CC BY
37
позволяет практически избежать протекания процессов разупрочнения в армирующих волокнах и сохранить их исходные прочностные и пластические свойства.
Список литературы
1. Свойства композиционных материалов / [А. И. Хацри-нов, А. М. Новцов, Н. X. Валеев и др.]. - Казань : Изд-во КГТУ, 2000. - 110 с. : ил.
2. Милейко С. Т. Будущее композитов и композитоведе-ния / С. Т. Милейко // Машиностроитель. - 2006. - № 5. -С. 42-55.
Лавренко А. С. О кинетике образования локального соединения компонентов в процессе импульсного формирования металлокомпозитов / [А. С. Лавренко, А. В. Коробко, В. Т. Рубан] // Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий: междунар. научн.-техн. конф. : тезисы докл. - Запорожье : ЗГТУ, 1998. - С. 62-64.
Олыпанецкий В. Е. О разупрочнении холоднодефор-мированных вольфрам- и молибденрениевых сплавов при скоростномнагреве / В. Е. Олыпанецкий, А. С. Лавренко, А. В. Коробко // Физика металлов и металловедение. - 1994. - Т. 77, № 2 - С. 154-160.
Одержано 29.04.2011
Коробко О. В., Лавренко А. С. Про формування листових високотемпературних металлокомпозитів з матрицями на основі ніобію, зміцнених тугоплавкими вольфрамовими волокнами
Досліджено процес формування композиційного матеріалу з шаровою ніобій-титановою матрицею, зміцненою тугоплавкими вольфрамовими волокнами. Встановлені причини знеміцнення армувальних волокон. Показано, що використання двоетапного формування металокомпозиту дозволяє зберегти вихідні механічні характеристики армувальних волокон у сформованому композиційному матеріалі.
Ключові слова: композиційні матеріали, властивості, контактне шовне зварювання, параметри, армувальні волокна.
Korobko A., Lavrenko A Formation of sheet high-temperature metal composites with niobium based matrixes, strengthened by refractory tungsten fibers
The formation of a composite material with a layered niobium-titanium matrix reinforced with refractory tungsten fibers was researched. It was shown that the use of a two-stage metal composite formation can keep the original mechanical characteristics of reinforcing fibers in the formed composite material.
Keywords: composite materials, characteristics, contact seam welding parameters, reinforcing fibers.
УДК 620.178.3
Канд. техн. наук А. I. Сочава, канд. техн. наук В. I. Глушко, канд. техн. наук Л.М. Мартовицький, Ю. С. Курлаєва
Національний технічний університет, м. Запоріжжя
ДОСЛІДЖЕННЯ НИЗЬКОЛЕГОВАНИХ СТАЛЕЙ НА ОПІР ВТОМІ В УМОВАХ АСИМЕТРІЇ ЦИКЛУ
Проведені дослідження в умовах асиметрії циклу зразків низьколегованих сталей, які використовують у кранобудуванні. Обгрунтовані аналітичні залежності для апроксимації кривих діаграми граничних амплітуд і діаграми граничних напружень з урахуванням механічних властивостей на стиск та довговічності.
Ключеві слова: асиметрія циклу, діаграма граничних амплітуд, діаграма Сміта.
У механічних машинах більшість деталей несуть по-вгорнозмінні навантаження при різних коефіцієнтах асиметрії як прирозтягувальних, так і стискальних середніх напруженнях циклу Літераіурні джерела мають обмежені дані про опір конструкційних матеріалів утомі при асиметричних навантаженнях. Особливо це стосується режимів з середніми напруженнями стиску Такі обстави-
ни змушують конструкторів використовувати дані випробувань при симетричному згині з наступним перерахуванням їх за допомогою аналітичних залежностей на асиметричні цикли, що не завжди забезпечує правдоподібні оцінки характеристик витривалості конструкційних матеріалів і нерідко призводить до недостатньої міцності виробів або завищеної їх матеріалоємності.
