ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Проблема прочности конструкционных материалов при циклических нагрузках имеет важное значение в конструировании. Значительное количество факторов, которые влияют на характеристики сопротивления усталостному разрушению, предопределило создание многочисленных методов, учитывающих это влияние. Неразрушающие методы, основанные на связи физических процессов деградации материала с деформационными характеристиками, позволяют экспериментально оценивать усталостные свойства материалов. Цель работы: анализ процессов диссипации энергии и накопления деформаций, происходящих при неупругом циклическом деформировании образцов на примере титанового сплава ВТ6 (Ti-6Al-4V) и алюминиевого сплава Д16 (Al-Cu-Mg) до и после технологического воздействия. В работе экспериментально исследованы физические процессы деградации образцов (сплавы ВТ6 и Д16), которые сопровождают процесс усталостного повреждения материалов при однородном и неоднородном НДС в области концентратора (в виде отверстия и сварного шва). Используются типовые режимы выхода на режим усталостных испытаний, позволяющие определить критические напряжения в образце материала – напряжение, при котором происходит изменение физических свойств (температуры, деформации) без доведения образцов до усталостного разрушения. Выполнено сравнение критических амплитуд напряжений в цикле для экспериментальных данных и результатов математического моделирования. При помощи метода конечных элементов (МКЭ) оценено влияние концентраторов напряжений на значение критических нагрузок, которые способны выдержать деталь после технологической операции. В результате дана оценка влияния эксплуатационно-технологических факторов на величину критических напряжений, определяемых по температуре и деформациям. Сравнительные испытания образцов сплава ВТ6 и Д16 с концентраторами напряжений и без концентраторов показали, что амплитуды критических напряжений по сравнению с образцами без концентраторов напряжений снижаются более чем на 30 % у материалов. Проведены малоцикловые усталостные испытания образцов из сплава Д16. Выполнено математическое моделирование циклического деформирования образцов в пакете MSC.Marc. Обсуждаются результаты испытаний при циклическом нагружении, показывающие, что характеристики технологического процесса уменьшают амплитуды критических напряжений сплавов ВТ6 и Д16 и ухудшают усталостные свойства алюминиевого сплава Д16. Математическое моделирование показало удовлетворительное соответствие с данными экспериментов. Такое соответствие указывает на возможность проведения качественных численных оценок начала накопления неупругой деформации в конструкциях с концентраторами напряжений при циклическом деформировании и возрастающей амплитудой напряжений с использованием классической модели упругопластического материала с упрочнением.

1. Трощенко В.Т., Сосновский Л.А. Сопротивление усталости металлов и сплавов: справочник. – Киев: Наукова думка, 1987. – 1302 с.

2. Иванова В.С. Структурно-энергетическая теория усталости металлов // Циклическая прочность металлов. – М.: Изд-во АН СССР, 1962. – С. 11–23.

3. Coffin L.F. Low-cycle fatigue: a review // Applied Material Research. – 1962. – Vol. 1, N 3. – P. 129–141.

4. Bathias C. Gigacycle fatigue in mechanical practice. – Vergal: marcel Dekker, 2005. – 304 p. – ISBN 9780203020609. – DOI: 10.1201/9780203020609.

5. Naito T., Ueda H., Kihushi M. Fatigue behavior of carburized steel with internal oxides and non-martensitic microstructure near the surface // Metallurgical Transactions A, Physical Metallurgy and Materials Science. – 1984. – Vol. 15, N 7. – P. 1431–1436.

6. Kanazawa K., Nishijima S. Fatigue fracture of low alloy steel at ultra-high cycle regime under elevated temperature conditions // Journal of the Society of Materials Science. – 1997. – Vol. 46, N 12. – P. 1396–1400. – DOI: 10.2472/jsms.46.1396.

7. Murakami Y., Nomoto T., Ueda T. Factors influencing the mechanism of superlong fatigue in steels // Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures. – 1999. – Vol. 22, N 7. – P. 581–590. – DOI: 10.1046/j.1460-2695.1999.00187.x.

8. Shiozawa K., Nashino S., Morii Y. Subsurface crack initiation and propagation mechanism of high-strength steelin very high cycle fatigue regime // International Journal of Fatigue. – 2006. – Vol. 28, N 11. – P. 1521–1532. – DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2005.08.015.

9. Шанявский А.А. Моделирование усталостных разрушений металлов: синергетика в авиации. – Уфа: Монография, 2007. – 500 с. – ISBN 978-5-94920-058-2.

10. Locati L. Le prove di cafica come ausilio alla prodetta sone ed alle predusioni // Metallurgia Italiana. – 1955. – Vol. 47, N 9. – P. 245–260.

11. Prot E.M. Une nouvelle technique d’essai des materiaux. L’essai de fatigue sous chrse progressive // Revue de Metallurgie. – 1948. – Vol. 45, N 12. – P. 481–496.

12. Enomoto N. A method for determining the fatigue limit of metals by means of stepwise load increase tests // Proceedings – American Society for Testing and Materials. – 1959. – Vol. 59. – P. 711–722.

13. Glage A., Weidner A., Biermann H. Effect of austenite stability on the low cycle fatigue behaviour and microstructure of high alloyed metastable austenitic cast TRIP-steels // Procedia Engineering. – 2010. – Vol. 2, N 1. – P. 2085–2094. – DOI: 10.1016/j.proeng.2010.03.224.

