CC BY
37
УДК 669.14.08.294
I. О. ВАКУЛЕНКО, М. А. ГРИЩЕНКО (ДПТ), О. М. ПЕРКОВ (1ЧМ НАНУ)
ДОСЛ1ДЖЕННЯ ЕТАП1В ЗАРОДЖЕННЯ ТА ЗРОСТАННЯ ТР1ЩИН ПРИ НАТУРНОМУ ВИПРОБУВАНН1 НА ВТОМЛЕН1СТЬ
Для 3ani3HH4HOi oci в залежностi ввд стадiй зростання трiщини наведеш 3aKOHOMipHi змши структуры по-верхш руйнування при випробуваннях на втомлювaнiсть.
Для железнодорожной оси в зависимости от стадий роста трещины приведены закономерные изменения структуры поверхности разрушения при испытаниях на усталость.
For a railway axle in dependence on stages of crack growth the regular changes of structure of destruction surface during the fatigue tests are presented.
В сучасних умовах роботи мережi залiзнич-ного транспорту Укра!ни, коли одночасно зi збшьшенням навантаження шдвищують швид-юсть перевезень, ощнка ресурсу роботи елеме-нпв рухомого складу е достатньо актуальною проблемою. Враховуючи умови використання, можна вважати, що одним iз найбiльш наван-тажених елементiв колюно! пари е залiзнична вiсь. Циклiчна змiна рiзноманiтних впливiв сприяе зародженню та зростанню трiщин рiзно! природи походження вiд трiщин втомлення до трщин iмпульсного навантаження металу, при цьому швидюсть !х зростання може змшювати-ся в дуже широкому iнтервалi значень [1, 2].
Систематизащя випадкiв формування тр> щин в залiзничних осях вантажних вагонiв ука-зуе на необхiднiсть систематичного тдходу до оцiнки процесiв руйнування осей з урахуван-ням виконання вимог нормативно -техшчно! документаци як при виготовленш осi, так i вимог стосовно умов експлуатаци. Аналiз отри-маних результатiв показуе, що при зародженш та подальшому зростанш трiщини розвиток процесiв структурних перетворень, яю в свою чергу обумовлеш кiнетикою накопичення де-фектiв кристатчно! будови металу, в значнiй мiрi зв'язанi з первинним структурним станом металу при виготовленш ос [3].
Мета роботи - дослщження етатв зростання трiщини при циклiчних навантаженнях тд час ресурсних випробувань залiзнично! осi.
Для проведення дослiджень була вибрана залiзнична вiсь поточного виробництва Днш-родзержинського металургiйного комбiнату. Проведення стандартних випробувань показало, що як за хiмiчним складом (0,46 % С, 0,75 % Мп, 0,22 % 81, 0,017 % 8, 0,016 % Р), так i по рiвню механiчних властивостей при розтя-жiннi (межа мщносп 667 Н/мм2, вiдносне по-
довження 24,5 %, ударна в'язкiсть 0,6 МДж/м2) метал залiзнично! осi повшстю вiдповiдае ви-могам ГОСТу 4728-96. Металографiчнi досл> дження проводили з використанням св^лового мiкроскопа "Epiquant". Фактографiчнi досл> дження були використанi для пояснень щодо змiн внутршньо! будови металу тд час зростання трщини в процесi ресурсних випробувань залiзнично! осi.
Додатково до дослщжень хiмiчного складу металу ос та рiвня механiчних властивостей на вщповщшсть вимогам нормативно-техшчно! документаци, був проведений аналiз мшро-структури сталь Структура металу ос являе собою дрiбно пластинчатий перлiт з визначе-ною морфологiею та кiлькiстю структурно в> льного фериту, який розташований по границях перлiтних колонiй (рис. 1).
Рис. 1. Структура стал шийки зaлiзничноi осi, (збiльшення 800)
Структура, яка приведена на рис. 1, являе собою найбшьш типовий вигляд та повшстю вщповщае стехюметрп. О^м цього, досл> дження мiкроструктури металу показали наяв-нiсть неметалевих включень рiзноi природи походження, якi за розмiрaми, кiлькiстю та морфологiчними особливостями повшстю вщ-
повщають вимогам ГОСТу 4728-96.
Для оцшки pÍBHH опору металу процесам за-родження трiщин втоми були проведеш досл> дження по визначенню межi мiцностi з аналiзу побудовано! дiаграми Велера (рис. 2).
