Усталость малоуглеродистых и низколегированных сталей для автомобильной промышленности. Сообщение 1. Влияние концентрации напряжений и фреттинга на долговечность натурных автомобильных колес и образцов

Приведены и проанализированы результаты эксплуатационных и стендовых испытаний дисковых автомобильных колес. Установлено, что основная причина их отказа в эксплуатации - зарождение и рост усталостных трещин в диске из крепежных и вентиляционных отверстий, а также результат...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Проблемы прочности
Date:	2001
Main Authors:	Цыбанев, Г.В., Пономарев, С.Л.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України 2001
Subjects:	Научно-технический раздел
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46552
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Усталость малоуглеродистых и низколегированных сталей для автомобильной промышленности. Сообщение 1. Влияние концентрации напряжений и фреттинга на долговечность натурных автомобильных колес и образцов / Г.В. Цыбанев, С.Л. Пономарев // Проблемы прочности. — 2001. — № 1. — С. 17-27. — Бібліогр.: 15 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1860097851269316608
author	Цыбанев, Г.В. Пономарев, С.Л.
author_facet	Цыбанев, Г.В. Пономарев, С.Л.
citation_txt	Усталость малоуглеродистых и низколегированных сталей для автомобильной промышленности. Сообщение 1. Влияние концентрации напряжений и фреттинга на долговечность натурных автомобильных колес и образцов / Г.В. Цыбанев, С.Л. Пономарев // Проблемы прочности. — 2001. — № 1. — С. 17-27. — Бібліогр.: 15 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Проблемы прочности
description	Приведены и проанализированы результаты эксплуатационных и стендовых испытаний дисковых автомобильных колес. Установлено, что основная причина их отказа в эксплуатации - зарождение и рост усталостных трещин в диске из крепежных и вентиляционных отверстий, а также результат фреттинга в контактирующей паре ступица-диск. Циклическая пластичность, концентрация напряжений и фреттинг исследованы при циклическом нагружении низколегированных и малоуглеродистых сталей, используемых в автомобилестроении. Показана необходимость поиска параметров для оценки работоспособности сталей в условиях фреттинг-усталости. Наведено та проаналізовано результати експлуатаційних і стендових досліджень дискових автомобільних коліс. Установлено, що основна причина їх відмови в експлуатації - зародження і ріст втомних тріщин у дискові з кріпильних та вентиляційних отворів, а також наслідок фретингу у контактуючій парі маточина-диск. Циклічну пластичність, концентрацію напружень і фретинг досліджено при циклічному навантаженні низьколегованих та маловуглецевих сталей, що використовуються в автомобілебудуванні. Показана необхідність пошуку параметрів для оцінки працездатності сталей в умовах фретинг-втоми. We present and analyze the results of service and full-scale tests of disk automobile wheels. We determined the main cause of their failure is initiation and propagation of fatigue cracks in the disk from fastening and ventilation holes, as well as fretting process in the hub-disk contacting pair. We studied the cyclic plasticity, stress concentration and fretting zones in low-carbon and low-alloyed steels used in automobile industry under cyclic loading conditions. It is shown that the a special parameter should be found and used as a criterion for the assessment of serviceability of steels under fretting-fatigue conditions.
