CC BY-NC
37
DOI: 10.24937/2542-2324-2020-4-394-63-69 УДК 620.17:669.018.295
С.Д. Кноринг, В.В. Платонов , Н.Г. Попов, В.М. Шапошников
ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург, Россия
СОПОСТАВЛЕНИЕ УСТАЛОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЫСОКОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ 38ХН3МФА И 40ХН ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ИСПЫТАНИЙ
Объект и цель научной работы. Объектом работы являются сталь марки 38ХН3МФА, планируемая к использованию при изготовлении гребных валов ледокола-лидера проекта 10510, и менее прочная сталь марки 40ХН, используемая при изготовлении гребных валов ледоколов более низких ледовых категорий и меньшей мощности. Цель исследования состоит в сопоставительной оценке усталостной прочности указанных марок стали. Материалы и методы. Исследования характеристик усталостной прочности сталей выполнялись путем проведения циклических испытаний плоских образцов с надрезом на воздухе и цилиндрических образцов в пресной воде. Основные результаты. Показано, что наименьшие характеристики усталостной прочности соответствуют условиям циклического нагружения образцов с острым концентратором на воздухе. Но даже в этих условиях усталостная прочность стали 38ХН3МФА лучше, чем у стали 40ХН. В условиях испытаний в пресной воде гладких образцов сталь 38ХН3МФА также обладает явным преимуществом над сталью 40ХН.
Заключение. Выполненные исследования показали, что характеристики усталостной прочности стали 38ХН3МФА на воздухе и в коррозионной среде превышают аналогичные характеристики стали 40ХН. Чувствительность стали 38ХН3МФА к условиям среды и концентрации напряжений оказалась выше, чем у стали 40ХН. Ключевые слова: высокопрочные стали, усталостные характеристики, циклические испытания, предел выносливости. Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.
DOI: 10.24937/2542-2324-2020-4-394-63-69 UDC 620.17:669.018.295
S. Knoring, V. Platonov , N. Popov, V. Shaposhnikov
Krylov State Research Centre, St. Petersburg, Russia
COMPARISON OF FATIGUE CHARACTERISTICS OF 38ХН3МФА AND 40ХН HIGH-TENSILE-STRENGTH STEELS BASED ON TEST RESULTS
Object and purpose of research. The object of work is steel "38ХН3МФА", planned for use in the propeller shafts manufacture of the lead-ship (project 10510), and less strong steel "40XH", used in the propeller shafts manufacture for icebreakers of lower ice categories and lower power. The purpose of the study is to compare the fatigue strength of these steel grades. Materials and methods. Investigations of the fatigue strength characteristics of steels were carried out by cyclic tests of flat notched specimens in air and cylindrical specimens in fresh water.
Main results. It is shown that lowest fatigue strength results correspond to external cyclic loading of specimens with stress concentrator (notch). But even in these conditions, fatigue strength of 38ХН3МФА steel is better than that of 40XH steel. As for the tests of smooth samples in fresh water, 38ХН3МФА steel also has a clear advantage over 40XH steel. Conclusion. The studies have shown that fatigue strength characteristics of 38ХН3МФА steel in the air and in corrosive environment exceed those of 40XH steel. Environmental sensitivity and stress concentration of 38ХН3МФА steel turned out to be higher than for 40KH steel.
Key words: high-strength steels, fatigue characteristics, cyclic tests, fatigue endurance. The authors declare no conflicts of interest.
Для цитирования: Кноринг С.Д., Платонов В.В., Попов Н.Г., Шапошников В.М. Сопоставление усталостных характеристик высокопрочных сталей 38ХН3МФА и 40ХН по результатам испытаний. Труды Крыловского государственного научного центра. 2020; 4(394): 63-69.
For citations: Knoring S., Platonov V., Popov N., Shaposhnikov V. Comparison of fatigue characteristics of 38ХН3МФА and 40ХН high-tensile-strength steels based on test results. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2020; 4(394): 63-69 (in Russian).
Введение
Introduction
Действующие требования Правил РМРС [1] к определению минимальных диаметров валов предусматривают возможность снижения расчетного диаметра, изготовленного из стали с временным сопротивлением более 400 МПа, путем введения редукционного коэффициента
d = dP- 3 R
560
+ 160
(1)
где й?расч - расчетный диаметр вала; Ятв - временное сопротивление материала вала. Однако для гребных валов в независимости от категории прочности стали и ее усталостных характеристик временное сопротивление Яти в формуле (1) не может приниматься более 600 МПа. Поэтому целью проведения испытаний являлась сопоставительная оценка усталостной прочности стали марки 38ХН3МФА с временным сопротивлением 950-1000 МПа, планируемой к использованию при изготовлении гребных валов ледокола-лидера, и менее прочной стали марки 40ХН с временным сопротивлением 600-700 МПа.