а©
мп'а э \ 5Ú0- ^ \
\ i
400-
зоо-
"-.se- \
10' 2 3 4SÍ7H9ltf 1 ¡y S IC
Рис. 2. Вплив амплгтуди навантаження (а а) на кшь-kíctb цикл1в (Nt) до руйнування зразка (1) i зал1з-нично! осi (2)
Випробування проводили на цилiндричних зра-зках, яю пiддавалися навантаженню при згиш з обертанням. По зовнiшньому вигляду дiаграму необхiдно пiдроздiлити на двi дiлянки: для kí-лькостi циктв навантаження до 4 • 105 та бiльше цього значення, яю вiдповiдають мало- та вели-коцикловому втомленню, вiдповiдно. Врахо-вуючи той факт, що для оцiнки мщшсних характеристик металу, коли випробування проводилось на зразках, часто обмежують кiлькiсть ци-клiв до руйнування базовими значеннями, в першому наближеннi можна прийняти значення 265 Н/мм2 як умовну величину меж мщ-ностi при втомь Однак, за методикою натурних випробувань на втомлюванiсть залiзничних осей ампл^уда навантаження дорiвнювала 195 Н/мм , а Nf руйнування досягло значення
8 •ÍO6 циклiв. Незважаючи на несшвпадшня схеми навантаження зразкiв (згин з обертанням) та при натурних випробуваннях затзнич-но! ос (згин), разом з впливанням масштабного фактора, була отримана достатньо висока коре-лящя експериментальних даних (рис. 2). Отри-маний результат дозволяе переносити пояснен-ня щодо стадiйностi процешв втомлення, отри-маних на зразках, на загальну картину розвитку трщини при руйнуваннi залiзничноl осi (рис. 3).
За зовнiшнiми якiсними ознаками поверхню зламу можна пiдроздiлити на декшька областей (рис. 4). В област I, в мiсцi А вщбулося заро-дження трiщини, яка за рахунок накопичення
дефекпв кристатчно! будови в гирлi при цик-лiчному навантаженнi послiдовно зростала.
Рис. 3. Вигляд фрагменту поверхш руйнування зал1знично! оС тсля натурних випробувань
В
А
Рис. 4. Злам зал1знично1 ос тсля випробувань на циктчний згин, (зменшення в 2,3 рази)
Змша вигляду зламу свщчить, що послiдов-не зниження перетину неушкодженого металу осi супроводжувалось неухильним тдвищен-ням швидкостi вiд шкубацшного до прискоре-ного перiодiв [2, 4]. Але за рахунок симетрич-ного циклу навантаження, коли до 30...35 % перетину ос було пройдено трщиною, а i! ор> ентацiя послiдовно вiдхилялась вiд площини перетину (рис. 3), при визначених умовах ii зростання було зупинено. Обумовлено наведе-не явище формуванням умов на протилежнiй боковiй поверхш другого зародка трiщини (В). Висока швидюсть зростання трiщини В, практично без ознак втомлення привела до розвитку процешв деформацiйного змiцнення i, як насл> док цього, до тдвищення опору зростаючо! трiщини. Внаслiдок цього подальше зростання трщини перейшло в область III, з явними озна-
ками малоциклового втомлення. Пщтверджу-ють це формування чисельних дрiбних борозе-нок (рис. 4).
Пюля досягнення перетину неушкодженого металу критичного значення вщбувся перехiд трiщини вiд осередкiв А i В у стадiю остаточного статичного долому (IV). Достатньо висока швидюсть остаточного руйнування ос тдтвер-джуеться наявнiстю радiальноl зони в зламi з дуже грубими рубцями. О^м цього, орiентацiя наведених рубщв показуе, що домiнуючим в формуванш зони IV е розповсюдження руйнування вiд первинно! трщини втоми вiд осеред-ку А.
На тдстав проведених дослiджень, за вщ-сутнютю явних ознак по впливу на характер зростання трiщин втомлення з боку структур-них параметрiв металу (неоднорщнють струк-тури металу, перебшьшення припустимо! меж по впливу неметалевих включень), можна вва-жати, що залiзнична вiсь являе собою достат-
ньо надшний елемент рухомого складу в pa3i дотримання вимог нормативно-техшчно! доку-ментаци щодо умов И використання.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Трощенко В. Т. Усталость и неупругость металлов. - К.: Наук. думка, 1971. - 267 с.
2. Вакуленко I. О. Визначення коефщента штенси-вносп напружень при зародженш трщин / I. О. Вакуленко , О. О. Чайковський, М. А. Гри-щенко // МтаТОМ, 2007. - № 2. - С. 44-47.
3. Вакуленко И. А. Структура и свойства углеродистой стали при знакопеременном деформировании. - Д.: Gaudeamus, 2003, - 94 с.
4. Иванова В. С. Современные представления о природе усталостного разрушения и новые направления исследований. - В кн.: Усталость металлов и сплавов. - М.: Наука, 1971. - С. 3-14.
Надшшла до редколегп 27.03.2008.
