СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ УСТАЛОСТИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
METHOD OF INCREASING FATIGUE STRENGTH OF STRUCTURAL METALLIC MATERIALS

Изобретение относится к области металлургии, а именно к разработке способов повышения характеристик усталостной долговечности конструктивных металлов на основе преобразования энергетической структуры материалов как на стадии производства сплавов и полуфабрикатов, так и в эксплуатации.
Известны способы повышения и стабилизации механических характеристик металлических полуфабрикатов посредством обтяжки растяжением вдоль проката до 2% (Алиева С.Г., Альтман М.Б., Амбарцумян С.М. и др. Промышленные алюминиевые сплавы: Справочное изд. / 2 изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1984), повышения усталостной долговечности металлов и элементов конструкций с помощью создания в опасных сечениях, в зонах концентрации напряжений полей остаточных напряжений обратного эксплуатационным напряжениям знака (остаточных напряжений сжатия) методами локального упругого, упругопластического или пластического деформирования материала по контуру концентратора напряжений и постановки болтов и заклепок с гарантированным осевым и радиальным натягом (Белов В.К., Рудзей Г.Ф., Калюта А.А. Повышение усталостной долговечности заклепочных и сварных соединений авиационных конструкций технологическими методами: Монография. - Новосибирск, 2006).
Остаточные напряжения сжатия, суммируясь с действующими в конструкции эксплуатационными напряжениями от внешних воздействий, существенно снижают уровень максимальных напряжений цикла растяжения, что приводит к ощутимому приросту долговечности элемента конструкции за счет увеличения периода циклической наработки до момента появления трещины усталости.
Известные способы местного пластического деформирования (МПД) связаны с пластическим деформированием поверхностного слоя элемента конструкции, материала на контуре концентратора в плоскости детали или в поперечном направлении (Брондз Л.Д. Технология и обеспечение ресурса самолетов. - М.: Машиностроение, 1986). При этом эффект упрочнения ограничивался диапазоном возможных деформаций по физико-механическим параметрам или конструктивным соображениям.
Недостатком этих способов является невозможность восстановления релаксирующего во время эксплуатации или хранения изделия эффекта упрочнения без повторения операций упрочнения с разборкой соединений, узлов, агрегатов.
Наиболее близкими по технической сущности к предлагаемому способу являются способы повышения сопротивления усталости элементов конструкций с концентраторами напряжений за счет эпизодических или периодических периодов отдыха или умеренных перегрузок материала статическим растяжением (Форрест П. Дж. Усталость металлов. - М.: Машиностроение, 1968), тренировок циклическим растяжением (Иванова B.C., Терентьев В.Ф. Природа усталости металлов. - М.: Металлургия, 1975).
Недостатком данного способа является очень низкий эффект упрочнения (до 10…15% от исходной долговечности) в зоне концентратора напряжений - источника зарождения трещин усталости. Эффект на гладких образцах материалов - в пределах разброса экспериментальных результатов.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение сопротивления усталости конструкционных металлических материалов.
2
2
2
max
Для достижения технического результата в способе упрочняющей обработки пластин из конструкционных металлических материалов, включающем тренировку нагружением пластины путем внешнего механического воздействия на пластину с обеспечением циклического растяжения, осуществляют переменное механическое воздействие в диапазоне циклических дозирующих нагрузок сжатия от σ=(-3÷-10) кг/мм до σ=(+1÷+4) кг/мм и сдвига до τ=(±3,0÷±5,0) кг/мм.
в
2
3
2
Экспериментальная проверка влияния способа предварительной обработки сдвигом проведена на алюминиевом сплаве Д16АТ, лист толщиной δ=2,8 мм, временное сопротивление при растяжении σ=47,5 кг/мм, модуль упругости первого рода Е=7,2·10 кг/мм.
Для реализации программ предварительного нагружения металла сдвиговыми напряжениями разработано приспособление (фиг.1), обеспечивающее нагружение пластины в ее плоскости как балки с заделкой по концам, нагруженной посередине сосредоточенной силой.
Принципиальная схема нагружения показана на фиг.2.
Во избежание возникновения биений при высокочастотном нагружении в приспособлении на каждом уровне закреплялись по две пластины с внутренними прокладками достаточной толщины, что создавало жесткий контур в плане (фиг.1).
2
Эта методика позволила проводить нагружение пластин сдвиговыми напряжениями до уровня τ=±5 кг/мм.
Для предварительного нагружения пластин на сжатие использовали, в основном, то же приспособление. Вместо конструкции из четырех поперечно расположенных пластин на те же носители жестко закрепляли две, разнесенные на расстояние ~35 мм, продольно расположенные пластины высотой ~120…130 мм.
сж
2
Такое устройство позволило провести циклическое нагружение пластин напряжениями сжатия до уровня σ=-10 кг/мм без потери устойчивости.
