Исследование взаимосвязи статической и циклической прочности сталей

 

Густов Ю.И., Воронина И.В., Аллаттуф Х.Л.

(ФГБОУ ВПО «МГСУ», г. Москва, РФ)

Gustov Yu.I., Voronina I.V, Allattouf H. L.

(Moscow State University of Civil Engineering)

 

Представлены результаты исследования взаимосвязи показателей статической и циклической прочности конструкционных сталей различных категорий прочности. Показана возможность выражения предела выносливости сталей посредством синергетических критериев статических энергопрочностных показателей.

The results of the analyzes of the correlation parameters of static and cyclic strength of construction steels different strength category. The possibility of expressing fatigue strength steels through synergistic criteria of energy-strength static indicators.

 

Ключевые слова: сталь, предел выносливости, прочностной расчет.

Keywords: steel, limit of endurance, strength calculation.

 

Цель работы – исследование взаимосвязей между пределом выносливости и статическими стандартными и синергетическими показателями конструкционных сталей различных категорий прочности.

В качестве исходных использовали статические зависимости [1]

 (углеродистые стали),                                     (1)

   (легированные стали),                                   (2)

                                                                            (3)

синергетические (структурно-энергетические) [2-4]

,    ,   ,

а также синергетические критерии вида

,   ,   ,   ,   ,

,                                                                        (4)                                                                                        

,                                                                    (5)

где ,    ,

,    ,      ,

.

Относительное равномерное удлинение равно

, где    .                                                                                                                    

Приемлемость формул для определения s-1 обосновывали сходимостью расчетных и экспериментально – справочных значений [5,6].

Результаты расчетного определения предела выносливости сталей различных марок и категорий прочности представлены в табл. 1.

 

Таблица 1- Значения предела выносливости сталей

Марка стали, категория прочности

sв, МПа

Sk,

МПа

Wp, МПа

Wc,

МПа

Значения s-1, МПа по формулам

(s-1)э,

МПа

s-1/sв,

 

1

2

3

4

5

 

 

25

460

667,80

10,57

289,26

211,0

-

223,90

201,77

204,10

203

0,444

40

710

1170,46

30,20

856,53

283,6

-

399,00

349,90

353,70

393

0,498

55

655

965,49

30,68

435,04

267,6

-

328,10

364,00

374,00

377

0,570

20ХГМР

1270

1973,68

42,43

1058,0

-

496,5

681,00

613,70

621,60

-

0,489

40Х2H2МА

735

994,47

15,16

345,77

-

309,2

338,20

318,00

322,64

-

0,439

09Г2ФБ

1039

1747,00

37,00

1283,00

-

415,6

601,60

492,66

496,76

-

0,478

14Х2ГМР

960

1756,70

70,40

1456,2

-

388,0

605,00

580,00

589,47

-

0,614

50ХФА

1630

2120,86

6,13

651,13

-

622,5

732,50

454,60

455,50

666

0,279

40Х2H2МА

1080

1583,60

35,86

742,35

-

489,7

544,50

522,64

531,30

520

0,492

КП175

355

622,20

35,41

318,28

180,6

170,2

208,00

283,10

299,20

-

0,843

КП215

430

742,05

42,13

361,30

202,4

202,5

250,00

345,29

366,40

-

0,852

КП490

655

1000,46

30,69

445,53

267,6

281,2

340,40

374,00

384,40

-

0,587

КП785

930

1341,31

25,92

543,09

347,4

377,5

459,65

440,83

448,00

-

0,482

St37

669

1185,73

26,23

714,32

271,7

286,2

405,20

358,80

363,00

-

0,543

 

На основании табличных данных можно сформулировать следующие выводы:

1.   Расчет предела выносливости s-1 углеродистых и легированных сталей по формулам (1) и (2) в зависимости от временного сопротивления разрыву sв дает значения в 1,2–1,7 раза меньше рассчитанных по формулам (3), (4) и (5) в зависимости от истинного сопротивления разрыву.

2.   Сопоставление расчетных по (4) и (5) значений предела выносливости с экспериментально-справочными величинами (s-1)э, а также с расчетными по (3) значениями позволяют отметить их удовлетворительное совпадение и считать выражения (4) и (5)  приемлемыми для использования в практических расчетах на прочность  строительных и машиностроительных деталей и конструкций.

3.   Расчет предела выносливости s-1 сталей указанных категорий прочности (КП 175 и др.) по формулам (1) и (2) дает практически одинаковые значения.

Исследовали также экономнолегированные низкоуглеродистые безникелевые мартенситные стали [7], механические свойства которых после закалки с охлаждением на воздухе приведены в табл. 2.

 

Таблица 2 - Механические свойства мартенситных сталей

Марка стали

Микроструктура

sв,

Н/мм2

s0,2,

Н/мм2

d,

%

y,

%

КCU,

МДж/м2

08Х2Г2

Мартенсит

 и бейнит

1140

910

12,5

67

0,71

06Х3Г2

Мартенсит

1180

900

14,0

56

1,20

10Х5Г2

Мартенсит

1170

950

19,0

65

0,75

10Х5Н2

Мартенсит

1290

1170

13,0

70

0,70

 

Расчетные значения синергетических критериев сталей представлены в табл. 3.

