CC BY
33
МЕХАНИКА: Механика деформируемого твердого тела
D0l.org/10.5281/zenodo.1119153 УДК 620.178.322.2, 620.186.4
А.А. Локтев, А.В. Гришин, К.Ю. Тальских, О.П. Нвачукву
ЛОКТЕВ АЛЕКСЕЙ АЛЕКСЕЕВИЧ - д.ф.-м.н., профессор, заведующий кафедрой «Транспортное строительство», Российский университет транспорта, e-mail: prtlokt@yandex.ru Образцова ул., д. 9, стр. 9, Москва, 127994
ГРИШИН АНТОН ВИКТОРОВИЧ - инженер, e-mail: antoxa.o_o@mail.ru ТАЛЬСКИХ КРИСТИНА ЮРЬЕВНА - инженер, e-mail: catswild@mail.ru НВАЧУКВУ ОКЕЧУКВУ ПАСЧАЛ - аспирант, e-mail: npas@ro.ru Кафедра сварочного производства Инженерной школы Дальневосточный федеральный университет Суханова ул., 8, Владивосток, 690091
Влияние высокочастотного нагружения на механические свойства сталей
Аннотация: Современное развитие высокоскоростного транспорта обусловливает ужесточение требований безопасности относительно подвижного состава и элементов верхнего строения пути. Исследователи и проектировщики работают над созданием более полных и адекватных моделей конструкций и их элементов, а также новых материалов для их изготовления. Актуальной становится проблема изучения и традиционных материалов в различных режимах эксплуатаций подвижного состава, в том числе при увеличении частот динамических воздействий и наложении эффектов от различных нагрузок и колебаний до области высоких частот. Данная работа посвящена моделированию влияния высокочастотного нагружения на образец, изготовленный из рельсовой стали: такой вид воздействия имеет место при прохождении подвижного состава по искусственному сооружению. Предполагается, что работа рельса в пределах шага шпал описывается законами одноосного растяжения-сжатия. Приведены экспериментальные результаты и выводы по ультразвуковым высокочастотным циклическим испытаниям и структурному анализу модельного материала - малоуглеродистой стали перлитного класса.
Ключевые слова: высокочастотные испытания, гигацикловая усталость, микроструктура, микротвердость.
Введение
Приоритетом развития отечественного железнодорожного транспорта является обеспечение безопасности при перевозке грузов и пассажиров. Несмотря на все усилия по повышению уровня безопасности при транспортировке грузов и пассажиров, число аварий и сходов на железнодорожном транспорте не снижается [3]. Основной причиной большинства крушений грузового подвижного состава является рост остродефектных стадий, который зависит от многих факторов, в том числе от высокочастотных вибраций, возникающих в результате микроотрывов колес от поверхности катания [4, 5]. Появление высокочастотных вибраций в элементах подвижного состава и железнодорожного пути наиболее вероятно при прохождении транспортного средства по искусственным сооружениям, например мостам, сооруженным по различным расчетным схемам:
© Локтев А.А., Гришин А.В., Тальских К.Ю., Нвачукву О.П., 2017 О статье: поступила: 27.07.2017; финансирование: бюджет ДВФУ.
выполненным как из железобетона, так и из стали (рис. 1, а, б, в). В этом случае происходит наложение вынужденных и собственных частот колебаний различных составных конструкций объектов транспортной инфраструктуры. В целом затухание колебаний узлов и элементов верхнего строения пути, в том числе рельсов на мосту или на путепроводе, происходит медленнее, чем затухание колебаний этих же элементов, расположенных на земляном полотне. Как правило, это приводит к значительному материальному ущербу [9] вследствие повреждения подвижного состава и элементов верхнего строения пути, а также к порче перевозимых грузов, срыву графика движения поездов и т.д. Следовательно, изучение механизма разрушения сталей под действием высокочастотных вибраций может оказать существенное влияние на безопасную эксплуатацию инфраструктуры железнодорожного пути.
