CC BY
62
DOI: 10.18721/JEST.25205 УДК 620.178
Т. Нгуен Нгок, В.М. Капралов, Г.С. Коленько
Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,
Санкт-Петербург, Россия
ВЛИЯНИЕ ЧАСТОТ НАГРУЖЕНИЯ НА СОПРОТИВЛЕНИЕ УСТАЛОСТИ МАТЕРИАЛОВ
Влияние частоты нагружения на предел выносливости, долговечность и циклическую прочность металлов и сплавов в области высоких значений частот зависит от некоторых факторов: уровня напряжения, изменение напряжения, способа нагружения, структуры материалов. При увеличении скоростей и мощностей двигателей и энергомашин все большее значение имеет усталостная прочность деталей и узлов. При работе детали подвержены воздействию высокочастотного циклического нагружения, а ресурс и надежность их работы в большинстве случаев определяются усталостной прочностью, поэтому возникает необходимость проведения усталостных испытаний в широком интервале частот нагружения. В общем случае частота приложения нагрузки неоднозначно влияет на сопротивление усталости материалов, поэтому разные материалы в различных областях усталостного разрушения имеют различия в своей реакции на изменение частоты нагру-жения.
Ключевые слова: высокая частота нагружения, сопротивление усталости, прочность, предел выносливости, долговечность.
Ссылка при цитировании:
Т. Нгуен Нгок, В.М. Капралов, Г.С. Коленько. Влияние частот нагружения на сопротивление усталости материалов // Научно-технические ведомости СПбПУ. Естественные и инженерные науки. 2019. Т. 25. № 2. С. 68-77. DOI: 10.18721/JEST.25205.
T. Nguyen Ngoc, V.Nl. Kapralov, S.G. Kolenko
Peter the Great St. Petersburg polytechnic university, St. Petersburg, Russia
EFFECT OF LOADING FREQUENCIES ON FATIGUE RESISTANCE
OF MATERIALS
The influence of the loading frequency on the endurance limit, durability and cyclic strength of metals and alloys in the high frequency range depends on several factors: stress level, voltage change, loading method, material structure. With increasing speeds and power of engines and power-driven vehicles, the fatigue strength of parts and components is becoming increasingly important. During operation, parts are exposed to high-frequency cyclic loading, and their service life and reliable operation are determined by fatigue strength in most cases, therefore, it is necessary to conduct fatigue tests in a wide range of loading frequencies. In the general case, the frequency of application of the load ambiguously affects the material's resistance to fatigue; therefore, different materials in different areas of fatigue failure have differences in their response to a change in the loading frequency.
Keywords: high loading frequency, fatigue resistance, strength, endurance limit, durability. Citation:
T. Nguyen Ngoc, У.М. Kapralov, G.S. Kolenko, Effect of loading frequencies on fatigue resistance of materials, St. Petersburg polytechnic university journal of engineering science and technology, 25 (2) (2019) 6877, DOI: 10.18721/JEST.25205.
Введение. Сопротивление усталости металлов при различных частотах нагружения является предметом исследований уже длительное время. Изучение влияния частоты нагружения имеет большое научное и практическое значение. Высокочастотные испытания являются единственным реальным способом получения характеристик сопротивления усталости материалов на базах напряжения, превышающих 109...1010 число циклов напряжения [1]. На сегодняшний день большое количество экспериментальных данных по усталостным характеристикам материалов в виде кривых усталости Omax = /(№) [2] в большинстве своем ограничено базовым числом N = 107 циклов нагрузки, так как считается, что если образец материала не разрушился через 107 циклов нагружения при заданной амплитуде напряжений Omax, то он выдержит и далее неограниченное число циклов нагружения. Однако такое предположение о пределе усталости достаточно удовлетворительно прогнозирует усталостную прочность деталей с ресурсом, сильно не превышающим 107 циклов нагружения. А для деталей, имеющих ресурс N = 108—1010 циклов, применимость существующих данных (основанных на базовом числе циклов N = 107) для надежного прогнозирования работоспособности — вопрос открытый.