first_indexed	2025-12-07T17:27:35Z
format	Article
fulltext	УДК 539.43 Усталость малоуглеродистых и низколегированных сталей для автом обильной пром ы ш ленности. Сообщ ение 1. Влияние концентрации напряжений и фреттинга на долговечность натурных автомобильных колес и образцов Г. В. Цыбанев, С. Л. Пономарев Институт проблем прочности НАН Украины, Киев, Украина Приведены и проанализированы результаты эксплуатационных и стендовых испытаний дисковых автомобильных колес. Установлено, что основная причина их отказа в эксплу атации - зарождение и рост усталостных трещин в диске из крепежных и вентиляционных отверстий, а также результат фреттинга в контактирующей паре ступица-диск. Цикли ческая пластичность, концентрация напряжений и фреттинг исследованы при циклическом нагружении низколегированных и малоуглеродистых сталей, используемых в автомобиле строении. Показана необходимость поиска параметров для оценки работоспособности сталей в условиях фреттинг-усталости. Введение. В настоящее время в автомобильном транспорте используют колеса различных конструкций, в том числе дисковые. Последние просты в изготовлении и обладают положительными характеристиками в обеспече нии управляемости и устойчивости движения автомобиля [1]. С другой стороны, с параметрами колес связаны такие характеристики транспортных средств, как надежность, долговечность, безопасность,экономичность, в свя зи с чем они должны соответствовать нормативному уровню качества и ресурса. Данные эксплуатационных испытаний колес двух типов показы вают, что более 20% колес типа 7,0-20 разрушаются после пробега авто мобиля 300 тыс. км, в то время как такое же количество колес типа 6,0Б-20 - при пробеге 165 тыс. км (рис. 1). Это свидетельствует о несоответствии колес нормативному показателю надежности и долговечности, который установлен на уровне 90%-ного у-ресурса [2], т.е. в течение всего пробега транспортного средства до его списания не менее 90% колес не должны достигать своего предельного состояния. В соответствии с данными, при веденными на рис. 1, предельное состояние достигается у 20% колес при пробеге, составляющем примерно 30% общего ресурса автомобиля при увеличивающейся интенсивности отказов. Показатели Р и Я (рис. 1) опре деляли по следующим зависимостям: где п кол - количество отказавших колес при заданной наработке; N кол - количество испытанных колес; п ^ л - количество отказавших колес на интервале наработки I, км. (1) п' Я = п о л - -100% , (2) © Г. В. ЦЫБАНЕВ, С. Л. ПОНОМАРЕВ, 2001 ТХОТ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, N 1 17 Г. В. Цыбанев, С. Л. Пономарев Р,% 30 20 10 0 1 3 ~\ Я У ' 4 Г / / / 2 7 О:- ХҐ к /X -X-- X „ X X к Л И О 4 - /1- і КМ 15.0 10.0 5,0 100 200 300 Б-Ю 3,км Рис. 1. Вероятность (1, 3) и интенсивность (2, 4) отказа колес в зависимости от пробега £ автомобиля: 1, 2 - колесо 7,0-20; 3, 4 - колесо 6,0Б-20. Экспериментальные данные получены на основе наблюдений находя щихся в эксплуатации колес в течение 3-6 лет [3]. Их анализ с точки зрения вида эксплуатационного отказа колес говорит о следующем (рис. 2). Основной причиной отказов является разрушение дисков: 92% - у колес типа 7,0-20 и 97,4% - у колес 6,0Б-20. Поскольку разработка крепежных отверстий происходит в результате нарушений инструкций по эксплуатации (несвоевременная подтяжка крепежных гаек), а разрушение по сварным швам - технологии сварки, повышение надежности и долговечности колес может быть достигнуто в основном за счет улучшения характеристик сопро тивления усталости диска колеса. Известно [2], что диск - это та часть колеса, которая соединяет и передает нагрузки с обода на ступицу. Так как дисковые колеса представляют собой неразъемное соединение диска с обо дом, разрушение диска приводит к необходимости замены всего колеса вместе с работоспособным ободом, что весьма неоправданно с точки зрения рационального использования металла. а б Рис. 2. Вероятность вида эксплуатационного отказа колес 7,0-20 (а) и 6,0Б-20 (б): 1 - трещины из крепежных, вентиляционных или центрального отверстий; 2 - разработка крепежных отверстий; 3 - трещина на бортовой части обода; 4 - разрушение сварного соединения диска с ободом; 5 - разрушение сварного соединения обода; 6 - суммарная вероятность разрушения на диске. Учитывая вышеизложенное, отметим актуальность задачи повышения надежности и долговечности дисковых автомобильных колес, отказ которых связан в основном с усталостной долговечностью диска. 