Показано  использование  высокочастотного  циклического  нагружения  для  определения  характера  влияния  состава  графитизированных  сталей  на  изменение  усталостных  свойств. Установлена степень влияния содержания углерода, кремния и меди на ограниченный предел выносливости данных сталей

Бельский, Сергей Евграфович

Блохин, Алексей Владимирович

Царук, Федор Федорович

Показано использование высокочастотного циклического нагружения для определения характера влияния состава графитизированных сталей на изменение усталостных свойств. Установлена степень влияния содержания углерода, кремния и меди на ограниченный предел выносливости данных сталей

Belarusian State Technological University

Îáùåèíæåíåðíûå âîïðîñû ëåñîïðîìûøëåííîãî êîìïëåêñà 223УДК 621.785.554 Ф. Ф. Царук, кандидат технических наук, доцент (БГТУ); С. Е. Бельский, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой (БГТУ); А. В. Блохин, кандидат технических наук, ассистент (БГТУ) ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА  ГРАФИТИЗИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ НА УСТАЛОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ  ПРИ ВЫСОКОЧАСТОТНОМ НАГРУЖЕНИИ Показано использование высокочастотного циклического нагружения для определения ха-рактера влияния состава графитизированных сталей на изменение усталостных свойств. Уста-новлена степень влияния содержания углерода, кремния и меди на ограниченный предел вынос-ливости данных сталей. The article dwells upon the application of high-frequency cycle loading for determination of graph-itized steels chemical composition influence on fatigue characteristics changes. The degree of influence of carbon, silicon and copper content on the restricted limit of the given steels fatigue.             Введение. В последнее время весьма акту-альным становится вопрос рационального при-менения графитизированных сталей. Комплекс свойств данной категории конструкционных материалов позволяет успешно использовать их в различных областях машиностроения. Однако из-за недостаточной изученности влияния хим-состава на служебные свойства и вредного влияния неизбежно присутствующих различно-го рода примесей в данных сталях их характе-ристики могут значительно отличаться от тре-буемых, причем не в лучшую сторону.  Для достижения нужных свойств необхо-димы исследования влияния различного рода добавок, технологии переработки и структуры на характеристики данных сплавов. Одним из важнейших свойств таких сталей является со-противление усталостному разрушению под действием циклических нагрузок, определение величины которого наталкивается на значи-тельные трудности. Для снижения трудоемкости и сокращения времени проведения усталостных испытаний, особенно при больших (до 108 циклов) базах, весьма перспективным является использование высоких частот механических колебаний, по-зволяющих за приемлемый промежуток време-ни обеспечить наработку значительного числа циклов. Так, для проведения испытаний на час-тоте 50 Гц и базе 108 цикл. необходимо затра-тить 555 ч непрерывной работы (23 сут) испы-тательной установки, а проведение этих же ис-пытаний на частоте 20 кГц – всего 1,3 ч, т. е. в 400 раз меньше времени. Особенно эффектив-ным является использование данного метода исследований при проведении сравнительных испытаний [1]. Основная часть. Объектом исследований являлись плоские балочные образцы толщиной 2,0 мм из данных сталей с различным содержа-нием углерода, кремния и меди. Всего было исследовано 15 серий по 10 образцов с содер-жанием углерода от 0,48 до 1,97%, кремния – от 0,62 до 2,55%, меди – 0,02 до 3,95%. Содер-жание других элементов: 0,5–0,7% Mn; 0,20–0,25% Al; 0,02–0,04% S; 0,01–0,03% P. Все ва-рианты сталей были модифицированы СК30 из расчета перехода в сплав 0,2% Са. Разливка производилась в песчано-глинистые формы при t = 1550º С. Термообработка – закалка с 500º С. Нагружение образцов производилось на иссле-довательской установке, работавшей с резо-нансной частотой колебаний fрез = 18 кГц [2]. Образцы колебались на второй собственной форме колебаний. Размеры и форма образцов были выбраны такими, чтобы усталостное раз-рушение происходило в месте максимальных циклических напряжений, расположенных при-мерно посередине прямолинейного участка, что позволяло удобно исследовать изменение свойств материала и развитие усталостной трещины. Кинетику повреждения образца оценивали по падению резонансной частоты колебаний с развитием усталостной трещины. Гистограмма распределения усталостных трещин по длине образцов представлена на рис. 1.  