Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,823

ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ И ПОВРЕЖДАЕМОСТИ ПОВЕРХНОСТИ СТАЛИ В ПРОЦЕССЕ ЦИКЛИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ И ИХ ВЗАИМОСВЯЗЬ С ПОКАЗАТЕЛЯМИ СОПРОТИВЛЕНИЯ УСТАЛОСТИ

Ромашев М.А. 1
1 ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»
Рассмотрены изменения структуры и повреждаемости поверхности стали 30ХГСН2А в процессе циклического нагружения по схемам консольного изгиба вращающихся образцов и плоского поперечного изгиба. Выявлена зависимость наклона левой ветви кривой усталости и повреждаемости материала поверхностных слоев образца.
повреждаемость поверхности
сопротивление усталости
прочность
долговечность
предел выносливости
частота циклического нагружения
масштабный эффект.
1. Иванова В.С. Разрушение металлов. – М.: Металлургия, 1979.
2. Иванова В.С., Терентьев В.Ф. Структура и усталостное разрушение металлов. – М.: Металлургия, 1975.
3. Mylnikov V.V., Shetulov D.I., Chernyshov E.A. Influence of the heat treatment of 03H18K9M5T-ЭЛ E{cyrillic}L{cyrillic} steel on its microplastic and cyclic deformation // Steel in Translation. – 2013. – Т. 43, № 11. – С. 695-697.
4. Терентьев В.Ф. Усталостная прочность металлов и сплавов. – М.: Интермет инжиниринг, 2002.
5. Mylnikov V.V., Rozhkov I.I., Shetulov D.I. Damage to the surface of rare-earth metals und er cyclic loading with changes in cycle frequency // Modern scientific research and their practical application. – 2013. – Vol. J11307. – № 4. – pp. 206-213.
6. Анализ аварийных разрушений / А.Дж. Мак-Ивили; пер. с анг. Э.М. Лазарева, И.Ю. Шкадиной; под. ред. Л.Р. Ботвиной. – М.: Техносфера, 2010.
7. Готтштайн Г. Физико-химические основы материаловедения / пер. с англ. К.Н. Золотовой, Д.О. Чаркина; под. ред. В.П. Зломанова. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011.
8. Мыльников В.В., Чернышов Е.А., Шетулов Д.И. Прогнозирование циклической прочности и долговечности конструкционных материалов. – М.: Издательство “Спутник+”, 2013.
9. Механика разрушения и прочность материалов: справ. пособ. / под. ред. В.В. Панасюка. – Т. 4. Усталость и циклическая трещиностойкость конструкционных материалов / О.Н. Романив, С.Я. Яремы, Г.Н. Никифорчин и др. – Киев: Наукова думка, 1990.
10. R.W.K. Honeycombe. The Plastic Deformation of Metals. – London: Edward Arnold Ltd., 1984.
11. Shetulov D.., Myl’nikov V.V. Fatigue Induced Damage of High Strength Steels // Russian Metallurgy. – 2014. – № 3. – pp. 241–245.
12. Трощенко В.Т. Прочность металлов при переменных нагрузках. – Киев: Наук. думка, 1978.
13. Владимиров В.И. Физическая природа разрушения металлов. – М.: Металлургия, 1984.
14. Мыльников В.В., Чернышов Е.А., Шетулов Д.И. Влияние частоты циклического нагружения на сопротивление усталости высокопрочных конструкционных материалов // Заготовительные производства в машиностроении. – 2009. – №2. – С. 33-36.
15. Мыльников В.В. Частота циклического нагружения как фактор влияющий на изменение прочности и долговечности конструкционных материалов // Сборник материалов VIII Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико-химия и технология неорганических материалов». – М: ИМЕТ РАН, 2011. – С. 87-88.
16. Myl’nikov V.V., Shetulov D.I., Chernyshov E.A. Variation in faktors of fatigue resistance for som pure metals as a function of the freguensy of loading sycles // Russian Journal of Non-ferrous metals. – 2010. – Vol. 51. – № 3. – pp. 237–242.
17. Мыльников В.В., Чернышов Е.А., Шетулов Д.И. Влияние фактора частоты циклического нагружения на изменение повреждаемости поверхности и наклона кривой усталости при деформации изгиба вращающихся образцов // Сборник материалов IV Международной конференции «Deformation and Fracture of Materials and Nanomaterials». – М.: ИМЕТ РАН, 2011. – C. 984-985.
18. Мыльников В.В., Чернышов Е.А., Шетулов Д.И. Влияние частоты циклического нагружения на суммарную пластическую деформацию конструкционных материалов // Международный журнал экспериментального образования. – 2013. – №10 (часть 2). – С. 380-381.