Целью данной работы является исследование влияния частот нагружения на характеристики сопротивления усталости некоторых наиболее распространенных материалов, применяемых для изготовления элементов энергетических машин.
Методы и материалы
Как упоминалось выше, традиционное испытание на усталость не обеспечивает надежное прогнозирование усталостных характеристик материала в диапазоне очень высоких чисел циклов ^ = 108 —1010) [11]. Эту задачу
можно было бы успешно выполнить, используя высокочастотную испытательную машину. Частота испытаний на такой машине находится в диапазоне 15—30 кГц, в основном используется частота 20кГц. Этот метод позволяет уменьшить время и стоимость испытаний на усталость.
Таблица 1
Высокочастотные и стандартные усталостные испытания [6, 8]
High frequency and standard fatigue testing
Количество циклов Высокая частота 20 кГц Стандартная частота 100 Гц
107 9 минут 1 день
109 14 часов 4 месяца
1010 6 дней 3 года
Метод высокочастотных усталостных испытаний, основанный на использовании пьезоэлектрических преобразователей, которые преобразуют электрические сигналы 20кГц в механические колебания такой же частоты [3]. Мы использовали высокочастотные волны большой мощности, чтобы вызвать усталостное разрушение материалов.
Система испытания на усталость имеет следующие основные компоненты [13]:
• Генератор мощности, который преобразует сигнал напряжения 50 или 60 Гц в высокочастотный 20 кГц электрический синусоидальный сигнал.
• Пьезоэлектрический преобразователь, возбуждаемый силовым генератором, который преобразует электрический сигнал в продольные высокочастотные волны и механическую вибрацию такой же частоты.
• Устройство Хорн (Horn), которое усиливает вибрацию, поступающую от преобразователя, чтобы получить требуемую амплитуду деформации в средней части образца [4].
Рис. 1. Система испытания на усталость и поле смещения напряжений Fig. 1. Fatigue testing system and stress displacement field
Как видно из рис. 1, преобразователь напрямую связан с источником электрического тока и возбуждает акустический сигнал той же частоты. Однако, поскольку амплитуда этого движения очень мала, Хорн нужен, чтобы увеличить амплитуду [7]. На конце Хорна, названного B на рис. 1, прикреплен образец. График смещения и перераспределения напряжений по всей этой системе представлен для случая, когда второй конец образца A свободен. Чтобы иметь пик напряжения в центре образца, и соответствующую узловую точку, отражаемую на эпюре смещения, образец должен иметь строго определенную длину, которая может быть рассчитана с использованием теории резонанса.
Образец, Horn и преобразователь образуют механическую резонансную систему с четырьмя узлами напряжения (нулевое напряжение) и три узла смещения (нулевое смещение) при собственной частоте 20 кГц [14]. Как видно из рисунка 1, максимальное напряжение находится в центре образца, которое соответствует одному из узлов смещения, а смещение достигает
максимума на концах образца (точки А и В). Вышеуказанные три части необходимы для воспроизведения высокочастотной усталостной нагрузки. Другие компоненты испытательной машины для высокочастотных усталостных испытаний могут включать в себя [10]:
• системы (амплитуда и блоки управления, счетчик циклов, осциллограф и т. д.)
• измерительные системы (датчик перемещения, видеокамера).
Во время высокочастотных испытаний на усталость из-за влияния внутреннего трения образца температура может значительно увеличиться. Это повлияет на усталостное поведение испытательного материала. Поэтому образец следует охлаждать чистым и сухим сжатым воздухом. Для максимального охлаждающего эффекта необходимо установить регулируемое сопло [15].
Установка, представленная на рис. 1, позволяет проводить испытания на усталость с коэффициентом асимметрии цикла Я= —1. Для того чтобы получить другое отношение
нагрузки дополнительный Хорн, индентичный первому, прикреплен к нижней части образца [2]. Затем к образцу прикладывается растягивающее предварительное напряжение, затем добавляют высокочастотную нагрузку.
