CC BY
27
УДК 669.14:539.4.015
С. А. Беженов, В. Ю. Коцюба, С. Н. Пахолка, А. И. Беженов
МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ОЦЕНКИ ХАРАКТЕРИСТИК СОПРОТИВЛЕНИЯ УСТАЛОСТИ МАЛОЛЕГИРОВАННЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ
В работе представлены результаты исследования процесса усталостного разрушения образцов из малолегированных конструкционных сталей с различной технологической наследственностью. Предложена трактовка полученных результатов с позиций гипотезы о существовании полюса диаграмм усталости. Показано, что сопротивление усталости исследованных материалов целесообразно оценивать по уровню напряжения, соответствующему точке перелома диаграммы усталости.
Введение
Основной задачей, которую приходится решать каждому конструктору при выборе материала и средств его упрочнения, является обеспечение надежности и долговечности как заданной конструкции в целом, так и отдельных ее элементов, добиваясь при этом минимальной металлоемкости и минимальных материальных затрат. При решении такой задачи главным фактором является возможность определения технического состояния материала конструкции на любом этапе ее производства и эксплуатации. В настоящее время не вызывает сомнений, что подавляющее большинство инженерных конструкций в процессе эксплуатации испытывает действие пульсирующих или циклических напряжений, которые приводят к их усталостному разрушению. Поэтому решение задач по улучшению характеристик машин невозможно без решения проблем, связанных с обеспечением усталостной прочности. Некоторые из этих проблем сформулированы в работе [1], где, в частности отмечается, что характеристики сопротивления усталости не могут быть получены из других механических свойств, и их необходимо измерять непосредственно. Результаты разных номинально тождественных во всех отношениях испытаний на усталость могут значительно отличаться, поэтому оценки долговечности менее точны и менее надежны, чем расчеты на прочность при статических нагрузках. Ошибки на порядок при оценках долговечности являются обычным явлением.
Основным недостатком существующих методов и методик определения характеристик сопротивления усталости является низкая точность и большие затраты времени, трудовых ресурсов на проведение испытаний. Устранение этих недостатков возможно при использовании новых подходов к исследованию процесса усталости и разработки новых методов и методик определения характеристик сопротивления усталости. В ранее опубликованных работах [2-4] освещены результаты примене-
ния нового подхода к исследованию процесса усталостного разрушения конструкционных материалов разного класса, основанного на предположении существования общего полюса для кривых усталости материалов одного химического состава.
Широкое применение в машиностроении нашли конструкционные малолегированные стали (с содержанием от 0,3 до 0,5 % углерода и до 5 % легирующих элементов), которые используют после закалки и высокого отпуска (улучшения). По данным [5], применение таких материалов вместо углеродистых сталей позволяет сэкономить 15-25 % металла. Такие стали применяют для изготовления ответственных деталей машин (коленчатых валов, осей, шестерен, болтов ответственных назначений, листов и труб для ответственных сварных конструкций), поэтому весьма актуальным является вопрос разработки простых и надежных методов определения характеристик сопротивления их усталостному разрушению.
В данной работе представлены результаты исследования характеристик сопротивления усталости конструкционных улучшаемых легированных сталей с разной технологической наследственностью (ТН) с позиций гипотезы о сходимости в одной точке диаграмм усталости одного материала с разной технологической наследственностью.
Материалы и методика испытаний
Исследовались образцы из сталей 40Х, 30ХГСА, 40ХН2МА в состоянии поставки (СП), после упрочнения поверхностной пластической деформацией стальными шариками, колеблющимися с ультразвуковой частотой (УЗУ), а также после улучшения термической обработкой (ТО). Кроме того, еще одна партия образцов из стали 40Х другой плавки исследовалась только в состоянии поставки (СП-2).
Размеры и форма образца приведены в работе [6]. Химический состав исследованных сталей приведен в таблице 1, а режимы ТО и УЗУ приведены в таблице 2. Поскольку образцы для испытания
© С. А. Беженов, В. Ю. Коцюба, С. Н. Пахолка, А. И. Беженов 2006 г.
¡ББЫ1727-0219 Вестникдвигателестроения № 2/2006 # 49 —
имеют сравнительно большие перепады площадей сечений, то во избежание больших деформаций закалка выполнялась в масло. Для сохранения достигнутой после закалки твердости выполнялся низкий отпуск.
