18 февраля 2018г.
Разрушения инженерных конструкций часто носит усталостный характер [1,2], что приводит не только к огромным финансовым потерям, но порой и значительным человеческим жертвам [3]. Большинство ответственных деталей машин и механизмов в процессе эксплуатации испытывают воздействие переменных циклических нагрузок. Поэтому проблема повышения надежности и безопасной работы деталей машин и технических устройств, испытывающих воздействие циклических нагрузок, является приоритетным направлением современной науки и важнейшей задачей промышленности.
Данная проблема включает необходимость отыскания оптимальных конструкторских решений и использования технологических процессов, обеспечивающих высокие эксплуатационные характеристики деталей и конструкций в целом.
Безопасность автотранспортного средства, наряду с его экологичностью, является важным критерием [4,5]. Одним из главных направлений в автомобилестроении является рациональное использование конструкционных материалов [6-8], неправильный выбор которых ведет к снижению качества работы автомобиля, повышению уровня токсичных выборов в окружающую среду вплоть до отказа транспортного средства.
В автомобильной промышленности широко используются различные конструкционные материалы: металлы, стали и цветные сплавы [9,10]. Сопротивление конструкционных материалов усталостному разрушению зависит от условий нагружения (амплитуды, температуры, среды), природы материала, и технологической обработки [11-14].
Изготовление деталей и промышленных металлоизделий осуществляется с применением различных видов и режимов технологической обработки [15-18]:
- механической;
- термомеханической;
- термической;
- объемного пластического деформирования;
- поверхностных видов обработки;
- сварки и др.
При этом наиболее распространенным технологическим способом изготовления большинства автомобильных деталей и элементов конструкций является пластическое деформирование методом холодной штамповки [19-22]. При этом эксплуатационные свойства металлоизделий в значительной мере определяются их структурой, обусловленной технологией их обработки в процессе изготовления деталей [23].
В автомобилестроении широко используются конструкции, полученные методом штамповки. К одной из таких конструкций относится кузов автомобиля. Производство автомобильных кузовов связано с изготовлением деталей сложной формы и высоким качеством поверхности этих деталей. Так же кузов должен обладать достаточной прочностью, долговечностью и удовлетворительным сопротивлением ударам при столкновении автомобилей.
Изучение процесса усталостного разрушения металлических материалов, кроме теоретического, имеет большое практическое значение, так как в справочной литературе практически отсутствуют данные по результатам приближенных к реальным условиям усталостных испытаний автомобильных конструкционных материалов.
Известно, что усталостное разрушение материалов происходит в условиях повторяющихся знакопеременных напряжений, значение которых ниже пределов прочности. Механизм разрушения связан [24] с неоднородностью структуры материала, а именно наличие примесей, дефектов кристаллической решетки, наличий царапин, коррозии и др. В результате воздействия переменных нагрузок на границе отдельных включений и вблизи от микроскопических полостей и дефектов возникают концентрации напряжений, которые приводят к микропластическим деформациям сдвига в зернах металла. В результате появляются микротрещины, которые достаточно быстро разрастаются. По мере роста трещины, поперечное сечение ослабевает и приводит к мгновенному катастрофическому разрушению детали. Кузов автомобиля в процессе эксплуатации подвержен на ряду с другими факторами, так же усталостному разрушению, которое может привести к снижению работоспособности изделия, а также к непоправимым последствия, и даже к гибели людей.
Еще одной причиной требования увеличения ресурса усталостного сопротивления является дороговизна металлоизделий. Поэтому проведение усталостных испытаний с целью снижении металлоемкости изделий, разработки других методов обработки металла, а также замена одного материала другим, очень важен в современной промышленности.
Существует масса различных машин для проведения усталостных испытаний, но, к сожалению, они не всегда позволяют в полной мере обеспечить получение необходимых параметров эксплуатации конструкционных материалов, что в свою очередь приводит к тому, что данные по сопротивлению усталостному разрушению металлических материалов при разных напряжениях, практически отсутствуют. Этому так же способствует и значительная длительность экспериментов по усталостному разрушению образцов.
В связи с этим исследование и разработка адекватной методики усталостных испытаний плоских образцов листовых автомобильных конструкционных материалов с целью прогнозирования и повышения эксплуатационной долговечности, а также снижения материалоемкости изделий, является весьма актуальной.
Испытания на усталость являются весьма трудоемкими и затратными по времени. Так для испытания серии образцов с целью построения кривой усталости иногда необходимо не менее полугода непрерывных испытаний и фиксирования данных в процессе этих экспериментов. Поэтому разработка новых эффективных методик проведения усталостных испытаний и анализа полученных данных, просто необходима.
В работе исследовалась методика усталостных испытаний плоских образцов автомобильных конструкционных материалов, а также алгоритм испытаний с использованием программно-аппаратного малогабаритного комплекса для испытаний материалов на усталость ЭМУ-5-ПК, с целью прогнозирования и предотвращения усталостного разрушения деталей автомобилей в процессе эксплуатации.