19. Мыльников В.В. Анализ влияния частоты циклов нагружения на суммарную пластическую деформацию металлических материалов / В.В. Мыльников, Д.И. Шетулов, И.И. Рожков, А.И. Пронин // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2013. – №10 (часть 2). – С. 228.
20. Mylnikov V.V. Accelerated metod to forcast the parameters of metal materials fatigue resistance with consideration of repeated loading frequency // International Journal Of Applied And Fundamental Research. – 2013. – № 2 –www.science-sd.com/455-24311.
21. Мыльников В.В., Шетулов Д.И., Чернышов Е.А. Температурно-скоростные зависимости сопротивления деформации некоторых чистых металлов // Литейные процессы. – 2012. – №11. – С.124-132.
22. Шетулов Д.И. К оценке сопротивления усталости материалов по повреждению поверхностных аномальных слоев // Физико-химическая механика материалов. – 1984. – № 6. – С. 117.
23. Шетулов Д.И. Связь сопротивления циклической нагрузке с повреждаемостью поверхности металлов // Известия Академии Наук. Металлы. – 1991. – №5. – С. 160.
24. Мыльников В.В., Шетулов Д.И., Чернышов Е.А. Исследование повреждаемости поверхности чистых металлов с учетом частоты циклического нагружения // Известия вузов. Цветная металлургия. – 2013. – №2. – С. 55-60.
25. Мыльников В.В., Рожков И.И., Шетулов Д.И. Повреждение поверхности редкоземельных металлов в условиях циклического нагружения при изменении частоты циклов // Сборник научных трудов Sworld. – 2012. – Т. 9, № 4. – С. 69-76.
26. Мыльников В.В., Шетулов Д.И., Рожков И.И. Повреждаемость поверхностных слоев стали 30ХГСН2А в условиях циклического нагружения // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2013. – №10 (часть 2). – С. 244.
27. Мыльников В.В. Связь коэффициента формы повреждений с показателями сопротивления усталости стали 30ХГСН2А / В.В. Мыльников, Д.И. Шетулов, А.И. Пронин, И.И. Рожков // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2013. – №10 (часть 2). – С. 229.
28. Мыльников В.В., Шетулов Д.И., Чернышов Е.А. Об оценочных критериях долговечности углеродистых сталей // Технология металлов. – 2010. – № 2. – С. 19-22.
29. Мыльников В.В., Чернышов Е.А., Шетулов Д.И. Разработка оценочных критериев прочности и долговечности конструкционных сталей в условиях циклической нагрузки // Труды Межрегиональной научно-практической конференции «Заготовительные производства и материаловедение» посвященной 100-летию профессора А.А. Рыжикова, НГТУ. – Н.Новгород, 2009. – С. 90-96.
30. Myl’nikov V.V., Shetulov D.I., Chernyshov E.A. Investigation into the Surface Damage of Pure Metals Allowing for the Cyclic Loading Frequency // Russian Journal of Non Ferrous Metals. – 2013. – Vol. 54. – № 3. – pp. 229–233.
31. Мыльников В.В., Чернышов Е.А., Шетулов Д.И. Изменения показателей сопротивления усталости некоторых чистых металлов в зависимости от влияния частоты циклов нагружения // Известия вузов. Цветная металлургия. – 2010. – №3. – С. 40-45.
32. Мыльников В.В., Шетулов Д.И., Пронин А.И., Чернышов Е.А. Прогнозирование прочности и долговечности материалов деталей машин и конструкций с учетом частоты циклического нагружения // Известия вузов. Черная металлургия. – 2012. – №9. – С. 32-37.
33. Мыльников В.В. Связь параметра сопротивления усталости с повреждаемостью поверхности стали 30ХГСН2А // Сборник трудов SWorld. – 2012. – Вып. 3. – Т. 10. – Одесса. – С.56-62.
34. Мыльников В.В., Чернышов Е.А., Шетулов Д.И. Связь параметров сопротивления усталости ряда конструкционных материалов с изменением частоты циклического нагружения // Заготовительные производства в машиностроении. – 2012. – №7. – С. 41-45.
35. Мыльников В.В. Зависимость сопротивления усталости конструкционных материалов от частоты циклического нагружения / В.В. Мыльников, Д.И. Шетулов, Е.А. Чернышов, А.И. Пронин // Технология металлов. – 2013. – № 9. – С. 30-38.