Прогресс в области высокочастотных усталостных испытаний, наблюдаемый в течение последних двух десятилетий, позволил проводить испытания на усталость с переменной амплитудой нагрузки при различных температурах и в различных средах. В дополнение к этому, используя высокочастотную технику, теперь можно оценить усталостные свойства материалов с точки зрения кручения и изгиба [9].
В данной работе были испытаны на высокочастотную усталость образцы следующих материалов: титановый сплав Т16Л!4У, алюминиевый сплав Д16, никелевые сплавы Udimet 500, 1псопе1 718 и отечественный ЭП202 (ХН67МВТЮ).
Сплавы ^6Л14У и сплав Д16 широко используются для корпусных деталей в аэрокосмической промышленности [5], а никелевые сплавы Udimet 500, 1псопе1 718 и ЭП202 применяются для лопаток газотурбинных двигателей.
Результаты и обсуждение
Результаты показывают, что некоторые материалы сохраняют предел усталости таким же, как при числе циклов 106—107, в то время как большинство других не проявляют таких свойств, демонстрируя постепенное снижение усталостной прочности, когда число циклов достигает уровня 109 .
Для многих материалов и компонентов, составляющих важные ответственные узлы в авиастроении и железнодорожном транспорте, усталостное разрушение происходит в диапазоне более 107 циклов нагрузки, который называется диапазоном усталости с высоким числом циклов.
Результаты испытаний образцов из титановых и алюминиевых сплавов
Титановые сплавы играют очень важную роль в аэрокосмической промышленности,
для которой характерны высокие частоты нагружения деталей. Рассмотрим в качестве примера, испытание титанового сплава ^6Л14У, которое было выполнено на частоте 20кГц с коэффициентом асимметрии цикла г = —1. Результаты представлены на рис. 2 вместе с дополнительными данными, полученными в других лабораториях при испытаниях на уровне 20 и 100 Гц [12]. Можно увидеть, что усталостная характеристика сплава ^6Л14У в режиме высокочастотных испытаний выше, чем при испытаниях на более низких частотах (20 и 100 Гц). Кроме того, на рис. 2 показано, что усталостная прочность материалов не сильно ухудшается с увеличением количества циклов во время испытаний в диапазоне высоких частот (108—109 циклов).
Из рис. 3 видно, что при частотах ниже 100Гц предел выносливости уменьшается с ростом частоты нагружения, а при частотах более 100Гц, наоборот, возрастает.
Пример еще одного сплава, применяемого для корпусных деталей в авиации, — дюралюминий Д16. Результаты испытаний представлены на рис. 4.
При переходе от средних к весьма низким частотам нагружения наблюдается существенное снижение долговечности и пределов выносливости, как видно из кривых усталости на рис. 4. Видно, что снижение частоты от 4000 до 7 циклов в минуту приводит к уменьшению долговечности в 4—8 раз (при напряжении ст = 20—24 кгс/мм2) и уменьшению предела выносливости на 10—20 %.
Никелевые сплавы широко используются для изготовления лопаток газовых турбин, поэтому рассмотрение влияния высокочастотного нагружения на характеристики этих сплавов представляет практический интерес. Из рис. 5 видно, что предел выносливости сплава Удимет 500 уменьшается на 50 % при увеличении числа циклов с 106 до 1010.
с( MPa)
640 620 600 580 560 540 520 500 480 460 440
106
с_1( MPa) 550
500
450
i к—А.