Таблица 1 - Химический состав исследованных материалов(%)
Огаль О Мо Ог Мп N1
40Х 0,38 - 0,25 1,0 0,55 -
30ХГСА 0,32 - 0,96 1,05 0,85 -
40ХН2МА 0,39 0,24 0,17 0,90 0,50 1,50
Таблица 2 - Режимы термообработки (ТО) и ультразвукового упрочнения (УЗУ) образцов из углеродистых малолегированных сталей
Вид обработки закалка отпуск
40Х 860 оС 190 °С
(масло) (воздух)
О н 30ХГСА 900 оО (масло) 190 °О (воздух)
40ХН2МА 850 оС (масло) 190 °О (воздух)
УЗУ диаметр шарика, мм 1,5-1,6
вес шариков, г 300
время упрочнения, с 10 ± 1
Усталостные испытания проводились в области многоцикловой усталости (^ N > 4,5) в условиях действия циклических изгибных напряжений, возникающих в результате введения образца в резонансные поперечные колебания на электродинамическом вибростенде ВЭДС 200. Моментом разрушения считалось начало увеличения периода колебаний более, чем на 5 %.
Амплитуда напряжений цикла ста оценивались расчетным методом по величине амплитуды колебаний свободного конца образца.
Результаты исследований и их обсуждение
По результатам испытаний всех образцов строились диаграммы усталости в двойных логарифмических координатах - графики зависимости долговечности от максимальной амплитуды циклических напряжений ^ N = / ст а) (рис. 1).
Графики показывают, что результаты испытаний каждого сплава в соответствии с ТН делятся на группы, хорошо аппроксимируемые прямыми ли-
3,0 2,9 2,8 2,7 2,6 2,5
3 В 5-- в
1 \ \ оч
_
— °0ХГ ^—*
1111 1 1 1 1 1 1 1 X ^ 1 1 М
4 5 6 7
число циклов нагружения ^ N
Рис. 1. Регрессионные диаграммы усталости образцов из улучшаемых сталей с различными видами обработок: 1 - СП; 2 - УЗУ; 3 - ТО; 4 - СП-2; а - сталь 40Х; б - сталь 30ХГСА; в - сталь 40ХН2МА
ниями, сходящимися в одной точке (полюсе), координаты которого зависят от содержания легирующих элементов. Более высокие значения харак-
теристик сопротивления усталости выявляют материалы с дополнительно обработанной поверхностью, причем существенно больший эффект упрочнения дает термическая обработка поверхности материала. Кроме того, с увеличением содержания легирующих элементов в сплаве прочность последнего в условиях циклического нагружения также возрастает. Обращает на себя внимание тот факт, что образцы из сплава 40Х плавки №2 показали более высокую сопротивляемость усталостному разрушению по сравнению с аналогичными образцами плавки №1.
Регрессионный анализ результатов испытаний показал, что выборки образцов с одинаковым химическим составом, но разной ТН описываются разными линиями регрессии, сходящимися в одной точке (полюсе). Результаты регрессионного анализа данных испытаний на усталость образцов приведены в таблице 3. Они характеризуются высокими коэффициентами корреляции и незначительным отличием среднеквадратичных отклонений.
Проведенные исследования подтверждают общепринятую гипотезу о том, что число циклов до разрушения N связано с амплитудой циклического напряжения ста зависимостью N -стат = С . В двойных логарифмических координатах это - прямая линия, описываемая уравнением:
N + т - ^ ст а = ^ С . (1)
С позиций развиваемого подхода к исследованию процесса усталости формула (1) рассматривается как трехпараметрическое уравнение, в котором переменной является также и величина т , характеризующая техническое состояние конкретного материала. Геометрическая интерпретация уравнения (1) приведена в [7], согласно которой диаграмма многоцикловой усталости изделий из определенного материала с конкретным техническим состоянием представляет собой часть диаго-
нали прямоугольника со сторонами стр и 18С -18Nр , проведенной из общего полюса и ограниченной областями мало- и гигацикловой усталости, где ст р и Nр соответственно напряжения и число циклов, определяющие точку полюса. При этом т представляет собой тангенс угла наклона диаграммы усталости к оси ординат ста.
Согласно [8] основной характеристикой сопротивления усталости является предел выносливости, который определяется по методикам, изложенным в [9-11]. Вероятностная оценка предела выносливости по этим методикам требует больших затрат времени, а также материальных и трудовых ресурсов. Согласно [10] для построения кривой распределения предела выносливости образцов, оценки среднего значения и среднего квадратичного отклонения предела выносливости необходимо испытать серии объемом не менее 10 одинаковых образцов на каждом из 4-6 уровней напряжения. С позиций же развиваемого подхода для построения диаграммы многоцикловой усталости материла в определенном техническом состоянии достаточно знать координаты полюса диаграммы, тангенс угла ее наклона к оси ординат (коэффициент т в уравнении (1)), а также установить границы области многоцикловой усталости.