Циклические нагрузки, изменяющиеся по величине и напряжению, при которых работают некоторые детали машин и конструкций, заметно снижают прочность и долговечность, так как при повторно-переменном напряжении металл разрушается от усталости. Характерной особенностью такого разрушения является тот факт, что разрушение происходит при напряжениях меньших предела прочности, текучести и упругости. В металлах и сплавах появляются микротрещины, которые постепенно развиваются и приводят к разрушению деталей [1-13].

Известно, что на сопротивление разрушению металлов и сплавов при циклическом нагружении оказывает влияние большое количество факторов: природа металла, температура, масштабный эффект, концентрация напряжений, асимметрия циклического нагружения, частота циклов и др. [8,12,14-19].

Целью работы является изучение изменения структуры и повреждаемости поверхности стали 30ХГСН2А в процессе различных видов циклического нагружения, и определение закономерностей изменения показателей сопротивления усталости в зависимости от влияния частоты циклического нагружения и масштабного эффекта.

Неоднозначное влияние фактора ω и масштабного эффекта было рассмотрено в ряде работ [14÷20]. Изменение частоты циклических напряжений приводит к изменению скорости деформации, а при нагружении образца сначала деформируется его поверхностный слой [21-22]. Деформация поверхностного слоя именуется поверхностными эффектами. Поверхностные эффекты есть следствие физических процессов, происходящих в слое с аномальными свойствами. В представленной работе основное внимание уделено исследованию изменений микро и субмикроструктур в процессе циклического нагружения.

В настоящее время механическое оборудование работает в широком диапазоне напряжений и долговечности от области малоциклового нагружения до базового числа циклов усталости. Фиксированная величина, предел выносливости не соответствует надежной оценке сопротивления усталости деталей машин и конструкций. Чтобы указанная оценка была более надежной, должны фигурировать две величины: напряжение (ограниченный предел выносливости σ) и долговечность (количество циклов до разрушения N). Тогда следует ввести показатель, выражаемый отношением приращения напряжения dσ к приращению долговечности dN. Таким образом, получаем тангенс угла наклона касательной к кривой усталости и соответственно к оси N. Сравнение поведения разных металлов по тангенсу угла наклона, записанному в виде отношения dσ/dN является сложным, так как в каждый последующий момент описанная функция насыщается. Таким образом, обычные координаты σ – N не являются удобными. Удобными координатами являются логарифмические. Они удобны тем, что кривые усталости, в сущности, превращаются в прямые.

missing image file

представляет собой постоянную величину, что позволяет проводить обобщения широкой гаммы материалов и условий их испытания. Наклон tg αw зависит от ряда различных факторов. Факторы, определяющие природу усталости, так или иначе влияют на положение кривой в координатах lg σ – lg N, поэтому наклон tg αw может выступать как характеристика, отображающая физические явления, происходящие в образцах (деталях), а точнее, в их поверхностных слоях, которые имеют свойства, отличные от свойств глубинных слоев материала [14÷20].

