Вплив тертя берегів тріщини на циклічну тріщиностійкість сталі 65Г за поперечного зсуву
Досліджено руйнування сталі 65Г за циклічного навантаження поперечним зсувом на балкових зразках з боковою тріщиною. Експериментально визначено коефіцієнт тертя берегів тріщини на зразках зі сталі з трооститною структурою та побудовано кінетичні діаграми втомного руйнування. Встановлено вплив тертя...
Gespeichert in:
| Datum: | 2014 |
|---|---|
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainian |
| Veröffentlicht: |
Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України
2014
|
| Schriftenreihe: | Фізико-хімічна механіка матеріалів |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/135872 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Вплив тертя берегів тріщини на циклічну тріщиностійкість сталі 65Г за поперечного зсуву / Т.М. Ленковський // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2014. — Т. 50, № 5. — С. 53-57. — Бібліогр.: 10 назв. — укp. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-135872 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1358722018-06-16T03:09:25Z Вплив тертя берегів тріщини на циклічну тріщиностійкість сталі 65Г за поперечного зсуву Ленковський, Т.М. Досліджено руйнування сталі 65Г за циклічного навантаження поперечним зсувом на балкових зразках з боковою тріщиною. Експериментально визначено коефіцієнт тертя берегів тріщини на зразках зі сталі з трооститною структурою та побудовано кінетичні діаграми втомного руйнування. Встановлено вплив тертя берегів тріщини на циклічну тріщиностійкість сталі 65Г за поперечного зсуву для трооститної та сорбітної структур залежно від швидкості росту втомної тріщини. Исследовано разрушение стали 65Г в условиях циклического нагружения поперечным сдвигом на балочных образцах с боковой трещиной. Экспериментально определен коэффициент трения берегов трещины в образцах из стали трооститной структуры и построены кинетические диаграммы усталостного разрушения. Установлено влияние трения берегов трещины на циклическую трещиностойкость стали 65Г в условиях поперечного сдвига для трооститной и сорбитной структур в зависимости от скорости роста усталостной трещины. Fracture of 65Г steel under cyclic Mode II loading of I-beam specimens with an edge crack is investigated. Crack faces friction factor for trostite structure of steel is experimentally determined and crack growth rate curves are plotted. The influence of crack faces friction on crack growth resistance of 65Г steel under Mode II fracture for trostite and sorbite structures versus fatigue crack growth rate is established. 2014 Article Вплив тертя берегів тріщини на циклічну тріщиностійкість сталі 65Г за поперечного зсуву / Т.М. Ленковський // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2014. — Т. 50, № 5. — С. 53-57. — Бібліогр.: 10 назв. — укp. 0430-6252 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/135872 620.178.3:539.421.2 uk Фізико-хімічна механіка матеріалів Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Ukrainian |
| description |
Досліджено руйнування сталі 65Г за циклічного навантаження поперечним зсувом на балкових зразках з боковою тріщиною. Експериментально визначено коефіцієнт тертя берегів тріщини на зразках зі сталі з трооститною структурою та побудовано кінетичні діаграми втомного руйнування. Встановлено вплив тертя берегів тріщини на циклічну тріщиностійкість сталі 65Г за поперечного зсуву для трооститної та сорбітної структур залежно від швидкості росту втомної тріщини. |
| format |
Article |
| author |
Ленковський, Т.М. |