18 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, № 1 Усталость малоуглеродистых и низколегированных сталей И спы тания на усталость натурных дисковых колес и анализ их разрушений. Поскольку представленные на рис. 1, 2 результаты эксплу атационных испытаний дают необходимую статистическую информацию по отказам колес, но малоинформативны при выяснении механизмов и причин их разрушения, были проведены стендовые испытания натурных колес типа 7,0-20 по ранее описанным методикам [4]. При этом использовали схему нагружения колеса изгибающим моментом, при которой вид разрушения испытанных на стенде колес был аналогичен разрушениям, наблюдаемым в эксплуатации [3]. Большая часть усталостных разрушений возникает вслед ствие зарождения и развития трещин из крепежных отверстий. Наблю даются также редкие случаи разрушения из центрального или вентиляцион ных отверстий. Тщательный анализ фрактографий разрушения и наблюдений за ростом трещин в диске колеса позволил установить истинную причину их зарож дения. Результаты анализа показывают, что из-за специфики крепления (рис. 3,а) диск колеса в узле крепления подвержен воздействию как кон центрации напряжений, так и фреттинга. Поэтому превалирующий меха низм разрушения определяется уровнем приложенной нагрузки. При высо ких нагрузках и, следовательно, малых долговечностях (< 1-106 цикл) ос новную роль в процессе разрушения играет концентрация напряжений. В области больших долговечностей, соответствующих уровню эксплуатаци онных нагрузок, механизм разрушения изменяется, и определяющим фак тором становится фреттинг-усталость. При этом изменяется и место разру шения: трещина зарождается и растет со стороны контакта диска со сту пицей и имеет характерный для трещин при фреттинг-усталости наклон на начальном участке ее роста. В эксперименте наблюдается выделение зна чительного количества продуктов фреттинг-износа в зоне контакта диска со ступицей в виде порошка окислов железа. Следует отметить, что уста новление прокладки из алюминиевой фольги между диском и ступицей приводит к некоторому увеличению его долговечности. При этом трещина зарождается и растет из места, наиболее благоприятного для развития фреттинга в результате неравномерного прилегания привалочных поверх ностей диска и ступицы: интенсивный фреттинг-износ приводит к проти ранию прокладки и непосредственному контакту металлов диска и ступицы, вследствие чего зарождалась фреттинг-усталостная трещина в диске, при водившая в дальнейшем к полному отказу колеса. Рис. 3 ,6 иллюстрирует схему развития такой трещины в узле крепления дискового колеса к сту пице, полученную на основе анализа проведенных экспериментов. Результаты исследования на усталость натурных колес свидетельству ют, что концентрация напряжений и фреттинг являются основными причи нами зарождения трещин. Хотя разрушения наблюдались и в зонах сварки, однако они были связаны с нарушениями в соблюдении технологии сварки или с уменьшенной по сравнению с расчетной длиной шва. В случае концентрации и фреттинга разрушения обусловлены в основном уровнем нагрузки и свойствами использованных материалов. Поэтому дальнейшие исследования направлены на изучение влияния этих факторов на усталость ІЗЗЇЇ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, № 1 19 Г. В. Цыбанев, С. Л. Пономарев сталей, используемых или предполагаемых для использования в дисках колес с целью повышения их долговечности при снижении материало емкости. Такая постановка задачи предполагает применение низколегиро ванных сталей в качестве перспективных для получения деталей путем холодной штамповки [5, 6]. Рис. 3. Узел крепления диска к ступице по одному из нормированных типов (а) и схема роста