Комплекс предназначен для проведения стандартных, ускоренных, и специальных испытаний на усталость плоских образцов и элементов конструкций, а также для оценки роста усталостных трещин и включает в себя настольную приборно-аппаратную автоматизированную установку ЭМУ-5 и персональный компьютер с встроенной в него платой ЦАП-АЦП и с программным обеспечением. Нагружающее устройство комплекса содержит универсальный электромагнитный силовозбудитель, позволяющий осуществлять бесконтактное нагружение образца силой или моментом. Конструкция нагружающего устройства обеспечивает проведение усталостных испытаний по схеме чистого изгиба в одной плоскости.
Комплекс работает в авторезонансном режиме, то есть система возбуждения автоматически отслеживает собственную частоту образца. Требуемая амплитуда колебаний так же поддерживается автоматически на заранее запрограммированном уровне. Предусмотрено автоматическое отключение комплекса на любом этапе развития усталостной трещины в образце. Система измерения осуществляет контроль амплитуды, частоты и числа циклов нагружения образца. Регистрация измеряемых параметров производится в цифровом виде с выводом их на переднюю панель приборного блока установки ЭМУ-5 и на экран монитора ПК. Возможна автономная работа установки ЭМУ-5 без подключения к ПК.
В работе были проведены испытания двух сталей марки 08 и 20. Получены данные текущего прогиба сталей 08 и 20, на основании которых можно судить о скорости зарождения и развития микро- и макротрещин до полного усталостного разрушения. С использованием метода Локати были получены пределы выносливости данных материалов, и построены вероятностные кривые усталостного разрушения образцов сталей 20 и 08 при данных режимах нагружения, свидетельствующие о количестве циклов до разрушения 50% всей серии образцов.
При проведении усталостных испытаний по разработанным авторами методикам, были получены следующие результаты.
По первой методике были испытаны образцы сталей 08 и 20 по способу нагружения с постоянной амплитудой и частотой. Эти испытания являются длительными, так как необходимо испытывать большое количество образцов (10…20 образцов) для корректного получения данных о циклической долговечности и предела выносливости.
По второму способу испытывались образцы стали 20 в количестве 3 штук. Эти испытания являются ускоренными из-за малого количества образцов, подверженных испытанию.
Исследование поверхностей усталостных изломов образцов осуществлялось на оптическом микроскопе с десятикратным увеличением, а так де на фотографиях с увеличением х7 [25]. Проводился замер величины зон чисто усталостного разрушения, переходной зоны и хрупкого долома. После проведения испытаний не разрушившиеся образцы были подвергнуты статическому долому с целью изучения характера и структурных особенностей поверхности торца излома образца под микроскопом с разной степенью увеличения.
Из полученных результатов можно сделать выводы о прямой зависимости десятичного логарифма ограниченного предела выносливости образцов от десятичного логарифма амплитуды циклического нагружения. Впервые были получены данные изменения текущего прогиба стали 08 и стали 20, на основании которых можно судить о скорости зарождения микротрещин и развитие макротрещин в образцах до усталостного разрушения.
При применении метода Локати были получены экспериментальные данные предела выносливости сталей 20 и 08. В результате их анализа был подтвержден факт о том, что при напряжении ниже предела выносливости не происходит усталостных разрушений, то есть возникающие внутри образца изменения обратимы и не повлияют на работу конструкционного элемента.
Построены вероятностные кривые усталостного разрушения образцов из сталей 20 и 08, по которым можно найти количество циклов до разрушения 50% серии образцов. В дальнейшем это поможет на этапе технического обслуживания обнаруживать дефекты в деталях или конструкционных элементах, связанных с усталостным разрушением, во время технического осмотра. Что повысит безопасность эксплуатации автомобиля, уровень его технического обслуживания и снизит затраты на ремонт.
Таким образом, реализованная методика усталостных испытаний плоских образцов автомобильных конструкционных материалов, позволяет сделать выводы о сопротивлении усталостному разрушению плоских образцов автомобильных конструкционных материалов сталей 08 и 20 при разных уровнях приложенного напряжения, а также пределе их выносливости. С помощью полученных данных можно предотвратить разрушения элементов конструкции и деталей, находящихся под действием циклических знакопеременных нагрузок в процессе эксплуатации.
Список литературы
1. Меженин Н.А., Пачурин Г.В., Гуслякова Г.П. Прогнозирование долговечности деформированных материалов при различных температурах // Автомобильная промышленность. – 1998. - № 10. – С. 31–32.
2. Гуслякова Г.П., Жбанников С.И., Пачурин Г.В. Механические свойства автомобильных конструкционных сталей после технологической обработки // Автомобильная промышленность. – 1993. - № 2. – С. 28–29.
3. Пачурин Г.В. Безопасность эксплуатации промышленного оборудования и технологических процессов: учебное пособие / Г.В. Пачурин, В.И. Миндрин, А.А. Филиппов; под общ. ред. Г.В. Пачурина. – Старый Оскол: ТНТ, 2017. – 192 с.
4. Гуслякова Г.П., Жбанников С.И., Меженин Н.А., Власов В.А., Пачурин Г.В. Повышение долговечности автомобильных металлических материалов. - Н. Новгород: ВСНТО Машпром, 1991. – 64 с.
