СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЕДЕЛА ВЫНОСЛИВОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Изобретение относится к области исследования прочностных свойств твердых материалов и может быть использовано для определения усталостной прочности конструкционных материалов, работающих в условиях циклического нагружения.

Для расчета ресурса конструкций, определения срока их эксплуатации, сравнения и выбора материалов и технологий их производства на этапе конструирования, а также для установления периодичности неразрушающего контроля конструкций необходимо определять предел выносливости материалов, характеризующий способность материала сопротивляться длительным циклическим нагрузкам. Предел выносливости в условиях многоцикловой усталости σ_RΝ определяется по ГОСТ 25.502-79 как максимальное напряжение в цикле нагружения с коэффициентом асимметрии R, при котором не происходит усталостного разрушения до базы испытаний N циклов. Коэффициент асимметрии цикла нагружения определяется отношением минимального значения напряжения в цикле нагружения к максимальному: R=σ_min/σ_max.

Для повышения предела выносливости конструкционных материалов применяют упрочняющую поверхностную обработку, например обработку стальными шариками, химико-термическую обработку и другие виды упрочнения поверхности. В результате поверхностного упрочнения возрастает твердость поверхностных слоев и создаются сжимающие напряжения, которые частично компенсируют напряжения растяжения, возникающие в процессе циклического нагружения. Для элементов конструкции, работающих в условиях циклического сжатия, сжимающие напряжения упрочненной поверхности накладываются на сжимающие циклические напряжения от внешней нагрузки и могут приводить к снижению усталостной прочности. В этой связи исследование многоцикловой усталости высокопрочных материалов в условиях преимущественного сжатия имеет первостепенное значение.

Известные способы определения предела выносливости, описанные в стандарте ГОСТ 25.502-79 (прототип), не предусматривают усталостных испытаний металлических конструкционных материалов в области преимущественного сжатия. Определение предела выносливости в условиях осевого сжатия на образцах, изготовленных согласно требованиям ГОСТ 25.502-79, приводит к потере устойчивости образца, в результате чего происходит неравномерное упругопластическое деформирование или разрушение образца. Такие результаты признаются недействительными.

Наиболее близким к предложенному является способ определения предела выносливости металлических материалов в условиях изгиба в одной плоскости, включающий циклическое консольное или четырехточечное нагружение образцов. Используемые в таких испытаниях по ГОСТ 25.502-79 образцы (тип I, V, VI) имеют сечение рабочей зоны в форме круга или прямоугольника, что не позволяет реализовать цикл нагружения в области преимущественного сжатия: при симметричном и асимметричном цикле нагружения в условиях изгиба в одной плоскости сжимающие напряжения с одной стороны образцов всегда равны растягивающим напряжениям с противоположной стороны.

В связи с тем, что предел выносливости конструкционных материалов при растяжении меньше предела выносливости при сжатии (Орлов М.Р., Оспенникова О.Г., Наприенко С.А., Морозова Л.В., «Исследование усталостного разрушения конических шестерен редуктора центрального привода газотурбинного двигателя, изготовленных из стали 20Х3МВФ», Деформация и разрушение материалов, 2014 г., №7, с. 18-26), усталостная трещина всегда начинает развиваться со стороны действия растягивающих напряжений, то есть в результате испытаний по ГОСТ 25.502-79 получают значения предела выносливости материала в условиях симметричного цикла нагружения (R=-1) и асимметричного цикла нагружения с преимущественным растяжением (R=0; 0,5 и др.).

Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, - определение предела выносливости металлического материала при симметричных и любых асимметричных циклических нагрузках, включая область сжатия.

Предлагаемый способ определения предела выносливости металлических материалов позволяет при стандартной процедуре нагружения образца в условиях изгиба в одной плоскости реализовать условия преимущественно растяжения и преимущественно сжатия образца за счет изменения формы образца.

Способ определения предела выносливости σ_RN металлического материала включает циклическое нагружение образца в условиях консольного или четырехточечного изгиба в одной плоскости с заданным коэффициентом асимметрии цикла нагружения R на базе заданного количества циклов нагружения N и отличается тем, что используют образец металлического материала, который имеет клиновидную форму рабочего сечения, с концентратором напряжений цилиндрической формы, ось которого ориентирована перпендикулярно плоскости изгиба, причем момент сопротивления рабочего сечения образца асимметричен.

Асимметрия момента сопротивления рабочего сечения обеспечивает необходимую концентрацию напряжений сжатия в зоне концентратора, величина которых существенно превосходит величину напряжений растяжения на противоположной стороне образца, и этим предопределяет зарождение и развитие усталостной трещины не в зоне действия напряжений растяжения, а в зоне действия максимальных напряжений сжатия. Таким образом, при симметричном (R=-1) и асимметричных циклах нагружения образцов с асимметричным моментом сопротивления рабочего сечения образца определяют предел выносливости конструкционных материалов, в том числе и на образцах с упрочненной поверхностью, в условиях как преимущественного растяжения, так и преимущественного сжатия.