фреттинг-усталостной трещины из зоны контакта диска со ступицей (б): 1 - крепежная гайка, 2 - диск колеса; 3 - ступица; 4 - шпилька, 5 - очаг зарождения трещины; 6 - линия фронта развития трещины; М изг - циклический изгибающий момент, действующий на соединение. Проводимые в течение более 20 лет в центральном конструкторско- технологическом бюро колесного производства (Челябинск) опытно-техно логические работы по применению низколегированных сталей для изго товления дисков автомобильных колес показали следующее. Эксперимен тальные данные, полученные при испытаниях колес с дисками из низко легированных сталей 12ГС, 09Г2, 09Г2С, 11Ю, 08ГСЮТ, свидетельствуют, что ни одна из этих сталей, несмотря на более высокие прочностные характеристики и сравнительно высокую пластичность, не может претен довать на замену базовой малоуглеродистой стали 15кп с целью повышения долговечности дисков колес при той же или уменьшенной (за счет исполь зования более тонкого листа) металлоемкости изделия. Снижение цикли ческой долговечности дисков из низколегированных сталей по сравнению с таковой дисков из стали 15кп наблюдается в основном в области долго вечностей > 1,0 -106 цикл, при меньших долговечностях их сопротивление усталости более высокое [3]. Отмечено также некоторое повышение уста лостных характеристик низколегированных сталей в дисках колес с уве личением содержания углерода в них [3]. Отсутствие критериев оценки свойств материалов с точки зрения возможности их успешного исполь зования в диске колеса предопределило цикл исследовательских работ по установлению таких критериев. Исследование и анализ усталости и неупругости базовой стали 15кп. Материалы, обладающие различной степенью неупругости при цик лическом нагружении, по-разному реагируют на наличие технологических конструкционных и эксплуатационных факторов [7]. Поэтому, учитывая приведенный выше анализ разрушения дисков колес, по отработанной мето дике [8] выполнены исследования неупругих циклических деформаций ста ли 15кп, которая, несмотря на невысокие механические характеристики, 4 1 2 а б 20 ШБЫ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, № 1 Усталость малоуглеродистых и низколегированных сталей ... достаточно успешно используется в дисках колес. Однако, поскольку в изделии используется прокатный лист толщиной 11 мм, данные были полу чены не только для стандартных цилиндрических образцов диаметром 5 мм (далее - образцы малого диаметра), но и для плоских образцов прямоуголь ного сечения 11 X 40 мм, вырезанных из необработанного прокатного листа, а также для образцов со снятой шлифованием прокатной коркой с обеих сторон плоского образца на толщину 0,5 мм, т.е. для плоских образцов сечением 10 X 40 мм. Шлифование производили в направлении, перпен дикулярном к оси нагружения образца, во избежания инициирования оста точных напряжений в направлении нагружения. Результаты испытаний в виде деформационных кривых усталости в координатах амплитуда неупру гой деформации - число циклов до разрушения образца представлены на рис. 4. Для плоских образцов за момент разрушения принимали зарождение трещины длиной примерно 3 мм, для цилиндрических - их разрушение. Приведенные на рис. 4 данные свидетельствуют о существенном раз личии деформационных кривых усталости образцов малого диаметра (кри вая 3) и плоских образцов (кривые 1, 2). В области напряжений, соот ветствующих долговечностям N > 10 цикл (для образцов из необработан ного прокатного листа) и N > 2-10 цикл (для образцов с удаленным про катным слоем), неупругие деформации не наблюдаются (с учетом нижнего предела измерения неупругой деформации 1 -105 мм /мм), в то время как для образцов малого диаметра значения А б н остаются высокими. Кроме того, деформационные кривые усталости плоских образцов нелинейны в лога рифмических координатах в отличие от деформационной кривой усталости цилиндрического образца. Со снижением долговечности деформационные кривые усталости испытанных образцов сближаются. В силовых коорди натах кривые усталости всех трех типов образцов статистически мало различаются, хотя