а б в
Рис. 1. Мосты различных расчетных схем: а - металлический железнодорожный мост в виде пространственной фермы; б - железобетонный балочный железнодорожный мост; в - металлические балочные железнодорожные мосты для первого и второго пути.
Фото Р.Н. Байдосова.
В работах [1, 2, 5] показано, что при высокочастотных вибрациях, возникающих в системе транспортное средство-железнодорожный путь и воздействующих на строительные конструкции, механизмы разрушения носят иной характер, чем при низких частотах [6-8, 10, 11]. Как показывает практика эксплуатации рельсошпальной решетки, в том числе на мостовых переходах, возможно появление дефектов рельса, которые могут перейти в остродефектную стадию и привести к катастрофе или (в случае своевременного обнаружения) к закрытию движения. К ним относятся: дефекты кода 30Г.2 - продольные трещины в зоне перехода головки в шейку (рис. 2, а); 30Г.1 - продольные трещины в головке (рис. 2, б). Их возникновение происходит из-за высокочастотных нагружений, обусловленных воздействием колесных пар подвижного состава (задача взаимодействия колесо-рельс) и собственными колебаниями мостовой конструкции.
Рис. 2. Дефекты рельсов: а - продольные трещины в зоне перехода головки в шейку; б - продольные трещины в головке. Фото А.Ю. Абдурашитова.
Цель настоящей работы - исследование механических свойств модельной стали в условиях высокочастотного нагружения, которое происходит в одном направлении, что соответствует приложению динамической нагрузки от транспортного средства к верхнему строению пути.
Такой вид нагружения достаточно хорошо описывает работу рельсовой плети на мостовом переходе, поскольку по нормативным требованиям ось рельсошпальной решетки может отстоять от оси моста (любой расчетной схемы) только на пять сантиметров. Это практически полностью исключает поперечный изгиб и кручение рельса: данный факт предполагает, что головка рельса в пределах шага шпал работает на одноосное растяжение-сжатие.
В настоящей работе в качестве модельного материала выбрана сталь Ст3. Как и большинство других строительных сталей, она относится к малоуглеродистым сталям ферритно-перлитного класса.
Методика исследования
Для исследования влияния ультразвукового нагружения на модельный материал была разработана авторская методика, которая включает такие операции, как испытания на статическое растяжение; испытание на усталость; структурный анализ (металлографические исследования) и измерение микротвердости.
Механические испытания на растяжение проводились на испытательной машине AG-X-plus-100kN (Shimadzu, Япония) в соответствии с ГОСТ 1497-84 для определения предела прочности и текучести (табл. 1). В настоящем исследовании эти значения вместе с результатами усталостных испытаний используются для оценки влияния высокочастотного испытания на механические свойства.
Испытания на усталость проводились на ультразвуковой установке USF-2000 (Shimadzu, Япония) на серии образцов, которые имели форму тела вращения с цилиндрическими концами; образующая средней части - дуга достаточно большого радиуса (рис. 3).
В результате испытаний на растяжение были получены следующие значения: ов = 490 МПа, от = 320 МПа.
Анализ структуры исследуемых образцов (рис. 4) проводился в продольном осевом сечении на инвертированном микроскопе Eclipse MA 200 (Nikon, Япония) при увеличениях 50х-1000х. Испытание на микротвердость осуществлялось с помощью автоматического микротвердомера HMV-G-FA-D (Shimadzu, Япония).
Рис. 3. Образец для высокочастотных испытаний.
Рис. 4. Образцы, подготовленные для исследования структуры.
Результаты исследования
Для оценки влияния высокочастотного нагружения на механические характеристики из испытанной партии было отобрано 17 образцов, после испытания которых была построена кривая усталости (рис. 5, табл. 1).
Рис. 5. Кривая усталости при высокочастотном нагружении.
