Концепция исследования механических свойств конструкционных материалов на типовых конструктивных элементах

ББК 34.61 УДК 620.1

КОНЦЕПЦИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ТИПОВЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ

1 2 А.В. Васильева , A.A. Гетьман

Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики

192171, Санкт-Петербург, ул. Седова, 55/1

Предложена новая концепция исследования механических свойств конструкционных материалов, основанная на учете совместного влияния структуры материала и конструкции детали путем статических и циклических нагружений типовых конструктивных элементов.

Ключевые слова: конструктивные элементы, радиусы закруглений, расстояние между сопрягаемыми стенками, прочность, долговечность.

Известно, что закономерности деформирования и разрушения деталей машин зависят от структуры материалов, из которых они изготовлены. Во всех элементах структуры наблюдается неоднородность свойств. Даже в идеальной кристаллической решетке металла такие свойства, как предел текучести, модуль упругости, коэффициент линейного расширения существенно различаются в зависимости от ориентации кристаллографических плоскостей. Структура материала детали имеет ряд дополнительных специфических дефектов - концентраторов напряжений, таких как усадочная пористость, неметаллические включения, трещины и др. Поэтому задача математического описания напряжений и деформаций в деталях, изготовленных из реальных материалов, в особенности методом литья, является весьма сложной, требующей, в первую очередь, выбора такой физической модели материала, которая учитывала бы неоднородность его структуры и свойств и не была бы чрезвычайно сложной для математических вычислений. В настоящее время ведутся активные исследования природы усталостного разрушения, разрабатываются методы прогнозирования характеристик ус-

талостной прочности для различных конкретных практических случаев [1].

Представим деталь в виде сложной технической системы, состоящей из множества элементов, которые выполняют свойственные только им функции и являются самостоятельными неизолированными подсистемами, т.е. отдельными конструктивными элементами. Конструктивные элементы взаимосвязаны между собой в процессе формирования качества и свойств детали этой сложной технической системы. Предположим, что выход из строя (разрушение, износ и т.д.) отдельно взятого конструктивного элемента с большой вероятностью приведет к полному разрушению всей детали и механизма в целом [2,3,4]. Исходя из этого, совместное влияние структуры материала и конструкции деталей при статических и циклических нагрузках, впервые предлагается проводить на типовых конструктивных элементах.

Сущность предлагаемой концепции исследования механических свойств заключается в том, что определяются характерные конструктивные элементы по толщинам стенок детали, типам сопряжений ее поверхностей, соотношению толщин сопрягаемых сте-

нок, величинам радиусов закруглений. Изготовление конструктивных элементов и методы их контроля производятся в полном соответствии с действующей технологией серийных партий. Конструктивные элементы подвергаются испытаниям на циклическое растяжение на одном уровне напряжений методом ускоренных испытаний. Полученные результаты испытаний подвергаются статистической обработке с последующим расчетом критериев.

Особенность предлагаемой методики состоит в том, что по результатам одних и тех же испытаний осуществляется оценка особенностей структуры материала деталей, степени совершенства технологических процессов их изготовления и применяемых методов контроля; учитывается влияние концентрации напряжений, размеров детали и состояние ее поверхности. Это тем более важно, что раздельный учет влияния концентрации напряжений, состояния поверхности и размеров детали и последующее механическое наложение (перемножение) учтенных факторов (коэффициентов) приводит к необоснованному занижению прочности. Так, опыты С.В. Серенсена [5] показали, что для случая кручения образцов диаметром 12,5 мм из стали 40Г, отдельный учет концентрации напряжений от надреза и влияния коррозии дают значения больше опытного на 15 -55 %, т.е. их отдельный учет дает превышение теоретического ослабления в 1,2 - 1,6 раза.

