Исследование выносливости соединений, полученных сваркой трением, из прецизионных сплавов

УДК 621.791.14

С.Ю. Смоленский, Р. И. Якимов

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫНОСЛИВОСТИ СОЕДИНЕНИЙ,

ПОЛУЧЕННЫХ СВАРКОЙ ТРЕНИЕМ, ИЗ ПРЕЦИЗИОННЫХ СПЛАВОВ

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева

Представлены результаты исследования усталостной прочности сварных соединений, полученных конвенционной сваркой трением, из прецизионного сплава 36НХТЮ. Построение кривой усталости и определение предела выносливости сварных соединений выполнялось с применением многообразцового метода и метода ускоренной оценки - Локати.

Установлено, что сварка трением позволяет получать качественные соединения из прецизионных сплавов, работоспособные в условиях циклического нагружения. Исследования показали, что для рассматриваемых условий ускоренный метод ступенчатого нагружения Локати дает вполне удовлетворительную точность при определении предела выносливости и может быть использован для сварных соединений, выполненных сваркой трением из данных сплавов.

Ключевые слова: усталостные испытания, сварка трением, предел выносливости, метод Локати

Среди работ, посвященных исследованию сопротивления усталости соединений, полученных сваркой трением, большинство работ относится к соединениям, выполненным из различных марок низкоуглеродистых, углеродистых и легированных конструкционных сталей. Данные для соединений из прецизионных сплавов отсутствуют. В то же время надежность и долговечность многих машин и приборов, в которых применяются элементы из прецизионных сплавов, в значительной степени определяются сопротивлением усталости этих элементов.

Определение предела выносливости сварных соединений из прецизионного сплава 36НХТЮ [1], полученных сваркой трением, производилась двумя методами: обычным многообразцовым (длительным) методом и методом ускоренной оценки выносливости -Локати [2]. В последние годы проблемы ускоренного определения предела выносливости приобретают особое значение, так как на предприятиях и в проектных организациях часто отсутствует возможность в проведении длительных и дорогостоящих испытаний на усталость. В тоже время развитие современной техники требует решения круга вопросов, подлежащих исследованию в области усталостных испытаний. Метод Локати среди ускоренных методов усталостных испытаний занимает особое место благодаря более высокой точности и производительности.

При испытаниях на усталость применялась схема нагружения: растяжение - сжатие с мягким нагружением, характерная для эксплуатационных условий работы деталей. Использовался асимметричный цикл напряжений с однозначным изменением величин напряжений, с постоянными амплитудными значениями напряжений при синусоидальной (гармоничной) форме цикла (рис. 1). Коэффициент асимметрии Я цикла при испытаниях составлял Я=1/3, частота нагружения / = 1000 цикл/мин. Испытания проводились на испытательной машине с гидравлическим пульсатором ЦД-10.

Для определения предела выносливости оя соединений и основного металла применялись гладкие образцы круглого профиля типа II с рабочей частью по ГОСТ 23026 (рис. 2), изготовленные из сварных соединений, полученных сваркой трением, и цельного прутка из сплава 36НХТЮ [1].

Сварка выполнялась на режиме, обеспечивающем получение качественных сварных соединений в условиях воздействия статических нагрузок. При испытании на статическое растяжение сварные образцы разрушались по основному металлу вдали от стыка. Угол загиба при испытании на статический изгиб составлял 180°без разрушения соединения. На данном режиме была сварена партия образцов диаметром 12 мм, состоящая из двух серий.

© Смоленский С.Ю., Якимов Р. И., 2016.

Рис. 1. Цикл напряжений

Рис. 2. Рабочая часть образца при определении предела выносливости

База испытаний N для сравнительных испытаний сварных и цельных образцов при определении предела выносливости и построения кривой усталости принималась согласно рекомендациям [2] равной 5х106 циклов. Построение кривой усталости при использовании многообразцового метода по результатам испытаний ограниченного объема образцов (10-12 шт.) производилось по методу наименьших квадратов. Ускоренные испытания ступенчато-увеличивающейся нагрузкой по Локати и обработка полученных экспериментальных данных выполнялась по методике, изложенной в работе [2]. Найденные значения предела выносливости, определенные ускоренным методом Локати (ояу), для партии образцов усреднялись по формуле:

=

где т - число образцов в испытываемой партии.

