 6,419-10-5

6 84120 51240 1,74 12,82 4,46 8,977-10-5

7 153720 40140 2,34 12,66 3,89 9,716-10-5

8 47400 145610 0,14 10,88 3,45 2,372-10-5

9 162690 44410 2,80 15,45 5,14 1Д26-10-4

10 55510 283960 0,43 14,73 4,52 1,609-10-5

11 64050 179340 0,44 16,06 5,81 3,234-10-5

12 94370 153720 0,37 25,6 6,19 4,033-10-5

13 102480 90950 0,42 29,7 7,75 8,85Ы0-5

Из таблицы 2 видно, что значения скорости роста трещин находятся в пределах от 2,372-10- до 1,32Ы0- мм/цикл. Найдено среднее значение скорости роста трещин равное 7,708-10- мм/цикл.

В продолжение эксперимента будут выращены трещины в образцах заданной глубины. Образцы подвергнутся обработке поверхностным пластическим деформированием путем обкатывания роликом. Упрочненные образцы будут испытаны на усталостную прочность для определения характеристик выносливости моделей валов.

Исследование данного вопроса позволит установить закономерность развития и остановки роста усталостных трещин. Это позволить восстанавливать работоспособность судовых валов с трещинами и увеличивать срок их службы.