Результаты регрессионного анализа данных испытаний на усталость показали, что ординаты полюсов диаграмм усталости разных сплавов практически не отличаются ( стр « 3), а их абсциссы в принципе зависят от степени легирования сплава, но отличаются незначительно: N р = 2,48; 2,7; 2,9 для сталей 40ХН2МА, 30ХГСА и 40Х соответственно. Смещение абсциссы полюса для разных сплавов можно объяснить различной интенсивностью динамического структурного старения, суть которого [12] заключается в стабилизации структуры
Таблица 3 - Статистические параметры регрессионных прямых и значения параметров диаграмм усталости образцов с различным техническим состоянием
Материал Вид обработки параметры регрессии параметры диаграммы усталости
г 5 т С ст а , МПа
Сталь 40Х СП - 0,9966 0,01219 7,258 8,16-1024 366,7
УЗУ - 0,9965 0,01092 8,226 6,97-1027 415,8
ТО - 0,9780 0,00784 37,604 5,96-10116 866,7
СП-2 - 0,9906 0,01556 9,726 2,57-1032 483,8
Сталь 30ХГСА СП - 0,9957 0,01257 7,968 7,06-1026 379,3
УЗУ - 0,9943 0,01061 11,463 3,03-1037 524,9
ТО - 0,8351 0,01491 47,286 1,31-10146 905,4
Сталь 40ХН2МА СП - 0,9828 0,02176 7,883 2,52-1026 354,7
УЗУ - 0,9923 0,01763 9,088 9,94-1029 405,0
ТО - 0,9759 0,00739 48,679 1,59-10150 904,0
Примечание: г - коэффициент корреляции; э - среднеквадратичное отклонение.
¡ЭБЫ1727-0219 Вестникдвигателестроения № 2/2006 # 51 —
материала под действием циклических нагрузок. Чем меньший процент углерода и легирующих элементов в сплаве, тем меньше напряжена кристаллическая решетка, тем большее время требуется на стабилизацию структуры материала при его циклическом деформировании.
Для определения коэффициента т достаточно испытать 5-6 образцов в области многоцикловой усталости (^Nk < ^N < ^NG). Большой разброс данных испытаний может свидетельствовать о существенных отклонениях технического состояния материала, начиная от заготовки, и заканчивая финишными операциями обработки изделия. Значения коэффициента т для малолегированных конструкционных сталей в определенном техническом состоянии также представлены в таблице 3.
Границы области многоцикловой усталости к настоящему времени строго не регламентированы. Согласно [10], граница между областями малоцикловой и многоцикловой усталости определяется
числом циклов нагружения ^ = 0,5 105 (N * = 4,699). Однако авторами работы [13] показана возможность существования переходной зоны между этими областями в пределах от значения N * до критического значения числа циклов Nк, которое для железа и его сплавов составляет 2 • 105 (Nk = 5,301). Другим ограничением области многоцикловой усталости металлов, имеющих горизонтальный участок диаграммы, можно считать точку перелома последней. Тогда напряжение стG , соответствующее точке перелома диаграммы усталости, является параметром, характеризующим сопротивление усталости исследуемой выборки. Согласно [9] абсцисса точки перелома (значение числа циклов NG) в большинстве случаев колеблется в
пределах от 106 до 3 •106 , что в логарифмических координатах соответствует значения м 6,0 и 6,477. При отсутствии данных натурных испытаний рекомендуется принимать NG =2 •106 циклов (^ NG = 6,301). В данной работе за точку перелома диаграммы усталости для каждой выборки образцов принималась точка линии регрессии, построенной по данным испытаний на усталость с учетом наличия полюса, которая соответствовала указанному числу циклов нагружения NG . Принятое предположение проверялось экспериментально. Образец исследуемой выборки испытывался на усталость на уровне напряжения стG до разруше-
7
ния или достижения базы испытаний N5^ = 10 циклов. Если образец разрушался до базы испытаний, то следующие образцы испытывались до N6^ на меньших уровнях напряжений, если не разрушался - то на больших уровнях с шагом
Аста < 5% . Значения сти для исследованных материалов также приведены в таблице 3.
Анализ полученных результатов показывает, что УЗУ заметно повышает сопротивление усталости улучшаемых конструкционных сталей, а ТО повышает их почти вдвое. Расчеты показали, что выбор единого полюса с координатами ^ ст р = 3,0335 и ^ N р = 2,7 для всех испытанных образцов приводит к изменению стG в пределах 1 %, что находится в пределах допустимой погрешности, а, следовательно, дает основание использовать единый полюс при построении диаграмм усталости исследованных материалов.