Величина радиуса концентратора напряжений r в пределах значений от 1,0 до 40 мм определяется требованиями подобия испытуемого образца элементу детали или конструкции. Требования к размеру образца и параметры шероховатости рабочей части образцов соответствуют ГОСТ 25.502-79.

Для реализации предлагаемого способа определения предела выносливости были использованы образцы из стали 20ХЗМВФ после серийной термической обработки по режиму: закалка в масло после аустенитизации при температуре 910°С в течение 30 минут и отпуск при температуре 300°С в течение 3 часов. Для усталостных испытаний были изготовлены образцы с клиновидным сечением рабочей зоны по чертежу, приведенному на фигуре 1.

В соответствии с чертежом образца заготовкой для получения профильной поверхности рабочей зоны является шлифованный цилиндр длиной 55 мм и диаметром 10 мм с шероховатостью поверхности не хуже R_a 0,32 мкм. В рабочей зоне заготовки выполняются две выборки радиусом 40 мм, расположенные под углом 60° друг относительно друга. В центральной зоне образца согласно чертежу выполняется концентратор радиусом r=2,5 мм. Шероховатость поверхностей выборок и концентратора должна быть не хуже R_a 0,32 мкм. Плоскости вращения шлифовального круга при обработке поверхностей выборок и концентратора r должны быть перпендикулярны оси образца.

Усталостные испытания образцов стали 20ХЗМВФ с целью определения предела выносливости σ_RN осуществляют при высокочастотном циклическом нагружении на базе N=10⁶ циклов нагружения в условиях продольного консольного изгиба образца в вертикальной плоскости с контролем изгибающего момента М. Образцы устанавливают в захваты резонансной испытательной установки CRACKTRONIC таким образом, чтобы продольная плоскость симметрии клиновидной рабочей зоны была совмещена с вертикальной плоскостью изгиба.

Испытания проводят методом ступенчатого увеличения размаха изгибающего момента ΔM=M_max-M_min на величину 2 Н·м после отработки образца N=10⁶ циклов на предыдущем уровне циклического нагружения. В качестве начального уровня нагружения для всех значений R был выбран размах изгибающего момента ΔΜ=20 Н·м.

В процессе испытаний образцов регистрируют амплитудные значения циклической нагрузки M_max и M_min. Амплитудные значения напряжений σ_max и σ_min в зоне концентратора вычисляют по известной формуле σ=M·W_z, где W_z - момент сопротивления рабочего сечения образца в зоне концентратора, рассчитанный методом конечных элементов с помощью программного комплекса ANSYS R15.0.

Предел выносливости σ_RN образцов стали 20Х3МВФ определяют как максимальное по модулю значение напряжения в цикле нагружения с коэффициентом асимметрии R, при котором не происходит усталостного разрушения образца при достижении N циклов нагружения. Одновременно регистрируют максимальное значение размаха напряжений в цикле нагружения: Δσ=σ_max-σ_min.

Предложенным способом были определены предел выносливости σ_RN и предельная величина размаха напряжений в цикле нагружения Δσ стали 20Х3МВФ в диапазоне значений асимметрии цикла нагружения от преимущественного растяжения (R=0,5) до преимущественного сжатия (R=2,0). Результаты испытаний образцов 1а-7а с клиновидным сечением рабочей зоны в режимах 1-7, отличающихся коэффициентом асимметрии цикла нагружения, приведены в таблице.

Для оценки предела выносливости, определенного предложенным способом в области преимущественного растяжения, были испытаны в условиях изгиба в одной плоскости образцы стали 20Х3МВФ, изготовленные согласно ГОСТ 25.502-79, тип I, с диаметром рабочей зоны 5 мм. Результаты испытаний образцов 1б-4б по ГОСТ 25.502-79 для различных значений коэффициента асимметрии цикла нагружения также представлены в таблице. Очевидно, что значения предела выносливости в области преимущественного растяжения, определенные на клиновидных образцах и на стандартных образцах по ГОСТ 25.502-79, тип I, практически совпадают. На стандартных образцах по ГОСТ 25.502-79, тип I определить предел выносливости в области преимущественного сжатия (R=±∞; R=3,0; R=2,0) не представляется возможным в связи с усталостным разрушением этих образцов в зоне преимущественного растяжения.

Результаты усталостных испытаний образцов стали 20Х3МВФ по предлагаемому способу и ГОСТ 25.502-79.

На основании полученных данных можно заключить, что предлагаемый способ позволяет определить предел выносливости металлического материала в области преимущественного растяжения и преимущественного сжатия, причем в области преимущественного растяжения значения предела выносливости совпадают в пределах ошибки эксперимента со значениями, определенными по ГОСТ 25.502-79 на образцах типа I.