Таблица 1
Результаты усталостных испытаний
Образец, № Амплитуда оа, МПа Число циклов, N
1 600 4 9,0386-10
2 600 4 9,5160-10
3 580 5 1,4533-10
4 580 5 3,2185-10
5 600 5 3,4003-10
6 560 5 3,5764-10
7 600 6 1,4372-10
8 600 6 1,5744-10
9 560 6 2,7697-10
10 600 6 3,5837-10
11 550 7 1,2597-10
12 540 7 2,0674-10
13 530 7 5,1490-10
14 530 7 5,4604-10
15 530 7 5,7903-10
16 510 9 1,1073 10
17 440 10 1,0537-10
Для оценки изменения структуры были выбраны четыре образца с разными значениями циклов: 106, 107, 109, 1010. При анализе микроструктуры для сравнения использовался образец из той же партии стали, но не подвергавшийся нагружению (рис. 6).
Рис. 6. Микроструктура образца без нагружения, 100х.
Образец № 9. Образец испытан при амплитуде напряжений 560 МПа, число циклов нагружения N = 2,7697 • 106. Микроструктура данного образца - см. рис. 7, а.
Образец № 13. Образец испытан при амплитуде напряжений 530 МПа, число циклов
п
нагружения N = 5,1490 • 10 . Микроструктура - см. рис. 7, б.
Образец № 16. Образец испытан при амплитуде напряжений 510 МПа, число циклов нагружения N = 1,1073 • 109 Микроструктура - см. рис. 7, в.
Образец №17. Образец испытан при амплитуде напряжений 440 МПа, число циклов нагружения N = 1,0537 • 1010. Микроструктура - см. рис. 7, г.
а б в г
Рис. 7. Микроструктуры образцов после испытания при увеличении 100х: а - № 9; б - № 13; в - № 16; г - № 17.
Как видно из сравнения рис. 6 и рис. 7 (а-г), микроструктуры образцов после нагружения практически не отличаются от исходной структуры. Это особенно интересно в свете того, что при испытаниях всех этих образцов амплитуды напряжений превосходили значения предела текучести или даже временного сопротивления, определяемых при статических испытаниях стали Ст3. Таким образом, оптическая микроскопия не является надежным методом обнаружения структурных изменений, возникающих при высокочастотных вибрациях.
Для дополнительной оценки изменения в структуре образцов после высокочастотных испытаний использовался метод микротвердости. Величина микротвердости замерялась от центра образца (шейки) с шагом 200 мкм. В таблицах 2 и 3 приведены результаты микротвердости образцов № 16 и № 17.
Таблица 2
Результаты микротвердости образца № 16 (оа=510 МПа, N = 1,1073 • 109)
Место измерения ^ Центр 200 мкм 400 мкм 600 мкм 800 мкм 1000 мкм
Структурная составляющая —
Феррит 214 211 211 209 209 209
Перлит 239 241 241 244 241 245
Таблица 3
Результаты микротвердости образца № 17 (оа=440 МПа, N = 1,0537 • 1010)
Место измерения ^ Центр 200 мкм 400 мкм 600 мкм 800 мкм 1000 мкм
Структурная составляющая —
Феррит 169 169 170 173 169 167
Перлит 239 223 257 239 227 237
Выводы
На основании полученных результатов можно сделать следующие выводы.
1. При ультразвуковом воздействии усталостные характеристики в два раза выше, чем при стандартных методах испытаний, что дает возможность продлевать срок службы рельсовой плети.
Повышение усталостных параметров обусловлено тем, что с увеличением частоты нагру-жения скорость пластической деформации отстает от скорости нагружения, вследствие чего эта деформация за полупериод цикла не соответствует уровню напряжений, возникающих за это время. Поэтому накопление дефектов с увеличением частоты нагружения несколько замедляется, что способствует повышению усталостной прочности металла.