Для проведения исследования была выбрана заготовка высоколегированной стали марки 38ХН3МФА, полученная из прибыльной части отливки и поковки вала диаметром 0925 мм и длиной около 17 000 мм после термообработки и механической обработки. В качестве предварительной термообработки принят изотермический отжиг слитков, в качестве основной термообработки - двойная закалка через воду в масло с высоким отпуском. Предполагается, что после окончательной термической обработки свойства стали должны соответствовать категории прочности КТ80 по ГОСТ [2].
В качестве варианта для сопоставления выбрана близкая по содержанию углерода хромоникелевая сталь 40ХН. Для проведения испытаний заготовка была вырезана вдоль оси поковки вала диаметром 290 мм. Глубина вырезки карточки в соответствии с требованиями Правил РМРС [3] составила 72 мм (1/4 диаметра). Так же, как и для стали 38ХН3МФА, механические свойства стали 40ХН должны удовлетворять категории прочности КТ40 по ГОСТ [2].
Согласно ГОСТ [2], при выборе сталей для конструкции вала необходимо подтвердить ее механические и достаточные усталостные свойства. Поэтому перед исследованием усталостных свойств сталей 38ХН3МФА и 40ХН была выполнена проверка их механических свойств на цилиндрических образцах. Комплексная проверка характеристик усталостной прочности рассмотренных сталей с целью определения достаточности их свойств для длительной эксплуатации в условиях переменных нагрузок валопровода ледокола производилась в два этапа: на первом были проведены циклические испытания плоских образцов с надрезом на воздухе, а на втором - циклические испытания цилиндрических образцов в пресной воде.
Проверка механических свойств
Mechanical properties check
Проверка механических свойств сталей на соответствие категориям прочности по ГОСТ [2] производилась на цилиндрических образцах с номинальным диаметром рабочей части 8 мм. Размеры и испытания образцов соответствовали требованиям ГОСТ [4]. На рис. 1 показаны образцы в захватах машины при испытаниях механических свойств.
Рис. 1. Испытание механических свойств материалов валов на соответствие требованиям категорий прочности по ГОСТ
Fig. 1. Shaft materials mechanical tests for compliance with the requirements of strength categories according to GOST
Таблица 1. Механические характеристики сталей для изготовления судовых валов Table 1. Mechanical characteristics of steels for the ship shafts manufacture
Марка стали Предел текучести aT, МПа Предел прочности aB, МПа Относительное удлинение S5, % Категория прочности по ГОСТ [2]
38ХН3МФА 809 981 16,1 КТ80
40XH 416 701 17,2 КТ40
900 050 100 150 ¿00 250 300 350 4 00 4 50 5 00 5-50 Доформоиия [ mm ]
COO BOO 1300
Деформация [ mm )
Рис. 2. Диаграммы деформирования: а) сталь 38ХН3МФА; б) сталь 40ХН Fig. 2. Deformation diagrams: a) 38ХН3МФА steel; b) 40ХН steel
Полученные при испытании образцов механические характеристики материалов для судовых валов представлены в табл. 1, а диаграммы деформирования сталей - на рис. 2. Результаты испытаний подтвердили высокие механические свойства материалов и их соответствие требованиям ГОСТ [2] к категориям прочности для судовых валов.
Усталостные испытания плоских образцов с надрезом
Fatigue tests of flat notched specimens
На первом этапе выполнялось исследование усталостной прочности сталей 38ХН3МФА и 40ХН на плоских образцах с надрезом на воздухе. Этот вид испытаний считается наиболее жестким для сталей, используемых для изготовления валов [5]. Образцы соответствуют образцу типа VI по ГОСТ [6]. Учитывая сопоставительный характер испытаний и малую величину реально возможного поверхностного дефекта судового вала, глубина надреза была задана не более 1±0,5 мм. Форма поперечного сечения рабочей части - прямоугольная с двумя симметричными боковыми V-образными надрезами с радиусом скруг-ления при вершине надреза 0,5 мм (нетто-сечение по толщине рабочей части - 12,8 мм) (рис. 3).