© А. І. Сочава, В. І. Глушко, Л. М. Мартовицький, Ю. С. Курлаєва, 2012
У довідниках дані про витривалість конструкційних матеріалів подаються, як правило, у вигляді таблиць для конкретних значень коефіцієнтів асиметрії циклу і тому мають дискретний характер.
У довіднику про крани [1] наведені границі витривалості низьколешваної сталі з границею міцності <зв - 520 МПа . Опрацьовані довідникові дані для довговічності 2x106 циклів і ефективного коефіцієнту концентрації напружень К= 1 після визначення граничних амплітуд ста та відповідних їм середніх напружень циклу ат при коефіцієнтах асиметрії циклів К : -1; -0,8; -0,6;-0,4;-0,2; 0; +0,2 та режимах з і/д рівними -0,2; -0,4, -0,6; -0,8, подані на рисунку 1.
При цьому апроксимацію кривих діаграми граничних амплітуд (рис. 1) виконано за допомогою формул різних дослідників: крива 1 - за формулою Гербера [2]
= СГ_і[1 ], (1)
крива 2 - за формулою Гуцмана [2]:
аа=а/і-^0, Р)
крива З-за формулою Зодерберга [2]
ст»=ст-(1-^-)’ (3)
криві 4 - за формулою Одінга [3]
(4)
крива 5 - за формулою Сміта [2]
де ст_1 - границя витривалості при симетричному циклі:
аТ - границя текучості.
Аналіз кривих за формулами Гуцмана, Сміта та Зодерберга показав, що оцінки оа є заниженими при середніх напруженнях розтягання і значно завищені при стискальних ат . Криві Одінга дають занижені оцінки аа як при розтягувальних, так і стискаючих середніх напруженнях циклу. Парабола Гербера завищує оцінки граничних амплітуд при стт > 0 і значно їх занижує при стт < 0.
Параболи Гербера і Одінга передбачають однаковий опір утомі при розтяганні і стисканні, що не підтверджується сучасним досвідом. У більшості металів при збільшенні середніх напружень стиску граничні амплітуди спочатку зростають, приблизно до границі текучості, а далі значення иа мають тенденцію до зменшення [4, 5].
Ймовірно, що із збільшенням стискальних та зменшенням розтягувальних напружень циклу змінюються і умови втомною руйнування. Причому у випадку значного середньою напруження стиску з малою роз-тягувальною складовою ці умови будуть залежати, в першу чергу, від міцності матеріалу на стиск. Останнє доцільно враховувати при побудові діаграми граничних амплітуд. Жодна з розглянутих залежностей не враховує механічних характеристик конструкційних матеріалів на стиск, що обмежує їх адекватність.
Цей недолік можна усунути шляхом введення в параболу Гербера границі міцності на стиск стес. При цьому середнє напруження ат має змінюватися в інтервалі авс < ат < ав.
Рис. 1. Апроксимація діаграми граничних амплітуд:
1 - парабола Гербера, 2 - лінія Гудмана, 3 - лінія Зодерберга, 4 - крива Одінга, 5 - крива Сміта, 6 - парабола ЗМІ (ЗНТУ)
Оскільки, коли середні напруження циклу дорівнюють границям міцності аа = 0, то рівняння (1) можна представити таким чином:
а. =а
(ст т ае Х^т
(6)
У такому вигляді залежність (6) має екстремум у середині інтервалу <звс...<зв, що не завжди відповідає фактичній поведінці кривих однакової довговічності. При зменшенні довговічності екстремум цих кривих зміщується вліво [5]. Щоб усунути вказаний недолік, у формулу (б) слід ввести показникову функцію. При цьому формула (б) набуває вигляд:
2ст.
аа=а- 1А
а,-а.
ІСТ™ — ст,
ІСТ™ — ст,
(7)
де А - параметр, що враховує довговічність.