2. При высокочастотном воздействии определенной амплитуды в структуре происходят изменения, которые не фиксируются оптической микроскопией, но фиксируются измерением микротвердости. Это может быть обусловлено повышением плотности дефектов в феррите, а также дроблением кристаллов цементита, входящего в перлит. Таким образом, для обнаружения ранних стадий изменения структуры при высокочастотных нагрузках измерение микротвердости является более чувствительным методом, чем оптическая микроскопия.
3. Полученные нами данные исследований позволили сделать следующий вывод: при частоте нагружения 20 кГц и при 109-1010 циклах амплитуда напряжений 450 МПа для модельного материала не приводит к существенному изменению структуры и появлению остродефектных стадий, что позволяет говорить об увеличении жизненного цикла самого материала и рельса, который изготавливается из рассмотренного материала.
4. Проведенные исследования позволяют выявить дополнительные возможности верхнего строения пути и его элементов, а именно: увеличить срок эксплуатации рельсов, вовремя переставляя их с наиболее загруженных магистральных участков дорог, проходящих по искусственным сооружениям, на менее загруженные станционные и подъездные пути, что даст ощутимый экономический эффект в перспективе нескольких лет.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гридасова Е.А., Никифоров П.А., Локтев А.А., Гришин А.В., Сухорада А.Е. Влияние высокочастотного нагружения на структуру малоуглеродистой стали // Наука и техника транспорта. 2017. № 2.
С.82-91.
2. Гридасова Е.А., Никифоров П.А., Нисаев И.П., Гришин А.В., Сухорада А.Е., Тальских К.Ю., Ткачев В.В.
Изменение структуры малоуглеродистой стали при высокочастотных воздействиях // Внедрение современных конструкций и передовых технологий в путевое хозяйство. 2017. Т. 11, № 11. С. 30-36.
3. Прочность материалов и элементов конструкций при звуковых и ультразвуковых частотах нагруже-ния: материалы междунар. симпоз. Киев, сент., 1984 / отв. ред. В.А. Кузьменко. Киев: Наукова думка, 1987. 296 с.
4. Филин А.Н., Челышев Н.А. Трещиностойкость рельсовой стали при высокочастотном нагружении. Новокузнецк, 1988. 57 с.
5. Филин А.Н., Гульняшкин В.Н., Радугина Л.А. К вопросу снижения интенсивности вибраций и напряжений в рельсах // Проблемы прочности. 1990. № 9. C. 90-92.
6. Baragetti S. Notch Corrosion Fatigue Behavior of Ti-6Al-4V. Materials. 2014(6);7:4349-4366; doi: 10.3390/ma7064349.
7. Khan M. Effect of ultrasonic nanocrystal surface modification on the characteristics of AISI 310 stainless steel up to very high cycle fatigue. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures. April 2016. doi: 10.1111/ffe.12367.
8. Kikuchi S. Evaluation of Very High Cycle Fatigue Properties of Low Temperature Nitrided Ti-6Al-4V Alloy using Ultrasonic Testing Technology. Key Engineering Materials. 2016(664): 118-127.
9. Shevchenko O.P., Gnenniy O.M. Assessment of economic efficiency of measures to improve traffic safety. Bulletin of Dnipropetrovsk National Univ. of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan. 2009;22:287-290.
10. Wang Q.Y et al. Gigacycle fatigue behavior of high strength aluminum alloys. Procedia Engineering. 2010(2):65-70.
11. Wycisk E., Siddique S., Herzog D., Walther F., Emmelmann C. Fatigue Performance of Laser Additive Manufactured Ti-6Al-4V in Very High Cycle Fatigue Regime up to 109 Cycles. Frontiers in Materials. December 2015(2); Article 72. doi: 10.3389/fmats.2015.00072.
THIS ARTICLE IN ENGLISH SEE NEXT PAGE
MECHANICS. Mechanics of Deformable Solids
DOI.org/10.5281/zenodo.1119153
Loktev A., Grishin A., Talskikh K., Nwachukwu O.
