Анализ изменения показателей сопротивления усталости сталей и титановых сплавов в зависимости от физических процессов, протекающих на их поверхности

УДК 539.4.013.3:669

В.В. Мыльников, М.В. Мыльникова, Е.А. Чернышов, Д.И. Шетулов, Е.С. Беляев

АНАЛИЗ ИЗМЕНЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СОПРОТИВЛЕНИЯ УСТАЛОСТИ СТАЛЕЙ И ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ НА ИХ ПОВЕРХНОСТИ

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева

Рассмотрено влияние частоты изменяющихся циклов нагружения на структуру, прочность и долговечность конструкционных материалов в зависимости от физических процессов протекающих на их поверхности. Показано, что торможение дислокаций у препятствий в плоскостях скольжения осуществляется тем эффективнее, чем ниже энергия дефекта упаковки, следовательно, тем больше материал способен к деформационному упрочнению и сопротивление среды прохождению физического процесса пластической деформации становится выше. Приведён сравнительный анализ изменения показателей сопротивления усталости сталей и титановых сплавов. Установлено, что у сталей увеличение частоты циклов нагружения приводит к заметному уменьшению наклона левой ветви кривой усталости, т.е. к улучшению сопротивления усталости в отличие от титановых сплавов, показывающих обратную зависимость.

Ключевые слова: частота циклов нагружения, сопротивление усталости, повреждаемость поверхности, пластическая деформация, энергия дефекта упаковки.

Многочисленные исследования по усталости металлов и сплавов не дают достаточной информации о природе и кинетике развития усталостного разрешения. В настоящее время не удается предвидеть всех сложных физических явлений, происходящих в материале деталей машин и конструкций. На прочность и долговечность металлов влияет большое количество факторов, одним из которых является частота циклического нагружения (ю). Существенным является изучение вопроса изменения прочности и долговечности металлов под влиянием фактора частоты циклов нагружения. Влияние частоты циклов нагружения (ю) неразрывно связано с поверхностными эффектами, происходящими в образцах (деталях), связь которых с показателями сопротивления усталости материалов является сложной.

Анализ опубликованных в научной литературе исследований как российских, так и зарубежных авторов, о влиянии частоты циклического нагружения на прочность и долговечность деталей машин и конструкций не дает исчерпывающей информации. Существует мнение, что изменение частоты не оказывает значительного влияния на сопротивление усталости материалов, хотя признается некоторая тенденция к увеличению сопротивления усталости материалов при увеличении частоты нагружения [1-3]. Недостаточность фундаментальных знаний о факторе частоты циклов объясняется в первую очередь сложностью физических процессов [3-5], происходящих в поверхностном слое металлов, и длительностью эксперимента.

Представляет интерес выявление закономерностей влияния частоты циклического нагружения на прочность и долговечность конструкционных материалов в зависимости от физических процессов протекающих на их поверхности.

В связи с этим, требуется более детальное изучение этого вопроса, поскольку при циклическом нагружении речь идёт о пластической деформации в поверхностных слоях.

Достаточно сложные явления, протекающие в поверхностных слоях образцов (деталей) при изменении частоты циклического нагружения, можно соотнести с представлением о суммарной деформации ею , которая накапливается при усталостных испытаниях в поверхностных слоях. Она связывается с количеством циклов N и определяется углом наклона левой ветви кривой усталости аю. Эта связь в первом приближении может быть представлена как изменение суммарного накопления усталостных дефектов или повреждений решётки dZ:

© В.В. Мыльников, М.В. Мыльникова, Е.А. Чернышов, Д.И. Шетулов, Е.С. Беляев, 2014.

й2 = й2\ - (1) где - увеличение плотности (количества) дефектов вследствие накопления суммарной деформации вю; dZ2 - уменьшение плотности дефектов вследствие релаксации.

При этом вносится определённое допущение, связанное с тем, что релаксация напряжений не всегда связана с уменьшением концентрации дефектов. Например, в случае повторяющихся актов поперечного скольжения, возникающие в полосах скольжения интрузии приводит к увеличению вероятности разрушения тем в большей степени, чем больше энергия дефекта упаковки (у) [6].

Конечное выражение этой зависимости представляется в виде соотношения

2 = 2 *

связывающего суммарное повреждение Ъ с величиной суммарной деформации вю и частотой циклов (ю), где Z* = Z, а вю*= вю для одного цикла напряжения; в - зависит от рода вещества; а - видимо, должна возрастать с температурой, но уменьшаться с увеличением энергии дефекта упаковки.

