Технические науки

д.т.н. Айнабеков А.И., д.т.н. Сулейменов У.С., магистрант Тлеуова Ж.М., магистрант Жолшиева Л.З.

ЮКГУ им. М.Ауезова

Методика оценки хладостойкости деталей машин и элементов конструкций после длительной эксплуатации

Хладостойкость деталей машин и элементов конструкций – это минимально возможная температура эксплуатации, при которой конструкция выполняет заданные функции без риска возникновения разрушения после длительного периода эксплуатации.

Инженерные расчеты на прочность и надежность деталей машин и конструкций, эксплуатирующихся при низких температурах, представляются в виде системы расчетов на хладостойкость, основные этапы которой можно представить в виде [1]:

- оценка предельного состояния и факторов, влияющих на хладостойкость детали или элемента конструкции после длительной эксплуатации;

- оценка параметров хладостойкости, которые характеризуют количественный запас прочности, ресурса и риск отказа детали или элемента конструкций;

- разработка и обоснование методики расчета параметров хладостойкости;

- составление регламентирующей научно-технической документации, технико-экономический анализ параметров и выбор оптимального режима эксплуатации машин и элементов конструкции по техническому состоянию в условиях низких температур.

Однако в практике инженерных расчетов на хладостойкость достаточно сложно провести точный расчет параметров хладостойкости из-за недостаточно полного объема экспериментальной информации показателей прочности и нагруженности исследуемой машины или ее детали, элемента конструкций, с одной стороны, и сложности описания предельного состояния детали или элемента конструкций при низких температурах, с другой стороны.

Существующие методики оценки хладостойкости деталей машин и конструкций не связаны с их расчетом на хрупкую прочность.

В этих методиках не учитываются случайный характер внешних воздействий на конструкцию и ее поведение в процессе эксплуатации. Эти методы в основном разрабатывались в рамках общей теории механических систем и требуют практического приложения.

В связи с этим возникает необходимость количественной оценки хладостойкости машин и конструкций, а также достоверной оценки разрушающих напряжений по результатам оценки характеристик трещиностойкости по стандартным испытаниям образцов.

В настоящей работе приводится алгоритм оценки хладостойкости машин и конструкций, основанного на использовании температуры их эксплуатации как расчетного фактора и построенных на полученных испытаниями стандартных образцов характеристик статической трещиностойкости в условиях низких температур и на общей схеме расчета изменения второй критической температуры вязкохрупкого перехода.

При составлении алгоритма оценки хладостойкости машин и конструкций, исходя из условия перехода с вязко-хрупкого к хрупкому разрушению критерий пластичности определятся по формуле:

(1)

где величина пластической деформации соответственно исходного образца и образца с накопленной поврежденностью.

При выполнении условия прекращается эксплуатация машины или конструкции.

При выполнении условия производится расчетная оценка хладостойкости машины или конструкции.

При прогнозировании хладостойкости машины или конструкции в процессе эксплуатации предлагается следующая схема и выполнения этапов оценки хладостойкости деталей машин и элементов конструкций:

Этап 1. Исходные положения. На этом этапе при проведении оценки хладостойкости на основе нормативного документа ГОСТ 11150-84 выполняется следующее:

- определяется марка конструкционной стали;

- определяются механические характеристики конструкционной стали ( - предел прочности, - предел текучести и – относительное сужение) в исходном состояний;

- устанавливаются предельные кривые потери пластичности при низких температурах;

- производится оценка зависимости потери пластичности для образцов от температуры;

- производится оценка поврежденности конструкционной стали по уровню потери пластичности;

- прогнозируется хладостойкость машины или элемента конструкции.

Этап 2. Определение механических характеристик конструкционной стали. На этом этапе выполняется слдеующее:

- проводятся механические испытания образцов по ГОСТ 11150-84 и определяются механические характеристики конструкционной стали в исходном состоянии;

- на основе результатов механических испытаний устанавливается зависимость предела ползучести от температуры ;

- устанавливается вид функции и определяются коэффициенты аппроксимации.

Этап 3. Установление предельной кривой потери пластичности.

На данном этапе для конструкционной стали устанавливается предельная кривая потери пластичности при низких температурах, для чего:

- строится критериальная зависимость отношений механических свойств от потери пластичности . Определяются коэффициенты аппроксимации в уравнении

. (2)

Этап 4. Установление зависимости потери пластичности от температуры.

На этом этапе производится оценка потери пластичности образцов от температуры, для чего выполнятся следующее:

- строится зависимость коэффициента потери пластичности от температуры;

- определяются коэффициенты аппроксимации в уравнений

(3)

где - коэффициенты для конструкционной стали.

Этап 5. Оценка поврежденности конструкционной стали по уровню потери пластичности.

На этом этапе выполняется следующее:

- моделируется поврежденность на образцах;

- устанавливаются уровни потери пластичности и проводится корреляция между потерей пластичности и микротвердостью, для чего по результатам измерения микротвердости образцов строится корреляционная зависимость коэффициента потери пластичности и микротвердости:

- производится оценка поврежденности конструкционной стали по уровню потери пластичности по критерию

Этап 6. Оценка предельного состояния при потере пластичности, в зависимости от температуры.

Основное уравнение для определения второй критической температуры вязкохрупкого перехода записывается в виде:

(4)

где - вторая критическая температура перехода в хрупкое состояние.

Этап 7. Прогнозирование хладостойкости детали машины и элемента конструкции. На этом этапе за показатель хладостойкости элемента конструкции принимается вторая критическая температура вязкохрупкого перехода и выполняется следующее:

- производится оценка второй критической температуры вязкохрупкого перехода с учетом конструктивных параметров по формуле

(5)

где - действующие эквивалентные напряжения, которые зависят от характера напряженного состояния детали машин или элемента конструкций;

- производится оценка хладостойкости элемента конструкций по критерию хладостойкости

(6)

где - минимальная температура эксплуатации.

При выполнении условия , эксплуатация машины или конструкции запрещается.

При выполнении условия оценивается запас прочности по температуре и назначается регламент по эксплуатации.

В результате проведенных исследований решена важная инженерная задача оценки остаточного ресурса и хладостойкости детали машин и элемента конструкции, которая может быть использована для совершенствования действующих нормативно-технических документов, регламентирующих порядок и проведение оценки хладостойкости, прочности и надежности детали машин и элемента конструкций.

Литература:

1. Ларионов В.П. и др. Сварка и проблемы вязкохрупкого перехода. – Новосибирск: Издательство СО РАН, 1998. - 593 с.

2. ГОСТ 11150-84 Металлы. Методы испытания на растяжение при пониженных температурах.