CC BY
30
Библиографический список
1. Башта Т.М. Машиностроительная гидравлика. М.: Машиностроение, 1971. 610 с.
2. Брамов Е.Д. Элементы гидропривода. Киев: Техника, 1969. 320 с.
3. Зайцев В.И. Определение температурного поля при внутренне-напорном сверлении // Технологическая механика материалов: сборник. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2008.
4. Зайцев В.И. Стойкость твердосплавных сверл при обработке стали Г13Л // Вестник машиностроениея. М., 1977. № 5.
5. Кольцов В.П., Куницын А.Г., Бухвалов А.В. Новые схемы шланговых клапанов с рукавным приводом // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2009. Вып.1. С. 213-218.
УДК 629.4.015
РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СТАЛИ 50ХФА В УСЛОВИЯХ ДВУХОСНОГО РАСТЯЖЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРИЗМАТИЧЕСКИХ ОБРАЗЦОВ
© Е.В. Зеньков1, Л.Б. Цвик2
Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83. 2Иркутский государственный университет путей сообщения, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15.
Описываются результаты прочностных испытаний - до разрушения - лабораторных образцов призматического типа из стали 50ХФА, в которых в очаге разрушения реализовано двухосное растяжение. Механические испытания указанных образцов проводились с одним силовым приводом для упрощения процесса. Изменение прочностных характеристик материала от вида НДС установлено расчётно-экспериментальным путём, характеризуемым параметром Смирнова-Аляева. Ил. 8. Библиогр. 15 назв.
Ключевые слова: статические испытания; двухосное растяжение; призматический образец; критерий предельного состояния; параметр Смирнова-Аляева.
CALCULATION AND EXPERIMENTAL ESTIMATION OF 50ХФА STEEL STRENGTH CHARACTERISTICS UNDER BIAXIAL STRESS ON EXAMPLE OF PRISMATIC SAMPLES E.V. Zenkov, L.B. Tsvik
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia. Irkutsk State University of Railway Engineering, 15 Chernyshevsky St., Irkutsk, 664074, Russia.
The paper describes the results of strength tests to the failure of laboratory prismatic samples made of 50 ХФА steel, which feature biaxial stress in the center of destruction. Mechanical tests of the samples under investigation have been performed by a single power drive to simplify the process. The method of calculations and experiments characterized by the Smirnov-Alyaev parameter allowed to identify changes in material strength characteristics depending on the complex stress-strain state. 8 figures. 15 sources.
Key words: static tests; biaxial stress; prismatic sample; criterion of ultimate limit state; Smirnov-Alyaev parameter.
Ресурс работы многих высоконагруженных деталей современных машин определяется прочностью материала этих деталей, находящегося в условиях двухосного растяжения. В частности, такое растяжение реализуется в патрубковых зонах сосудов давления (рис. 1), в материале элементов подвески транспортных средств (рычагов, балансиров, осей), в отверстиях под стяжные болты в дисках компрессоров и турбин и в других ответственных деталях. На рис. 1,а ориентация трещины в очаге разрушения определяет-
ся кольцевыми (для патрубка) напряжениями, на рис. 1,6 - меридиональными напряжениями.
В условиях сложного напряжённо-деформированного состояния (НДС), в частности двухосного растяжения, ресурс пластичности материала детали, а также критерий его прочности могут существенно изменяться по сравнению со случаем одноосного растяжения. Такое влияние экспериментально было показано, например, в работах Г.А. Смирно-ва-Аляева [1], Н.А. Махутова [2], С.Н. Пичкова и Ю.А.
1Зеньков Евгений Вячеславович, магистрант, тел.: 89086526251, e-mail: [email protected] Zenkov Evgeny, Master's degree student, tel.: 89086526251, e-mail: jovanny1 @yandex.ru
2Цвик Лев Беркович, доктор технических наук, профессор кафедры вагонов и вагонного хозяйства, тел.: 89643593088, e-mail: [email protected]
Tsvik Lev, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Carriages and Rolling Stock, tel.: 89643593088, e-mail: [email protected]
Гагарина [3], К.А. Вансовича [4], В.С. Жернакова и Р.М. где а1р а2, а3 - главные напряжения в рассматривае-Сабирова [5] и др. Количественно указанные законо- мом очаге.