Первая серия сварных образцов подвергалась испытаниям стандартным многообразцовым методом для определения предела выносливости с построением кривой усталости. Основным критерием при определении предела выносливости и построения кривых усталости принималось полное разрушение испытываемых образцов. Результаты длительных (многообразцовых) усталостных испытаний из сварных соединений представлены в табл.1 и на рис. 3. Аналитической обработкой [3] результатов длительных усталостных испытаний получено следующее уравнение для кривой усталости

^ = 8,7107 - 0,7304 10 о. грасч = -0,988, гкр = 0,754 при f= 5, т. е. линейная связь статистически значима.

Результаты длительных усталостных испытаний сварных образцов

Таблица 1

Номер Параметры нагружения №105, цикл Место разрушения

Отах, МПа От, МПа Отт, МПа

1 430,8 287,2 143,6 3,82 Основной металл

2 408,6 272,4 136,2 5,14 Основной металл

3 408,6 272,4 136,2 5,81 Основной металл

4 379,7 253,3 126,6 8,42 Основной металл

5 359,7 239,8 119,9 9,83 Основной металл

6 326,4 217,6 108,8 21,88 Основной металл

7 326,4 217,6 108,8 23,82 Основной металл

8 315,3 210,2 105,1 49,03 Основной металл

9 310,9 207,3 103,6 60,0 х) Не разрушился

10 310,9 207,3 103,6 60,0 х) Не разрушился

11 310,9 207,3 103,6 90,0 х) Не разрушился

12 307,5 205,0 102,5 90,0 х) Не разрушился

Примечание:х)- испытание прекращено.

Рис. 3. Кривые усталости. Сплав 36НХТЮ:

1 - сварные образцы; 2 - цельные образцы

Как показывают результаты длительных усталостных испытаний, разрушение образцов происходит по основному металлу, что свидетельствует о более низком значении оя основного металла по сравнению с оя сплава в зоне стыка для соединений, выполненных сваркой трением.

Полученная кривая усталости (уравнение 2) и предел выносливости о{ = 313,1 МПа являются характеристиками сплава 36НХТЮ, полученными на образцах, характеризующихся наличием в них прослойки, представляющей собой сварной шов.

В табл. 2 и на рис.3 представлены результаты длительных усталостных испытаний, полученных на цельных образцах.

Результаты длительных усталостных испытаний цельных образцов

Таблица 2

Номер Параметры нагружения N105, цикл

отах, МПа от, МПа Отт, Мпа

I 430,8 287,2 143,6 3,14

2 430,8 287,2 143,6 3,28

3 408,6 272,4 136,2 5,59

4 326,4 217,6 108,8 18,53

5 326,4 217,6 108,8 19,85

6 315,3 210,2 105,1 23,06

7 310,9 207,3 103,6 25,02

8 307,5 205,0 102,5 60,0 х)

9 307,5 205,0 102,5 48,76

10 307,5 205,0 102,5 100,0 х)

11 294,2 196,2 98,1 60,0 х)

12 294,2 196,2 98,1 60,0 х)

Примечание:х) - испытание прекращено, образец не разрушался.

Кривая усталости описывается статистически значимым уравнением

^ = 8,6538 - 0,7253 10-2о.

Расчетный коэффициент корреляцииГрасч = -0,988; |трасч| > |?кр|, Гкр = 0,754 при / = 5. При этом предел усталости равен о{ = 307,5 МПа.

Отклонение коэффициента линейной регрессии кривой усталости, полученной на сварных образцах составило 0,7%, а полученное отклонение предела выносливости о{ равно

Д=

^

100% = 1,8%,

что весьма незначительно.

Полученные результаты свидетельствуют, что наличие в образцах прослойки в виде шва, выполненного сваркой трением, в данныхусловиях практически не сказывается на величине предела выносливости.