Испытания по предлагаемой методике проводятся на одном уровне максимальных напряжений равных 0,5 ов или 0,67 от материала. В этом случае конструктивные элементы выдерживают в среднем 104 - 105 циклов. При частоте 600 циклов в минуту, время испытания одного конструктивного элемента не превышает обычно 1 - 1,5 часа. Поскольку литая сталь не чувствительна к

асимметрии цикла [6 - 7], испытания следует производить растягивающими нагрузками при минимальных значениях коэффициентов асимметрии цикла. Минимальная нагрузка принимается не более (0,05 - 0,1) от или (0,05 - 0,1) ов материала. При таких условиях нагружения упрощается изготовление приспособлений для испытания, а конструктивные элементы различной конфигурации испытываются в литом состоянии без какой-либо механической обработки мест их захвата в приспособлениях. В то же время полученные результаты испытаний позволяют путем их пересчета достоверно определить выносливость конструктивных элементов во всем диапазоне долговечности, вплоть до базового числа циклов предела выносливости.

Особое внимание при этом необходимо обратить на количество однотипных конструктивных элементов, подлежащих испытанию. Это количество рассчитывается по известным зависимостям или выбирается по данным табл. 1. с учетом требуемой достоверности полученных результатов испытания и соответствующем доверительном интервале.

Таблица 1. Надежность и доверительная вероятность полученных результатов в зависимости от количества испытанных

образцов

Заданная надежность результатов Необходимое количество образцов при испытании в шт. при доверительной вероятности

0,95 0,90

99 295 227

98 148 114

97 98 76

96 74 57

95 58 45

90 28 22

Концепция исследования механических свойств конструкционных материалов

на типовых конструктивных элементах

Для подтверждения взаимосвязи между структурой материала деталей, их конструкцией и эксплуатационными свойствами, проведены исследования влияния величины и характера расположения трещин, усадочной пористости, обезуглероженности поверхностного слоя деталей на прочность при статических нагрузках и долговечность при циклических нагрузках. Исследовались

Т-, Х-, и Z- образные модели прямоугольных конструктивных элементов с толщинами стенок 2; 4 и 6 мм (табл.2) как наиболее характерные для деталей, полученных литьём по выплавляемым моделям. Результаты испытаний приведены в табл. 3 и 4 и представляют собой анализ и обобщение данных для 482 наименований различных деталей из стали 35ХГСЛ, ВНЛЗ и др.

Таблица 2. Обозначение и основные размеры исследуемых элементов деталей

Тип сопряжения конструктивного элемента Т-образное Х- образное Z - образное

Z2 Zз Z4

Условное обозначение I II III IV V VI

Размеры (толщина силового элемента х толщина ребра), мм 2х2 2х2 2х2 2х2 2х2 2х2

4х2 4х2 4х2 4х2 4х2 4х2

4х4 4х4 4х4 4х4 4х4 4х4

6х4 6х4 6х4 6х4 6х4 6х4

6х6 6х6 6х6 6х6 6х6 6х6

Величина смещения ребер, выраженная в толщинах ребра 0 1 2 3 4

Таблица 3. Характерные конфигурации конструктивных элементов для стальных деталей, изготовляемых литьем по выплавляемым моделям____________________

Характерные конструктивные элементы Кресто- образные (Х) Т - образные L - Z - образные Соединение цилиндра с плоской стенкой Прочие

Количество деталей в % 3,6 - 22,7 - ,2 72 10,9 -18,4 21,0 - 22,7 20,2 - 38,0

Таблица 4. Средние толщины стенок стальных деталей, изготовленных литьем по выплавляемым моделям___________________________________________________

Толщина стенок, мм 2 - 2,5 3 4 5 6 >6

Количество деталей,% 36,8 31,6 11,1 5,1 6 9,4

Исходные заготовки в количестве 568 штук, полученные методом литья по выплавляемым моделям, представляли собой литые пластины 100 (130:130) х 108 (125; 132) х 2 (4;6) мм с одним -двумя ребрами. Из заготовок вырезались 5 образцов: 3 образца с ребрами (рис.1) для механических испытаний и 2 образца для макро- и микроисследова-

ний. Стальные литые заготовки изготовлялись в производственных условиях на заводе "Армалит" в соответствии с технологическими инструкциями завода.

Заготовки располагались перпендикулярно к плоскостям прямоугольного стояка и под углом 45° к его оси, отливались по 6 штук в блоке с пи-

танием непосредственно от стояка через торцы стенок и ребер. Обмазка на основе маршалита готовилась по совмещенному способу гидролиза этил-силиката.