Всего было испытано 8 образцов - по четыре из каждого типа стали. Нагружение выполнялось с частотой 95 Гц до разрушения, но не более 2 107 циклов. Коэффициент асимметрии циклической нагрузки (отношение максимального напряжения цикла к минимальному) равнялся Я = 0,1. Останов-
Рис. 3. Образцы для усталостных испытаний на воздухе по ГОСТ
Fig. 3. Samples for outside fatigue tests in accordance with GOST
Таблица 2. Результаты усталостных испытаний на воздухе плоских образцов с боковыми V-образными надрезами
Table 2. Results of outside fatigue tests for flat specimens with side V-notches
Номер образца Размеры поперечного сечения, мм Площадь поперечного сечения, см2 Максимальное усилие цикла, кН Максимальное напряжение цикла, МПа Количество циклов до разрушения
Сталь 38ХН3МФА
1 15,2x12,8 1,95 75,0 385 1,83-105
2 15,1x12,8 1,93 45,0 233 2,00-107 без разрушения
дополнительное нагружение 75,0 389 1,59-105
3 15,2x12,8 1,95 57,0 292 1,00-107
4 15,2x12,8 1,95 66,0 338 1,06-106
Сталь 40ХН
1 15,2x12,8 1,95 75,0 385 5,80-104
2 15,2x12,8 1,95 45,0 231 2,00-107 без разрушения
дополнительное нагружение 75,0 385 5,83-104
3 15,2x12,8 1,95 57,0 292 4,08-105
4 15,2x12,8 1,95 47,0 241 1,21-106
ка машины происходила автоматически либо по достижении требуемого количества циклов нагру-жения, либо при заранее заданном в системе управления машиной падении жесткости образца (вызванном образованием усталостной трещины). Если на базе 2 107 циклов нагружения разрушение не достигалось, то образец подвергался дополнитель-
Размах напряжений, МПа
Mill 1 II III
■ 38ХНЭМФА
4UAJ 1
а ■ - ■
] □ 1
1,0Е+04 1.0Е+05 1,0Е+06 1,0Е+07
Количество циклов
Рис. 4. Усталостные кривые сталей 38ХН3МФА и 40ХН, построенные по результатам испытаний на воздухе плоских образцов с надрезом
Fig. 4. Fatigue curves of 38ХН3МФА and 40XH steels as per the results of flat notched specimens tests in the air
ному усталостному нагружению до разрушения при нагрузке, увеличенной вдвое.
Результаты усталостных испытаний сталей приведены в табл. 2. На рис. 4 показаны усталостные кривые в двойных логарифмических координатах, построенные по результатам испытаний.
Усталостные испытания гладких цилиндрических образцов в пресной воде
Fatigue tests of smooth cylindrical specimens in fresh water
На втором этапе исследований усталостной прочности сталей 38ХН3МФА и 40ХН, используемых при изготовлении валов, решалась задача получения усталостных характеристик материалов в пресной воде, где предполагается дальнейшая длительная работа вала. Испытания проводились на гладких цилиндрических образцах: рабочая часть образцов имеет длину 16 мм и диаметр 6 мм; концевые захватные части - длиной 15 мм с резьбой М14. Номинальная площадь сечения рабочей части - 28,3 мм2. Чертеж образца показан на рис. 5.
Всего было испытано 14 образцов - по семь из каждого типа стали. Испытательная нагрузка образцов - циклическое растяжение с частотой 67 Гц
Рис. 5. Чертеж гладких цилиндрических образцов для усталостных испытаний сталей 38ХН3МФА и 40ХН в пресной воде
Fig. 5. Drawing of smooth cylindrical specimens for fatigue tests of 38ХН3МФА and 40XH steels in fresh water
Размах напряжений, МПа
îooo............
100
ТТТП-1-1 I I I I
• 38ХНЭМФА С 40XH
Количество циклов
1.0E+04
l,0E+05 l,0E+06 l,0E+07
Рис. 6. Усталостные кривые сталей 38ХН3МФА и 40ХН, построенные по результатам испытаний гладких цилиндрических образцов в пресной воде
Fig. 6. Fatigue curves of 38ХН3МФА and 40XH steels as per the test results for smooth cylindrical specimens in fresh water
и коэффициентом асимметрии цикла Я = 0,1. Среда испытаний - пресная вода.
В табл. 3 приведены результаты испытаний усталостной прочности сталей, а на рис. 6 - усталостные кривые в двойных логарифмических координатах, построенные по результатам испытаний гладких цилиндрических образцов в пресной воде.