мерности для различных сталей в условиях двухосно- Для оценки влияния двухосности НДС на проч-
Рис. 1. Образование трещин на наружной поверхности сосудов в зоне патрубков на галтельных переходах: а - нарушение условий статической прочности; б - нарушение условий усталостной прочности
го растяжения изучены в настоящее время недостаточно полно. Связано это, прежде всего, со сложностью создания в соответствующих лабораторных образцах для механических испытаний двухосного растяжения и доведения этих образцов до разрушения.
Экспериментальное изучение процесса разрушения (предельного состояния) материала в условиях двухосного растяжения осуществляется в настоящее время различными способами. В ряде случаев для этого используются испытательные машины с двумя и более силовыми приводами, создающие двухосное НДС в трубчатых или крестообразных образцах [3]. С этой же целью могут применяться стандартные испытательные машины с одним силовым приводом. В этом случае двухосное НДС создается в крестообразных или прямоугольных образцах с помощью специального приспособления в виде рычажного механизма [4]. Перечисленные способы создания двухосного растяжения в лабораторных образцах для механических испытаний достаточно трудоемки и требуют применения сложного испытательного оборудования.
Целью данной работы является оценка прочностных характеристик относительно хрупкой стали 50ХФА в условиях двухосного растяжения с использованием лабораторных образцов призматического типа, предложенных в работе [6] и не требующих при создании в них двухосного растяжения применения каких-либо дополнительных механизмов или испытательных машин с несколькими приводами. Отличительной особенностью таких образцов является наличие в них боковых опорных поверхностей, на которых в процессе испытания создаются дополнительные поперечные силы реакции.
При квазистатическом нагружении призматических образцов (детально их форма описывается далее) в рабочей зоне (в зоне расположения очага разрушения) создавалось двухосное растяжение, характеризуемое соотношением:
О! = 1,3о2, а3 = 0, (1)
ностные характеристики исследуемого материала в работе используется параметр (характеристика) вида НДС, введенный Смирновым-Аляевым [1] (далее -параметр Смирнова-Аляева), вычисляемый по формуле:
П = О-
(2)
где а, - интенсивность напряжений в рассматриваемом очаге, определяемая формулой:
о, =
-1 О - О2 )2 +(°2 " О3 )2 +(°3 " О )2
(3)
Обоснованием выбора в качестве параметра вида НДС величины П, определяемого формулой (2), служит то обстоятельство, что параметр Смирнова-Аляева является инвариантной характеристикой вида НДС, а также его зависимость от всех трех главных напряжений в очаге возможного разрушения. При этом, в случае одноосного растяжения величина П принимает значение П = 1, кручения - П = 0, сжатия -П = -1, что позволяет сразу судить о степени двухосного НДС по отношению к одноосному только по величине П. Вычисленное значение параметра Смирнова-Аляева, соответствующее соотношению (1), равно П = 1,8. Накопление подобных экспериментальных данных, получаемых для различных значений П (при двухосном растяжении П Е [1, 2]), позволит уточнить значения прочностных характеристик. В настоящей работе в качестве таковых характеристик принимались предельное значение первого главного напряжения оПРед, принятое как критерий хрупкой прочности при сложном НДС [7], и предельное значение интен-
пред
сивности напряжений .
Рассматриваемый призматический образец, схематически представленный на рис. 2, подвергается в процессе испытания одновременному изгибу своей основной призмы 1 и поперечному сжатию боковых
о
выступов 2, опирающихся на скошенные поверхности призматической опоры 5. Указанный изгиб и сжатие вызываются одним и тем же испытательным усилием 3, прикладываемым к центральной части призматического образца, расположенного на двух концевых опорах 4. Рабочей зоной образцов (зоной их разрушения) является нижняя (см. рис. 2) поверхность бокового выступа 2 в его средней части, примыкающей к поперечной плоскости симметрии образца. В этой зоне создается НДС, наиболее жёсткое для образца в целом, характеризуемое максимальным значением П и одновременно значительным уровнем интенсивности
1
напряжений а,.
Предложенный образец характеризуется рядом геометрических параметров (на рис. 2 это высота и ширина основной призмы образца, высота и ширина его боковых выступов, радиусы галтельных переходов, углы наклона опорных поверхностей и др.). Эти параметры выбирались на основе проведенных вариантных вычислительных экспериментов, реализованных с помощью метода конечных элементов (МКЭ) [8, 9]. Они позволили выбрать такие значения геометрических параметров образца, при которых выполнялось равенство П = 1,8 (рис. 3).