Параметр А визначають за даними експерименту за допомогою методу максимуму правдоподібності, або методу найменших квадратів. Використовуючи метод найменших квадратів, у формулу (7) вводимо заміну:
— ст, — ст,,,
*0 = —
<7е + СТ6 ст„ -<х.
Тоді формула (7) з умовними параметрами запишеться:
,х-хп 1-х2
°о=°-1
1 Лп
(Ю
Для визначення параметра А за результатами експерименту необхідно розв’язати рівняння
к
£
/=1
.М у№)лхг*о 1~хі
-і
1-Х
-хо )
0 )
1~хі л^гхо~1)
1-х
0
= 0, (9)
де - амплітуда симетричного циклу, яка відповідає розрахунковій довговічності N циклів;
-(м)
. - значення амплітуди напруження, що відповідає середньому напруженню циклу ст„, і довговічності N.
к - кількість рівнів середнього напруження.
Пошук параметра А можна здійснити чисельним методом. За нашим досвідом для зразків з ефективним коефіцієнтом концентрації К а = 1 для довшвіч-
ностей 105...107 циклів параметрі рекомендується шукати в інтервалі 0,7. ..1,0.
Задовільна апроксимація наведених даних (рис. 1) має місце, якщо прийняти:
4-
(10)
де А^ - базова довговічність.
При цьому формула (7) для довговічності N набуває вигляд у:
2ст„
ст^=ст<^
1§ 1§ N 'ї °ес (^т °е ^6
СУ, С7,
(П)
На рисунку 1 кривою б показана апроксимація за допомогою залежності (11) вище наведених даних довідника [1] для довговічності 2x106 циклів та
А/^ =10 циклів. Для цієї сталі величини ст,,,.. та <зєс визначені за принципом пропорційності за зразками зі сталі 09Г2С експериментально за стандартною методикою. При збільшенні МЕ кривизна параболи при стт> 0 зменшується, а при ат< 0 збільшується, що можна використати для поліпшення результатів апроксимації кривих.
Із аналізу залежності (11) видно, що для побудови кривих однакової довговічності діаграми граничних амплітуд достатньо мати одну втомну характеристику ст_: та статичні характеристики міцності сте та аєс. Дві останні величини можна визначити на випробувальних машинах статичної дії.
Для перевірки адекватності формули (11) в Запорізькому національному технічному університеті проведені дослідження зразків зі сталі 09Г2С, яка використовується для виробництва метало конструкцій кранів заводом «Запоріжкран» і за механічними характеристиками є аналогом сталі, результати дослідження якої запозичені з довідника [1 ] та наведені на рисунку 1. Випробування зразків типу Ш (ТОСТ 25.502-79) із листа товщиною 5 мм промислової поставки виконано на установці осьового циклічного навантаження [6].
У випробуваннях використовувались зразки з ефективним коефіцієнтом концентрації напружень К = 1. Оскільки більш зручним для конструкторів є представлення результатів досліджень на втому у вигляді діаграми граничних амплітуд або діаграми граничних напружень, випробування виконані при середніх напруженнях циклу 0, +200, +300, -100, -150 МПа до довговічності 5 х 106 циклів.
Результати експерименту представлені на рисунку 2 у вигляді кривих втоми. Із рисунка видно, що збільшення розтягувальних середніх напружень циклу стимулює зменшення аа, при цьому помічається відхилення кривих втоми від прямолінійності. При збільшенні
<5т стискання спостерігається спочатку зростання (5а, а потім його затухання при подальшому збільшенні стискаючих стет.