| spellingShingle |
Ленковський, Т.М. Вплив тертя берегів тріщини на циклічну тріщиностійкість сталі 65Г за поперечного зсуву Фізико-хімічна механіка матеріалів |
| author_facet |
Ленковський, Т.М. |
| author_sort |
Ленковський, Т.М. |
| title |
Вплив тертя берегів тріщини на циклічну тріщиностійкість сталі 65Г за поперечного зсуву |
| title_short |
Вплив тертя берегів тріщини на циклічну тріщиностійкість сталі 65Г за поперечного зсуву |
| title_full |
Вплив тертя берегів тріщини на циклічну тріщиностійкість сталі 65Г за поперечного зсуву |
| title_fullStr |
Вплив тертя берегів тріщини на циклічну тріщиностійкість сталі 65Г за поперечного зсуву |
| title_full_unstemmed |
Вплив тертя берегів тріщини на циклічну тріщиностійкість сталі 65Г за поперечного зсуву |
| title_sort |
вплив тертя берегів тріщини на циклічну тріщиностійкість сталі 65г за поперечного зсуву |
| publisher |
Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України |
| publishDate |
2014 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/135872 |
| citation_txt |
Вплив тертя берегів тріщини на циклічну тріщиностійкість сталі 65Г за поперечного зсуву / Т.М. Ленковський // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2014. — Т. 50, № 5. — С. 53-57. — Бібліогр.: 10 назв. — укp. |
| series |
Фізико-хімічна механіка матеріалів |
| work_keys_str_mv |
AT lenkovsʹkijtm vplivtertâberegívtríŝininaciklíčnutríŝinostíjkístʹstalí65gzapoperečnogozsuvu |
| first_indexed |
2025-07-10T00:17:06Z |
| last_indexed |
2025-07-10T00:17:06Z |
| _version_ |
1837216979143884800 |
| fulltext |
53
Ô³çèêî-õ³ì³÷íà ìåõàí³êà ìàòåð³àë³â. – 2014. – ¹ 5. – Physicochemical Mechanics of Materials
УДК 620.178.3:539.421.2
ВПЛИВ ТЕРТЯ БЕРЕГІВ ТРІЩИНИ НА ЦИКЛІЧНУ
ТРІЩИНОСТІЙКІСТЬ СТАЛІ 65Г ЗА ПОПЕРЕЧНОГО ЗСУВУ
Т. М. ЛЕНКОВСЬКИЙ
Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка НАН України, Львів
Досліджено руйнування сталі 65Г за циклічного навантаження поперечним зсувом
на балкових зразках з боковою тріщиною. Експериментально визначено коефіцієнт
тертя берегів тріщини на зразках зі сталі з трооститною структурою та побудовано
кінетичні діаграми втомного руйнування. Встановлено вплив тертя берегів тріщини
на циклічну тріщиностійкість сталі 65Г за поперечного зсуву для трооститної та
сорбітної структур залежно від швидкості росту втомної тріщини.
Ключові слова: сталь 65Г, поперечний зсув, втомне руйнування, коефіцієнт тертя
берегів тріщини, характеристики циклічної тріщиностійкості.
Щоб достовірно оцінити роботоздатність деталей машин та елементів кон-
струкцій, які працюють в умовах циклічного навантаження, необхідно знати про
їх опірність поширенню тріщин, тобто мати відомості про циклічну тріщиностій-
кість (ЦТ) конструкційних матеріалів. Згідно з підходами механіки руйнування,
ЦТ матеріалів зазвичай оцінюють під час циклічного деформування зразків з трі-
щинами за макромеханізмом нормального відриву (рис. 1a) [1]. Однак шестерні
зубчастих передач, валки прокатних станів, кільця підшипників кочення, а також
залізничні колеса та рейки працюють за умов контактної втоми [2–6], що спричи-
няє їх руйнування за поперечного зсуву (рис. 1b). Для них характеристики ЦТ не-
обхідно визначати на підставі кінетичних діаграм втомного руйнування (КДВР),
побудованих за поперечного зсуву [6].
Рис. 1. Основні типи переміщень поверхонь тріщини: а – тип І (нормальний відрив),
b – тип ІІ (поперечний зсув), c – тип ІІІ (повздовжній зсув).
Fig. 1. Basic types of crack faces displacement: а – Mode І (normal tension),
b – Mode ІІ (transverse shear), c – Mode ІІІ (longitudinal shear).
