Способ повышения сопротивления усталости конструкционных металлических материалов
Владельцы патента RU 2471002:
Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли (RU)
Изобретение относится к области металлургии, а именно к разработке способов повышения характеристик усталостной долговечности конструкционных металлов на основе преобразования энергетической структуры материалов как на стадии производства сплавов и полуфабрикатов, так и в эксплуатации. 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 σmax=(+1÷+4) кг/мм2 и сдвига до τ=(±3,0÷±5,0) кг/мм2. 2 табл., 4 ил.
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 σmax=(+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 σв=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 σсж=-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 σв 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=±3,0 τ=±4,0 τ=±5,0 |
40000 40000 40000 |
τ5 |
| 3 | Трехступенчатое осевое сжатие -растяжение | σ=+1,0; -3,0 σ=+2,0; -6,0 σ=+2,0; -9,0 |
40000 40000 40000 |
С9 (40) |
| 4 | Четырехступенчатое осевое сжатие - растяжение | σ=+1,5; -3,0 σ=+2,5; -5,0 σ=+3,0; -8,0 σ=+4,0; -10,0 |
60000 60000 60000 60000 |
С10 (60) |
| 5 | Четырехступенчатое осевое сжатие -растяжение | σ=+1,5; -3,0 σ=+2,5; -5,0 σ=+3,0; -8,0 σ=+4,0; -10,0 |
60000 80000 100000 120000 |
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 σmах: от 15 кг/мм2 до 44 кг/мм2.
В таблице 2 приведены средние значения выносливости гладких образцов Ncp для разных уровней σmax и относительные значения Ncp/Nисх выносливости на этих уровнях σmax после предварительной наработки по пяти вышеуказанным программам.
На фиг.3 и 4 приведены графики, иллюстрирующие увеличение относительной выносливости Ncp/Nисх (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
Nисх, тысяч циклов - исходная долговечность гладкого образца при отнулевом циклическом растяжении с максимальным напряжением цикла σmах;
Ncp, тысяч циклов - долговечность гладкого образца при отнулевом циклическом растяжении с максимальным напряжением цикла σmах 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 σmax(+1÷+4) кг/мм2 и сдвига τ=(±3,0÷±5,0) кг/мм2.