Если считать, что между вю и числом циклов до разрушения существует прямая пропорциональность, то, когда для достаточно низких гомологических температур (0) отношение а/ю стремится к нулю, продолжительность испытаний определяется числом циклов. Напротив, при достаточно высоких 0 величина Z обусловливается как вю (или К), так и частотой ю, то есть с увеличением температуры величина накопленных напряжений, а следовательно, и продолжительность испытаний всё больше определяется не числом циклов, а временем, причём Z оказывается тем больше (время до разрушения тем меньше), чем больше частота циклов. Из уравнения (2) следует, что

18 В;= - 1 ; ,

р--

ш

то есть увеличение частоты приводит в общем к снижению вю (или К).

Однако при исследовании вопроса о влиянии частоты циклов на повреждаемость поверхности следует учитывать еще ряд обстоятельств. На «чистое» влияние ю, накладывается влияние ряда других факторов, например: природы материала, температуры и т.д. Следует рассматривать способность материала накапливать суммарную пластическую деформацию с увеличением числа циклов в зависимости от ряда обстоятельств [7]. Если материал неспособен накапливать достаточно большую суммарную деформацию вш по причине своей природы, или из-за условий деформирования, или по той и другой причине одновременно, то даже при большой частоте ю, когда сопротивление деформации должно быть большим и упрочнение должно превалировать над разупрочнением, мы можем получить обратный эффект.

За характеристику материала можно принять энергию дефекта упаковки (у). Энергия дефекта упаковки у определяет сопротивление среды прохождению физического процесса пластической деформации. Торможение дислокаций у препятствий в плоскостях скольжения осуществляется тем эффективнее, чем ниже энергия у. Чем ниже у, тем больше материал способен к деформационному упрочнению, сопротивление среды прохождению физического процесса пластической деформации становится выше. Узкая дислокация имеет более высокую энергию дефекта упаковки - у и движется в плоскости скольжения свободней, чем широкая дислокация с низкой у. Узкая дислокация также более свободно совершает поперечное скольжение.

Следовательно, чем выше энергия дефекта упаковки, тем более превалируют эффекты разупрочнения над эффектами упрочнения и тем меньшее сопротивление оказывает среда прохождению физического процесса пластической деформации, путем скольжения расщепленных дислокации.

Таким образом, величина энергии дефекта упаковки определяет интенсивность поперечного скольжения, которое приводит к накоплению усталостных повреждений в полосах скольжения. Затем при остаточном разрыхлении полосы и при её соприкосновении с границей зерна в границе образуется надрыв, как следствие сдвига; и чем больше полос, тем больше надрывов и тем интенсивнее развитие трещины по границе. Последнее обстоятельство снижает параметры сопротивления усталости материала в виде увеличения наклона кривой усталости, приводящего к уменьшению количества циклов до разрушения.

В работе [6] параметр, определяющий сопротивление среды прохождению физического процесса пластической деформации, параметр упрочнения материала при скольжении расщепленных дислокации обозначен как КАу . Таким образом, КАуп > КАуъ при у1<у2.

В условиях эксплуатации оборудования поверхностные слои материала деталей машин и элементов конструкций подвергнуты влиянию ряда факторов. Эти факторы влияют на параметр КА . Помимо влияния энергии дефекта упаковки как характеристики природы материала, на параметр КА оказывает влияние фактор частоты циклического нагружения. Изменение частоты циклов приводит к изменению скорости деформации поверхностных слоев, а это, как известно, приводит к изменению сопротивления деформации материала, т.е. оказывает прямое влияние на параметр КА [8]. Поэтому скоростной эффект выражается при

условии ш2 > ш1, когда напряжение ага2, всегда больше ага1, за исключением случаев, относящихся к деформационному старению. Причём скоростной эффект выражен тем сильнее, чем выше гомологическая температура испытания (9).

Из всего изложенного следует, что частота циклов (ю) влияет на физические процессы, происходящие в поверхностном слое с аномальными свойствами конструкционных материалов и на показатели сопротивления усталости неоднозначно.

За показатели сопротивления усталости приняты: наклон левой ветви кривой усталости в координатах lgo - lgN (tgaw) и повреждаемость поверхности (Ф) [9-13].

Наклон tgaw чутко реагирует на интенсивность процесса усталости, проходящего в конструкционном материале. В то же время параметр tgaw коррелирует с образованием полос скольжения, возникающих на поверхности Ф материала при циклических нагрузках.

Воздействие нагрузки приводит к изменению структуры поверхностного слоя, что выражается в появлении так называемых полос скольжения, как уже упоминалось, по их количеству и форме, количеству зерен микроструктуры, поврежденных или затронутых полосами скольжения, ряду других количественных характеристик структуры материала можно судить о развитии физических процессов усталости в конструкционном материале. Характеристика Ф позволяет использовать её в качестве критерия для оценок прочности и долговечности материалов с момента изготовления детали.

