Способ прогнозирования циклической долговечности металлов

Изобретение относится к области усталостных испытаний металлических материалов для определения их циклической долговечности.

Сущность метода: проводятся микроструктурные исследования в исследуемой рессорной стали типа 50ХГФА с целью определения размера зерна для образцов, обеспеченных разными степенями технологической деформации (степенями обжатия).

Известен способ (патент RU 2461808 С2, G01N 3/32 (2006/01), бюл.№26, опубл. 20.09.2012 г.) определения параметров кривой усталостного разрушения металлических изделий, заключающийся в их циклической нагруженности до разрушения, определении числа циклов нагружения до разрушения при фиксированном уровне нагружения и установлении корреляции между уровнем цикличного нагружения и числом циклов до разрушения. Однако для реализации данного метода необходимо осуществить длительные и трудоемкие циклические (усталостные) испытания. Если для ускорения процесса испытания проводят высокочастотные циклические нагружения, то в металле будут протекать процессы, отличные от условий эксплуатации конкретных деталей (например, разогрев металла), что может оказывать существенное влияние на процессы его упрочнения–разупрочнения, а следовательно, и на величину циклической долговечности. Кроме того, предложенная авторами схема нагружения не всегда соответствует реальному условию эксплуатации металлоизделий (например, рессор и других деталей).

Технической задачей предлагаемого способа является снижение трудоемкости и длительности экспериментального определения циклической долговечности, заключающейся в определении размера зерна стали 50ХГФА, например, в зависимости от степени технологической осадки, и установлении корреляции между количеством циклов и величиной зерна.

Для выполнения поставленной технической задачи по предлагаемому способу определения циклической долговечности в рессорной стали типа 50ХГФА, определения числа циклов нагружения до разрушения при фиксируемом уровне напряжения в области долговечности 10⁵ -10⁶ циклов и установления корреляции долговечности с размером зерна, испытания проводят без записи информативных параметров сигналов акустической эмиссии, по которым регистрируется момент возникновения трещины, и осуществления последующего монотонного растяжения испытываемого материала до разрушения, чтобы вскрыть поверхность трещины с целью анализа очага разрушения на поверхности излома с использованием электронного микроскопа.

Предлагаемое изобретение поясняется следующим примером.

С целью получения образцов для усталостных испытаний с различной величиной зерна, они вырезались методом проволочной электроэрозионной обработки из раскатанных на клин и термически обработанных металлов. По длине прокатанного листа изучалась микроструктура, и определялся размер зерна. Полученные образцы испытывались на усталость (консольно-симметричный изгиб) при одинаковом напряжении, обеспечивающем уровень циклической долговечности в области 10⁵ -10⁶ циклов. Результаты испытаний на усталость сравнивали с размерами зерен образцов.

Установлено, что в качестве основного параметра, характеризующего сопротивление усталости, можно рассматривать размер величины зерна.

В результате получили уравнение зависимости количества циклов до разрушения (циклическая долговечность) образцов стали 50ХГФА (фиг.1).

Полученное уравнение зависимости количества циклов до разрушения стали 50ХГФА от величины зерна представляет собой формулу:

Y= -237125,08 Ln(x) +1336448,22,

R² = 0,93, (1)

где Y – число циклов до разрушения;

Х – размер зерна, мкм;

R – коэффициент корреляции.

Для реализации способа достаточно определить величину размера зерна стали и по уравнению 1 вычислить ожидаемую циклическую долговечность.

Способ позволяет прогнозировать циклическую долговечность и существенно сократить время ее оценки для сталей типа 50ХГФА за счет исключения длительных, дорогостоящих и энерго- и трудоемких усталостных испытаний.

Кроме того, данный способ также позволяет выбрать оптимальный режим из конкурирующих технологических обработок по параметру цикличной долговечности, просто сравнив их величину зерна сталей после этих режимов: где меньше размер зерна, там и выше будет циклическая долговечность.

Экспериментальное подтверждение способа проводилось также на сталях марки 51ХГФА и 60С2А. Результаты подтвердили достоверность данного способа. Отклонения циклической долговечности в экспериментах от данных, полученных по уравнению 1, не превышали 6%.