Ускоренная оценка влияния технологических факторов на прочностные характеристики Ti-6Al-4V и Al-Cu-Mg

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

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.

Об авторах

К. В. Захарченко

Email: Zaharchenkok@mail.ru
канд. техн. наук, 1. Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН, пр. Лаврентьева, 15, г. Новосибирск, 630090, Россия; 2. Новосибирский государственный технический университет, пр. К. Маркса, 20, г. Новосибирск, 630073, Россия; Zaharchenkok@mail.ru

В. И. Капустин

Email: Fatigue.nstu@mail.ru
канд. техн. наук, доцент, 1. Новосибирский государственный технический университет, пр. К. Маркса, 20, г. Новосибирск, 630073, Россия; 2. Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН, пр. Лаврентьева, 15, г. Новосибирск, 630090, Россия; Fatigue.nstu@mail.ru

А. Ю. Ларичкин

Email: larichking@gmail.com
канд. физ.-мат. наук, 1. Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН, пр. Лаврентьева, 15, г. Новосибирск, 630090, Россия; 2. Новосибирский государственный исследовательский университет, ул. Пирогова, 1, г. Новосибирск, 630090, Россия; larichking@gmail.com

Список литературы

  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.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать


Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».