На відміну від руйнування нормальним відривом береги тріщини за попе-
речного (рис. 1b) та повздовжнього (рис. 1c) зсувів перебувають у постійному
контакті, що призводить до виникнення сили тертя. Як показують розрахункові
Контактна особа: Т. М. ЛЕНКОВСЬКИЙ, e-mail: lenkovskiy@ipm.lviv.ua
54
моделі, які враховують контакт берегів тріщини за поперечного зсуву [3, 4, 7], це
впливає на напружено-деформований стан біля вершини тріщини, значно знижу-
ючи коефіцієнт інтенсивності напружень (КІН) KІІ. Тому неврахування тертя
берегів тріщини (ТБТ) під час визначення характеристик ЦТ робить некоректним
використання їх в інженерних розрахунках довговічності чи залишкового ресур-
су експлуатації деталей машин та елементів конструкцій, що працюють за умов
деформування поперечним зсувом.
Мета роботи – встановити вплив ТБТ за умови поперечного зсуву на харак-
теристики ЦТ конструкційної сталі 65Г, яка є аналогом сталі марки Т для заліз-
ничних суцільнокатаних коліс [8].
Обладнання та методика досліджень. Для дослідження росту втомної трі-
щини (РВТ) за поперечного зсуву використали балковий зразок з боковою тріщи-
ною (рис. 2a), який циклічно навантажували згідно зі силовою схемою консоль-
ного згину за асиметрії циклу R = –1 (рис. 2b).
Рис. 2. Балковий зразок для визначення характеристик ЦТ конструкційних матеріалів
за поперечного зсуву (a) та схема його навантаження (b).
Fig. 2. I-beam specimen for evaluation of fatigue crack growth resistance characteristics
of structural materials under Mode II fracture (a) and its loading scheme (b).
Зразки вирізали з гарячевальцьованої плити товщиною 10 mm зі сталі 65Г.
Щоб отримати високоміцну (трооститну) структуру сталі, серію зразків з розмі-
рами L1 = 180,0 mm; H1 = 32,0 mm; r = 20,0 mm; L = 110,2 mm; W = 27,0 mm; D =
= 6,0 mm; H = 27,8 mm; T = 9,6 mm; b1 = 87,8 mm; b = 72,0 mm; 2d = 15,9 mm;
c = 1,4 mm; t = 3,2 mm гартували з 820°С в оливу з подальшим відпуском за тем-
ператури 400°С упродовж 1 h, після чого наносили боковий надріз довжиною
h = 25,2 mm та V-подібні канавки до t0 = 1,1 mm.
Для дослідження РВТ за поперечного зсуву та побудови КДВР у координа-
тах “максимальний КІН циклу KІІ max – швидкість поширення тріщини da/dN” за-
стосували запропоновану раніше методику [7], за якою під час обчислення КІН
KІІ max можна врахувати ТБТ, використавши в розрахунках експериментально
встановлений коефіцієнт ТБТ fc. Щоб встановити fc для сталі 65Г з трооститною
структурою, з випробуваних зразків (зруйнованих по всій довжині робочої части-
ни b) вирізали фрагменти, які містять береги тріщини, та випробовували їх як па-
ру тертя, використавши спеціальний пристрій (рис. 3). Коефіцієнт ТБТ обчислю-
вали за формулою:
c
N
F
f
P
, (1)
де F – сила зсуву, РN – сила притиску.
55
Виконавши серію експериментів, встановлювали усереднене значення кое-
фіцієнта fc та обчислювали KІІ max без врахування ТБТ (гладкий контакт) та з його
врахуванням.
Рис. 3. Схема пристрою для визначення коефіцієнта ТБТ за поперечного зсуву
балкового зразка: 1 – фрагменти зразка; 2 – захоплювачі; 3 – опорна плита.
Fig. 3. Scheme of the device for assessing the crack faces friction factor in I-beam specimen
determined under Mode II fracture: 1 – fragments of specimen; 2 – grips; 3 – support plate.