14. Усталостная прочность аустенитной стали Х18Н10Т после равноканального углового прессования / В.Ф. Терентьев, С.В. Добаткин, Д.В. Просвирнин, И.О. Банных, О.В. Рыбальченко, Г.И. Рааб // Деформация и разрушение материалов. – 2008. – № 10. – С. 30–38.

15. Yang Y.S., Bae J.G., Park C.G. Improvement of the bending fatigue resistance of the hyper-eutectoid steel wires used for tire cords by a post-processing annealing // Materials Science and Engineering: A. – 2008. – Vol. A488. – P. 554–561. – DOI: 10.1016/j.msea.2007.11.048.

16. Структурные особенности поведения высокоуглеродистой перлитной стали при циклическом нагружении / А.В. Макаров, Р.А. Саврай, В.М. Счастливцев, Т.И. Табатчикова, И.Л. Яковлева, Л.Ю. Егорова // Физика металлов и металловедение. – 2011. – Т. 111, № 1. – С. 97–111.

17. Щипачев А.М., Пояркова Е.В. Влияние усталостной повреждаемости на твердость и внутреннюю накопленную энергию металла // Вестник УГАТУ. – 2007. – Т. 9, № 6 (24). – С. 152–157.

18. Алешин Н.П., Щербинский В.Г. Радиационная, ультрозвуковая и магнитная дефектоскопия металлоизделий. – М.: Высшая школа, 1991. – 271 с. – ISBN 5-06-000923-8.

19. Магнитные методы оценки упругой и пластической деформации при циклическом нагружении сталей / Э.С. Горкунов, Р.А. Саврай, А.В. Макаров, С.М. Задворкин // Diagnostics, Resource and Mechanics of Materials and Structures. – 2015. – Iss. 2. – P. 6–15. – DOI: 10.17804/2410-9908.2015.2.006-015.

20. Махутов Н.А., Дубов А.А., Денисов А.С. Исследование статических и циклических деформаций с использованием метода магнитной памяти металла // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. – 2008. – Т. 74, № 3. – С. 42–46.

21. Магнитоупругое размагничивание стали под действием циклического нагружения / К.Р. Муратов, В.Ф. Новиков, Д.Ф. Нерадовский, Р.Х. Казаков // Физика металлов и металловедение. – 2018. – Т. 119, № 1. – С. 19–25. – DOI: 10.7868/S0015323018010035.

22. Эффект «шахматной доски» в распределении напряжений и деформаций на интерфейсах в нагруженном твердом теле: экспериментальная верификация и механизмы мезоскопического каналирования / В.Е. Панин, А.В. Панин, Т.Ф. Елсукова, О.Ю. Кузина // Физическая мезомеханика. – 2005. – Т. 8, № 6. – С. 97–105.

23. Капустин В.И., Гилета В.П., Захарченко К.В. Экспериментальное изучение закономерностей деформирования алюминиевых сплавов при регулярных нагружениях // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2011. – № 4 (53). – P. 40–43.

24. Шанявский А.А., Банов М.Д., Беклемишев Н.Н. Диагностика усталости авиационных конструкций акустической эмиссией. – М: Изд-во МАИ, 2017. – 186 с. – ISBN 978-5-4316-0405-8.

25. Kapustin V.I., Zakharchenko K.V. On the experimental analysis of dissipative processes under cyclic loading of metals // Journal of Physics: Conference Series. – 2017. – Vol. 894, N 1. – P. 012128. – DOI: 10.1088/1742-6596/894/1/012128.

26. On the effect of plasma electrolytic oxidation on the fatigue strength of V96TS1 (Al-Zn-Mg-Cu) aluminum alloy / K. Zakharchenko, V. Kapustin, M. Legan, A. Larichkin, Y. Lukianov, I. Zverkov // Journal of Physics. Conference Series. – 2020. – Vol. 1666, N 1. – P. 012019. – DOI: 10.1088/1742-6596/1666/1/012019.

27. Zakharchenko K.V., Kapustin V.I., Shutov A.V. On the analysis of energy dissipation and ratcheting during cyclic deformation of the titanium alloy VT6 (Ti-6Al-4V) // Journal of Physics. Conference Series. – 2020. – Vol. 1666, N 1. – P. 012025. – DOI: 10.1088/1742-6596/1431/1/012025.

28. Measuring stress intensity factors during fatigue crack growth using thermoelasticity / F.A. Diaz, E.A. Patterson, R.A. Tomlinson, J.R. Yates // Fatigue and Fracture of engineering materials and structures. – 2004. – Vol. 27, N 7. – P. 571–583. – DOI: 10.1111/j.1460-2695.2004.00782.x.

29. About the effect of plastic dissipation in heat at the crack tip on the stress intensity factor under cyclic loading / N. Ranc, T. Palin-Luc, P.C. Paris, N. Saintier // International Journal of Fatigue. – 2014. – Vol. 58. – P. 56–65. – DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2013.04.012.

30. Meneghetti G., Ricotta M. Evaluating the heat energy dissipated in a small volume surrounding the tip of a fatigue crack // International Journal of Fatigue. – 2016. – Vol. 92, pt. 2. – P. 605–615. – DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2016.04.001.

31. Фридляндер И.Н. Современные алюминиевые, магниевые сплавы и композиционные материалы на их основе // Металловедение и термическая обработка металлов. – 2002. – № 7. – С. 24–29.

32. Захарченко К.В., Капустин В.И., Ларичкин А.Ю. О влиянии керамического покрытия на деформационные характеристики алюминиевого сплава Д16АТ // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2014. – № 3 (64). – P. 37–44.