Рис. 2. Конструктивная форма призматического образца (а) и схема его нагружения (б): 1 - основная призма образца; 2 - боковые выступы образца; 3 - усилие, создаваемое толкателем испытательной машины; 4 - концевые опоры; 5 - опорные поверхности призматической опоры
Рис. 3. Экспериментальный призматический образец
Призматические образцы, соответствующие рис. 3, изготовлялись из полосового сортового проката [10] фрезерованием. Нормативные механические свойства проката (остаточное удлинение стали - 8%, предел текучести ат - 1080 МПа, предел прочности ав - 1270 МПа [11]) были подтверждены лабораторными испытаниями до разрушения в условиях одноосного растяжения трех стандартных [12] цилиндрических образцов диаметром 10 мм.
Разрушение образцов осуществлялось в научно-исследовательской лаборатории испытания строительных материалов и конструкций НИ ИрГТУ с помощью одноприводной испытательной установки !п-stron 5989 (рис. 4). Реализация необходимых для создания двухосного растяжения граничных условий осуществлена с помощью призматической опоры 5 (рис. 4,а), размещаемой на рабочем столе машины для испытания образцов (рис. 4,6).
В процессе эксперимента были испытаны три призматических образца с геометрическими характеристиками, представленными на рис. 3. Квазистатическое нагружение образцов до разрушения выполнялось при постоянной скорости перемещения толкателя испытательной машины, равной 2 мм/мин. Разрушение указанных образцов потребовало испытательного усилия порядка 200 кН (максимальное усилие,
создаваемое испытательной машиной, составляет 600 кН). Соответствующая диаграмма нагружения призматического образца представлена на рис. 5.
Для верификации получаемых расчетных значе-
. . г, ^ , ^пред —.пРед .
ний характеристик НДС (Gj и ) призматиче-
ских образцов была проведена экспериментальная оценка перемещений и деформаций в рабочей зоне образца на стадии его упругого деформирования [13]. Оценка осуществлялась с помощью метода корреляции цифровых изображений (МКЦИ) [14], реализованного цифровой оптической системой анализа перемещений и деформаций Vic-3D Correlated Solutions [15]. Указанная верификация показала, что относительная погрешность расчетного определения деформационных характеристик, возникающих в призматическом образце, размещенном в испытательной установке, не превышает 10% [13]. Пример цифрового отображения поля продольных деформаций ех, соответствующего точке 1 на диаграмме нагружения (см. рис. 5) и возникшего в процессе нагружения призматического образца, приведен на рис. 6 (рис. 6,а - цифровое отображение поля продольных деформаций боковой поверхности образца, зарегистрированное с помощью системы Vic-3D; рис. 6,6 - расчетное распределение этих же деформаций, полученное с помощью МКЭ).
Рис. 4. Лабораторная установка для испытания до разрушения предложенных призматических образцов: а - позиционирование образца в призматической опоре (нумерация деталей установки соответствует обозначениям на рис. 2); б - позиционирование опорной призмы с лабораторным образцом на рабочем столе
испытательной машины
220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0
/
111
Смешение толкателя, мм
Рис. 5. Диаграмма нагружения призматического образца в его средней части: точка 1 - момент фиксации смещений точек образца с помощью системы У'с-Зй; точка 2 - момент появления трещины
, У
X
Рис. 6. Сопоставление экспериментального (а) и расчетного (б) напряженно-деформированного состояния призматического образца с распределением поля продольных деформаций ех, вызванных испытательным усилием
Для оценки предельного состояния материала образца, находящегося в условиях двухосного растяжения, характеризуемого параметром Смирнова-Аляева П = 1,8, использовалась методика, включающая рас-
—.пред пред
четное определение величин < и < по результатам КЭ-моделирования процесса деформирования образца до разрушения. Необходимые для расчетного КЭ-моделирования данные о величине действующих на образец сил определялись по соответствующей диаграмме нагружения испытательной машины (см. рис. 5).
Момент разрушения образца устанавливался по факту появления трещины в рабочей зоне. Наблюде-
ние за поверхностью рабочей зоны выполнялось в процессе испытаний с помощью цифрового микроскопа Dino-Lite серии AM-413MТ с матрицей 1,3 мегапикселей. Появление трещины наступало (для всех трех испытанных образцов) в момент, когда испытательное усилие достигало значения 205 ± 1 кН, что соответствует точке 2 на диаграмме нагружения (см. рис. 5). Это появление сопровождалось в процессе испытаний характерным щелчком. Трещины в испытанных трех образцах при этом имели длину 25-30 мм, их раскрытие составляло 0,7-1 мм; сами трещины были ориентированы вдоль образующей образца (рис. 7,а).