Для аналітичного опису середніх ділянок КДВР, як і за руйнування нормаль-
ним відривом, використали степеневу залежність Періса [9, 10]:
II max
nda
C K
dN
, (2)
де С і n – константи матеріалу.
Результати досліджень та їх обговорення. Побудували КДВР без враху-
вання ТБТ (рис. 4a) та з його врахуванням (рис. 4b), приймаючи під час обчис-
лень KІІ max, що fс = 0,84. Результати зіставлено з раніше отриманими [7] для сталі
65Г з сорбітною структурою (гартування з 820°С в оливу, відпуск при 600°С).
Рис. 4. КДВР сталі 65Г з трооститною (○) та сорбітною (●) структурами
за поперечного зсуву (R = –1) під час обчислень KІІ max без (а) та з врахуванням ТБТ (b).
Fig. 4. Fatigue crack growth rates curves of 65Г steel with trostite (○) and sorbite (●) structures
under Mode II fracture (R = –1) at KІI max calculation without (а)
and with account of crack faces friction (b).
За неврахування ТБТ (рис. 4a) трооститна структура за поперечного зсуву
чинить більший опір РВТ, ніж сорбітна. На КДВР, побудованих з врахуванням
ТБТ (рис. 4b), це збігається в діапазоні швидкостей РВТ da/dN = 10–8...10–7 m/cycle.
56
Така тенденція є протилежною до встановленої за випробувань в умовах нор-
мального відриву [10]. Однак за швидкості РВТ da/dN = 210–7 m/cycle відбува-
ється інверсія, і трооститна структура чинить менший опір РВТ, ніж сорбітна,
подібно як за нормального відриву [10].
Після аналітичного опису отриманих експериментальних результатів, вико-
ристовуючи залежність (2), встановили характеристики тріщиностійкості KІІ max
для трооститної та сорбітної структур сталі 65Г (див. таблицю).
Характеристики ЦТ сталі 65Г за поперечного зсуву
Константи формули (2) KІІ max, MPa m
da/dN, m/cycle
Структура
сталі 65Г
fс
С n
210–8 510–7
0 (гладкий контакт) 2,0210–38 17,66 50 60
Тростит
0,84 1,4910–25 12,39 24 31
0 (гладкий контакт) 1,8110–13 3,74 22 53
Сорбіт
0,48 3,9410–12 3,15 15 42
Порівнюючи одержані числові результати, встановили, що ТБТ суттєво
впливає на параметри середньої ділянки КДВР. Для трооститної структури сталі
врахування ТБТ під час обчислень КІН KІІ max підвищує параметр С майже на 13
порядків та зменшує степеневий показник n на 30%, а для сорбітної – збільшує
параметр С на порядок та зменшує степеневий показник n на 16%. Для троостит-
ної структури за швидкості РВТ da/dN = 210–8 m/cycle значення KІІ max зменшу-
ється на 52%, а за швидкості da/dN = 510–7 m/cycle – на 48%. Для сорбітної
структури KІІ max зменшується на 32% і 21%, відповідно.
ВИСНОВКИ
Тертя берегів тріщини за поперечного зсуву суттєво впливає на циклічну
тріщиностійкість сталі 65Г. За швидкостей росту втомної тріщини da/dN = 10–8...
10–7 m/cycle більший опір руйнуванню чинить трооститна структура сталі, ніж
сорбітна, а за швидкостей, вищих за da/dN = 210–7 m/cycle – навпаки, сорбітна.
РЕЗЮМЕ. Исследовано разрушение стали 65Г в условиях циклического нагружения
поперечным сдвигом на балочных образцах с боковой трещиной. Экспериментально
определен коэффициент трения берегов трещины в образцах из стали трооститной струк-
туры и построены кинетические диаграммы усталостного разрушения. Установлено вли-
яние трения берегов трещины на циклическую трещиностойкость стали 65Г в условиях
поперечного сдвига для трооститной и сорбитной структур в зависимости от скорости
роста усталостной трещины.
