Scientific journal
Advances in current natural sciences
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,775

CHANGES IN THE STRUCTURE AND DAMAGING THE SURFACE OF THE STEEL DURING CYCLIC LOADING AND THEIR RELATIONSHIP WITH INDICATORS OF FATIGUE RESISTANCE

Romashev M.A. 1
1 Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev
The changes in the structure and of damage to the steel surface 30HGSN2A during cyclic loading schemes cantilever bending and rotating samples flat lateral bending. The dependence of the slope of the left branch of the curve of fatigue and material damage of the surface layers of the sample.
surface damaging
fatigue resistance
strength
durability
endurance limit
frequency of loading cycles
scale effect.

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.