Вторая серия сварных образцов была испытана на выносливость ступенчато-увеличивающейся нагрузкой по методу Локати [2]. При ускоренных испытаниях по методу Локати начальный уровень напряжения о0 брался из расчета 0,8оож и принимался равным 236 МПа. Оптимальное значение средней скорости роста напряжений определялось по номограмме и составляло а = 9,810-5 МПа/цикл. Приращение напряжения при переходе на следующую ступень До = 29,5 МПа, число циклов нагружения на ступени щ = 3 105.

Результаты ускоренных испытаний для определения предела выносливости по методу Локати представлены в табл. 3.

Таблица 3

Результаты ускоренных усталостных испытаний сварных образцов

о

^

Число циклов нагружения на ступени, х103

Напряжение на ступени, МПа

Образец 1 Образец 2 Образец 3

236,0 300 300 300

265,5 300 300 300

295,0 300 300 300

324,5 300 300 300

354,0 300 217 300

383,5 300 - 18

413,0 6 - -

Так как разрушающее напряжение ор на последних ступенях меньше 500 МПа, обработка экспериментальных данных для всех образцов производится по методике обработки материалов с ор< 500 МПа. По номограмме по величине ор (для 1-го образца) определяли предел выносливости о^ условной усталостной кривой б (наиболее вероятной), число циклов Nб и напряжение соответствующее долговечности в 10 циклов о105. Тангенс угла наклона левой ветви условной кривой усталости б (Кб) определяется уравнением

б

к = о105 - (5) о ^б -^105" ^

Полученные значения сведены в табл. 4.

В табл. 5 представлены результаты вычисления суммы Еп/Ы (отношение чисел циклов, пройденных образцом накаждой ступени нагружения до разрушения, щ к ресурсу долго-

вечности условной усталостной кривой б на этих же уровнях напряжений N1). Значения 01 и щбрались из результатов испытаний (табл. 3),значения N, о^, Кб из табл. 4. N определялось из уравнения

тб О -

Кб

Таблица 4

Определение тангенса угла наклона кривой усталости б

Номер образца Ор, МПа о105, МПа о|, МПа цикл ^0 ^105 Кб

1 413 413 340 1,7106 6,2304 5 59,3303

2 354 354 280 1,87106 6,2718 5 58,1852

3 383,5 383,5 310 1,73106 6,2380 5 59,37

Таблица 5

Определение отношения чисел циклов нагружения к ресурсу долговечности на кривой б

01, МПа пг103, цикл Кб № N1, цикл П1 N1

236,0 300 3,9777 7,9833 96227675 0,0031

265,5 300 4,4749 7,4861 30626685 0,0098

295,0 300 4,9722 6,9888 9745407 0,0308

324,5 300 5,4694 6,4916 3101702 0,0967

354,0 300 5,9666 5,9944 987188 0,3039

383,5 300 6,4638 5,4972 314196 0,9548

413,0 6 6,961 5,0 100000 0,06

(УЧ/ЛО = 1,4591 ' б

Примечание: о^ = 340 МПа.

Аналогично производилось определение суммы £ п^ для условных усталостных кривых а и в (табл. 6 и табл.7). Вычисления производились при о^ = 1До^,Од = 0,9о^, N0 = N = N0 и Ка = Кб = КВ.

Таблица 6

Определение отношения чисел циклов нагружения к ресурсу долговечности на кривой а

о1, МПа п^ 103, цикл 01 Ка № N1, цикл П1 N1

236,0 300 3,9777 8,5564 3,6008083 108 0,0008

265,5 300 4,4749 8,0592 1,1460406-108 0,0026

295,0 300 4,9722 7,5619 36466996 0,0082

324,5 300 5,4694 7,0647 11606466 0,0258

354,0 300 5,9666 6,5675 3694026 0,0812

383,5 300 6,4638 6,0703 1175709 0,2552

413,0 6 6,961 5,5731 374197 0,016

(УЧ/Лг) = 0,3898 ¿—1 а

Примечание: о^ = 374 МПа

Таблица 7

Определение отношения чисел циклов нагружения к ресурсу долговечности на кривой в

