ТЕХНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ СЕРВИСА №3(9) 2009 17

ББК 34.61

УДК 620.1

КОНЦЕПЦИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ТИПОВЫХ

КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ

А.В. Васильева , А.А. Гетьман Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики

192171, Санкт-Петербург, ул. Седова, 55/1

Предложена новая концепция исследования механических свойств конструкционных мате-

риалов, основанная на учете совместного влияния структуры материала и конструкции дета-

ли путем статических и циклических нагружений типовых конструктивных элементов.

Ключевые слова: конструктивные элементы, радиусы закруглений, расстояние между сопря-

гаемыми стенками, прочность, долговечность.

Известно, что закономерности

деформирования и разрушения деталей

машин зависят от структуры материа-

лов, из которых они изготовлены. Во

всех элементах структуры наблюдается

неоднородность свойств. Даже в иде-

альной кристаллической решетке ме-

талла такие свойства, как предел теку-

чести, модуль упругости, коэффициент

линейного расширения существенно

различаются в зависимости от ориента-

ции кристаллографических плоскостей.

Структура материала детали имеет ряд

дополнительных специфических дефек-

тов − концентраторов напряжений, та-

ких как усадочная пористость, неметал-

лические включения, трещины и др. По-

этому задача математического описания

напряжений и деформаций в деталях,

изготовленных из реальных материалов,

в особенности методом литья, является

весьма сложной, требующей, в первую

очередь, выбора такой физической мо-

дели материала, которая учитывала бы

неоднородность его структуры и

свойств и не была бы чрезвычайно

сложной для математических вычисле-

ний. В настоящее время ведутся актив-

ные исследования природы усталостно-

го разрушения, разрабатываются мето-

ды прогнозирования характеристик ус-

талостной прочности для различных

конкретных практических случаев [1].

Представим деталь в виде слож-

ной технической системы, состоящей из

множества элементов, которые выпол-

няют свойственные только им функции

и являются самостоятельными неизо-

лированными подсистемами, т.е. от-

дельными конструктивными элемента-

ми. Конструктивные элементы взаимо-

связаны между собой в процессе фор-

мирования качества и свойств детали

этой сложной технической системы.

Предположим, что выход из строя (раз-

рушение, износ и т.д.) отдельно взятого

конструктивного элемента с большой

вероятностью приведет к полному раз-

рушению всей детали и механизма в

целом [2,3,4]. Исходя из этого, совме-

стное влияние структуры материала и

конструкции деталей при статических и

циклических нагрузках, впервые пред-

лагается проводить на типовых конст-

руктивных элементах.

Сущность предлагаемой концеп-

ции исследования механических

свойств заключается в том, что опреде-

ляются характерные конструктивные

элементы по толщинам стенок детали,

типам сопряжений ее поверхностей, со-

отношению толщин сопрягаемых сте-

А.В. Васльева, А.А. Гетьман

18 НИИТТС

нок, величинам радиусов закруглений.

Изготовление конструктивных элемен-

тов и методы их контроля производятся

в полном соответствии с действующей

технологией серийных партий. Конст-

руктивные элементы подвергаются ис-

пытаниям на циклическое растяжение

на одном уровне напряжений методом

ускоренных испытаний. Полученные

результаты испытаний подвергаются

статистической обработке с последую-

щим расчетом критериев.

Особенность предлагаемой ме-

тодики состоит в том, что по результа-

там одних и тех же испытаний осуще-

ствляется оценка особенностей струк-

туры материала деталей, степени со-

вершенства технологических процессов

их изготовления и применяемых мето-

дов контроля; учитывается влияние

концентрации напряжений, размеров

детали и состояние ее поверхности. Это

тем более важно, что раздельный учет

влияния концентрации напряжений, со-

стояния поверхности и размеров детали

и последующее механическое наложе-

ние (перемножение) учтенных факто-

ров (коэффициентов) приводит к не-

обоснованному занижению прочности.

Так, опыты С.В. Серенсена [5] показа-

ли, что для случая кручения образцов

диаметром 12,5 мм из стали 40Г, от-

дельный учет концентрации напряже-

ний от надреза и влияния коррозии да-

ют значения больше опытного на 15 −

55 %, т.е. их отдельный учет дает пре-

вышение теоретического ослабления в

1,2 − 1,6 раза.

Испытания по предлагаемой ме-

тодике проводятся на одном уровне

максимальных напряжений равных 0,5

σв или 0,67 σт материала. В этом случае

конструктивные элементы выдержива-

ют в среднем 104 − 10

5 циклов. При час-

тоте 600 циклов в минуту, время испы-

тания одного конструктивного элемента

не превышает обычно 1 − 1,5 часа. По-

скольку литая сталь не чувствительна к

асимметрии цикла [6 − 7], испытания

следует производить растягивающими

нагрузками при минимальных значени-

ях коэффициентов асимметрии цикла.

