Actual Problems in Machine Building 2015 No. 2

Актуальные проблемы в машиностроении. 2015. №2 Материаловедение в машиностроении ____________________________________________________________________ 375 УДК 621.01 АНАЛИЗ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПОПЕРЕЧНЫХ ПОДПОВЕРХНОСТНЫХ ТРЕЩИН В РЕЛЬСАХ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ КОНТАКТНОЙ НАГРУЗКИ * В.Н. ЦВИГУН, канд. техн. наук, инженер С.В. КОНОВАЛОВ, доктор техн. наук, доцент В.М. НЕФЕДОВ, ст. преподаватель Р.С. КОЙНОВ, инженер (СибГИУ, г. Новокузнецк) Коновалов С.В. – 654007, г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42, Сибирский государственный индустриальный университет, e-mail: konovalov@physics.sibsiu.ru Выполнен анализ распространения поперечных подповерхностных трещин в материале на примере рельсов при действии контактной нагрузки. Показано наиболее вероятное направление роста поперечных подповерхностных трещин: мелкие трещины на глубине, равной (0,25 – 0,50) полудлины контактной площадки будут расти вверх, но мелкие трещины на глубине 0,1 полудлины контактной площадки имеют уровень напряжений меньший, чем трещины на глубине верхней вершины, равной (0,25 – 0,50) полудлины контактной площадки. Глубокие трещины (при глубине верхней вершины трещины равной полудлине контактной площадки и более) будут расти в трех зонах под контактной площадкой, т.е. нижняя вершина внутренней поперечной трещины растет вниз (при отношении коэффициентов интенсивности напряжений при отрыве и сдвиге К 1 /К 2 , равном 65 %/35 %); такое сочетание К 1 /К 2 вызывает более быстрый рост усталостной трещины, чем при К 1 =100 % или К 2 =100 %. Ключевые слова: усталость, трещина, рельс, контактная нагрузка, деформация. Введение Известно, что от взаимодействия контактной пары «колесо – рельс» зависит функционирование железнодорожных составов [1-4]. Поэтому изучение отношения коэффициентов интенсивности напряжений при отрыве и сдвиге (К 1 /К 2 ) у вершины вертикальной подповерхностной трещины при контакте качения имеет важное значение во многих задачах. Сложная картина роста контактных трещин затрудняет решение проблем питтинга и спаллинга для прокатных валков, рельсов, колес, подшипников качения, шестерен, упрочнения ударами шаров после лазерного нагрева, после обкатки роликами и др. ситуаций. К сожалению, проблемы, возникающие при теоретических расчетах, связаны со сложной картиной развития трехмерных трещин контактной усталости. Это связано с тем, что материал нагружен пульсирующими очень высокими напряжениями вблизи и выше предела текучести. Наличие дефектов приводит к зарождению новых трещин, их ветвлению, остановке одних и ускорению роста других (растут менее энергоемкие трещины). Связи с этим настоящая работа посвящена оценке коэффициентов интенсивности напряжений при отрыве и сдвиге К 1 и К 2 у вершин трещин при контакте качения и поиску опасных зон с высокими напряжениями, а также анализу направлений распространения трещины в головке рельса. * Работа выполнена при поддержке гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых - докторов наук (проект МД-2920.2015.8) и государственного задания № 3.1496.2014/K.