В материале этих слоев при деформации деталей происходят физические процессы повреждаемости. Проблема оценки прочности и долговечности деталей машин и конструкций по повреждению материала поверхностных слоев, в настоящее время особенно актуальна, т.к. увеличилось количество катастроф, аварий и т. п. связанных с усталостным разрушением используемых материалов.

Повреждение поверхности оценивается по изменению микроструктуры материала под действием циклических напряжений [23-27]. В качестве оценочной характеристики служат полосы скольжения, возникающие на шлифе образца, изготовленного в зоне наибольших напряжений [28-30]. Для исследований были изготовлены образцы небольшого диаметра (5 и 10 мм) и плоские (3х3 мм) с десятикратной длиной. Испытания образцов обрабатывались методом математической статистики с построением «спрямленных» кривых усталости по уравнению:

lg σ = (lg σ)0 – tg αw lg N

при удовлетворительном коэффициенте корреляции (Ккор).

Наряду с параметром сопротивления усталости tg αw, речь идет и о повреждаемости поверхности, оценочным показателем которой являются полосы скольжения [31-35]. Сталь марки 30ХГСН2А является одним из лучших материалов в смысле показателя сопротивления усталости и повреждаемости поверхности. Для этой стали в закаленном состоянии tg αw = 0,08723 при испытании плоских образцов; tg αw = 0,1299 и tg αw = 0,09257 при вращении круглых изогнутых образцов диаметром 10 мм (рис. 1). Вид испытания мало сказался на величине показателя сопротивления усталости. Отжиг тех же круглых образцов привел к небольшому ухудшению показателя tg αw и к более значительному уменьшению абсолютного значения предела усталости на базе, превышающей 106 циклов (рис. 1). Увеличение абсолютных размеров образцов приводит к ухудшению показателя сопротивления усталости (рис. 2). Микроструктуры стали после испытаний представлены на рис. 3 и 4.

missing image file

Рис. 1. Кривые усталости стали 30ХГСН2А при температуре 20̊ С: 1,2 – деформация изгиба вращающихся круглых образцов диаметром 10 мм, ω = 50 Гц (1 – образцы отожжены); 3 – деформация поперечного изгиба плоских образцов сечением 3х3 мм, ω = 3,33 Гц (закаленные образцы)

missing image file

Рис. 2. Кривые усталости закаленной стали марки 30ХГСН2А при температуре 20oС: 1, 2 – образцы диаметром 5 и 10 мм соответственно

missing image file

Рис. 3. Микроструктура закаленной стали 30ХГСН2А после циклического плоского изгиба образца сечением 3х3 при температуре 20oС; (х 416); ω = 3,33 Гц; σ = 930 МПа; N = 1500 циклов. Образец не разрушен

missing image file

Рис. 4. Повреждение поверхности закаленной стали 30ХГСН2А после плоского изгиба образца сечением 3х3 при температуре 20oС; (х 340); ω = 3,33 Гц; σ = 980 МПа; N = 1,3·104 циклов (полная наработка). Шлиф не травлен

Выводы

У стали 30ХГСН2А выявлена закономерность соответствия показателя сопротивления усталости и повреждаемости материала поверхностных слоев образца. Соблюдается правило: чем больше повреждаемость, тем хуже сопротивляется материал усталости (больше tg αw). Зависимость tg αw = f(Ф) не прямолинейная.


Библиографическая ссылка

Ромашев М.А. ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ И ПОВРЕЖДАЕМОСТИ ПОВЕРХНОСТИ СТАЛИ В ПРОЦЕССЕ ЦИКЛИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ И ИХ ВЗАИМОСВЯЗЬ С ПОКАЗАТЕЛЯМИ СОПРОТИВЛЕНИЯ УСТАЛОСТИ // Успехи современного естествознания. – 2015. – № 1-1. – С. 67-70;
URL: http://www.natural-sciences.ru/ru/article/view?id=34779 (дата обращения: 16.04.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074