кривая усталости плоских образцов с удаленным про катным слоем (— 7_12% по напряжению) лежит несколько выше [4]. Рис. 4. Деформационные кривые усталости (а) и кинетика неупругих деформаций (б) стали 15кп: 1 - плоские образцы из необработанного прокатного листа; 2 - плоские образцы с удаленной прокатной коркой; 3 - цилиндрические образцы круглого сечения диаметром 5 мм. НЗМ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, № 1 21 Г. В. Цыбанев, С. Л. Пономарев Отмеченные выше различия деформационных кривых усталости образ цов малого диаметра и плоских образцов с существенно большей площадью сечения можно трактовать следующим образом. Известным фактором явля ется более раннее усталостное повреждение поверхностных слоев в виде образования более густой сетки дислокаций [9, 10], устойчивых полос скольжения [11], микротрещин [12] по сравнению с внутренними слоями испытуемых металлов. При этом показано [12], что величина неупругой деформации за цикл изменяется пропорционально произведению числа тре щин на единице площади поверхности материала на их среднюю длину. Приведенные экспериментальные факты дают основание предположить, что в процессе неупругого деформирования стали принимает участие в основ ном ее поверхностный слой. Внутренние слои до некоторого уровня ампли туды напряжений образуют упруго деформирующуюся матрицу. У испы танных плоских образцов отношение объема упругой матрицы к объему поверхностного слоя значительно больше, чем у образцов круглого сечения, что в области больших долговечностей и соответственно низких напря жений не дает проявиться неупругости в виде петель гистерезиса. У образ цов малого диаметра это отношение намного меньше, поэтому наблюдается их неупругое деформирование. Несколько более высокие долговечности образцов с удаленной прокатной коркой по сравнению с долговечностями образцов из необработанного прокатного листа связаны с наличием в по верхностном слое дефектов проката. При больших напряжениях и соответственно долговечностях N < 1 0 5 цикл к процессу неупругого деформирования подключаются внутренние объемы материала образца, в связи с чем деформационные кривые уста лости испытанных образцов сближаются. Дополнительным аргументом в пользу предложенной трактовки явля ются данные о кинетике неупругого циклического деформирования испы танных типов образцов, приведенные на рис. 4,б для близких значений напряжений и циклических долговечностей. Изменение неупругой дефор мации за цикл в зависимости от числа циклов нагружения соответствует закономерностям, установленным для сталей ферритоперлитного класса [13]. Как следует из представленных графиков, неупругие деформации в образце малого диаметра начинают проявляться при меньших наработках (примерно в 10 раз), чем в образцах с большими размерами рабочей части. Неупругие деформации в образце малого диаметра достигают больших значений (в два раза) по сравнению с плоским образцом с сошлифованной прокатной коркой. Более высокие неупругие деформации образцов с необ работанной после проката поверхностью по сравнению с таковыми образцов с удаленной прокатной коркой обусловлены вкладом в общее неупругое деформирование поверхностного слоя локальных пластических деформаций около поверхностных дефектов проката. Эти дефекты можно считать исход ными микротрещинами, дополняющими микротрещины, образующиеся в результате циклического неупругого деформирования [12]. В связи с ло кальной циклической пластичностью около дефектов неупругие деформа ции образцов с прокатной коркой проявляются при меньших наработках, чем у образцов без прокатной корки (на рис. 4,б кривые 1, 2). 