Уравнения кривых усталости и характеристики высокопрочных сплавов полученные в работе [14] показаны в табл. 1. Сталь 30ХГСН2А показывает увеличение сопротивления усталости с ростом частоты циклов (ю) приложения нагрузки [15]. В табл. 1 при одинаковых пределах прочности это хорошо заметно. При самой высокой частоте (ю=50 Гц) получается очень низкий наклон кривой усталости (tgaw =0,08723) (табл.1), предел прочности при этом тоже выше, чем в предыдущих случаях. Однако следует иметь в виду, однозначной связи между пределом прочности и сопротивлением усталости нет.

Сталь Х15Н5Д2Т (ВНС-2) показывает результата, аналогичные результатам стали 30ХГСН2А (табл.1).

Сплавы ОТ-4 и ОТ-4-1 показывают обратную картину, в сравнении с Х15Н5Д2Т и 30ХГСН2А, то есть с увеличением частоты циклического нагружения сопротивление усталости ухудшается, наклон, tgaw растет (табл. 1).

Анализ экспериментальных данных позволил получить численные значения различных параметров, связных с изменением частоты циклов нагружения. Эти данные представ-

лены в табл. 2. Величины напряжений а м=ю6 в некоторых случаях условные, т.е. они получены путем продолжения левой ветви кривой усталости до пересечения с ординатой долговечности Ы=106 циклов. Есть такие случаи, когда излом кривой усталости соответствует долговечности #<106 циклов, в этом случае показано два числа (табл. 2, №8).

Таблица 1

Уравнение кривых усталости и характеристики сплавов

Сплав Уравнение кривых усталости Температура испытании, С Частота циклов, Гц Предел прочности, МПа

30ХГСН2А lgo =4,0779-0,3010lgN 0,17 1800

lgo =3,9821-0,3010 lgN 0,17 1280

lgo =3,9239-0,2552 lgN 20 40,00 1800

lgo =3,7682-0,2466 lgN 40,00 1280

lgo =3,3432-0,08723 lgN 50,00 1500

Х15Н5Д2Т (ВНС-2) lgo =3,8171-0,2430 lgN lgo =3,4353-0,1358 lgN 20 25,0 46,7 1250 1250

ОТ-4 lgo =3,8699-0,2684 lgN lgo =3,5154-0,2041 lgN 20 25,0 4,7 792 792

ОТ-4-1 lgo =3,5866-0,2219 lgN lgo =3,2607-0,1461 lgN 20 37,0 1,00 722 722

Таблица 2

Параметры сопротивления усталости в связи с изменением частоты циклического нагружения

и пределом прочности материала

№ п/п Материал Частота циклов, ш, Гц Показатель сопротивления усталости, tgaw Напряжение, соответствующее долговечности N =106 циклов, МПа Предел прочности, Ов, МПа Отношение ст 6 х= w=106

1 2 3 4 5 6 7

1 Сталь 30ХГСН2А 0,17 0,3010 275 1800 0,153

2 Сталь 30ХГСН2А 0,17 0,3010 235 1280 0,180

3 Сталь 30ХГСН2А 40,0 0,2552 265 1800 0,147

4 Сталь 30ХГСН2А 40,0 0,2466 200 1280 0,156

5 Сталь 30ХГСН2А 50,0 0,08723 635 1500 0,420

6 Сталь Х15Н5Д2Т 0,2 0,3521 115 1400 0,082

Окончание табл. 2

7 Сталь Х15Н5Д2Т 25,0 0,2430 230 1400 0,164

8 Сталь Х15Н5Д2Т 46,7 0,1358 400 1400 0,286

435*) 0,310*)

9 ОТ-4 25,0 0,2684 280 792 0,350

10 ОТ-4 4,7 0,2041 295 792 0,370

11 ОТ-4-1 37,0 0,2219 240 722 0,230

12 ОТ-4-1 1,0 0,1461 240 722 0,230

Примечание: * число в знаменателе получено путем условного пересечения левой ветви кривой усталости с ординатой долговечности N = 106 циклов.

Таким образом, в ряде случаев частота циклов нагружения (ю) оказывает существенное влияние на физические процессы, происходящие в поверхностном слое и на показатели сопротивления усталости. Установлено, что у сталей увеличение частоты циклов нагружения и, в дополнение к этому, смягчение схемы напряженного состояния приводит к заметному уменьшению параметра а№ , т.е. к улучшению сопротивления усталости (а стало быть, и на предел усталости) в отличие от титановых сплавов (табл. 2). Улучшение параметра сопротивления усталости связано с повышением упрочняемости материала поверхностных слоев образцов (деталей), что снижает усталостную повреждаемость собственно поверхности. Титановые сплавы (табл. 2) с увеличением частоты циклического нагружения показывают противоположную картину, т.е. разупрочняются. Однако следует иметь в виду, что параметр а№ напрямую связан с повреждаемостью поверхности (Ф) и в обеих группах металлических сплавов рост показателя (Ф) приводит к увеличению а№ (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость показателя сопротивления усталости ^а„) от повреждаемости поверхности (Ф) ряда конструкционных материалов

Библиографический список

1. Механика разрушения и прочность материалов: справ. пособ. / под ред. В.В. Панасюка. Усталость и циклическая трещиностойкость конструкционных материалов / О.Н. Романив [и др.]. - Киев: Наукова думка, 1990. Т. 4.

