Способ повышения сопротивления усталости конструкционных металлических материалов

Способ повышения сопротивления усталости конструкционных металлических материалов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области металлургии, а именно к разработке способов повышения характеристик усталостной долговечности конструктивных металлов на основе преобразования энергетической структуры материалов как на стадии производства сплавов и полуфабрикатов, так и в эксплуатации.

Известны способы повышения и стабилизации механических характеристик металлических полуфабрикатов посредством обтяжки растяжением вдоль проката до 2% (Алиева С.Г., Альтман М.Б., Амбарцумян С.М. и др. Промышленные алюминиевые сплавы: Справочное изд. / 2 изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1984), повышения усталостной долговечности металлов и элементов конструкций с помощью создания в опасных сечениях, в зонах концентрации напряжений полей остаточных напряжений обратного эксплуатационным напряжениям знака (остаточных напряжений сжатия) методами локального упругого, упругопластического или пластического деформирования материала по контуру концентратора напряжений и постановки болтов и заклепок с гарантированным осевым и радиальным натягом (Белов В.К., Рудзей Г.Ф., Калюта А.А. Повышение усталостной долговечности заклепочных и сварных соединений авиационных конструкций технологическими методами: Монография. - Новосибирск, 2006).

Остаточные напряжения сжатия, суммируясь с действующими в конструкции эксплуатационными напряжениями от внешних воздействий, существенно снижают уровень максимальных напряжений цикла растяжения, что приводит к ощутимому приросту долговечности элемента конструкции за счет увеличения периода циклической наработки до момента появления трещины усталости.

Известные способы местного пластического деформирования (МПД) связаны с пластическим деформированием поверхностного слоя элемента конструкции, материала на контуре концентратора в плоскости детали или в поперечном направлении (Брондз Л.Д. Технология и обеспечение ресурса самолетов. - М.: Машиностроение, 1986). При этом эффект упрочнения ограничивался диапазоном возможных деформаций по физико-механическим параметрам или конструктивным соображениям.

Недостатком этих способов является невозможность восстановления релаксирующего во время эксплуатации или хранения изделия эффекта упрочнения без повторения операций упрочнения с разборкой соединений, узлов, агрегатов.

Наиболее близкими по технической сущности к предлагаемому способу являются способы повышения сопротивления усталости элементов конструкций с концентраторами напряжений за счет эпизодических или периодических периодов отдыха или умеренных перегрузок материала статическим растяжением (Форрест П. Дж. Усталость металлов. - М.: Машиностроение, 1968), тренировок циклическим растяжением (Иванова B.C., Терентьев В.Ф. Природа усталости металлов. - М.: Металлургия, 1975).

Недостатком данного способа является очень низкий эффект упрочнения (до 10…15% от исходной долговечности) в зоне концентратора напряжений - источника зарождения трещин усталости. Эффект на гладких образцах материалов - в пределах разброса экспериментальных результатов.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение сопротивления усталости конструкционных металлических материалов.

Для достижения технического результата в способе упрочняющей обработки пластин из конструкционных металлических материалов, включающем тренировку нагружением пластины путем внешнего механического воздействия на пластину с обеспечением циклического растяжения, осуществляют переменное механическое воздействие в диапазоне циклических дозирующих нагрузок сжатия от σ=(-3÷-10) кг/мм² до σ_max=(+1÷+4) кг/мм² и сдвига до τ=(±3,0÷±5,0) кг/мм².

Экспериментальная проверка влияния способа предварительной обработки сдвигом проведена на алюминиевом сплаве Д16АТ, лист толщиной δ=2,8 мм, временное сопротивление при растяжении σ_в=47,5 кг/мм², модуль упругости первого рода Е=7,2·10³ кг/мм².

Для реализации программ предварительного нагружения металла сдвиговыми напряжениями разработано приспособление (фиг.1), обеспечивающее нагружение пластины в ее плоскости как балки с заделкой по концам, нагруженной посередине сосредоточенной силой.

Принципиальная схема нагружения показана на фиг.2.

Во избежание возникновения биений при высокочастотном нагружении в приспособлении на каждом уровне закреплялись по две пластины с внутренними прокладками достаточной толщины, что создавало жесткий контур в плане (фиг.1).

Эта методика позволила проводить нагружение пластин сдвиговыми напряжениями до уровня τ=±5 кг/мм².

Для предварительного нагружения пластин на сжатие использовали, в основном, то же приспособление. Вместо конструкции из четырех поперечно расположенных пластин на те же носители жестко закрепляли две, разнесенные на расстояние ~35 мм, продольно расположенные пластины высотой ~120…130 мм.

Такое устройство позволило провести циклическое нагружение пластин напряжениями сжатия до уровня σ_сж=-10 кг/мм² без потери устойчивости.