22 ISSN 0556-171Х. Проблемыы прочности, 2001, № 1 Усталость малоуглеродистых и низколегированных сталей Анализ результатов испытания на усталость и неупругость стали 15кп показывает, что она деформируется со значительными неупругими дефор мациями во всем диапазоне долговечностей многоцикловой усталости (по данным испытаний стандартных цилиндрических образцов диамет ром 5 мм). Это свойство в сочетании с особенностью ферритоперлитных сталей, к которым относится испытуемая сталь, деформироваться неупруго с образованием сети поверхностных микротрещин [12] приводит к снижению концентрации напряжений, возникающей около поверхностных дефектов проката, а также незначительному снижению характеристик сопротивления усталости в условиях концентрации напряжений [4]. Высокая циклическая пластичность стали 15кп, проявляющаяся даже на пределе выносливости, по-видимому, позволяет ей быть конкурентоспособной по сравнению с более высокопрочными низколегированными сталями при использовании в конструкции диска колеса грузовых автомобилей. Из полученных результатов также следует вывод, касающийся методики исследования усталости и неупругости металлов. Учитывая предложенную трактовку о вкладе в неупругое циклическое деформирование металлов поверхностных слоев и внутренних объемов, характеристики неупругости необходимо определять по данным испытаний стандартных образцов ма лого диаметра, как это рекомендуется в нормативном документе [8]. При этом будут получены необходимые данные по неупругости, которые необ ходимо использовать при расчете напряженно-деформированного состояния и долговечности в зонах локального изменения напряжений под влиянием конструкционных, технологических и эксплуатационных факторов. Принимая во внимание поставленную задачу исследования, далее вы полнены усталостные испытания стандартных образцов малого диаметра при наличии концентратора напряжений, очага фреттинга, а также гладких образцов с измерением циклических неупругих деформаций. Влияние концентрации напряжений и фреттинга. Исследования проведены на цилиндрических образцах диаметром 5 мм из сталей 15 кп, 20кп, 22Г2ТЮ, 08ГСЮТ, 15Г2АФДпс. Концентраторы выполнены в виде отверстий диаметром 1 мм (теоретический коэффициент концентрации на пряжений а а = 2,6), а очаги фреттинга инициировались П-образными на кладками из стали 45, прижимаемыми к поверхности образца с номиналь ным контактным давлением 120 МПа, что отражает условия контакта диска колеса со ступицей. По результатам испытаний на рис. 5 построены кривые усталости гладких образцов, образцов с концентратором напряжений и очагами фрет тинга, а также диаграммы циклического деформирования и зависимости К а = / (п ) и К фр = / ( п ), определяемые соотношениями: (3) (4) ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, № 1 23 Г. В. Цыбанев, С. Л. Пономарев где о а ( N ), о а ( N ), о а ( N ) - значения амплитуд напряжений, соответст-к фр вующие одной и той же долговечности, для гладких образцов, образцов с концентратором напряжений и очагом фреттинга, определенные по кривым усталости. Сталь 15кп 8, мм/ мм Сталь 20кп о N ,цикл Б, мм/мм Сталь 22Г2ТЮ 105 106 п,цикл 107 Сталь 08ГСЮТ 106 п.цикл в Р и с . 5. Результаты испытания образцов круглого сечения из малоуглеродистых и низколегированных сталей: гладких (1), образцов с концентратором (2) и с очагом фреттинга (3) - а, диаграммы циклического деформирования (4) и упругая зависимость о — £ (5 )- б, а также зависимости Ка , К фр от долговечности п - в. 24 ШБЫ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, № 1 Усталость малоуглеродистых и низколегированных сталей Анализ данных (рис. 5) показывает, что наиболее высокие характе ристики сопротивления усталости наблюдаются у испытанных низколеги рованных сталей, среди которых сталь 22Г2ТЮ имеет самый высокий предел выносливости (о— = 290 МПа). Несколько ниже пределы вынос ливости у сталей 08ГСЮТ и 15Г2АФДпс (250 МПа). Пределы выносливости малоуглеродистых сталей 15кп и 20кп несколько ниже, чем низколегиро ванных, и соответственно составляют 180 и 195 МПа. Этот результат закономерен, так как более высокопрочные стали при статическом нагру жении имеют более высокие характеристики сопротивления усталости при испытании гладких образцов. В случае наличия концентрации напряжений и фреттинга имеют место другие закономерности в соотношениях характеристик сопротивления уста лости малоуглеродистых и низколегированных сталей. Так, например, пре дел выносливости образцов с концентратором из стали 08ГСЮТ составляет 115 МПа, такой же