Усталостная прочность и частотная стабильность титанового сплава

Исследованы образцы титанового сплава ВТ3-1 на усталость при нагружении по «мягкой» схеме консольного изгиба плоских образцов. Для таких исследований была разработана оригинальная электромагнитная установка. В ней реализована работа на основе электромеханической системы, в которой возбуждение механических колебаний осуществляется исходя из собственной частоты колебания испытуемого образца, т.е. реализуется режим, когда частота возбуждающей силы (частота циклического нагружения) всегда равна частоте собственных колебаний образца. Изгиб образца производится электромагнитной силой, а разгиб происходит под действием сил упругости материала, тем самым обеспечивается циклическое нагружение, близкое к синусоидальному. Изучено влияние реализуемого в данной установке вида циклического нагружения на циклическую прочность и долговечность. Установлено, что исследуемый титановый сплав имеет высокие характеристики показателей сопротивления усталости и предела выносливости. В ходе проведенных исследований отмечен небольшой разброс экспериментальных значений сопротивления усталости образцов относительно аппроксимирующей линии кривой усталости, что свидетельствует о высокой стабильности структурно-чувствительных свойств титанового сплава ВТ3-1. Также исследованы образцы этого сплава на частотную стабильность. За контрольное число наработки было принято 50 млн циклов нагружения, при которых проводилась сравнительная оценка изменения частотных характеристик. Представлены частотные характеристики и выявлена динамика частотной стабильности испытаний образцов при нагрузках, близких к пределу усталости. Установлено, что исследуемый титановый сплав имеет высокие значения частотной стабильности. При этом перерывы в циклических испытаниях приводят к скачкообразному приросту частоты, а при непрерывных испытаниях такого не наблюдалось, однако общее отклонение частоты от первоначальной к концу испытаний примерно одинаковое.

1. Terent’ev V.F., Korableva S.A. Fatigue of metals. Mosсow: Nauka, 2015. 479 р. (In Russ).

2. Mughrabi H., Christ H.-J. Cyclic deformation and fatigue of selected ferritic and austenitic steels; specific aspects. ISIJ International. 1997;37(12):1154—1169.

3. Gromov V.E., Ivanov Yu.F., Vorobiev S.V., Konovalov S.V. Fatigue of steels modified by high intensity electron beams. Cambridge, 2015. 272 р.

4. Shkol’nik L.M. Fatigue testing methodology: Guide. Mosсow: Metallurgiya, 1978. 304 р. (In Russ).

5. Gadolina I.V., Makhutov N.A., Erpalov A.V. Varied approaches to loading assessment in fatigue studies. International Journal of Fatigue. 2021;144:106035. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2020.106035

6. Suresh S. Fatigue of metals. Cambridge University Press, 2006. 701 p.

7. Мыльников В.В., Шетулов Д.И., Кондрашкин О.Б., Чернышов Е.А., Пронин А.И. Изменение показателей сопротивления усталости конструкционных сталей при различных спектрах нагружения. Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2019; 62(10): 796—802. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2019-10-796-802

8. Troshchenko V.T., Khamaza L.A., Pokrovsky V.V. Cyclic deformation and fatigue of metals (Ed. M. Bily). Amsterdam: Elsevier, 1993. 500 p.

9. Головин С.А., Тихонова И.В. Температурная зависимость внутреннего трения и свойства деформированных малоуглеродистых сплавов железа. Деформация и разрушение материалов. 2013;(7):16—21.

10. Головин С.А., Петрушина А.Г. Температурный спектр внутреннего трения чугунов. Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2009;(9):51—54.

11. McClaflin D., Fatemi A. Torsional deformation and fatigue of hardened steel including mean stress and stress gradient effects. International Journal of Fatigue. 2004;26(7):773—784. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2003.10.019

12. Головин И.С., Бычков А.С., Михайловская А.В., Добаткин С.В. Вклад фазовых и структурных превращений в многокомпонентных Al—Mg сплавах в линейные и нелинейные механизмы неупругости. Физика металлов и металловедение. 2014;115(2):204. https://doi.org/10.7868/S0015323014020089

13. Кардашев Б.К., Сапожников К.В., Бетехтин В.И., Кадомцев А.Г., Нарыкова М.В. Внутреннее трение, модуль Юнга и электросопротивление субмикрокристаллического титана. Физика твердого тела. 2017;59(12):2358—2362. https://doi.org/10.21883/FTT.2017.12.45231.131

14. Blanter M.S., Golovin I.S., Neuhäuser H., Sinning H.R. Internal friction in metallic materials. Springer Series in Materials Science. 2007;90:1—535. https://doi.org/10.1007/978-3-540-68758-0

15. Столяров В.В. Неупругость ультрамелкозернистых металлов. Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2010;(11):51—54.

16. Романив О.Н., Лазько Л.П., Крыськив А.С. Зависимость внутреннего трения от усталостной долговечности запатентованной стальной проволоки. Физико-химическая механика материалов. 1984;19(6):44—50. https://doi.org/10.1007/BF00722120

17. Myl’nikov V.V., Shetulov D.I. Fatigue testing facility. Patent 2781466 (RF). 2022. (In Russ.).

18. Мыльников В.В., Чернышов Е.А., Шетулов Д.И. Изменение показателей сопротивления усталости некоторых чистых металлов в зависимости от влияния частоты циклов нагружения. Известия вузов. Цветная металлургия. 2010;(3):40—45. https://doi.org/10.3103/S1067821210030089

19. Мыльников В.В., Шетулов Д.И., Чернышов Е.А. Исследование повреждаемости поверхности чистых металлов с учетом частоты циклического нагружения. Известия вузов. Цветная металлургия. 2013;(2):55—60. https://doi.org/10.3103/S1067821213030103

20. Шетулов Д.И. К оценке сопротивления усталости материалов по повреждению поверхностных аномальных слоев. Физико-химическая механика материалов. 1984. No. 6. С. 117—120.

21. Stephens R.I., Fatemi A., Stephens R., Fuchs H.O. Metal fatigue in engineering. New York: John Wiley & Sons, 2000. 472 р.

22. ASM Metals: HandBook. Vol. 19. Fatigue and fracture. ASM International, 2002. 2592 p.

23. Schijve J. Fatigue of structures and materials. Springer Science & Business Media, 2001.

24. Campbell F.C. Fatigue and fracture: Understanding the basics. ASM International, 2012. 525 p.

25. Lee Y-L., Barkey M.E., Kang H-T. Metal fatigue analysis handbook: Practical problem-solving techniques for computer-aided engineering. Butterworth-Heinemann: Elsevier Inc., 2011. 632 p.