После проведения предварительной наработки пластин по указанным методикам из них изготавливали образцы для испытаний на статическую прочность и выносливость.

Предварительную наработку пластин проводили по пяти различным программам, представленным в таблице 1, из которых две программы - испытания на сдвиг, три программы - испытания па растяжение-сжатие.

В программах, содержащих несколько уровней напряжений, наработка произведена последовательно, начиная с нижних уровней напряжений, в итоге суммируясь по всем уровням.

Характеристики статической прочности после наработки по этим программам мало изменились: предел прочности σ_в остался таким же, как у исходного металла, модуль упругости Е увеличился на 7…8% после программ на сжатие.

Все напряжения программ лежат в упругой зоне металла.

Таблица 1
Программа предварительного нагружения пластин из Д16АТ, δ=2,8 мм
№п/п	Программа предварительного циклического нагружения (тренировки)	Режим предварительного циклического нагружения	Условное обозначение программы
Максимальное минимальное; напряжение цикла, кг/мм2	Наработка, циклов
1	Одноступенчатый знакопеременный симметричный сдвиг	τ=±3,0	80000	τ3
2	Трехступенчатый знакопеременный симметричный сдвиг	τ=±3,0τ=±4,0τ=±5,0	400004000040000	τ5
3	Трехступенчатое осевое сжатие -растяжение	σ=+1,0; -3,0σ=+2,0; -6,0σ=+2,0; -9,0	400004000040000	С9 (40)
4	Четырехступенчатое осевое сжатие - растяжение	σ=+1,5; -3,0σ=+2,5; -5,0σ=+3,0; -8,0σ=+4,0; -10,0	60000600006000060000	С10 (60)
5	Четырехступенчатое осевое сжатие -растяжение	σ=+1,5; -3,0σ=+2,5; -5,0σ=+3,0; -8,0σ=+4,0; -10,0	6000080000100000120000	С10 (120)

Для оценки влияния программы предварительного нагружения последующие сравнительные испытания исходного материала на выносливость проведены на разных уровнях напряжений отнулевыми циклами растяжения в широком диапазоне значений максимального напряжения цикла σ_mах: от 15 кг/мм² до 44 кг/мм².

В таблице 2 приведены средние значения выносливости гладких образцов N_cp для разных уровней σ_max и относительные значения N_cp/N_исх выносливости на этих уровнях σ_max после предварительной наработки по пяти вышеуказанным программам.

На фиг.3 и 4 приведены графики, иллюстрирующие увеличение относительной выносливости N_cp/N_исх (σ) образцов после предварительной наработки по этим пяти программам.

Таблица 2
Сводная таблица результатов испытаний образцов (гладких) после предварительной наработки по пяти различным программам
№п/п	Условное обозначение программы	σmах=15 кг/мм2, Nисх=1613,2 т.ц.	σmах=20 кг/мм2, Nисх=426,9 т.ц.	σmах=30 кг/мм2, Nисх=84,3 т.ц.	σmах=40 кг/мм2, Nисх=23,7 т.ц.
Ncp	Ncp/Nисх	Ncp	Ncp/Nисх	Ncp	Ncp/Nисх	Ncp	Ncp/Nисх
1	τ3	3982,67	2,47	-	1,0	-	-	-	-
2	τ5	>8101,8	>5	899,00	2,100	133,86	1,588	-	-
3	С9 (40)	-	-	864,76	2,025	113,35	1,344	-	-
4	С 10 (60)	>10023,8	>6,2	1317,00	3,085	141,00	1,670	-	-
5	С10 (120)	-	-	1720,87	4,030	194,12	2,300	30,420	1,283

Здесь

N_исх, тысяч циклов - исходная долговечность гладкого образца при отнулевом циклическом растяжении с максимальным напряжением цикла σ_mах;

N_cp, тысяч циклов - долговечность гладкого образца при отнулевом циклическом растяжении с максимальным напряжением цикла σ_mах после предварительной циклической наработки по соответствующей программе.

Полученные результаты показывают:

- принятые методики позволяют значительно повысить выносливость исходного конструкционного металла в широком диапазоне эксплуатационных напряжений;

- увеличение параметров программ предварительной наработки (τ, σ, N, ступеней их дискретности) дает существенное увеличение выносливости;

- после программ предварительной наработки τ5, С10 (60), С10 (120) предел выносливости исследованного конструкционного металла (Д16АТ) увеличился до 15 кг/мм².

Способ упрочняющей обработки пластин из конструкционных металлических материалов, включающий тренировку нагружением путем внешнего механического воздействия на пластину с обеспечением циклического растяжения, отличающийся тем, что осуществляют переменное механическое воздействие на пластину в диапазоне циклических дозирующих нагрузок сжатия от σ=(-3÷-10) кг/мм² до σ_max(+1÷+4) кг/мм² и сдвига τ=(±3,0÷±5,0) кг/мм².