После проведения предварительной наработки пластин по указанным методикам из них изготавливали образцы для испытаний на статическую прочность и выносливость.
Предварительную наработку пластин проводили по пяти различным программам, представленным в таблице 1, из которых две программы - испытания на сдвиг, три программы - испытания па растяжение-сжатие.
В программах, содержащих несколько уровней напряжений, наработка произведена последовательно, начиная с нижних уровней напряжений, в итоге суммируясь по всем уровням.
в
Характеристики статической прочности после наработки по этим программам мало изменились: предел прочности σ остался таким же, как у исходного металла, модуль упругости Е увеличился на 7…8% после программ на сжатие.
Все напряжения программ лежат в упругой зоне металла.
Таблица 1
Программа предварительного нагружения пластин из Д16АТ, δ=2,8 мм
№п/п
Программа предварительного циклического нагружения (тренировки)
Режим предварительного циклического нагружения
Условное обозначение программы
Максимальное минимальное; напряжение цикла, кг/мм<sup>2</sup>
Наработка, циклов
1
Одноступенчатый знакопеременный симметричный сдвиг
τ=±3,0
80000
τ3
2
Трехступенчатый знакопеременный симметричный сдвиг
τ=±3,0τ=±4,0τ=±5,0
400004000040000
τ5
3
Трехступенчатое осевое сжатие -растяжение
σ=+1,0; -3,0σ=+2,0; -6,0σ=+2,0; -9,0
400004000040000
С9 (40)
4
Четырехступенчатое осевое сжатие - растяжение
σ=+1,5; -3,0σ=+2,5; -5,0σ=+3,0; -8,0σ=+4,0; -10,0
60000600006000060000
С10 (60)
5
Четырехступенчатое осевое сжатие -растяжение
σ=+1,5; -3,0σ=+2,5; -5,0σ=+3,0; -8,0σ=+4,0; -10,0
6000080000100000120000
С10 (120)
mах
2
2
Для оценки влияния программы предварительного нагружения последующие сравнительные испытания исходного материала на выносливость проведены на разных уровнях напряжений отнулевыми циклами растяжения в широком диапазоне значений максимального напряжения цикла σ: от 15 кг/мм до 44 кг/мм.
cp
max
cp
исх
max
В таблице 2 приведены средние значения выносливости гладких образцов N для разных уровней σ и относительные значения N/N выносливости на этих уровнях σ после предварительной наработки по пяти вышеуказанным программам.
cp
исх
На фиг.3 и 4 приведены графики, иллюстрирующие увеличение относительной выносливости N/N (σ) образцов после предварительной наработки по этим пяти программам.
Таблица 2
Сводная таблица результатов испытаний образцов (гладких) после предварительной наработки по пяти различным программам
№п/п
Условное обозначение программы
σ<sub>mах</sub>=15 кг/мм<sup>2</sup>, N<sub>исх</sub>=1613,2 т.ц.
σ<sub>mах</sub>=20 кг/мм<sup>2</sup>, N<sub>исх</sub>=426,9 т.ц.
σ<sub>mах</sub>=30 кг/мм<sup>2</sup>, N<sub>исх</sub>=84,3 т.ц.
σ<sub>mах</sub>=40 кг/мм<sup>2</sup>, N<sub>исх</sub>=23,7 т.ц.
N<sub>cp</sub>
N<sub>cp</sub>/N<sub>исх</sub>
N<sub>cp</sub>
N<sub>cp</sub>/N<sub>исх</sub>
N<sub>cp</sub>
N<sub>cp</sub>/N<sub>исх</sub>
N<sub>cp</sub>
N<sub>cp</sub>/N<sub>исх</sub>
1
τ3
3982,67
2,47
-
1,0
-
-
-
-
2
τ5
>8101,8
>5
899,00
2,100
133,86
1,588
-
-
3
С9 (40)
-
-
864,76
2,025
113,35
1,344
-
-
4
С 10 (60)
>10023,8
>6,2
1317,00
3,085
141,00
1,670
-
-
5
С10 (120)
-
-
1720,87
4,030
194,12
2,300
30,420
1,283
Здесь
исх
mах
N, тысяч циклов - исходная долговечность гладкого образца при отнулевом циклическом растяжении с максимальным напряжением цикла σ;
cp
mах
N, тысяч циклов - долговечность гладкого образца при отнулевом циклическом растяжении с максимальным напряжением цикла σ после предварительной циклической наработки по соответствующей программе.
Полученные результаты показывают:
- принятые методики позволяют значительно повысить выносливость исходного конструкционного металла в широком диапазоне эксплуатационных напряжений;
- увеличение параметров программ предварительной наработки (τ, σ, N, ступеней их дискретности) дает существенное увеличение выносливости;
2
- после программ предварительной наработки τ5, С10 (60), С10 (120) предел выносливости исследованного конструкционного металла (Д16АТ) увеличился до 15 кг/мм.