CC BY
25
УДК 669.14.018.294
I. О. ВАКУЛЕНКО (ДПТ)
ПРО ВЗАеМОЗВ'ЯЗОК СТРУКТУРНИХ ПЕРЕТВОРЕНЬ ПРИ ВТОМ1 ВУГЛЕЦЕВО1 СТАЛ1 З ОСОБЛИВОСТЯМИ БУДОВИ ПОВЕРХОНЬ РУЙНУВАННЯ
Для сталi 3ani3HH4HOi oci, в залежностi ввд амплггуди навантаження, наведено 3aKOHOMipHi змши структуры при випробуваннях на втомлювашсть.
Для стали железнодорожной оси, в зависимости от амплитуды нагружения, приведены закономерные изменения структуры при испытаниях на усталость.
For the rail axle steel the regular changes of structure during the fatigue test in dependence on strength amplitude are presented.
В процес експлуатацп затзничш вю колю-них пар шддаються чисельним циктчним на-вантаженням. Спрямовaнiсть експлуатацп зат-зничного транспорту в напрямку шдвищення питомого навантаження на зaлiзничнy вюь ко-люно1 пари, разом iз зростанням швидкостi ру-ху, обумовлюе за необхiдне розробляти пропо-зицп по пiдвищенню експлуатацшно1 безпеки опорних елементiв рухомого складу. Окрiм пропозицш по змiнi структурного стану металу затзнично1 вiсi за рахунок використання рiз-номaнiтних обробок змiцнення [1-3] або конс-труктивних рiшень [4], мае неабиякий iнтерес оцiнкa процешв структурних змiн у метaлi зат-знично1 вiсi пiд час циклiчного навантаження.
Мaтерiaлом для дослiдження була зaлiзнич-на вiсь колюно1 пари, яка виготовлена iз стaлi 45. Дослщження структурних змiн в стал пiд час циклiчного навантаження проводили на зразках, яю пiддaвaлись знакозмшному згину за схемою симетричного циклу на багатопозицш-нiй мaшинi «Сатурн-10». Пiсля руйнування зра-зкiв визначали стyпiнь накопичення дефектiв кристатчно1 будови з використанням методик рентгеноструктурного анатзу, розмiри структурних елементiв поверхонь руйнування.
Анатз експериментальних даних [5, 6] свщ-чить, що визначеним дшянкам криво1 ци^ч-ного навантаження (рис. 1) повинш вiдповiдaти зaкономiрнi змiни внутршньо1 будови вуглеце-во1 стaлi.
Враховуючи, що процес накопичення дефе-ктiв кристатчно1 будови тд час циклiчного навантаження стaлi залежить вщ визначено1 низки складових, 1х сумарний вплив може бути ощнений за рiвнем мiкронaпрyжень, або вик-ривлень другого роду (M).
Рис. 1. Крива циктчного навантаження сталi 45 (А - область лшп розриву)
На рис. 2 наведено залежшсть змши вели-чини М вщ амплггуди навантаження зразюв (са). Пропорцшно збшьшенню величини оа
спостериаеться шдвищення викривлень другого роду. Винятком можуть бути значения М, як вщносяться до амплггуд навантаження 227 та
Н
510 --. Якщо у першому випадку зразок не
мм
був доведений до руйнування тсля 8 -106 кшькост циктв та р1вень викривлень другого роду склав достатньо висок значення, то для
ампл1туди 510 —Н— картина мае шше тлума-мм
чення. Р1ч у тому, що характер поведшки мета-
© Вакуленко I. О., 2010
лу при цикл1чному навантаженн1, при ампл1туд1
Н
510-- за сво!ми ознаками повинен бути
мм
в1днесении до цикл1чного перевантаження, що обумовлюе високиИ р1вень неоднорщносн роз-подшу дефекпв кристал1чно! будови.
зв'язку м1ж ними, хоча коефщ1ент кореляци значно меншиИ пор1вняно з величиною ште-нсивносп накопичення дислокацш за цикл на-вантаження [5].
Рис. 2. Залежшсть величини викривлень другого роду кристал1чно! решггки фериту в1д амплггуди навантаження
На шдстав1 цього, висока неоднорщшсть дефекпв приводить до дуже швидкого !х накопичення в локальних мшрооб'емах до максимально припустимих значень 1, як наслщок цього, до швидкого руйнування металу [7].
При циктчному навантаженш, змша знаку д1ючих напружень супроводжуеться чергуван-ням процес1в накопичення дефекпв кристал1ч-но! будови та !х ашгшяци. Окр1м ощнки сумар-но! величини щшьносп накопичених дефекпв, визначеного значення для розумшня процешв зародження мшротрщин, характеру !х зростан-ня набувае однорщшсть розподшу дефекпв. Враховуючи, що моменти, як вщповщають яюсним змшам в розташуванш дефекпв крис-тал1чно! будови, наприклад виникнення негомогенностей в розподш дислокацш, перетво-рення !х у чарункову дислокацшну структуру, повинш мати обов'язковий вщбиток на характеристиках мщносн та на особливостях будови поверхонь руйнування [1, 5]. Дшсно, як показали структуры дослщження поверхонь руйнування, розм1р фасеток при збшьшеннях до 50 раз1в мае визначену залежшсть вщ амплггуди навантаження (рис. 3). Парне нанесення одних значень розм1ру фасеток при збшьшеннях до 50 раз1в (позначено як 5) проти вщповщних величин М показуе юнування кореляцшного
Рис. 3. Змша величини 5 ввд амплггуди циктчного навантаження
Подальш1 дослшження поверхонь руйнування показали, що у бшьшосп випадюв фасетки великих розм1р1в складаються ¡з бшьш др1б-них, позначимо для вщмшносн як й . Характер змши й вщ ампттуди навантаження наведений на рис. 4.
