УДК 620.178.539.43

В.В. Мыльников, Д.И. Шетулов

(Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева)

ВЛИЯНИЯ ЧАСТОТЫ ЦИКЛИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ НА ИЗМЕНЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СОПРОТИВЛЕНИЯ УСТАЛОСТИ

ТИТАНА И МЕДИ

Большинство деталей из конструкционных материалов, используемых в машиностроении, агрегатостроении и авиастроении, работают в условиях циклических знакопеременных нагрузок или напряжений. Опасность разрушения деталей машин при многократно повторяющейся нагрузке, наряду с которой решающее значение имеют различные факторы, особенно остро возникла в настоящее время, так как многократно увеличились скорости и частоты современной техники, появились новые материалы, что требует более достоверного определения прочности и долговечности конструкционных материалов уже на стадии проектирования.

Достоверность прогнозирования долговечности и прочности конструкционных металлических материалов в условиях циклического нагружения зависит от структурного состояния и различных факторов, одним из которых является частота циклов нагружения (ω). Чтобы изучить физические зависимости процесса усталости необходимо обусловить показатели ее сопротивления, к которым относятся повреждаемость поверхности (Ф) и наклон кривой усталости к оси циклов (tg α_w) [1-6].

Целью работы является определение закономерностей изменения показателей сопротивления усталости металлов в зависимости от влияния частоты циклов нагружения на примере испытания цилиндрических образцов диаметром 5 мм.

На рис.1 представлены кривые усталости титана и меди, построенные при разной частоте циклического нагружения. Испытания меди показали уменьшение циклической прочности и долговечности с ростом частоты циклов нагружения. Наблюдения изменений микроструктуры показывают, что при более высокой частоте плотность полос скольжения более высокая (рис. 2). Медь повреждается сильнее с ростом частоты циклов нагружения, даже при циклических нагружениях почти вдвое уменьшенных.

Особенностью поведения титана ВТ-1-00, испытанного при трех частотах нагружения является то, что при ω = 100 и 233,3 Гц кривые усталости совпали (рис. 1). Необходимо отметить, что при ω = 46,7 Гц экспериментальные точки располагаются с большим разбросом. При этом наклон кривой усталости к оси N в сравнений с (tg α_w) кривой усталости, полученной при ω = 100 и 233,3 Гц значительно различается: при N= 7*10⁴ циклическая прочность при частоте приложения нагрузки, равной 46,7 Гц начинает резко уменьшаться, ниже точки пересечения кривых усталости (1,2,3 на рис. 1).

Исследование структуры титана ВТ1-00 показывает, что для случая испытаний при ω =46,7 Гц широкие полосы скольжения возникают раньше и значительно раньше приводят к разрушению образцов, в сравнении с испытаниями при ω = 233,3 Гц. Из фотографий микроструктуры (рис.3), при разном уровне напряжений, следует, что плотность полос скольжения больше при ω= 46,7 Гц, в то время как напряжение ниже (σ = 160,1 МПа), чем при ω = 233,3 Гц, в первом случае она значительно больше при N = 5*10 циклов, во втором случае она не достигает такого значения при N = 7,1 • 10⁴ циклов и большем напряжении (σ = 232 МПа) (рис. 3).

Рис. 1. Кривые усталости титана ВТ-1-00 (1,2,3) и меди (4,5) при 20⁰С. Частота циклов нагружения 46,7 (1,4); 100 (2,5); 233,3 (3) Гц.

○ – кривая усталости 1; ∆ - кривая усталости 2; - кривая усталости 3; □ – кривая усталости 4; ● – кривая усталости 5.

а) б)

Рис 2. Микроструктура меди после испытаний на усталость при 20 ⁰С; а) ( Х450) и б) (Х 500);σ =150 и 76 МПа; N=10⁴ и 1,7*10⁵ циклов;

ω=46,7 и 100 Гц. Диаметр образца 5 мм.

