CC BY
38
УДК 629.12.037.4.67
Т. А. Кужахметов, Р. У. Иксанов*, В. А. Мамонтов
Астраханский государственный технический университет ООО «Астраханьгазпром»
ВЫРАЩИВАНИЕ УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН НА КРУГЛЫХ ОБРАЗЦАХ
Судовые валы являются ответственными деталями судовых энергетических установок, и к ним предъявляются особые требования по надежности и долговечности. В процессе эксплуатации валы приобретают дефекты в виде усталостных трещин, которые, являясь сильными концентраторами напряжений, приводят к усталостному разрушению. Именно поэтому Правилами Морского Регистра судоходства эксплуатация валов с трещинами запрещена.
Однако исследователями было отмечено существование трещин, остановившихся в своем развитии [1, 2]. Такие трещины определили в класс нераспространяющихся. Присутствие таких трещин обусловлено изменением условий нагружения, изменением напряженного состояния в вершине трещины, поверхностным упрочнением путем пластического деформирования, свойствами материала, изменением окружающей среды и др.
Известно, что трещина претерпевает два основных периода своего существования: зарождение и развитие. Известно [3], что одним из факторов, тормозящих рост трещин, является поверхностный наклеп, который оказывает гораздо большее воздействие на период развития трещины, чем на период ее зарождения. Однако не до конца изучены вопросы влияния поверхностного пластического деформирования на кинетику трещин, напряженно-деформированное состояние в вершине трещины, на усталостные характеристики деталей с трещинами.
В связи с вышесказанным была поставлена задача оценить влияние поверхностного пластического деформирования на усталостные характеристики моделей судовых валов.
Исследования включали в себя выращивание трещин определенной глубины на установке, созданной на кафедре «Судостроение и энергетические комплексы морской техники» Астраханского государственного технического университета (рис. 1), с последующим обкатыванием роликом.
Рис. 1. Установка для выращивания трещин
Трещину выращивали на круглых образцах (рис. 2) с диаметром выточки в опасном сечении 20 мм. Коэффициент концентрации напряжений равен единице.
Рис. 2. Круглые образцы
Образцы изготовлены из поковок стали 35 ГОСТ 1050-88. Химический состав и механические свойства стали приведены в табл. 1.
Таблица 1
Химический состав и механические свойства стали 35
Содержание элементов, %
С Мп 8І Сг № Р 8 Си
0,377 0,621 0,211 0,204 0,052 0,00 0,043 0,231
Механические свойства
СТ, МПа Св, МПа Спц, МПа 5, % у, % НВ
288...302 582.604 278.299 0 3 3 2 0 5 6 4 145.158
Для определения скорости роста трещин было испытано 13 образцов на выносливость при круговом изгибе. Частота нагружения образцов составила 7,12 Гц (427 об/мин). Выращивание трещины (рис. 3) производилось в два этапа: первый - зарождение при высоком уровне нагружения - 295 МПа, второй - развитие или стабильный рост при низком уровне - 265 МПа. Понижение напряжений было необходимо для получения более точных значений скорости роста трещин. Выбор напряжений обусловлен рекомендациями [4], по которым верхний предел -(0,9^1,1)ст, нижний - 1,1о_1.
Рис. 3. Трещина на образце
При напряжении в опасном сечении 295 МПа трещина появлялась после 8-104 циклов, после чего напряжение уменьшалось до 265 МПа. На низком уровне напряжения образец испытывали на протяжении 5-104^105 циклов до получения трещины длиной 11^15 мм. Затем образец доламывали вручную и производили анализ излома (рис. 4), обмер трещины и вычисление скорости роста.
Рис. 4. Изломы образцов
Появление и рост трещины наблюдали через микроскоп УШМ-1 увеличением 56 и 120 крат. Длину трещины измеряли семикратным окуляром с мерной шкалой. Цена деления шкалы составила 0,02 мм. Для наблюдения делали перерывы в испытаниях через каждые 25 600 и 12 800 циклов.
Результаты испытаний представлены в табл. 2.
Таблица 2
Результаты испытания образцов
№ образца Зарождение трещины, цикл. Рост трещины, цикл. Длина зародившейся трещины, мм Длина трещины после долома, мм Глубина трещины, мм Скорость роста, мм/цикл.
1 115 290 32 210 - 11,2 4,23 1,321 • 10-4
2 106 750 75 150 - 14,98 5,22 6,919-10-5
3 104620 15 800 - 13,51 4,73 2,994-10-4
4 96 080 77 710 - 12,67 4,11 5,147-10-5
5 58 070 57 650 - 12,56 3,56 6,419-10-5
6 84120 51 240 1,74 12,82 4,46 8,977-10-5
7 153 720 40 140 2,34 12,66 3,89 9,716-10-5
8 47 400 145 610 0,14 10,88 3,45 2,372-10-5
9 162 690 44 410 2,80 15,45 5,14 1,126-10-4
10 55 510 283 960 0,43 14,73 4,52 1,609-10-5
11 64 050 179 340 0,44 16,06 5,81 3,234-10-5
12 94 370 153 720 0,37 25,6 6,19 4,033-10-5
13 102 480 90 950 0,42 29,7 7,75 8,85110-5
Из табл. 2 видно, что значения скорости роста трещин находятся в пределах от 2,372-10 5 до 1,321-10 4 мм/цикл. Найдено среднее значение скорости роста трещин, равное '7,708-10-5 мм/цикл. По данным таблицы построена диаграмма скоростей роста трещин (рис. 5).
Рис. 5. Диаграмма скорости роста трещин
Определена зависимость между длиной трещины и ее длиной по окружности сечения, которая составила:
с = 0,428 • I,
где с - глубина трещины; I - длина трещины по окружности сечения.
В настоящее время в образцах выращены трещины глубиной 1 мм. Контроль глубины трещины производился по длине трещины.
В продолжение эксперимента в образцах будут выращены трещины заданной глубины. Образцы подвергнутся обработке поверхностным пластическим деформированием путем обкатывания роликом. Упрочненные образцы будут испытаны на усталостную прочность для определения характеристик выносливости моделей валов.
Исследования позволят установить закономерности развития и остановки роста усталостных трещин. Это позволить восстанавливать работоспособность судовых валов с трещинами и увеличивать срок их службы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Школьник Л. М. Скорость роста трещин и живучесть металла. - М.: Металлургия, 1973. - 215 с.
2. Трощенко В. Т. Циклические деформации и усталость металла. - Киев: Наук. думка, 1985. - 251 с.
3. Кудрявцев П. И. Нераспространяющиеся усталостные трещины. - М.: Машиностроение, 1982. - 171 с.
Статья поступила в редакцию 9.07.2006
FORMATION OF FATIGUE CRACKS ON ROUND SAMPLES
T. A. Kuzhakhmetov, R. U. Iksanov, V. A. Mamontov
The problem of cracks formation on round samples is considered at tests for fatigue durability at a cyclic bend. One of the methods of formation of fatigue cracks is described in the paper. This method helps to define the growth rate of a crack and its sizes. The considered technique allows forming cracks on round samples of the necessary depth.