Основные выводы по результатам испытаний
Key findings from test results
Выполненные исследования показали, что характеристики усталостной прочности стали 38ХН3МФА как на воздухе, так и в коррозионной среде превы-
Таблица 3. Результаты усталостных испытаний гладких цилиндрических образцов в пресной воде Table 3. Results of fatigue tests of smooth cylindrical specimens in fresh water
Номер образца Размеры Площадь Максимальное Максимальное Количество
поперечного поперечного усилие цикла, напряжение цикла, циклов
сечения, мм сечения, см2 кН МПа до разрушения
Сталь 38ХН3МФА
1 6,0 0,283 12,5 444 2,09-106
2 6,0 0,283 8,8 312 2,36-107 без разрушения
3 6,0 0,283 15,0 531 1,12-106
4 6,0 0,283 10,8 378 4,71 • 106
5 6,0 0,283 9,5 338 8,40-106
6 6,0 0,283 9,5 338 8,80106
7 6,0 0,283 9,1 322 4,80-106
Сталь 40ХН
1 6,0 0,283 12,6 448 1,43-105
2 6,0 0,283 8,8 311 1,16-107 без разрушения
3 6,0 0,283 15,0 531 8,83-104
4 6,0 0,283 10,7 378 2,23-106
5 6,0 0,283 9,5 336 4,57-106
6 6,0 0,283 11,5 406 8,20-106
7 6,0 0,283 9,1 322 3,14-106
Амплитуда напряжений, МПа 500
---38ХНЭМФА (Плоские)
- 38ХНЭМФА (Цилиндрические)
40ХН (Плоские) 40ХН (Цилиндрические) • 35ХНМА ▲ 38Х2Н2МА
100
1.0Е+04 1,0Е+05 1,0Е+06 1,0Е+07
Количество циклов
Рис. 7. Усталостные кривые сталей 38ХН3МФА и 40ХН, построенные по результатам испытаний
Fig. 7. Fatigue curves of 38ХН3МФА and 40XH steels: test data
шают аналогичные характеристики стали 40ХН. Чувствительность стали 38ХН3МФА к условиям среды и концентрации напряжений также оказалась выше, чем у стали 40ХН.
На рис. 7 показаны все результаты усталостных испытаний, приведенные к симметричному циклу Я = -1 с использованием коррекции средних напряжений по Гудману [7]. Отдельными точками пред-
Отношение пределов усталости 3 8ХНЗ МФАУ40ХН 1,5
1,4 -
1,3 1,2 1,1 1,0
1 1 !озд) (ода
-О--F
ставлены результаты циклических испытаний близких по углероду и химическому составу сталей того же класса 38Х2Н2МА и 35ХНМА в морской воде, полученных ФГУП «ЦНИИ КМ «Прометей» [5].
В результатах испытаний также обращает на себя внимание экспериментально обнаруженный факт зависимости предела усталости при симметричном растяжении-сжатии цилиндрических гладких образцов сталей 38ХН3МФА и 40ХН в воде от временного сопротивления материала. Правила РМРС [3] регламентируют прямую пропорциональность пределов усталости при симметричном цикле нагружения на воздухе (кривая «воздух», рис. 8):
G _1(3SXHЗМФА) Gв(38XHЗМФА)
G _j (40XH)
G в (40XH)
¡1,4.
Однако результаты испытаний показали, что наличие пресной воды как коррозионной среды, которая характерна для работы гребного вала, существенно корректирует эту взаимосвязь, и тогда зависимость имеет уже иной вид (кривая «вода», рис. 8):
G_1(3SXHЗМФА) ^в(38ХЫЗМФА)
G _j (40XH)
G в (40XH)
1,1S.
700 750 800 850 900 950 1000 Временное сопротивление, МПа
Рис. 8. Соотношения пределов усталости при R = -1 в зависимости от пределов прочности сталей 38ХН3МФА и 40ХН, построенные по результатам испытаний гладких цилиндрических образцов в пресной воде
Fig. 8. Fatigue limits at R = -1 versus ultimate strength: comparison of 38ХН3МФА and 40XH steels, (data for smooth cylindrical specimens tested in fresh water)
Последняя формула более характерна для оценок усталостной прочности и работоспособности материалов корпусных судовых конструкций [8].
Таким образом, выполненные исследования показали, что усталостные характеристики стали 38ХН3МФА, планируемой к использованию при изготовлении гребных валов ледокола-лидера, и на воздухе с концентратором, и в коррозионной среде превышают аналогичные характеристики стали 40ХН. Поэтому использование фактического временного сопротивления в редукционном коэффициенте формулы (1) позволяет учесть усталостные характеристики стали 38ХН3МФА и обоснованно уменьшить диаметр и, соответственно, массогаба-ритные характеристики гребных валов.