Рис. 1. Распределение усталостнтых  трещин по длине образцов Длина от начала образца, мм7–88–99–1010–1111–1212–1313–1414–15Образцы, шт. 454035302520151050ISSN 1683-0377. Òðóäû ÁÃÒÓ. 2013. № 2. Ëåñíàÿ è äåðåâîîáðàáàòûâàþùàÿ ïðîìûøëåííîñòü 224 Из диаграммы распределения непосредст-венно видно хорошее совпадение места появ-ления усталостной трещины с местоположени-ем максимума расчетной величины цикличе-ских напряжений для данной формы колеба-ний, что в дальнейшем позволяет с минималь-ными погрешностями исследовать кинетику изменений структурно-чувствительных свойств конструкционных материалов. Для анализа влияния различных элементов на усталостные свойства представленных спла-вов был исследован характер поведения огра-ниченного предела выносливости для выбран-ной базы испытаний N = 106 цикл. (рис. 2–4).   Рис. 2. Влияние углерода на предел выносливости   Рис. 3. Влияние кремния на предел выносливости   Рис. 4. Влияние меди на предел выносливости  Как видно из полученных кривых, для дан-ных сплавов в заданном диапазоне концентраций все исследованные элементы оказывают сущест-венное влияние на характер поведения усталост-ных характеристик. Можно отметить, что при сравнимой величине разброса значений ограни-ченного предела выносливости рост концентра-ции углерода закономерно приводит к снижению данной характеристики. В то же время увеличе-ние концентрации кремния закономерно приво-дило к росту ограниченного предела выносливо-сти для выбранной базы сравнения. Для меди на-блюдалась обратная тенденция, т. е. рост содер-жания Cu вел к снижению данной характеристики. Таким образом, можно отметить, что углерод и медь в графитизированных сталях монотонно снижают усталостные свойства данных сплавов, в то время как кремний в исследованном диапа-зоне концентраций выступает в роли антагониста данных элементов и способствует росту высоко-частотной циклической прочности образцов. Выводы. Использование высокочастотного нагружения позволяет проводить сравнительные испытания различных конструкционных ма-териалов с существенным ускорением процесса исследований и с повышенной достоверностью результатов за счет большего количества испы-танных объектов при приемлемом уровне тру-дозатрат и экономии энергоресурсов. Экспериментально установлен характер влия-ния величины процентного содержания углеро-да, кремния и меди в исследованных сталях с точки зрения повышенного уровня усталостных свойств данных металлических сплавов. Очевидно, что использованные в работе ус-тановка и метод исследований могут быть ре-комендованы для оптимизации уровня устало-стных характеристик конструкционных мате-риалов путем проведения массовых сравни-тельных испытаний. Литература 1. Tsaruck, F. Method of the accelerated pre-diction of fatigue properties of metals at normal and heightened temperatures by results of high-frequency tests, Proceedings of III international symposium on tribo-fatigue ISTF 2000 / F. Tsa-ruck, A. Novitskiy. – China: Hunan University Press, 2000. – P. 193–195.  2. Estimation of influence of frecuency of flex-ural vibrations of structural sensitive characteris-tics of 20Х13 steel / I. Dovgyallo [et al.] // The 4Th. International Symposium on Creep and Cou-pled Processes. – Bialostok, 1992. – P. 57–63. Поступила 01.04.2013 50040030020010000          0,5          1          1,5          2          2,5С, %σ, МПа 500 400 300 200 100 0 0                    1                    2                    3 Si, %σ, МПа 500 400 300 200 100 0 0             1           2             3            4            5 Cu, % σ, МПа 

Влияние химического состава графитизированных сталей на усталостные характеристики при высокочастотном нагружении

http://elib.belstu.by/bitstream/123456789/2820/1/71.pdf

Влияние химического состава графитизированных сталей на усталостные характеристики при высокочастотном нагружении

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Belarusian State Technological University