SUMMARY. Fracture of 65Г steel under cyclic Mode II loading of I-beam specimens with
an edge crack is investigated. Crack faces friction factor for trostite structure of steel is experi-
mentally determined and crack growth rate curves are plotted. The influence of crack faces
friction on crack growth resistance of 65Г steel under Mode II fracture for trostite and sorbite
structures versus fatigue crack growth rate is established.
1. Механика разрушения и прочность материалов: Справ. пос. в 4-х т. / Под общ. ред.
В. В. Панасюка. – Т. 2: Коэффициенты интенсивности напряжений в телах с трещина-
ми / М. П. Саврук. – К.: Наук. думка, 1988. – 620 с.
2. Rail defects: an overview / D. F. Cannon, K.-O. Edel, S. L. Grassie, K. Sawley // Fatigue &
Fracture of Engng Materials & Structures. – 2003. – 26, № 10. – P. 865–886.
57
3. Дацишин О., Марченко Г. Про зсувні поверхневі тріщини в залізничних рейках // Ме-
ханіка руйнування матеріалів та міцність конструкцій / Під заг. ред. В. В. Панасюка.
– Львів: ФМІ НАНУ, 2014. – С. 379–384.
4. Murakami Y., Sakae C., and Hamada S. Mechanism of rolling contact fatigue and measu-
rement of ∆KII th for steels // Engng Against Fatigue / Ed. J. H. Beynon, M. W. Brown,
T. C. Lindley et al. – Rotterdam: A. A. Balkema Publ., 1999. – P. 473–485.
5. Контактно-втомна пошкоджуваність поверхні кочення залізничних коліс типу КП-2
та КП-Т / О. П. Осташ, І. М. Андрейко, В. В. Кулик, В. І. Прокопець // Вісник Дніпро-
петровського нац. ун-ту залізничного транспорту ім. акад. В. Лазаряна. – 2011.
– Вип. 39. – С. 118–122.
6. Експлуатаційна довговічність залізничних коліс із високоміцної сталі / В. В. Панасюк,
О. П. Осташ, О. П. Дацишин та ін. // Проблеми ресурсу і безпеки експлуатації конст-
рукцій, споруд та машин. – К.: ІЕЗ ім. Є. О. Патона НАНУ, 2009. – С. 659–663.
7. Методика побудови кінетичних діаграм втомного руйнування сталей за поперечного
зсуву з врахуванням тертя берегів тріщини / Я. Л. Іваницький, Т. М. Ленковський,
В. М. Бойко, С. Т. Штаюра // Фіз.-хім. механіка матеріалів. – 2013. – 49, № 6. – С. 41–45.
(Methods for the construction of the kinetic diagrams of fatigue fracture for steels under the
conditions of transverse shear with regard for the friction of crack lips / Ya. L. Ivanyts’kyi,
T. M. Lenkovs’kyi, V. M. Boiko, S. T. Shtayura // Materials Science. – 2014. – 49, № 6.
– P. 749–754.)
8. ГОСТ 10791-2011. Колеса цельнокатаные. Технические условия. – Введ. 01.01.12.
9. Paris P. and Erdogan F. Critical analysis of crack propagation laws // J. of Basic Engng.
– 1963. – 85, № 4. – P. 528–533.
10. Ярема С. Я., Попович Вас. Вас., Зима Ю. В. Влияние структуры на сопротивление
стали 65Г росту усталостной трещины // Физ.-хим. механика материалов. – 1982. – 18,
№ 1. – С. 16–30.
(Yarema S. Ya., Popovich Vas. Vas., Zima Yu. V. Influence of structure on the resistance of
65G steel to fatigue crack growth // Soviet materials science. – 1982. – 18, № 1. – P. 13–26.)
Одержано 20.05.2014
|