Рисунок 1. Схема вырезки образцов: без

рёбер для испытаний на циклические нагрузки (а); то же с рёбрами (б); образец для исследований макро- (в) и микроструктуры (г) (при: 5 = 2 мм; А= 100 мм; В = 108 мм; 5 = 4 мм; А = 130 мм; В = 125 мм; 5= 6 мм; А = 130 мм, В = 132 мм; а=2; 4 и 6мм; г = (1/12-1,0)а; Б=(0-4)а.

В качестве присыпки использовался кварцевый песок. Сушка керамического покрытия осуществлялась на воздухе, вытопка модельного состава из форм - в воде. Просушенные блоки формовались в наполнителе с добавкой карбюризатора и прокаливались 4 часа при 950 °С. Температура стали

35ХГСЛ, выплавленной в тигле с кислой футеровкой, при заливке состав-

ляла 1490 - 1520°С, а форм - 760 840°С.

Для сравнения и контроля механических свойств металла каждой из плавок путем испытаний на разрыв при статических нагрузках и на удар при динамических нагрузках, изготавливались стандартные отдельно отлитые образцы. Все заготовки отжигались, а изготовленные из них образцы после закалки и отпуска на уровень прочности ов=1000 - 1200 МПа (закал-

ка: нагрев до 890+ 10 0С и выдержка 30 минут, охлаждение в масло с I = 20 -700С; отпуск: нагрев до 570 - 6300С и выдержка 2 часа, охлаждение в воде; контроль по твердости каждого образца), затем образцы подвергались испытаниям циклическим нагружением. Образцы толщиной 2 мм испытывались также на растяжение при статической нагрузке с определением предела прочности, условного предела текучести и относительного удлинения.

Испытания на циклическую нагрузку производились на машине ГРМ-

1 с точностью нагружения ±1,0 % от измеряемого усилия. Образцы подвергались циклическому растяжению с частотой 600 циклов в минуту по асимметричному циклу с коэффициентом асимметрии +0,2. Максимальная нагрузка составляла 50 % от разрушающего усилия, минимальная - 10% из расчета среднего значения Ов = 1100 МПа. Таким образом, образцы подвергались знакопостоянному действию циклических нагрузок со средним напряжением

ст„ =

СТ|,№: CTmm =220 МПа

2

Для каждого образца максимальная и минимальная нагрузки корректировались в соответствии с фактической площадью поперечного сечения образца.

Испытания на растяжения при статических нагрузках проводились на машине ИМ-4Р с предельной величиной нагрузки 4000 кг, при этом снималась диаграмма растяжения образцов. Образцы (рис. 2) крепились в специальных приспособлениях, позволяющих фиксировать положение образца в

2-х взаимно перпендикулярных вертикальных плоскостях. Для уменьшения влияния люфта в системе «образец -приспособление», растяжение образцов осуществлялось с предварительным нагружением в 300 кг, т.е. величиной, равной 10% от разрушающей нагрузки. Расчетная рабочая длина для определения относительного удлинения - 60 мм.

Определение дефектности образцов производилось методами неразрушающего контроля, а именно технической диагностики, дефектоскопического контроля с использованием взаимодействия физических полей (акустических, магнитных, радиационных и

др.).

а г в б

Рисунок 2. Размеры литых заготовок и схема вырезки образцов: без ребер для испытаний при статических нагрузках на растяжение (а); то же с ребрами (б); образцы для исследований макро (в) и микроструктуры (г). Б =0; 2; 4; 6 и 8мм; г = 0,5; 1,0; и 2 мм.

Так, рентгенопросвечивание образцов производилось на рентгеновской промышленной установке РУП-1 по режиму: напряжение на трубке 130кУ, сила тока 15А, фокусное расстояние 75 см, экспозиция 30 сек., пленка РТ-5. Протяженность трещин в узлах конст-

на типовых конструктивных элементах руктивных элементов деталей определялась по рентгеноснимкам, а затем уточнялись методом разрушающего контроля при фактографии разрушенных образцов. За длину трещин принимались длина её проекции на ось, перпендикулярную к оси образца и к направлению действия растягивающих нагрузок.

Использование методов неразрушающего контроля позволило отобрать образцы с различным количеством микродефектов. На основании проведенных исследований осуществлена оценка влияния величины и характера расположения различных микродефектов на конструкционную прочность деталей.