2. R.W.K. Honeycombe. The Plastic Deformation of Metals. London: Edward Arnold Ltd., 1984.

3. Трощенко, В.Т. Прочность металлов при переменных нагрузках / В.Т. Трощенко. - Киев: Наук. думка, 1978. - 176 с.

4. Готтштайн, Г. Физико-химические основы материаловедения: [пер. с англ.] / Г. Готтштайн; под ред. В.П. Зломанова. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011. - 400 с.

5. Владимиров, В.И. Физическая природа разрушения металлов / В.И. Владимиров. - М.: Металлургия, 1984. - 280 с.

6. Мыльников, В. В. Исследование повреждаемости поверхности чистых металлов с учетом частоты циклического нагружения / В. В. Мыльников, Д. И. Шетулов, Е. А. Чернышов // Известия вузов. Цветная металлургия. 2013. №2. С. 55-60.

7. Мыльников, В.В. Анализ влияния частоты циклов нагружения на суммарную пластическую деформацию металлических материалов / В.В. Мыльников, И.И. Рожков, А.И. Пронин // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2013. № 10-2. С. 228-229.

8. Мыльников, В.В. Температурно-скоростные зависимости сопротивления деформации некоторых чистых металлов / В.В. Мыльников, Д.И. Шетулов, Е.А. Чернышов // Литейные процессы. 2012. № 11. С. 124-132.

9. Шетулов, Д.И. Усталостная повреждаемость высокопрочных сталей / Д.И. Шетулов, В.В. Мыльников // Металлы. 2014. № 2. С. 81-86.

10.Шетулов, Д.И. Связь сопротивления циклической нагрузке с повреждаемостью поверхности металлов // Изв. Академии Наук. Металлы. 1991. № 5. С. 160.

11.Mylnikov V.V., Shetulov D.I., Chernyshov E.A. Variation in faktors of fatigue resistance for som pure metals as a function of the freguensy of loading sycles // Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2010. Т. 51. № 3. С. 237-242.

12. Мыльников, В.В. Зависимость сопротивления усталости конструкционных материалов от частоты циклического нагружения / В.В. Мыльников, Д.И. Шетулов, Е.А. Чернышов, А.И. Пронин // Технология металлов. 2013. № 9. С. 30-37.

13.Мыльников, В.В. О корреляции показателей сопротивления усталости стали 6ХС / В.В. Мыльников, Е.А. Чернышов, Д.И. Шетулов, А.И. Пронин // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2013. № 10-2. С. 227-228.

14. Мыльников, В.В. Влияние частоты циклического нагружения на сопротивление усталости высокопрочных конструкционных материалов / В.В. Мыльников, Е.А. Чернышов, Д.И. Шетулов // Заготовительные производства в машиностроении. 2009. №2. С. 33-36.

15. Мыльников, В.В. Связь параметра сопротивления усталости с повреждаемостью поверхности стали 30ХГСН2А // Сборник научных трудов Sworld. 2012. Т. 10. № 3. С. 56-61.

Дата поступления в редакцию 10.06.2014

V.V. Mylnikov, М. V. MylnikovH, E.A.Chernyshov, D.I. Shetulov, E.S. Belyaev

THE ANALYSIS OF CHANGE OF INDICATORS OF FATIGUE RESISTANCE OF STEELS AND TITANIUM ALLOYS, DEPENDING ON PHYSICAL PROCESSES

OCCURRING ON THE SURFACE

Nizhny Novgorod state technical university n.a. R.E. A^eev

The influence of frequency-changing cycles of loading on the structure, strength and durability of structural materials, depending on physical processes on their surface. It is shown that the inhibition of dislocations at obstacles in the slip planes is the better, the lower the stacking fault energy, therefore, the more material is able to deformation hardening and environment resistance to the passage of the physical process of plastic deformation becomes higher. The comparative analysis of the changes in the indices of fatigue resistance of steels and titanium alloys. It was established that steels the increase in the frequency of loading cycles leads to a noticeable decrease in the slope of the left branches of the curve, i.e. to improve the fatigue resistance unlike titanium alloys, showing an inverse relationship.

Key words: freguency of loading cycles, fatigue resistance, surface damaging, plastic deformation, stacking fault energy.