Список использованной литературы
1. Правила классификации и постройки морских судов (НД № 2-020101-124). Ч. VII: Механические установки. Санкт-Петербург: Российский морской регистр судоходства, 2020. 106 с.
2. ГОСТ 8536-79. Заготовки судовых валов и баллеров рулей. Технические условия. Москва: Изд-во стандартов, 2004. 29 с.
3. Правила классификации и постройки морских судов (НД № 2-020101-124). Ч. XIII: Материалы. Санкт-Петербург: Российский морской регистр судоходства, 2020. 272 с.
4. ГОСТ 1497-84. Металлы. Методы испытаний на растяжение. Москва: Стандартинформ, 2008. 22 с.
5. Материалы для судостроения и морской техники: [в 2-х т.]. Т. 1. Санкт-Петербург: Профессионал, 2009. 775 с.
6. ГОСТ 25.502-79. Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Методы механических испытаний металлов. Методы испытаний на усталость. Москва: Стандартинформ, 2005. 25 с.
7. DNVGL-CG-0041. Ice strengthening of propulsion machinery and hull appendages: Class guideline. Hamburg: DNV GL, 2020. 95 p.
8. Бойцов Г.В., Кноринг С.Д. Прочность и работоспособность корпусных конструкций. Ленинград: Судостроение, 1972. 264 с.
References
1. Rules for Classification & Construction of Sea-Going Ships (ND No. 2-020101-124). Part VII: Machinery Installations. St. Petersburg: Russian Maritime Register of Shipping, 2020. 106 p. (in Russian).
2. GOST 8536-79. Ingots for marine shafts and rudder stocks. Technical conditions. Moscow: Publishing house of standards, 2004. 29 p. (in Russian).
3. Rules for Classification & Construction of Sea-Going Ships (ND No. 2-020101-124). Part XIII: Materials. St. Petersburg: Russian Maritime Register of Shipping, 2020. 272 p. (in Russian).
4. GOST 1497-84. Metals. Tensile test methods. Moscow: Standartinform, 2008. 22 p. (in Russian).
5. Materials for shipbuilding and marine technology: [in 2 volumes]. Vol. 1. St. Petersburg: Professional, 2009. 775 p. (in Russian).
6. GOST 25.502-79. Calculations and strength tests in mechanical engineering. Methods for mechanical testing of metals. Fatigue test methods. Moscow: Standartinform, 2005. 25 p. (in Russian).
7. DNVGL-CG-0041. Ice strengthening of propulsion machinery and hull appendages: Class guideline. Hamburg: DNV GL, 2020. 95 p.
8. G. Boytsov, S. Khnoring. Strength and performance of hull structures. Leningrad: Shipbuilding, 1972. 264 p. (in Russian).
Сведения об авторах
Кноринг Семен Давидович, к.т.н., старший научный ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Тел.: +7 (812) 415-46-74. Платонов Виктор Викторович, к.ф.-м.н., начальник сектора ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Тел.: +7 (812) 723-66-07. E-mail: vv_platonov@ksrc.ru. https://orcid.org/0000-0002-9639-0917. Попов Николай Геннадьевич, старший научный ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Тел.: +7 (812) 415-47-50. E-mail: pong58@mail.ru. Шапошников Валерий Михайлович, к.т.н., начальник отделения ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Тел.: +7 (812) 415-46-10. E-mail: sh.v.m@bk.ru. https://orcid.org/0000-0002-1159-8621.
About the authors
Semyon D. Knoring, Dr. Sci. (Eng.), Senior Research Assistant, Krylov State Research Centre. Address: 44, Mos-kovskoe sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: +7 (812) 415-46-74.
Victor V. Platonov, Cand. Sci. (Phys. & Math.), Head of Sector, Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskovskoe sh., St. Petersburg, 196158, Russia. Tel.: +7 (812) 415-45-73. E-mail: vv_platonov@ksrc.ru. https://orcid.org/0000-0002-9639-0917. Nikolay G. Popov, Senior Research Assistant, Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskovskoe sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: +7 (812) 415-47-50. E-mail: pong58@mail.ru.
Valery M. Shaposhnikov, Dr. Sci. (Eng.), Head of Structural Strength and Reliability Division. Address: 44, Moskovskoe sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: +7 (812) 415-46-10. E-mail: sh.v.m@bk.ru. https://orcid.org/0000-0002-1159-8621.
Поступила / Received: 18.09.20 Принята в печать / Accepted: 23.11.20 © Коллектив авторов, 2020