ч
4«,
в
Рис. 7. Фотографии поверхности рабочей зоны призматического образца: а - появление трещины; б - разрушение образца на части; в - поверхность излома бокового выступа
После появления трещины осуществлялась попытка повышения испытательного усилия, в процессе которого происходил рост длины трещины, а затем разделение образца на части (рис. 7,6) без повышения величины испытательного усилия (см. рис. 5). На рис. 7,е приведена фотография поверхности излома в рабочей зоне одного из разрушенных образцов, которая имела характерную для хрупкого разрушения исследуемой стали зернистую фактуру.
Для расчетного определения НДС призматического образца в его рабочей зоне в момент возникновения трещины использовалась дискретная КЭ-модель деформирования [13]. Особенностью процесса численного моделирования НДС в рассматриваемом случае являлся учёт контактного характера упругого взаимодействия образца с его опорами, а также возможный пластический характер деформирования его материала.
Результаты численного анализа показали, что
Численное моделирование позволило установить, что в момент разрушения образца в очаге его разрушения предельное значение первого главного напря-
пред
жения , принятое за критерий прочности при
сложном НДС [7], равно 985 МПа.
Полученные экспериментальные результаты показывают, что влияние двухосности НДС в очаге разрушения детали может быть значительным - для испытанных образцов предельное значение критерия
пред
прочности 01 , соответствующее моменту их разрушения, равно 985 МПа, что почти на четверть ниже величины предела прочности ор исследуемой стали, равного 1270 МПа и определенного в условиях одноосного растяжения.
В целом полученные в работе результаты позволяют сделать следующие основные выводы:
1. Рассмотренные в данной работе призматические образцы позволяют осуществлять необходимые
а) б)
Рис. 8. Расчётное распределение напряжений в рабочей зоне, полученное с помощью МКЭ: а - поле интенсивности напряжений о; б - поле первого главного напряжения 01
- —.пред
значение интенсивности напряжении в рабочей
зоне образца, соответствующее моменту разрушения, составило 880 МПа (схематически расчетное поле интенсивности напряжений, соответствующее моменту возникновения трещины и полученное с помощью МКЭ, представлено на рис. 8,а). Это означает, что в момент разрушения образца его материал в зоне разрушения находился в упругом состоянии (для стали 50ХФА предел текучести составляет 1080 МПа), т.е. что сталь 50ХФА при П = 1,8 является упруго-хрупкой. В свою очередь, из этого следует, что прочность этой стали при таком значении параметра Смирнова-Аляева определяется, главным образом, сопротивлением отрыву.
прочностные испытания до разрушения в условиях двухосного растяжения на стандартном испытательном оборудовании с одним силовым приводом, что может существенно упростить процесс проведения испытаний.
2. Расчётно-экспериментальным путём установлено, что для стали 50ХФА, из которой были изготовлены опытные призматические образцы для лабораторных испытаний, при увеличении параметра Смир-нова-Аляева с 1 (одноосное растяжение) до 1,8 (двухосное растяжение) прочностные характеристики -значение первого главного напряжения, соответствующее моменту разрушения, уменьшаются с 1270 до 985 МПа.
Статья поступила 13.03.2014 г.
Библиографический список
1. Смирнов-Аляев Г.А. Механические основы пластической расчет элементов конструкций на прочность. М.: Машино-обработки металлов. Инженерные методы. Л.: Машиностро- строение, 1981. 272 с.
ение, 1968. 272 с. 3. Гагарин Ю.А., Пичков С.Н. Исследование поведения де-
2. Махутов Н.А. Деформационные критерии разрушения и фектов в полях растягивающих и сжимающих напряжений //
Проблемы прочности и пластичности: межвуз. сб. Нижний Новгород: Изд-во ННГУ, 2000. С. 11-116.
4. Ядров В.И. Усталостные испытания стальных крестообразных образцов с поверхностной трещиной при двухосном нагружении // Омский научный вестник. 2012. № 3 (113). С. 117-121.
5. Жернаков В.С., Сабиров Р.М. Влияние напряженного состояния на циклическую трещиностойкость заклепочных соединений // Мавлютовские чтения: сб. тр. Российской научно-техн. конф. Уфа: Изд. УГАТУ, 2011. Т. 3. С. 89-92.
6. Зеньков Е.В., Цвик Л.Б., Пыхалов А.А., Запольский Д.В. Заявка на изобретение RU №2012140619 «Призматический образец для оценки прочности материала» (положительное решение о выдаче патента от 28.01.2014).
