К оценке сопротивления усталости материалов с использованием деформационных критериев Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

-Ф-

-Ф-

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

УДК 620.16/17

К ОЦЕНКЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ УСТАЛОСТИ МАТЕРИАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДЕФОРМАЦИОННЫХ КРИТЕРИЕВ

С.Т. Басюк(ЗАО «ДискБС», e-mail: pank03@mail.ru), Е.И. Крамаренко (АК «Рубин»),

A.Н. Лисин, канд. техн. наук (ЭПИ МИСиС),

B.В. Мозалев, канд. техн. наук (АК «Рубин»)

Выполнено обобщение результатов массовых усталостных испытаний образцов из сплава АК6, которое показало, что долговечность образцов из партий штамповок как одного, так и разных типов, значительно отличается друг от друга.

На модели, созданной на базе деформационных критериев механики разрушения, показано, что повышение пластичности при прочих равных условиях, характеризуемое увеличением относительного остаточного сужения, должно способствовать росту предела выносливости.

Ключевые слова: сопротивление усталости, деформационные критерии механики разрушения, испытания образцов, полуфабрикат - штамповка, относительное остаточное сужение, предел выносливости.

On Evaluation of Fatigue Resistance of Materials, Carried out with the Use of Deformation Criteria. S.T. Bassiouk, Ye.I. Kramarenko, A.N. Lisin, V.V. Mozaliov.

The results of mass fatigue tests of AK6 alloy specimens are generalized. The generalization shows that fatigue life of the specimens sampled from lots of forgings, both similar and different types, differes noticeably.

A model created on the basis of deformation criteria of failure mechanics shows that a plasticity improvement characterized by an increase in residual reduction of area, other things being equal, should favour an improvement in fatigue limit.

Key words: fatigue resistance, deformation criteria of failure mechanics, specimen tests, forged semiproducts, residual reduction of area, fatigue limit.

Анализ нормативно-технической документации систем контроля качества полуфабрикатов показал, что нередко контролируют те характеристики, которые далее в оценке ресурса не используются. При этом оценка рисков поставщика и потребителя крайне редкое событие. В связи с этим важным и решающим следует считать контроль качества полуфабрикатов, характеристики которых определяют эксплуатационные свойства изделий [1-5]. Следует добавить, что часто эксплуатационные свойства изделий, изготовленных из полуфабрикатов различных производителей или одного производителя, но в разное время, неоднородны.

С целью исследования неоднородности распределения механических характеристик

деформированного сплава АК6 в полуфабрикатах авиационных и автомобильных колес из различных зон штамповки (полуфабриката) вырезали образцы, которые подвергали испытаниям. На рис. 1 приведены заготовки образцов для различных видов испытаний.

Выполнено обобщение результатов массовых усталостных испытаний образцов, которое показало, что долговечности образцов из партий штамповок как одного, так и разных типов, значительно отличаются друг от друга.

Статистические данные сопротивления усталости (рис. 2) включают результаты усталостных испытаний этих образцов с диаметром в рабочем сечении 8 мм на изгиб с вращением. Образцы вырезали в различное время, из разных типов штамповок и испыты-

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

при оценке качества штамповок с точки зрения сопротивления усталости изделия, а затем при назначении ресурса самого изделия, т. е. авиационного или автомобильного колеса.

Для сокращения объемов контроля качества полуфабрикатов желательно иметь надежные аналитические зависимости, связывающие сопротивление усталости изделий с характеристиками статической прочности или пластичности используемых полуфабрикатов.

На начальном этапе исследования рассмотрена зависимость из работы [6]:

Рис. 1. Схема вырезки образцов для исследования механических характеристик полуфабрикатов колес

аа, МПа

260 220 180 140 100

4 5 6 7 8 lgN

Рис. 2. Результаты усталостных испытаний образцов

вали на одном оборудовании, обслуживаемом одним квалифицированным персоналом.

При уровнях напряжений 160, 180, 220, 240, 260 и 280 МПа (см. рис. 2) результаты испытаний «разнесены» на ± 7 МПа вдоль оси ординат для устранения наложения данных (точек) друг на друга.

Как видно из рис. 2, наблюдается существенное рассеивание данных, зависимых от объектов исследований. Показанные на этом рисунке четыре кривые усталости (сплошные и прерывистые линии) соответствуют результатам испытаний образцов, вырезанных из указанных штамповок.

Поскольку наблюдаемые различия значимы, то их необходимо учитывать, прежде всего,

1

In -

1

S,

4( Np/2)

'1 1 - yk

E( 2 Np)

(1)

где у к - относительное остаточное сужение; т1, т2 - эмпирические параметры; еа = аа/Е - амплитуда номинальной деформации.