Исследования величины литого зерна поверхностного слоя выполнены, главным образом, на серийных деталях вспомогательных механизмов корабельных энергетических установок, а также на специально изготовленных образцах толщиной 2; 3; 4; 5 и 6 мм в количестве 500 штук. Шлифы после полирования травились 20 - 30 с в 2%-ном спиртовом растворе НЫО3, а затем после промывки спиртом, 10 сек. в 4 % -ном растворе пикриновой кислоты на этиловом спирте.

Величина литого зерна и структура поверхностного слоя определялись на микроскопе типа «Рейхерт» при увеличении х100. Средний размер зерна определялся как среднеалгебраическое значение измерений трех смежных центральных зерен в двух взаимно перпендикулярных направлениях по максимальному размеру в соответствии с выражением:

^ _ а1Ь1+а2Ь2+ а3Ь3

СР ~ -у 3 ,

где: ёср - средний размер зерна в мм; а1, а2, а3 - максимальный размер зерен в

направлении, перпендикулярном поверхности; Ь1, Ъ2, Ь3 - максимальный размер зерен в направлении, параллельном поверхности.

Оценка влияния размера литого зерна на механические свойства стали производилась и по результатам испытания на ударную вязкость стандартных литых образцов, отлитых по 8 штук от 17 плавок стали 35ХГСЛ.

Для определения степени влияния поверхностного слоя на механические свойства отливок от 84 плавок стали 35ХГСЛ было отлито по 8 образцов для испытаний на статические нагрузки. Три образца представляли собой литые заготовки, из которых вытачивались, т.е. снимался поверхностный обезугле-роженный слой, образцы диаметром 5 мм.; пять образцов испытывались литыми, т.е. без механической обработки.

В заключении следует отметить, что особенностью предложенной концепции построения методики исследования механических свойств деталей, является её комплексность, учитывающая технологию изготовления и конструкцию детали, возможность наличия различных скрытых внутренних и внешних дефектов, состояния поверхностного слоя - литейной корочки, характер действующих нагрузок. Такая комплексная постановка методики существенно отличается от известных исследований в этой области.

Литература

1. Кочаев В.П. Расчетная оценка пределов выносливости деталей машин - «Вестник машиностроения», 1972, № 1.

2. Гетьман А.А. Научные основы конструирования литых деталей. ВВМИОЛУ им. Ф.Э.Дзержинского. СПб, 1997.

3. Коломиец А.В., Баринов Е.М., Пустовалов С.Ю., Сошин В.В. Роль и место технического контроля корабельной техники в современных условиях. Материалы межвузовской научнометодической конференции «Проблемы эксплуатации вооружения военной техники». ВМИИ. СПб, 2005.

4. Попов Н.Н., Шабаев Р.Р. Необходимость разработки новой методики оценки и прогнозирования остаточного ресурса корабельных газотурбинных двигателей. Материалы межвузовской научно-методической конференции «Проблемы эксплуатации вооружения военной техники». ВМИИ. СПб, 2005.

5. Серенсен С.В., Когаев В.П., Степанова М.Н., Гиацинтов Е.В. О законе распределения долговечности при усталостных испытаниях. «Заводская лаборатория», 1958, № 3.

6. Гликман Л.А., Костров Е.Н. «О некоторых вопросах прочности и износоустойчивости» Труды ЛИЭИ, 23, 1958.

7. Кишкин Б.П. О расчете на ограниченную долговечность деталей машин с учетом концентрации напряжений. «Вопросы прочности, упругости элементов машин». Ижевск. Удмуртия, 1967.

1 Васильева Анна Вячеславовна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Техническая механика» СПбГУСЭ. Адрес: Санкт-Петербург, Дунайский пр. д.34/16 кв.4; тел. (812)366 -0207: email: vasilevaav(a>,list.пі

2 Гетьман Анатолий Антонович, заслуженный деятель науки и техники РФ, академик РИА, почетный работник высшего образования России, доктор технических наук, профессор. Санкт-Петербург, ул. Стойкости д. 29 корп.2 кв.68; тел. (812)759-57-47. email:

a. a. setman@,mail. ru