н
107
108
109
Рис. 2. S-N для сплава Ti6Al4V Fig. 2. S-N for alloy Ti6Al4V
f=20kHz
f=20Hz
f=100Hz
N,циклов
1010
400
350
300
10
102
103
104
f, Гц
105
Рис. 3. Зависимость сопротивления усталости сплава Ti6Al4V от частоты нагружения Fig. 3. The dependence of the fatigue resistance of the alloy Ti6Al4V from the frequency of loading
с, кгс / мм
50 45 40 35 30 25 20
*
ш
♦ f=7 цикл/минуту
f=130цикл/мину ту
f=4000цикл/мин уту
1П3
104 105 106 Рис. 4. Кривые усталости для сплавов марки Д16 Fig. 4. Fatigue curves for alloys grade D16
N,циклов
2.2. Результаты испытаний образцов из никелевых сплавов
а( МПа) 600
550 500 450 400 350 300 250 200
f=20kHz f=20Hz
105
106
107 108
109 1010
N (циклов)
Рис. 5. Кривые усталости для сплавов марки Удимет 500 Fig. 5. S-N fatigue curves for alloys of the brand Udimet 500 alloy
а (МПа)
750 -.-
700 650 600 550 « 500 450 400
105
V
fit
i
,í
Ai;,lit
106
107
108
f=20 Гц
f=50 Гц
f=195000 Гц
109
N,циклов
Рис. 6. Кривые усталости никелевого сплава Inconel 718 Fig. 6. Fatigue Curves Inconel 718 Nickel Alloy
Кроме того, в отличие от образцов из других сплавов, испытанных в данном исследовании, предел выносливости которых повышается с ростом частоты, сплав Удимет 500 показал некоторое уменьшение (на 6 %) предела выносливости в диапазоне 106—107 циклов при увеличении частоты нагружения 20 Гц до 20 кГц. Однако это уменьшение сопоставимо со статистической неопределенностью-погрешностью при испытаниях, и влияние частоты испытания на
предел выносливости было признано несущественным для этого материала.
Из рис. 7 можно видеть, что с увеличением частоты нагружения предел выносливости сплава 1псопе1 718 монотонно возрастает. Испытание 1псопе1 718 на усталость проводилось с коэффициентом асимметрии цикла Я = —1. Результаты, представленные на рис. 6, показывают, что при высокочастотном нагружении усталостное разрушение образца не происходило
даже при 109 циклах, если максимальная амплитуда напряжения была меньше 530 МПа. Однако следует отметить, что при более низких частотах нагружения усталостное разрушение произошло за пределами 107 циклов нагрузки. Это указывает на то, что традиционное определение предела усталости (под которым понимается максимальный уровень амплитуды напряжения, при котором материал выдерживает 107 циклов) неприменимо для данного сплава, если ресурс детали превышает 107 циклов. При высокочастотных испытаниях усталостные трещины создаются из полос скольжения независимо от уровня напряжения. В месте концентрации напряжения возникают пучки линий
а_1 (МПа) 600
скольжения в виде усов, по одному из которых образуется начальная трещина [15]. В конце ее возникают новые пучки скольжения. Развиваясь по одному из них, трещина делает первый зигзаг. Анализ изломов натурных изделий показывает, что расстояние между линиями фронта усталостной трещины в одних случаях увеличивается с ростом длины трещины, в других случаях остаётся постоянным, а иногда это расстояние даже уменьшается. На рис. 6 результаты даны в сравнении с традиционным низкочастотным испытанием того же материала, которое дает более низкие значения предела усталости по сравнению с высокочастотными испытаниями.
500 400 300 200 100 0
10
102
103
104
f, Гц
105
Е
Рис. 7. Зависимость предела выносливости сплава Inconel 718 от частоты нагружения Fig. 7. The dependence of the fatigue resistance of the alloy Inconel 718 from the frequency of loading
a( МПа)
600 550 500 450 400 350 300 250 200
104
m
105
106
107
108
IH
■ПИ
ffflff-ц
109
f=10000 Гц f=200 Гц f=35 Гц
1010 N, циклов
Рис. 8. Кривые усталости сплава ЭП202 Fig. 8. S-N EP202 alloy fatigue curves
260
10
102
103
104
/, Гц
Рис. 9. Зависимость сопротивления усталости сплава сплава ЭП202 от частоты нагружения Fig. 9. The dependence of the fatigue resistance of the alloy of the alloy EP202 on the frequency of loading
Испытания сплава ЭП202 проводились при симметричных (Я = —1) и асимметричных циклах (Я = 0 и 0,5) осевого нагружения на гладких образцах и образцах с концентратором напряжений. При симметричных циклах частоты нагружения составляли 35, 200, и 10000 Гц, при асимметричных циклах 35, 200 и 10000Гц.