7. Лебедев А.А. Развитие теорий прочности в механике материалов // Проблемы прочности. 2010. № 5. С.127-146.
8. Зеньков Е.В., Цвик Л.Б. Деформирование призматических образцов с галтелями и вид их напряженного состояния // Вестник машиностроения. 2013. №7 (32). С. 34-37.
9. Зеньков Е.В. Лабораторное моделирование вида напряженного состояния на образцах призматического типа //
Международный научно-исследовательский журнал = Research Journal of International Studies. 2014. № 1 (20). С. 53-55.
10. ГОСТ 103-2006. Прокат сортовой стальной горячекатаный полосовой. Сортамент.
11. ГОСТ 14959-79. Прокат из рессорно-пружинной углеродистой и легированной стали.
12. ГОСТ 1497-84. Металлы. Методы испытаний на растяжение. Введен 01.01.86. М.: Изд-во стандартов, 2006. 24 с.
13. Зеньков Е.В., Цвик Л.Б. Расчетно-экспериментальная оценка напряженно-деформированного состояния лабораторного образца с галтельным переходом // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2013. № 9 (80) С. 70-78.
14. Sutton M.A., J.-J. Orteu, H. Schreier. Image Correlation for Shape, Motion and Deformation Measurements. - University of South Carolina, Columbia, SC, USA, 2009. 364 p.
15. Вильдеман В.Э., Третьяков М.П., Третьякова Т.В. и др. Экспериментальные исследования свойств материалов при сложных термомеханических воздействиях / под ред. В.Э. Вильдемана. М.: ФИЗМАТЛИТ.2012. 204 с.
УДК 629. 923. 1
СТАТИСТИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ К МИКРОРЕЛЬЕФУ ПЛОСКИХ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ЗАКАЛЕННОЙ СТАЛИ 08Х15Н5Д2Т ПРИ МАЯТНИКОВОМ ШЛИФОВАНИИ ВЫСОКОПОРИСТЫМИ КРУГАМИ ИЗ КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА И СИНТЕРКОРУНДА
© Я.И. Солер1, В.Л. Нгуен2, И .А. Гуцол3
Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
В настоящее время отсутствуют сведения, позволяющие сопоставить режущие способности кругов высокой пористости (ВПК) из синтеркорунда 5SG, нитридборовых CBN50 и ЛКВ50 (АЭРОБОР) по их влиянию на шероховатость шлифованной поверхности. Установлено, что ВПК 5SG обеспечивают снижение высот микронеровностей на одну - три категориальных величины по сравнению с нитридборовыми, а по средним продольном шагам признаны равноценными с кругами CBN50. По стабильности процесса наилучшими показателями обладают круги АЭРОБОР.
Ил. 4. Табл. 2. Библиогр. 12 назв.
Ключевые слова: шлифование; круг; среднее; медиана; дисперсия.
STATISTICAL APPROACHES TO MICRORELIEF OF FLAT PARTS MADE OF HARDENED STEEL 08Х15НД2Т UNDER PENDULOUS GRINDING BY HIGH POROUS WHEELS MADE FROM CUBIC BORON NITRIDE AND SYNTHESIS CORUNDUM
Ya.I. Soler, V.L. Nguyen, I.A. Gutsol
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
Today the absence of information impedes the comparison of the cutting power of high porous wheels (HPW) made from syntered corundum 5SG, cubic boron nitride CBN50 and LKV50 (AEROBOR) by their effect on ground surface roughness. HPW 5SG are found to decrease the height of microroughnesses by one - three categorical values as compared with cubic boron nitride wheels. By average longitudinal travels they are proved to be equivalent to CBN50 wheels. AEROBOR wheels also show the best indices according to process stability. 4 figures. 12 sources.
Key words: grinding; wheel; average; median; dispersion.
1Солер Яков Иосифович, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии машиностроения, тел.: (3952) 405459, e-mail: [email protected]
Soler Yakov, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Mechanical Engineering Technology, tel.: 8(3952)405459, e-mail: [email protected]
2Нгуен Ван Ле, аспирант, тел.: 89641038808, email: [email protected] Nguyen Van Le, Postgraduate, tel.: 89641038808, email: [email protected]
3Гуцол Иван Александрович, аспирант, тел.: 89500535147, e-mail: [email protected] Gutsol Ivan, Postgraduate, tel.: 89500535147, e-mail: [email protected]