5. Кузьмин Н.А. Техническая эксплуатация автомобилей: нормирование и управление: учебное пособие для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности "Автомобили и автомобильное хозяйство" / Н. А. Кузьмин. – М.: ФОРУМ, 2011. – 224 с.
6. Пачурин Г.В., Кузьмин Н.А. Эксплуатационные свойства штампуемых листовых сталей // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2014. – № 5-1. – С. 31-36.
7. Пачурин Г.В., Кудрявцев С.М., Соловьев Д.В., Наумов В.И. Кузов современного автомобиля: материалы, проектирование и производство: Учебное пособие / Под ред. Г.В. Пачурина. – 3-е изд., перераб. и доп. - СПб.: Издательство «Лань», 2016. - 316 с.
8. Filippov A.A., Pachurin G.V., Naumov V.I., Kuzmin N.A. Low-Cost Treatment of Rolled Products Used to Make Long High-Strength Bolts // Metallurgist. - 2016. - Vol. 59. - Nos. 9-10. January. - S. 810-815.
9. Кудрявцев С.М., Пачурин Г.В., Соловьев Д.В., Власов В.А. Основы проектирования, производства и материалы кузова современного автомобиля: монография; - Н. Новгород, 2010. – 236 с.
10. Пачурин Г.В., Гущин А.Н., Галкин В.В., Пачурин В Г. Теоретические основы повышения эксплуатационной долговечности штампованных металлоизделий: учеб. пособие для студентов вузов / НГТУ. - Н. Новгород, 2006. - 173 с.
11. Пачурин Г.В., Гущин А.Н. Повышение эксплуатационной долговечности металлоизделий технологическими методами // Вестник машиностроения. – 2007. - № 6. – С. 62-65.
12. Пачурин Г.В., Гуслякова Г.П. Эффект наклепа на долговечность металлов при разных температурах // Физико-химическая мех. материалов. – 1981. - № 5. – С. 127.
13. Гусляков Д.С., Бережницкая М.Ф., Пачурин Г.В. и др. Сопротивление усталостному разрушению металлов при разных температурах // Физико-химическая мех. материалов. – 1997. - Т. 33. - № 1. – С. 75 – 82.
14. Гуслякова Г.П., Жбанников С.И., Пачурин Г.В. Сопротивление усталостному разрушению деформированных конструкционных сталей // Физико-химическая мех. материалов. – 1992.- № 2. - Т. 28. - С. 85–89.
15. Pachurin G.V., Filippov A.A. Economical preparation of 40X steel for cold upsetting of bolts // Russian Engineering Research. – 2008. – Т. 28, № 7. – P. 670–673.
16. Pachurin G.V. Ruggedness of structural material and working life of metal components // Steel in Translation. 2008. № 3. Т. 38. – Р. 217-220.
17. Пачурин Г.В. Повышение эксплуатационной долговечности нержавеющих сталей технологическим упрочнением // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2014. – № 2-2. – С. 28-32.
18. Пачурин Г.В. Повышение долговечности листовых штампованных деталей из высокопрочных сталей и сплавов // КШП. ОМД. - 2003. - №11. - С.7-11.
19. Пачурин Г.В, Гуслякова Г.П., Березин В.Д. и др. Влияние предварительной обработки на долговечность и прочность сварных соединений из стали 12Х18Н10Т // Авиационная промышленность. – 1983. - №5. - С. 55-56.
20. Пачурин Г.В., Гуслякова Г.П., Власов В.А. Циклическая долговечность предварительно деформированных сталей 20Х13 и 14Х17Н2 // Известия ВУЗов. Черная металлургия. – 1991. - № 5. - С. 333.
21. Пачурин В.Г., Галкин В.В., Пачурин Г.В. Проектирование штампованных изделий с высокими усталостными свойствами: Монография. – Издатель LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG, Germany. 2016. – 117 с.
22. Пачурин Г.В., Гуслякова Г.П. Оптимизация режимов технологической обработки с целью повышения сопротивления коррозионно-усталостному разрушению металлических материалов. - Н. Новгород: ВСНТО Машпром, 1991. – 72 с.
23. Пачурин Г.В., Гущин А.Н., Галкин В.В., Пачурин В.Г. Теоретические основы повышения эксплуатационной долговечности штампованных металлоизделий: учеб. пособие для студентов вузов / НГТУ. - Н. Новгород, 2006. - 173 с.
24. Пачурин Г.В. Коррозионная долговечность изделий из деформационно-упрочненных металлов и сплавов: Учебное пособие. – 2-е изд., доп. – СПб.: Издательство «Лань», 2014. – 160 с.
25. Пачурин Г.В. «Технология комплексного исследования разрушения деформированных металлов и сплавов в разных условиях нагружения»: учеб. пособие / Г.В. Пачурин, А.Н. Гущин, К.Г. Пачурин, Г.В. Пименов; Нижегород. Гос. ун-т.-Н. Новгород, 2005. – 139 с.