Минимальная нагрузка принимается не

более (0,05 − 0,1) σт или (0,05 − 0,1) σв

материала. При таких условиях нагру-

жения упрощается изготовление при-

способлений для испытания, а конст-

руктивные элементы различной конфи-

гурации испытываются в литом состоя-

нии без какой-либо механической обра-

ботки мест их захвата в приспособле-

ниях. В то же время полученные ре-

зультаты испытаний позволяют путем

их пересчета достоверно определить

выносливость конструктивных элемен-

тов во всем диапазоне долговечности,

вплоть до базового числа циклов пре-

дела выносливости.

Особое внимание при этом необ-

ходимо обратить на количество одно-

типных конструктивных элементов,

подлежащих испытанию. Это количест-

во рассчитывается по известным зави-

симостям или выбирается по данным

табл. 1. с учетом требуемой достоверно-

сти полученных результатов испытания

и соответствующем доверительном ин-

тервале.

Таблица 1. Надежность и доверительная

вероятность полученных результатов в

зависимости от количества испытанных

образцов

Заданная на-

дежность ре-

зультатов

Необходимое количест-

во образцов при испыта-

нии в шт. при довери-

тельной вероятности

0,95 0,90

99 295 227

98 148 114

97 98 76

96 74 57

95 58 45

90 28 22

Концепция исследования механических свойств конструкционных материалов

на типовых конструктивных элементах

ТЕХНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ СЕРВИСА №3(9) 2009 19

Для подтверждения взаимосвязи

между структурой материала деталей,

их конструкцией и эксплуатационными

свойствами, проведены исследования

влияния величины и характера распо-

ложения трещин, усадочной пористо-

сти, обезуглероженности поверхностно-

го слоя деталей на прочность при стати-

ческих нагрузках и долговечность при

циклических нагрузках. Исследовались

Т-, Х-, и Z- образные модели прямо-

угольных конструктивных элементов с

толщинами стенок 2; 4 и 6 мм (табл.2)

как наиболее характерные для деталей,

полученных литьѐм по выплавляемым

моделям. Результаты испытаний приве-

дены в табл. 3 и 4 и представляют собой

анализ и обобщение данных для 482 на-

именований различных деталей из стали

35ХГСЛ, ВНЛЗ и др.

Таблица 2. Обозначение и основные размеры исследуемых элементов деталей

Тип сопряжения конструк-тивного элемента

Т- образ-ное

Х - образ-ное

Z - образное

Z1 Z2 Z3 Z4

Условное обозначение I II III IV V VI

Размеры (толщина силово-

го элемента х толщина ребра), мм

2х2 2х2 2х2 2х2 2х2 2х2

4х2 4х2 4х2 4х2 4х2 4х2

4х4 4х4 4х4 4х4 4х4 4х4

6х4 6х4 6х4 6х4 6х4 6х4

6х6 6х6 6х6 6х6 6х6 6х6

Величина смещения ребер,

выраженная в толщинах ребра

- 0 1 2 3 4

Таблица 3. Характерные конфигурации конструктивных элементов для стальных

деталей, изготовляемых литьем по выплавляемым моделям

Характерные конструк-

тивные элементы

Кресто-

образные

(Х)

Т - об-

разные

L – Z -

образные

Соединение ци-

линдра с плоской

стенкой

Прочие

Количество деталей в % 3,6 – 22,7 17,3 –

25,2

10,9 –

18,4

21,0 – 22,7 20,2 – 38,0

Таблица 4. Средние толщины стенок стальных деталей, изготовленных литьем

по выплавляемым моделям

Толщина сте-

нок, мм 2 – 2,5 3 4 5 6 >6

Количество

деталей, % 36,8 31,6 11,1 5,1 6 9,4

Исходные заготовки в количест-

ве 568 штук, полученные методом литья

по выплавляемым моделям, представля-

ли собой литые пластины 100 (130:130)

х 108 (125;132) х 2 (4;6) мм с одним -

двумя ребрами. Из заготовок выреза-

лись 5 образцов: 3 образца с ребрами

(рис.1) для механических испытаний и 2

образца для макро- и микроисследова-

ний. Стальные литые заготовки изго-

товлялись в производственных условиях

на заводе "Армалит" в соответствии с

технологическими инструкциями заво-

да.

Заготовки располагались пер-

пендикулярно к плоскостям прямо-

угольного стояка и под углом 45° к его

оси, отливались по 6 штук в блоке с пи-

А.В. Васльева, А.А. Гетьман

20 НИИТТС

танием непосредственно от стояка че-

рез торцы стенок и ребер. Обмазка на

основе маршалита готовилась по со-

вмещенному способу гидролиза этил-

силиката.