предел выносливости имеет и сталь 15кп, самая низко прочная из исследуемых. Эффективный коэффициент концентрации напря жений К о для стали 08ГСЮТ на пределе выносливости составляет 2,17. Этим она отличается от остальных испытанных сталей, у которых снижение предела выносливости при наличии концентратора меньше, К о =1,3...1,56. Некоторое качественное объяснение этого факта может быть дано на основе анализа циклических пластических свойств исследованных сталей. Из диа грамм циклического деформирования следует, что большинство этих сталей характеризуется наличием петель гистерезиса в области ниже предела вы носливости гладких образцов (стали 15кп, 20кп, 15Г2АФДпс) или около предела выносливости (сталь 22Г2ТЮ), в то время как циклическая плас тичность стали 08ГСЮТ проявляется при более высоких напряжениях. Цик лическая пластичность сталей позволяет смягчать их условия деформиро вания в концентраторе напряжений как за счет актов скольжения в благо приятно расположенных кристаллографических плоскостях [14], так и за счет раскрытия возникших в процессе усталости поверхностных несплош- ностей [12, 15]. В случае фреттинг-усталости роль неупругости как положительного фактора становится неоднозначной. Из результатов испытаний (рис. 5) сле дует, что степень снижения предела выносливости в условиях фреттинга у стали 15Г2АФДпс, обладающей наиболее высоким уровнем циклической пластичности среди всех исследованных материалов, такая же, как и у стали 08ГСЮТ с наименьшей циклической пластичностью. Полученные результаты позволяют также отметить закономерность бо лее значительного снижения пределов фреттинг-выносливости у низколеги рованных сталей по сравнению с малоуглеродистыми. Так, наиболее проч ная из исследованных сталей низколегированная 22Г2ТЮ имеет предел выносливости в условиях фреттинга 150 МПа, в то время как малоугле родистая сталь 20кп - 175 МПа. Сравнение значений К фр для низко легированных сталей показывает, что их величины на пределе выносли вости близки и составляют ~ 2 ,0, в то время как для малоуглеродистых сталей 20кп и 15кп они составляют 1,33 и 1,11 соответственно. Анализ результатов исследования усталости сталей свидетельствует об отсутствии ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, № 1 25 Г. В. Цыбанев, С. Л. Пономарев однозначной взаимосвязи характеристик их сопротивления фреттинг-уста- лости с циклической пластичностью и характеристиками, получаемыми при усталости в концентраторах напряжений, а также с характеристиками проч ности и пластичности при статическом нагружении [4]. Такое обобщение предполагает дальнейший поиск параметров, позволяющих оценивать рабо тоспособность сталей в условиях фреттинг-усталости. В ы в о д ы 1. Несоответствие испытанных типов автомобильных колес норматив ному показателю надежности и долговечности обусловлено недостаточным уровнем усталостных характеристик малоуглеродистой стали 15кп, исполь зуемой для изготовления диска колеса. Усталостное разрушение диска в эксплуатации - основная причина отказа работы колеса. 2. В большинстве случаев усталостные трещины в диске колеса зарож даются из концентраторов напряжений в виде крепежных и вентиляционных отверстий, а также в результате фреттинг-усталости в соединении диск- ступица. Предложена схема развития усталостной трещины в диске колеса в условиях фреттинга. 3. Изучены усталость и неупругость стали 15кп, традиционно исполь зуемой в дисках автомобильных колес. Отмечена ее высокая циклическая пластичность в области многоцикловой усталости, позволяющая снижать влияние дефектов проката и геометрических концентраторов напряжений на долговечность. Предложена трактовка реализации неупругого циклического деформирования сталей ферритоперлитного класса. Сделан вывод о право мерности определения неупругих характеристик материалов по результатам испытаний образцов малого диаметра. 