а) б)

Рис 3. Микроструктура титана ВТ-1-00 после испытаний на усталость

при 20 ⁰С;

(Х 500),(а и б); σ =160,1 (а) и 232 (б) МПа; N=5*10⁴(a);7,1*10⁴ (б) циклов;

ω=46,7 (а); 233,3 (б) Гц. Диаметр образца 5 мм.

Анализ экспериментальных данных, позволил сопоставить численные значения различных параметров, связных с изменением частоты циклов нагружения. Эти данные представлены в табл. 1.

Таблица 1

Показатели сопротивления усталости при различных частотах циклического нагружения и пределах прочности материалов.

№ п/п	Материал	Частота циклов, ω, Гц	Показатель сопротивления усталости, tgαw	Напряжение, соответствующие долговечности N=10^6 циклов, МПа
1	Медь	46,7	0,1021	195
2	Медь	100,0	0,1161	105
3	Титан ВТ-1-00	46,7	0,2436	130
				170*^)
4	Титан ВТ-1-00	100,0	0,1298	180
5	Титан ВТ-1-00	233,3	0,1298	180

*) Число в знаменателе получено путем условного пересечения левой ветви кривой усталости с ординатой долговечности N=10⁶ циклов (см. рис. 1 [1]).

Улучшение параметра сопротивления усталости связано с повышением упрочняемости материала поверхностных слоев образцов (деталей), что снижает усталостную повреждаемость собственно поверхности. Однако, надо иметь в виду, что параметр (tg α_w) напрямую связан с повреждаемостью поверхности (Ф) [7], и в обеих группах чистых металлов рост показателя (Ф) приводит к увеличению (tg α_w) (табл. 2).

Таблица 2.

Наклоны кривых усталости (tg α_w ) и соответствующая им повреждаемость (Ф) при изменении частоты циклического нагружения.

№ п/п	Материал	tg αw	Ф
1	2	3	4
1 2 3 4 5	Cu Cu ВТ-1-00 ВТ-1-00 ВТ-1-00	0,1021 0,1161 0,2436 0,1298 0,1298	0,00632 0,01229 0,0272 0,00242 0,00240

Заключение

Согласно полученным результатам испытания титана ВТ-1-00 показывают, что наклон кривой усталости (tg α_w) и повреждаемость поверхности (Ф) уменьшаются с ростом частоты циклов нагружения (ω), а у меди наблюдается обратная картина: с увеличением величины (ω) параметры (tg α_w) и (Ф) увеличиваются. Таким образом, в первом случае мы наблюдаем улучшение сопротивления усталости с увеличением параметра (ω), а во втором случае – его ухудшение.

Библиографический список

1. Соколов Л.Д., Скуднов В.А., Соленов В.М., Гладких А.Н., Шетулов Д.И., Шнейберг А.М., Гуслякова Г.П., Дмитриев П.П.// Механические свойства редких металлов. М.: Металлургия, 1972.

2. Шетулов Д.И., Магидов М.Б., Мясников А.М., Шибаров В.В., Соколов Л.Д.// Известия АН СССР. Металлы, , 1970, №6 стр. 165-169.

3. Шибаров В.В., Шетулов Д.И., Соколов Л.Д. // Физико-химическая механика материалов, 1971, №3 с.29-32.

4. Шибаров В.В., Шетулов Д.И., Соколов Л.Д.// Физика и химия обработки материалов, 1972, №2 с. 147-149.

5. Шибаров В.В., Шетулов Д.И., Мясников А.М., Соколов Л.Д. Физика и химия обработки материалов, 1972, №5, с. 74-77.

6. Шетулов Д. И., Муравьев С. Н., Вавилов Д. Ю. Усталостная повреждаемость высокопрочных сплавов. Нижний Новгород: Изд-во «Вектор ТиС»,-2005.

7. Мыльников В. В., Чернышов Е. А., Шетулов Д. И. Влияние частоты циклического нагружения на сопротивление усталости конструкционных материалов//Заготовительное производство. 2009. №2. С. 33-36.