 

Таблица 3 - Синергетические критерии мартенситных сталей

Марка

стали

С

yр,

%

Sв,

МПа

Sк,

МПа

Wр,

МПа

Wс,

МПа

Rзт

Rрт

Rхр

Кзт

Крт10-6

Кхр10-9

08Х2Г2

1,0

5,72

1213,7

1953,2

66,472

1587,3

0,073

1,671

2,745

1,744

0,893

0,502

06Х3Г2

1,013

6,01

1255,5

1883,0

66,82

1142,42

0,074

1,195

2,831

1,269

0,635

0,354

10Х5Г2

1,104

5,33

1235,9

1973,3

59,89

1534,4

0,063

1,552

2,86

1,615

0,901

0,529

10Х5Н2

1,093

2,96

1329,4

2220,5

37,49

2041,1

0,032

1,712

3,228

1,745

1,480

1,067

 

Результаты расчета показателей выносливости сталей – в таб. 4.

 

Таблица 4 - Показатели выносливости мартенситных сталей

Марка

стали

Значения s-1,  МПа по формулам

Gт

G

Ас,

МПа

1

2

3

4

08Х2Г2

408,3

451

673,8

624,0

0,122

0,335

578,28

06Х3Г2

420,2

465

649,2

677,7

0,0887

0,251

403,52

10Х5Г2

417,1

461,6

680,8

616,0

0,0978

0,280

537,0

10Х5Н2

451,8

503,5

767,4

558,1

0,0548

0,177

663,92

 

На основании полученных результатов (см. табл. 3,4) можно сформулировать следующие основные выводы.

1.       Наибольшие значения показателей yр, Wр, Rзт, характеризующих сопротивление зарождению трещин, имеют стали 08Х2Г2 и 06Х3Г2 (см. табл.3). Им же соответствуют максимальные значения пределов выносливости s-1, рассчитанные по (3) и (4) – см. табл.4.

2.       По критерию развития трещин Rрт сталь 08Х2Г2 (Rрт=1,671) надежнее стали 06Х3Г2 (Rрт=1,195) и сопоставима со сталью 10Х5Н2 (Rрт=1,712) – см. табл.3.

3.       По критерию сопротивления хрупкости Rхр рассмотренные стали практически равноценны (различие между максимальным и минимальным значениями составляет до 15%).

4.       Максимальные значения комплексных критериев оценки и выбора материалов Gт=0,122 и G=0,335 и повышенная величина статической вязкости Ас=578,28МПа  (см. табл. 4) характерны для стали 08Х2Г2, имеющей минимальное значение прочностно-пластического показателя С=1,0 (см. табл.3). По комплексным синергетическим критериям наиболее надежной можно считать эту сталь.

5.       Сталь 10Х5Н2 обладает наименьшим значением отношения s-1/sв=0,48, что указывает на упругую область деформирования и склонность к зарождению усталостных трещин около внутренних, а не поверхностных дефектов [8]. Стали 08Х2Г2 и 06Х3Г2 характеризуются большими отношениями s-1/sв=0,69 и 0,75 соответственно.

 

Общие выводы:

1.   Расчет предела выносливости сталей s-1 по истинному сопротивлению разрыву Sк дает лучшее совпадение с экспериментально-справочными величинами, чем расчетное определение s-1 по временному сопротивлению разрыву sв. В последнем  случае значения s-1 занижены на 20-70%.

2.   Предложенные зависимости (4) и (5) можно считать приемлемыми для использования в прочностных расчетах в силу определенного физического смысла определяющих величин и удовлетворительного соответствия расчетных и экспериментальных значений s-1.

3.   С ростом ударной вязкости KCU статическая вязкость Ас уменьшается по приближенно экспоненциальной зависимости, предел выносливости s-1 увеличивается, а критерии Rрт и Rхр снижаются практически линейно.

4.   Выбор рационального металла предлагается делать по наибольшему структурно-энергетическому (синергетическому) критерию G= Rзт × Rрт × Rхр.

 

Список использованных источников

1.    Тылкин М.А. Справочник термиста ремонтной службы. – М.: Металлургия, 1981-647с.

2.    Синергетика и фракталы в материаловедении / В.С. Иванова, А.С. Баланкин, И.Ж. Бунин, А.А. Оксогоев. -М.: Наука, 1994. – 383 с.

3.    Скуднов В.А.Закономерности предельной удельной энергии деформации – основной синергетической (кооперативной)  характеристики разрушения и работоспособности металлов / Труды НГТУ Материаловедение и металлургия, том 42. –Н.Новгород, 2004. -С. 94-101.

4.    Густов Ю.И., Густов Д.Ю., Воронина И.В. Синергетические критерии металлических материалов / Доклады XV Российско-словацко-польского  семинара «Теоретические основы строительства». - М.: МГСУ, 2006.- С.179-184.

5.    Марочник сталей  и сплавов/В.Г. Сорокин, А.В. Волосникова, С.А. Вяткин и др. - М.: Машиностроение, 1989. - 640 с.

6.    Справочник по конструкционным материалам: Справочник/Б.Н. Арзамасов, Т.В. Соловьева, С.А. Герасимов и др. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. – 640 с.

7.    Митрахович Н.Н., Клейнер Л.М., Толчина И.В. Структура и свойства низкоуглеродистых безникелевых мартенситных сталей// Изв.вуз. Черная металлургия.- 2001.- №9.- С.46-47.

8.    Большаков В.И. Субструктурное упрочнение конструкционных сталей. -Канада. 1998.- 320 с.