оъ МПа щ-103, цикл Кв № цикл ^

236,0 300 3,9777 7,4103 25721720 0,0117

265,5 300 4,4749 6,9131 8186533 0,0366

295,0 300 4,9722 6,4158 2604954 0,1152

324,5 300 5,4694 5,9186 829087 0,3618

354,0 300 5,9666 5,4214 263876 1,1369

383,5 300 6,4638 4,9242 83985 3,5721

413,0 6 6,961 4,427 26730 0,2245

(^¿/N0 = 5,4588

Примечание: оД = 306 МПа.

По трем суммам относительных долговечностей (Епг/^)а ,(Еп1/^)б и (Еп1/^)е и соответствующим условным кривым усталости значениям пределов выносливости оД, оД и оД строили график в координатах оя - (рис. 4). Согласно гипотезе линейного сумми-

рования значение предела выносливости при Е ^¿/^ = 1 о^ = 348 МПа.

В табл. 8 представлены вычисленные аналогичным образом значения величин относительных долговечностей для остальных образцов и соответствующие им пределы выносливости, определенные путем графической интерполяции по трем точкам (рис. 4).

Таблица 8

Результаты расчета значений Еп(/^1 и

Образец Сумма относительных долговечностей оу, МПа

Кривая а Кривая б Кривая в

1 0,3898 1,4591 5,4588 348

2 1,1599 3,5125 0,3831 311

3 0,4742 1,5774 5,250 320

Примечание: значения пределов выносливости, соответствующие условным кривым усталости а, б, в, соответственно: 374, 340, 306 МПа (обр. № 1); 308, 280, 336 МПа (обр.№ 2); 341, 310, 279 МПа (обр.№ 3).

Рис. 4. График зависимости а^ отЕп;/,^:

1 - обр. № 1; 2 - обр. № 2; 3 - обр. № 3

Найденные значения о^ усреднялись по формуле (1). Полученное значение оу = 326,3 МПа является искомой оценкой предела выносливости при ускоренных испытаниях.

Результаты сравнений величин предела выносливости, определенных двумя методами, показывают, что имеет место достаточно хорошее их совпадение (313,1 и 326,3 МПа). Отклонение оу от о^ при этом составило

Д =

CR - CR

326,3 - 313,1

100% =-——--100% = 4,0%.

326,3

Как видно, метод Локати дает достаточно точные результаты и этим методом можно пользоваться для определения предела выносливости соединений, выполненных сваркой трением из данных сплавов, при этом сварка трением обеспечивает получение качественных сварных соединений

Библиографический список

1. ГОСТ 14119-85.

2. Методика усталостных испытаний: справочник / под ред. Л.М. Школьника. - М.: Металлургия, 1978. - 304 с.

3. Батунер, Л.М. Математические методы в химической технике / Л.М. Батунер, М.Е. Позин. -Л.: Химия, 1968. - 824 с.

Дата поступления в редакцию 17.10.2016

S. Yu. Smolensky, R. I. Yakimov

RESEARCH OF ENDURANCE OF JOINTS OBTAINED BY FRICTION WELDING

OF PRECISION ALLOYS

Nizhny Novgorod state technical university n.a. R.E. Alexeyev

Purpose:Presents results of a study of the fatigue strength of welded joints obtained by conventional friction welding, precision alloy 36NHTYU.

Design/methodology/approach:The construction of the fatigue curve and the determination of the fatigue strength of welded joints were performedby the multi samplemethod and the Lokati method of an accelerated estimation. Findings:It is established that the friction welding allows to obtain high-quality joints of precision alloys which can work in conditions of cyclic loading.

Research limitations/implications: For the considered conditions, studies have shown that accelerated step-loadingLokatimethod gives satisfactory accuracy in determining the fatigue strength and can be used for welded joints made by friction welding of these alloys.

Key words: fatigue tests, friction welding, fatigue strength, Lokati method.