1 - при <зт = 0,2- при ат = +200 МПа,
З - при <5т = +300 МПа, 4-при от =-100МПа,
5 - при <5т = -150МПа, 6 - при от = -200МПа,
7 - апріорна крива при ат = 0 низьколегованої сталі ое = 520 МПа [1]
На підставі даних рисунка 2 побудована діаграма граничних амплітуд (рис. 3), яка показує, що зразки працюють досить тривало і за границею текучості, але з меншими амплітудами. При режимах навантаження за границею текучості на перших циклах спостерігається так звана циклічна повзучість, при якій пластична деформація накопичується дискретно щоциклу в момент, коли знаки стт і <за співпадають. Явище триває протягом приблизно п’яти тисяч циклів залежно від величин стт та (За з поступовим затуханням. Після цього зразок тривало працює при заданому середньому напруженні та амплітуді циклу.
Така поведінка зразків має місце як при розтягуваль-них, так і стискаючих середніх напруженнях циклу, якщо максимальні за абсолютним значенням напруження перевищують границю динамічної текучості. Подібні явища спостерігались і на інших металах [7-9].
Слід також відзначити, що при випробуваннях на стискання за границею текучості по мірі накопичення циклів робоча ділянка зразків стає пухкою з появою кількох тріщин на поверхні. При подальшому навантаженні настає поздовжня втрата стійкості з вибочу-ванням зразка. Останнє дає підстави припускатися, що під час пульсацій має місце ковзання кристалів під кутом до осі зразка.
Через втрату стійкості неможливо отримати режими за межею агс з довговічністю 105 циклів.
Апроксимація кривих однакової довговічності діаграми граничних амплітуд виконана за допомогою залежності (11). Рисунок 3 підтверджує задовільну адекватність формули для сталі 09Г2С.
Формула (11) також використана для апроксимації даних сталі з ае = 520 МПа [1 ], розглянутої раніше для довговічності 2 х 106 циклів (рис.1, крива 6). З рисунка видно, що дана крива краще за інші наближається до довідникових результатів. Аби побудувати криві діаграми для інших довговічностей, необхідно мати
відповідні значення . Ці труднощі можна подолати, якщо вважати криві втоми аналогічних матеріалів при симетричному циклі еквідистантними. Такою кривою є крива 7 (рис. 2), яка проходить через точку з координатами = 6,3 з с_і =182МПа (табл. 1.5.6 [1]).
За допомогою залежності (11) та запозичених із названої кривої даних побудовані криві діаграми граничних амплітуд для довговічностей 2 х 106, 5 х 105 та 105 циклів, які представлені на рисунку 4. Аналогічно неважко розрахувати і побудувати криві діаграми для будь-яких довговічностей.
Наявність кривих однакової довговічності та формул, що їх описують, дає можливість виконати розрахунок на опір втомі деталей машин, які працюють при
буць-якому коефіцієнті асиметрії циклуй. Визначення а(лг) і <зт , що відповідають коефіцієнту Я, можна здійснити через розв’язання системи рівнянь:
2ст„
(ло _ мю
-і
1§1§ААб
О-., О-.,
а(лг) =
1-й
і+д
(12)
Друге рівняння системи є рівнянням променя г, проведеного під кутом у (рис. 4), для якого
1-Д г-‘ет = ІТкк>
(13)
де Км - коефіцієнт, що враховує масштаб <зт і <за на діаграмі граничних амплітуд.
Цей коефіцієнт визначають за формулою
К.=
де ца і - масштаби напружень відповідно по т а
осям <зт та <за . У цьому випадку Км = 2 ■
Промінь г є місцем положення точок, що відповідають режимам навантажень з даним коефіцієнтом
асиметрії Я. Значення граничних та ат можна
визначити також графічно як координати точки перетину променя г з відповідною кривою однакової довговічності.
Отримане значення може бути використане
для визначення допустимого напруження при проектуванні деталей машин, а також для оцінки запасу
міцності при перевірних розрахунках на опір втомі.
В останньому випадку коефіцієнт запасу визначають за формулою:
п =
(14)
де 8а - масштабний фактор;
р - коефіцієнт, що враховує якість поверхні;
/іа - ефективний коефіцієнт концентрації напружень;
<з'а - амплітудне робоче напруження в деталі.