ALEKSEY LOKTEV, Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor, Head,
Department of Transport Construction, e-mail: prtlokt@yandex.ru
Moscow State University of Railway Engineering
9 Obraztsova St., building 9, Moscow, Russia, 127994
ANTON GRISHIN, Engineer, e-mail: antoxa.o_o@mail.ru
KRISTINA TALSKIKH, Engineer, e-mail: catswild@mail.ru
OKECHUKWU NWACHUKWU, Postgraduate, e-mail: npas@ro.ru
Department of Welding Engineering, School of Engineering
Far Eastern Federal University
8 Sukhanova St., Vladivostok, Russia, 690091
The impact of high-frequency cyclic loading on the mechanical properties of steel
Abstract: The advanced development of high speed rail system imposes increased safety requirements to the rolling stock and upper track components. Researchers and designers actively work to create more complete and adequate models of the structures and their elements as well as to develop new materials to produce them. Pressing is the task to consider traditional materials as well in various operating conditions including the one when the frequencies of the dynamic force of the rolling stock increase and the effects of various workloads and vibrations reach high-frequency range. The article deals with modelling an impact that a high-frequency loading has on a sample made of rail steel. The impact like that occurs when the rolling stock moves through an artificial environment. It is assumed that the operation of the rail within a sleeper step is governed by the uniaxial stressstrain laws. The article presents the experimental results and findings obtained from the ultrasonic high-frequency cyclic tests and the structural analysis of the model material, the latter being the low-carbon perlite steel.
Key words: high-frequency fatigue testing, gigacycle fatigue, microstructure, microhardness. REFERENCES
1. Gridasova E.A., Nikiforov P.A., Loktev A.A., Grishin A.V., Sukhorada A.E. The Influence of high-frequency cyclic loading on the structure of low-carbon steel. Science and technology of transport. 2017(2):82-91.
2. Gridasova E.A., Nikiforov P.A., Nisaev I.P., Grishin A.V., Sukhorad A.E., Talskikh K.Y., Tkachev V.V. Changing the structure of low-carbon steel at high-frequency cyclic loading. Introduction of modern structures and advanced technologies in track economy. 2017(11); 11:30-36.
3. Strength of materials and structural elements at sound and ultrasonic loading frequencies: Materials of International. Simp., Kiev, Sept., 1984. Kiev, Naukova Dumka, 1987, 296 p.
4. Filin A.N., Chelyshev N.A. Crack resistance of rail steel under high-frequency loading. Novokuznetsk, 1988, 57 p.
5. Filin A.N., Gulnyashkin V.N., Radugina L.A. To the problem of reducing the intensity of vibrations and stresses in rails. Problems of Strength. 1990;9:90-92.
6. Baragetti S. Notch Corrosion Fatigue Behavior of Ti-6Al-4V. Materials, 2014(6);7:4349-4366; doi:10.3390/ma7064349.
7. Khan M.K. Effect of ultrasonic nanocrystal surface modification on the characteristics of AISI 310 stainless steel up to very high cycle fatigue. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures. April 2016. doi: 10.1111/ffe.12367.
8. Kikuchi S. Evaluation of Very High Cycle Fatigue Properties of Low Temperature Nitrided Ti-6Al-4V Alloy using Ultrasonic Testing Technology. Key Engineering Materials. 2016(664): 118-127.
9. Shevchenko O.P., Gnenniy O.M. Assessment of economic efficiency of measures to improve traffic safety. Bulletin of Dnipropetrovsk National Univ. of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan. 2009;22:287-290.
10. Wang Q.Y. et al. Gigacycle fatigue behavior of high strength aluminum alloys. Procedia Engineering. 2010(2):65-70.
11. Wycisk E., Siddique S., Herzog D., Walther F., Emmelmann C. Fatigue Performance of Laser Additive Manufactured Ti-6Al-4V in Very High Cycle Fatigue Regime up to 109 Cycles. Frontiers in Materials. December 2015(2), Article 72. doi: 10.3389/fmats.2015.00072.