Предложенный подход к оценке характеристик сопротивления усталости конструкционных материалов позволяет значительно упростить построение диаграмм усталости и существенно снизить затраты времени, трудовых и материальных ресурсов на проведение испытаний. Если на определение медианного значения предела выносливости согласно [9] требуется испытать до 100 образцов, то для определения CTG по предложенной методике достаточно испытать 15 образцов.
Выводы
1. Проведенными исследованиями установлено, что диаграммы усталости конструкционных улучшаемых сталей с различной технологической наследственностью в двойных логарифмических координатах представляют собой лучи, исходящие из одной точки (полюса), которые описываются уравнением (1), что подтверждает правомерность гипотезы о существовании полюса диаграммы усталости.
2. Коэффициент т в уравнении (1), характеризующий механизм усталостного разрушения каждого материала, обусловлен его технологической наследственностью.
3. Показано, что сопротивление усталости конструкционных материалов целесообразно оценивать по уровню напряжения, соответствующему точке перелома диаграммы усталости.
4. Полученные результаты позволяют значительно упростить построение диаграммы усталости, что существенно снижает затраты времени, трудовых и материальных ресурсов на проведение испытаний на усталость конструкционных материалов.
Список литературы
1. Коллинз Дж. Повреждение материалов в конструкциях: Анализ, предсказание, предотвращение /Пер. с англ. - М.: Мир, 1984. - 624 с.
2. Беженов С.А. Прогнозирование долговечности деталей машин неразрушающим методом акустической эмиссии //Техническая диагностика и неразрушающий контроль. - 2002. - №
4. - С. 9-13.
3. Беженов С.А., Беженов А.И., Коцюба В.Ю., Пахолка С.Н. К вопросу оценки характеристик сопротивления усталости конструкционных материалов //Вестник двигателестроения. -2004. - № 4. - С. 66-71.
4. Беженов С.А. Некоторые аспекты определения характеристик сопротивления усталости конструкционных материалов // Aims for future of engineering science: VI Int. sci. forum (Hong-Kong, March 23-30). - Proceedings: Gaudeamus, 2005.
- P. 135-140.
5. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. - М.: Металлургия, 1983.
- 360 с.
6. Беженов С.О. Методика дослщження поверхне-вого шару конструкцмних матерiалiв методом акустичноТ емiсií //Новi матерiали i технологи в металургп та машинобудуваннк - 1999. - № 1. -С.16-19.
7. Беженов С.А., Беженов А.И. К вопросу геометрической и энергетической интерпретации параметров диаграммы многоцикловой усталости //Вестник двигателестроения. - 2006. - № 1.
- С. 45-52.
8. ГОСТ 23.207-78 Сопротивление усталости. Основные термины, определения и обозначения
- М.: Изд-во стандартов, 1978. - 48 с.
9. ГОСТ 25.504-82 Расчеты испытания на прочно-
сти. Методы расчета характеристик сопротивления усталости - М.: Изд-во стандартов, 1982. - 182 с.
10. ГОСТ 25.502-79 Методы механических испытаний металлов. Методы испытания на усталость - М.: Изд-во стандартов, 1980. - 32 с.
11. ГОСТ 25.507-85 Методы испытания на усталость при эксплуатационных режимах нагружения -М.: Изд-во стандартов, 1985. - 32 с.
12. Терентьев В.Ф. Усталостная прочность металлов и сплавов - М.: Интермет Инжиниринг, 2002. - 288 с.
13. Иванова В.С., Терентьев В.Ф. Природа усталости металлов. - М.: Металлургия, 1975. - 456 с.
Поступила в редакцию 01.06.2006 г.
В робот1 наведено результати досл1дження процесу втомного руйнування зразк1в з малолегованих конструщйних сталей, що мають р!зну технолог1чну спадков1сть. Зап-ропоновано тлумачення одержаних результат1в з позиц1й г1потези про ¡снування полюсу д!аграм утоми. Показано, що оп!р утомi досл1джених матер1ал1в доц1льно оц1нювати за р1внем напружень, що вiдповiдають точц зламу дiаграми втоми.
The results of investigation of the fatigue fracture process of the specimens made of low-alloy structural steels having various processing inheritance have been presented. The interpretation of the data obtained based on the hypothesis of the existence of the pole of the fatigue diagram has been suggested. It has been shown that the fatigue resistance of the materials investigated can be estimated by the stress level is corresponded to the break point of the fatigue diagram.
ISSN 1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2006 # 53 —