Отримані результати випробувань на опір втомі можна представити також у вигляді діаграми граничних напружень. Така діаграма у формі діаграми Сміта для сталі 09Г2С приведена на рисунку 5. Криві цієї діаграми для довговічності N описуються залежністю
2ст.
тах(Л0 +п(К')\
тіп “ т -1
(15)
Для визначення граничних напружень проводиться промінь - і під кутом а, для якого
^а =
1 + Д
Робота може бути корисною конструкторам для більш ефективного та економічного використання службових характеристик конструкційних матеріалів, а також дослідникам з метою економії відшкодувань при випробуваннях на опір втомі.
Рис. 4. Діаграма граничних амплітуд низьколегованої сталі (' ст„ = 520 МПа)
Список літератури
Справочник по кранам, том 1 / [В. И. Брауце, М. М. Гох-берг, И. Е. Звягин и др.] ; под ред. М. М. Гохберга. - Л. : Машиностроение, 1988. - 536 с.
Форрест П. Н. Усталость металлов / Форрест П. Н. -М. : Машиностроение, 1973. - 352 с.
Одинг И. А. Допускаемые напряжения в машиностроении и циклическая прочность металлов / Одинг И. А. -М. : Мапггиз, 1962. - 260 с.
Кеннеди А. Д. Ползучесть и усталость в металлах/ Кеннеди А. Д. - М. : Металлургия, 1965. - 312 с.
Сочава А. И. Об апроксимации диаграммы предельных амплитуд с учетом области средних напряжений сжатия / Сочава А. И. // Проблемы прочности. - 1977. -№ Ю. - С. 18-21.
Стенд для испытания металлов при осевых нагрузках в условиях асимметрии цикла : Реферативная информация о законченных научно-исследовательских работах
в вузах УССР / Михайлов П. А., Сочава А. И. - К. : Вигца школа, 1974. - вып. 13.
Minoru Kawamoto. Fatigue Deformation Preceding Fracture under Combined Cyclic and Steady Loads / Minoru Kawamoto, Toshinobu Shibata// Memoirs of the Faculty of Engineering Kyoto Univ. vol. XXXIV, part 1, Japan, Kyoto. - 1972. - P. 125-134.
Neuman R. Strain Bursts and Coarts Slip During Cyclic Deformation of F.C.C. and H.C.P Single Crystals / Neuman R., Neuman P. // Scripta Metallurgica. USA. - 1970. - N 4. -P. 645-650.
Малышев П. H. Циклическая ползучесть и ее роль в формировании остаточных напряжений при осевых нагрузках : тезисы докладов / Малышев П. Н., Михайлов П. А., Сочава А. И. // Циклическая прочность и повышение несущей способности изделии. - Пермь : ППИ, 1978.
Одержано 04.07.2011
Сочава А.И., Глушко В.И., Мартовицкий Л.М., Курлаева Ю.С. Исследования низколегированных сталей на сопротивление усталости в условиях асимметрии цикла
Проведены исследования в условиях асимметрии цикла образцов из низколегированных сталей, используемых в краностроении. Обоснованы аналитические зависимости для описания кривых диаграммы предельных амплитуд и диаграммы предельных напряжений с учетом механических характеристик материала при сжатии и долговечности.
Ключевые слова: асимметрия цикла, диаграмма предельных амплитуд, диаграмма Смита.
Soshava A., Glushko V., Martovytskyi L., Kurlayeva J. Investigation of low-alloy steels for fatigue resistance in the asymmetry cycle
Samples of low-alloyed steels used in crane building were investigated in asymmetrical cycles conditions. Analytical dependencies were grounded for description of limit amplitudes diagram curves and diagram of maximum -minimum tensions, which take into account mechanical characteristics of materials at tensile and durability tests.
Key words: asymmetrical cycles, diagram of limit amplitudes, Smith’s diagram.