С помощью зависимости (1) можно попытаться оценить возможность ее использования для анализа механических свойств сплава АК6, так как в формуле отражены характеристики прочности Бк, упругости Еи пластичности ук.

Модель (1) является компонентным уравнением кривой усталости

_-m,

aa = D(Np/2) ' + F(Np/2)

-m

где

D = - In -

4 1 - V

m

(2)

(3)

4

В уравнении (2) первое слагаемое учитывает пластические, а второе - прочностные свойства сплава.

Первое слагаемое отражает поведение сплава в переходной области мало- и многоцикловой усталости, а второе - в области многоцикловой усталости.

При использовании модели (2) важным обстоятельством является экспериментально подтверждаемая независимость входящих в нее характеристик Бк и ук. В противном случае необходимо учитывать их корреляцию.

Таким образом, открывается возможность использовать модель (1) на начальном этапе внедрения входного контроля механических

+

ea =

m

2

1

-Ф-

-Ф-

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

свойств штамповок с позиции сопротивления усталости, т. е. основного эксплуатационного свойства авиационных и автомобильных колес. При этом, если модель (1) отражает физическую сущность явления, то можно попытаться спрогнозировать влияние параметров технологии на сопротивление усталости материала.

В частности, повышение пластичности при прочих равных условиях, характеризуемое увеличением относительного остаточного сужения ук, должно способствовать возрастанию предела выносливости. Это подтверждается данными рис. 3, где представлены результаты прогнозирования повышения предела выносливости в связи с увеличением у к при использовании модели (1).

Как видно из рис. 3, при достижении относительным остаточным сужением ук уровня 35-40 % возможен значительный рост предела выносливости материала деформированного полуфабриката.

Следовательно, целесообразна разработка моделей, связывающих сопротивление усталости материала деформированного полуфабриката с характеристиками статической прочности и пластичности, т. е. аналогичных модели (1). При этом необходима их всесторонняя проверка.

После получения положительных результатов такой проверки эти модели становятся перспективными с точки зрения оценки влияния технологии на сопротивление усталости материала в полуфабрикате и изделии.

Не менее важным становится и создание моделей технологических процессов, позволяющих существенно влиять на пластические характеристики материалов. Так, например, созданное экспериментальное устройство для «концентричного углового выдавливания (прессования)» [7] позволяет, используя различные сочетания технологических переходов, моделировать изготовление прямым или обратным методом элементов оболочек типа «крышек» (рис. 4, 5) или авиационных и автомобильных колес, в том числе и из сплава АК6. При этом пластичность, выявленная на образцах из упомянутых оболочек, достигает 35-45 %.

80

!== 60 Щ о

ф о

СО со §

Ш о

§о 40

Ш 3

со со го го 5 с; О Ш

20

вк = 40С МПа / /У

вк = 300 МП ...........У / ___/

* _________ = 500 МПа

>5 г______

20 25 30 35

Относительное остаточное сужение, %

40

Рис. 3. Прогнозирование предела выносливости в связи с изменением относительного остаточного сужения

Рис. 4. «Крышка» (штамповка) из сплава В96Ц3(1965):

исходная заготовка - прессованный пруток; 1, 2 -плоский образец; 3, 4 - круглый образец

Рис. 5. Макроструктура плоского образца (*4,25):

00 - ось детали

0

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Лисин А.Н. Метод управления качеством полуфабрикатов по критериям сопротивления усталости с применением статистических теорий прочности // Тезисы докладов Российской НТК «Новые материалы и технологи». Направление «Сертификация и управление качеством материалов и изделий машиностроения». - М.: МГАТУ, 1995. С. 27.

2. Лисин А.Н., Мозалев В.В., Шкроб В.Н. и др. Методология управления качеством изделий с целью обеспечения заданных требований выносливости и живучести // Там же. С. 18.

3. Басюк С.Т., Шер М.Л., Шнейдер Г.Л. и др. Влияние технологии изготовления на структуру и свойства штамповок барабанов колес из сплава

АК6 // Авиационная промышленность. 1979. № 3. С. 56-58.

4. Басюк С.Т., Евтеев Ф.И., Ковалев С.И. Экспертная система проектирования и изготовления авиационных колес//Технология легких сплавов. 1987. № 11. С. 58-61.

5. Басюк С.Т. Объемная штамповка заготовок из легких сплавов на гидравлических прессах. - М.: Изд-во XXI век, 2007. - 176 с.

6. Трощенко В.Т. Деформирование и разрушение металлов при многоцикловом нагружении. - Киев: Наукова думка, 1981. - 342 с.

7. Басюк С.Т. Интенсификация деформаций сдвига при изготовлении полуфабрикатов. - М.: Спорт и Культура - 2000, 2010. - 94 с.

-Ф-