Рис. 4. Змша величини й в1д амплггуди навантаження
Пошук можливих кореляцшних зв'язюв величини й з характеристиками кристал1чно! будови вуглецево! стал1 показав юнування дос-
татньо однозначного зв'язку з розмiром областей когерентного розсдавання рентгешвських промешв (Ь) (рис. 5). Немонотонний характер залежност викривлень другого роду вщ ампл> туди навантаження показуе, що визначеним дiлянкам криво! втомлення вщповщають якiсно рiзнi процеси структурних перетворень i, як наслщок цього, рiзнi рушiйнi сили, яю приво-дять до зародження мшротрщин.
Н
Так, для малих амплiтуд (227--) щшь-
мм
нiсть накопичених дислокацiй досягла значень приблизно в 2... 2,5 рази бiльших порiвняно з аналогiчною характеристикою для оа = Н
= 225
мм
та залишилась бiльшою за абсолют-
ними значеннями для вшх наступних амплiтуд циклiчного навантаження.
ктури [5], а елементи И будови, таю як субгра-нищ, перетворюються в мiсця зародження суб-мшротрщин, збiльшення рiвномiрностi розта-шування дефекпв приведе до пiдвищення ви-тривалосн металу.
Н
Для амплiтуд навантаження вщ 225-— i
мм
вище, монотонне зростання М указуе на зб> льшення мiкронапружень в метал^ що повинно знижувати витривалють при циклiчному наван-таженнi. Сумюний аналiз характеру залежностi й i М вiд амплiтуди навантаження (рис. 2, 4) указуе на можливють юнування кореляцiйного зв'язку мiж ними. Дшсно, пiсля парного нане-сення одше! величини проти шшо! можна вва-жати, що iснуе однозначне обернено пропор-цiйне спiввiдношення (рис. 6).
Рис. 5. Взаемозв'язок мгж величинами й \ Ь (1 - експериментальш даш, 2 - визначено з екстра-поляцп, рис. 3 за умови, коли Ь = 1127 А)
Одне iз пояснень наведеного результату -чим менша ампл^уда навантаження, тим мен-ша кiлькiсть дефектiв кристатчно! будови за-лишаеться в системi шсля циктчно! змiни ета-пiв деформацшного змiцнення та розвитку аш-гшяцшних процесiв.
Таким чином, момент виникнення негомогенностей в розташуванш дефекпв кристатч-но! будови, в першу чергу дислокацш, зсува-еться в сторону бшьшо! сумарно! кiлькостi ци-клiв.
Враховуючи, що формування неоднорщнос-тей в гомогенному розташуваннi дислокацш являе собою початковi етапи виникнення та удосконалення дислокацшно! чарунково! стру-
Рис. 6. Взаемний зв'язок мгж розм1ром др1бних фасеток зламу 1 величиною викривлень другого роду кристал1чно! решггки фериту (1 - експериментальш даш, 2 - визначено з екстраполяци, рис. 5)
Причому, розмiр фасетки зламу, який було визначено екстраполящею iз спiввiдношення й - /(М) (рис. 5), що вщповщае амплiтудi на-Н
вантаження 227
зразка, який не було до-
мм
ведено до руйнування, достатньо добре вщповщае залежносн й -/(М) (рис. 6).
Таким чином, на пiдставi аналiзу кореляцш-них зв'язкiв мiж характеристиками, яю дають змогу оцiнити особливосн будови поверхонь руйнування та параметрами циктчного навантаження вуглецево! стал^ визначено, що однiею iз складових процесу пiдвищення витривалостi металу е усунення моменту виникнення негомогенностей в розподш дефектiв кристатчно!
будови, яю накопичуються в металi шд час де-
формаци.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Вакуленко, I. О. Чинники, як1 впливають на роз-виток втомленосп металу в процеа експлуатаци зал1зничних кол1с [Текст] / I. О. Вакуленко, О. М. Перков, М. А. Грищенко // Зал1зн. трансп. Украши. - 2007. - № 5. - С. 70-71.
2. Вакуленко, I. О. Вплив дисперсносп структур-них складових вуглецево! стал1 на отр руйну-ванню [Текст] / I. О.Вакуленко, М. А. Грищенко, О. М. Перков // В1сник Дншропетр. нац. ун-ту зал1зн.. трансп. 1м. акад. В. Лазаряна. - 2007. -Вип. 19. - Д.: Вид-во ДНУЗТ, 2007. - С. 237-239.
3. Патент № 31731 [Текст] / I. О. Вакуленко, О. М. Перков, М. М. Грищенко. - 2008, Бюл. № 8.
4. Патент № 31374 [Текст] / I. О. Вакуленко, О. М. Перков. - 2008, Бюл. № 8.
5. Вакуленко, I. О. Анал1з процес1в структурних змш в метал1 зал1знично! ос за циктчного нава-нтаження [ Текст] / I. О. Вакуленко, М. А. Грищенко // В1сник нацюнального ушверситету «Льв1вська полггехшка». - 2009. - № 642. -С. 69-73.
6. Вакуленко, I. О. Аналггичне дослвдження д1аг-рам циктчного навантаження [Текст] / I. О. Ва-куленко, О. О. Чайковський // МТОМ. - 2009. -№ 2. - С. 45-48.
7. Вакуленко, I. О. Оцшка коефщента штенсивно-ст1 напружень для умов неконтрольованого зростання трщини [Текст] / I. О. Вакуленко, М. М. Грищенко, О. М. Перков // Сб. науч. тр. «Строительство, материаловедение, машиностроение». - 2007. - Вып. 41. - Ч. 2. - С. 58-61.
Надшшла до редколегп 09.02.2010. Прийнята до друку 15.02.2010.