Рисунок 1. Схема вырезки образцов: без

рѐбер для испытаний на циклические на-грузки (а); то же с рѐбрами (б); образец для

исследований макро- (в) и микроструктуры

(г) (при: δ = 2 мм; А= 100 мм; В = 108 мм; δ = 4 мм; А = 130 мм; В = 125 мм; δ= 6

мм; А = 130 мм, В = 132 мм; а=2; 4 и

6мм; г = (1/12-1,0)а; Б=(0-4)а.

В качестве присыпки использо-

вался кварцевый песок. Сушка керами-

ческого покрытия осуществлялась на

воздухе, вытопка модельного состава из

форм − в воде. Просушенные блоки

формовались в наполнителе с добавкой

карбюризатора и прокаливались 4 часа

при 950 °С. Температура стали

35ХГСЛ, выплавленной в тигле с ки-

слой футеровкой, при заливке состав-

ляла 1490 − 1520°С, а форм − 760 −

840°С.

Для сравнения и контроля ме-

ханических свойств металла каждой из

плавок путем испытаний на разрыв

при статических нагрузках и на удар

при динамических нагрузках, изготав-

ливались стандартные отдельно отли-

тые образцы. Все заготовки отжига-

лись, а изготовленные из них образцы

после закалки и отпуска на уровень

прочности σв=1000 − 1200 МПа (закал-

ка: нагрев до 890+ 10 0

С и выдержка 30

минут, охлаждение в масло с t = 20 −

700С; отпуск: нагрев до 570 − 630

0С и

выдержка 2 часа, охлаждение в воде;

контроль по твердости каждого образ-

ца), затем образцы подвергались испы-

таниям циклическим нагружением.

Образцы толщиной 2 мм испытыва-

лись также на растяжение при статиче-

ской нагрузке с определением предела

прочности, условного предела текуче-

сти и относительного удлинения.

Испытания на циклическую на-

грузку производились на машине ГРМ-

1 с точностью нагружения ±1,0 % от

измеряемого усилия. Образцы подвер-

гались циклическому растяжению с

частотой 600 циклов в минуту по

асимметричному циклу с коэффициен-

том асимметрии +0,2. Максимальная

нагрузка составляла 50 % от разру-

шающего усилия, минимальная − 10%

из расчета среднего значения σв = 1100

МПа. Таким образом, образцы подвер-

гались знакопостоянному действию

циклических нагрузок со средним на-

пряжением

МПа3302

minmaxср

и амплитудой цикла:

МПа2202

minmaxа

.

Для каждого образца макси-

мальная и минимальная нагрузки кор-

ректировались в соответствии с факти-

ческой площадью поперечного сечения

образца.

Испытания на растяжения при

статических нагрузках проводились на

машине ИМ-4Р с предельной величи-

ной нагрузки 4000 кг, при этом снима-

лась диаграмма растяжения образцов.

Образцы (рис. 2) крепились в специ-

альных приспособлениях, позволяю-

щих фиксировать положение образца в

Концепция исследования механических свойств конструкционных материалов

на типовых конструктивных элементах

ТЕХНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ СЕРВИСА №3(9) 2009 21

2-х взаимно перпендикулярных верти-

кальных плоскостях. Для уменьшения

влияния люфта в системе «образец −

приспособление», растяжение образцов

осуществлялось с предварительным на-

гружением в 300 кг, т.е. величиной,

равной 10% от разрушающей нагрузки.

Расчетная рабочая длина для определе-

ния относительного удлинения − 60 мм.

Определение дефектности об-

разцов производилось методами нераз-

рушающего контроля, а именно техни-

ческой диагностики, дефектоскопиче-

ского контроля с использованием взаи-

модействия физических полей (акусти-

ческих, магнитных, радиационных и

др.).

Рисунок 2. Размеры литых заготовок и

схема вырезки образцов: без ребер для

испытаний при статических нагрузках на

растяжение (а); то же с ребрами (б); образ-

цы для исследований макро (в) и микро-структуры (г). Б =0; 2; 4; 6 и 8мм; r = 0,5;

1,0; и 2 мм.

Так, рентгенопросвечивание об-

разцов производилось на рентгеновской

промышленной установке РУП-1 по

режиму: напряжение на трубке 130кV,

сила тока 15А, фокусное расстояние 75

см, экспозиция 30 сек., пленка РТ-5.

Протяженность трещин в узлах конст-

руктивных элементов деталей опреде-

лялась по рентгеноснимкам, а затем

уточнялись методом разрушающего

контроля при фактографии разрушен-

ных образцов. За длину трещин прини-

мались длина еѐ проекции на ось, пер-

пендикулярную к оси образца и к на-

правлению действия растягивающих

нагрузок.