Результаты усталостных испытаний сплава ЭП202 приведены на рис. 8 и 9. С увеличением частоты нагружения во всем исследованном диапазоне частот и коэффициентов асимметрии циклов отмечается монотонное повышение пределов выносливости на одинаковой базе испытаний — в данном случае N5 = 2 • 107 цикл. При асимметричных циклах такое повышение менее существенно как в абсолютном, так в относительном выражении.
Выводы
1. Использование высокочастотного испытательного оборудования в настоящее время является наиболее эффективным способом
получения усталостных характеристик материалов при базовых числах циклов N5 = 108—1010 с точки зрения временных (и материальных) затрат (табл. 1).
2. Испытаны на высокочастотную усталость образцы сплавов ^6Л14У, Д16, Udimet 500, 1псопе1 718 и ЭП202. Построены кривые Велера Ошах = /(№) и зависимости предела выносливости от частоты нагружения 0-1 (/) для испытанных материалов.
3. В результате испытания обазцов из титанового сплава ^6Л14У, предел выносливости этого материала оказывается выше на режиме высокочастотных испытаний, чем полученный традиционными испытаниями на более низких частотах.
4. Предел выносливости сплава никелевого сплава Udimet 500 уменьшается на 50 % (с 425 МПа до 225 МПа) при увеличении числа циклов с 106 до 1010. Кроме того, влияние частоты испытания на предел усталости было признано несущественным для этого материала.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
[1] Tofique M.W., Bergström J., Burman C. Very high cycle fatigue crack initiation mechanisms in different engineering alloys, Procedia Structural Integrity. 2 (2016) 1181-1190
[2] Kazymyrovych V., Bergström J., Thuvander F. Local stresses and material damping in very high cycle fatigue, Int. J. Fatigue. 32 (2016) 1669-1674.
[3] Bathias C., Paris P.C. Gigacycle fatigue in mechanical practice. NY 10016, USA: Marcel Dekker; 2005.
[4] Pyttel B., Schwerdt D., Berger C. Very high cycle fatigue — Is there a fatigue limit? // Int. J. Fatigue. 2017. No. 33. P. 49-58.
[5] Илларионов А.Г., Попов А.А. Технологические и эксплуатационные свойства титановых сплавов. Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2014. 137 с.
[6] Stanzl-Tschegg S., Mughrabi H., Schuller R. Does Copper Undergo Surface Roughening during Fatigue in the VHC Regime? // 16th European Conference of Fracture 2016.
[7] Kazymyrovych V. Very high cycle fatigue of tool steels // Karlstad University Studies. 2015. No. 20.
[8] Wang Q.Y., Bathias C. Fatigue characterization of a spheroidal graphite cast iron under ultrasonic loading // J. Mater. Sci. 2014. No. 39 (2). P. 687—689.
[9] Internat. Conf, on fatigue of Met.Inst. Mech. Eng. 2015.
[10] Petrucci G. A critical assessment of methods for the determination of the shear stressamplitude in multiaxial fatigue criteria belonging to critical plane class // InternationalJournal of Fatigue. 2015. No. 74. P. 119-131.
[11] Chai G., Zhou N., Ciurea S., Andersson M., Lin Peng R. Local plasticity exhaustion in a very high cycle fatigue regime // Scr. Mater. 2012. No. 66. P. 769-772.
[12] ASM Handbook: Mechanical Testing and Evaluation. Vol. 8. P. 717-730.
[13] Kazymyrovych V. Very high cycle fatigue of engineering materials // Karlstad University Studies. 2015. No. 22.