Использование методов нераз-

рушающего контроля позволило ото-

брать образцы с различным количест-

вом микродефектов. На основании про-

веденных исследований осуществлена

оценка влияния величины и характера

расположения различных микродефек-

тов на конструкционную прочность де-

талей.

Исследования величины литого

зерна поверхностного слоя выполнены,

главным образом, на серийных деталях

вспомогательных механизмов кора-

бельных энергетических установок, а

также на специально изготовленных об-

разцах толщиной 2; 3; 4; 5 и 6 мм в ко-

личестве 500 штук. Шлифы после поли-

рования травились 20 − 30 с в 2%-ном

спиртовом растворе HNO3, а затем по-

сле промывки спиртом, 10 сек. в 4 % -

ном растворе пикриновой кислоты на

этиловом спирте.

Величина литого зерна и струк-

тура поверхностного слоя определялись

на микроскопе типа «Рейхерт» при уве-

личении х100. Средний размер зерна

определялся как среднеалгебраическое

значение измерений трех смежных цен-

тральных зерен в двух взаимно перпен-

дикулярных направлениях по макси-

мальному размеру в соответствии с вы-

ражением:

,

где: dср − средний размер зерна в мм; a1,

a2, а3 − максимальный размер зерен в

А.В. Васльева, А.А. Гетьман

22 НИИТТС

направлении, перпендикулярном по-

верхности; b1, b2, b3 − максимальный

размер зерен в направлении, параллель-

ном поверхности.

Оценка влияния размера литого

зерна на механические свойства стали

производилась и по результатам испы-

тания на ударную вязкость стандартных

литых образцов, отлитых по 8 штук от

17 плавок стали 35ХГСЛ.

Для определения степени влия-

ния поверхностного слоя на механиче-

ские свойства отливок от 84 плавок ста-

ли 35ХГСЛ было отлито по 8 образцов

для испытаний на статические нагрузки.

Три образца представляли собой литые

заготовки, из которых вытачивались,

т.е. снимался поверхностный обезугле-

роженный слой, образцы диаметром 5

мм.; пять образцов испытывались ли-

тыми, т.е. без механической обработки.

В заключении следует отметить,

что особенностью предложенной кон-

цепции построения методики исследо-

вания механических свойств деталей,

является еѐ комплексность, учитываю-

щая технологию изготовления и конст-

рукцию детали, возможность наличия

различных скрытых внутренних и

внешних дефектов, состояния поверх-

ностного слоя − литейной корочки, ха-

рактер действующих нагрузок. Такая

комплексная постановка методики су-

щественно отличается от известных ис-

следований в этой области.

Литература

1. Кочаев В.П. Расчетная оценка пределов вы-

носливости деталей машин – «Вестник машино-

строения», 1972, № 1.

2. Гетьман А.А. Научные основы конструиро-

вания литых деталей. ВВМИОЛУ им.

Ф.Э.Дзержинского. СПб, 1997.

3. Коломиец А.В., Баринов Е.М., Пустовалов

С.Ю., Сошин В.В. Роль и место технического

контроля корабельной техники в современных

условиях. Материалы межвузовской научно-

методической конференции «Проблемы экс-

плуатации вооружения военной техники».

ВМИИ. СПб, 2005.

4. Попов Н.Н., Шабаев Р.Р. Необходимость

разработки новой методики оценки и прогнози-

рования остаточного ресурса корабельных газо-

турбинных двигателей. Материалы межвузов-

ской научно-методической конференции «Про-

блемы эксплуатации вооружения военной тех-

ники». ВМИИ. СПб, 2005.

5. Серенсен С.В., Когаев В.П., Степанова М.Н.,

Гиацинтов Е.В. О законе распределения долго-

вечности при усталостных испытаниях. «Заво-

дская лаборатория», 1958, № 3.

6. Гликман Л.А., Костров Е.Н. «О некоторых

вопросах прочности и износоустойчивости»

Труды ЛИЭИ, 23, 1958.

7. Кишкин Б.П. О расчете на ограниченную

долговечность деталей машин с учетом концен-

трации напряжений. «Вопросы прочности, уп-

ругости элементов машин». Ижевск. Удмуртия,

1967.

Васильева Анна Вячеславовна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Техническая механика» СПбГУСЭ. Адрес: Санкт-Петербург, Дунайский пр. д.34/16 кв.4; тел. (812)366 -02-07; email: vasilevaav@list.ru

Гетьман Анатолий Антонович, заслуженный деятель науки и техники РФ, академик РИА, почетный работник высшего образования России, доктор технических наук, профессор.

Санкт-Петербург, ул. Стойкости д. 29 корп.2 кв.68; тел. (812)759-57-47. email:

a.a.getman@mail.ru