[14] Mughrabi H. On 'multi-stage' fatigue life diagrams and the relevant life-controlling mechanisms in ultrahigh-cycle fatigue // Fatigue and Fracture of Engineering Material and Structures. 2014. No. 25 (8). P. 755-764.
[15] Sohar C. [et al.]. Gigacycle fatigue behaviour of a high chromium alloyed cold work tool steel // International Journal of Fatigue. 2017.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
НГУЕН НГОК Тхуан — кандидат технических наук Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого E-mail: nnthuan.sant@yahoo.com
КАПРАЛОВ Владимир Михайлович — доктор технических наук профессор Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого E-mail: kapralov.vladimir@gmail.com
КОЛЕНЬКО Григорий Сергеевич — Аспирант, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, без степени. E-mail: gidrat@mail.ru
Дата поступления статьи в редакцию: 25.03.2019
REFERENCES
[1] M.W. Tofique, J. Bergstrom, C. Burman, Very high cycle fatigue crack initiation mechanisms in different engineering alloys, Procedia Structural Integrity. 2 (2016) 1181-1190
[2] V. Kazymyrovych, J. Bergstrom, F. Thuvander,
Local stresses and material damping in very high cycle fatigue, Int. J. Fatigue. 32 (2016) 1669-1674.
[3] C. Bathias, P.C. Paris, Gigacycle fatigue in mechanical practice. NY 10016, USA: Marcel Dekker; 2005.
[4] B. Pyttel, D. Schwerdt, C. Berger, Very high cycle fatigue - Is there a fatigue limit?, Int. J. Fatigue, 33 (2017) 49-58.
[5] A.G. Illarionov, A.A. Popov, Tekhnologicheskiye i ekspluatatsionnyye svoystva titanovykh splavov. Yekaterinburg: Izd-vo Ural. un-ta, 2014.
[6] S. Stanzl-Tschegg, H. Mughrabi, R. Schuller,
Does Copper Undergo Surface Roughening during Fatigue in the VHC Regime? 16th European Conference of Fracture 2016.
[7] V. Kazymyrovych, Very high cycle fatigue of tool steels, Karlstad University Studies. 20 (2015).
[8] Q.Y. Wang, C. Bathias, Fatigue characterization of a spheroidal graphite cast iron under ultrasonic loading, J.Mater.Sci., 39 (2) (2014) 687-689.
[9] Internat. Conf, on fatigue of Met.Inst. Mech. Eng. 2015.
[10] G. Petrucci, A critical assessment of methods for the determination of the shear stressamplitude in multiaxial fatigue criteria belonging to critical plane class, InternationalJournal of Fatigue, 74 (2015) 119—131.
[11] G. Chai, N. Zhou, S. Ciurea, M. Andersson, R. Lin Peng, Local plasticity exhaustion in a very high cycle fatigue regime, Scr. Mater., 66 (2012) 769-772.
[12] ASM Handbook: Mechanical Testing and Evaluation, 8 717-730.
[13] V. Kazymyrovych, Very high cycle fatigue of engineering materials, Karlstad University Studies, 22 (2015).
[14] H. Mughrabi, On 'multi-stage' fatigue life diagrams and the relevant life-controlling mechanisms in ultrahigh-cycle fatigue, Fatigue and Fracture of Engineering Material and Structures, 25 (8) (2014) 755-64.
[15] C. Sohar [et al.]. Gigacycle fatigue behaviour of a high chromium alloyed cold work tool steel, International Journal of Fatigue (2017).
THE AUTHORS
NGUYEN NGOC Thuan — Peter the Great St. Petersburg polytechnic university E-mail: nnthuan.sant@yahoo.com
KAPRALOV Vladimir M. — Peter the Great St. Petersburg polytechnic university E-mail: kapralov.vladimir@gmail.com
KOLENKO Grigorii S. — Peter the Great St. Petersburg polytechnic university E-mail: gidrat@mail.ru
Received: 25.03.2019
© Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, 2019