4. Циклическая пластичность как малоуглеродистых, так и низколеги рованных сталей приводит к невысоким значениям эффективных коэффи циентов концентрации напряжений. При наличии очагов фреттинга уста лостные характеристики низколегированных сталей снижаются более су щественно по сравнению с таковыми малоуглеродистых независимо от уровня циклической пластичности. Для оценки работоспособности сталей в условиях фреттинг-усталости требуется дальнейший поиск параметров, от ражающих степень совместимости контактирующих материалов во фрет- тинг-паре. Р е з ю м е Наведено та проаналізовано результати експлуатаційних і стендових дослід жень дискових автомобільних коліс. Установлено, що основна причина їх відмови в експлуатації - зародження і ріст втомних тріщин у дискові з кріпильних та вентиляційних отворів, а також наслідок фретингу у контак туючій парі маточина-диск. Циклічну пластичність, концентрацію напру жень і фретинг досліджено при циклічному навантаженні низьколегованих та маловуглецевих сталей, що використовуються в автомобілебудуванні. Показана необхідність пошуку параметрів для оцінки працездатності ста лей в умовах фретинг-втоми. 26 ISSN 0556-171Х. Проблемыы прочности, 2001, № 1 Усталость малоуглеродистых и низколегированных сталей 1. Я ц е н к о H . Н . Колебания, прочность и форсированные испытания гру зовых автомобилей. - М.: Машиностроение, 1972. - 372 с. 2. Б а ла б и н И . В ., В а зи н ге р В. К ., В а с и л ь е в A . К . и др. Автотракторные колеса: Справочник. - М.: Машиностроение, 19S5. - 272 с. 3. Т р о щ ен ко В. Т., Ц ы б а н е в Г . В ., З о р и н В. В . и др. Усталостное разру шение сталей и дисков колес автомобилей и рекомендации по их расчетам на прочность. Влияние различных факторов на характерис тики сопротивления усталости сталей и колес. - Киев, 19SS. - 4б с. (Препр. / АН УССР, Ин-т пробл. прочности). 4. П о н о м а р е в С. Л . Разработка и экспериментальное обоснование метода прогнозирования усталостной долговечности конструкционных эле ментов с учетом концентрации напряжений и фреттинг-коррозии: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Киев, 1992. - 1б с. 5. К а с а т к и н Б. С., М у с и я ч е н к о В. Ф., В а х н и н Ю . Н . Повышение надеж ности и долговечности сварных конструкций на основе применения высокопрочных сталей // Надежность и долговечность машин и соору жений. - 19S2. - № 1. - С. 102 - 112. 6. О сн о вн ы е направления экономии и рационального использования ме талла в автотракторостроении // Докл. Всесоюз. науч.-техн. конф. (Челябинск, окт., 1994 г.). - Челябинск: Дом научн. техн. пропаганды, 19S4. - 395 с. 7. Т р о щ ен ко В. Т. Деформирование и разрушение металлов при много цикловом нагружении. - Киев: Наук. думка, 19S1. - 343 с. S. М е т о д и ч е с к и е указания. Расчеты и испытания на прочность в машино строении. Методы механических испытаний металлов. Методы уско ренного определения предела выносливости, основанные на деформа ционных критериях. - Киев, 1979. - 37 с. (АН УССР, Ин-т пробл. прочности). 9. P a n g b o rn R. N ., W eissm a n n S., K r a m e r J. R . Work hardening in the surface layer and in bulk during fatigue // Scr. met. - 197S. - 12, N 2. - P. 129 - 131. 10. И ва н о ва В. С. Разрушение металлов. - М.: Металлургия, 1979. - 1б7 с. 11. P o h e K ., M a y r P ., M a c h e ra u c h E . Persistent slip bands in the interior of a fatigued low carbon steel // Scr. met. - 19S0. - 14, N 11. - P. 11б7 - 11б9. 12. Т р о щ ен ко В. Т., Д р а г а н В. И . Исследование закономерностей неупру гого деформирования и усталостного разрушения металлов при кру чении // Пробл. прочности. - 19S2. - № 5. - С. 3 - 10. 13. Т р о щ ен ко В. Т., Х а м а з а Л . A ., Ц ы б а н е в Г . В . Методы ускоренного определения пределов выносливости металлов на основе деформаци онных и энергетических критериев. - Киев: Наук. думка, 1979. - 175 с. 14. М а к Л и н . Механические свойства металлов: Пер. с англ. - М.: Метал лургия, 19б5. - 431 с. 15. Ц ы б а н е в Г . В . Оценка циклической долговечности образцов с концен траторами напряжений по величине раскрытия надреза // Пробл. проч ности. - 19S7. - № 3. - С. 2б - 30. Поступила 15. 12. 99 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2001, M 1 21
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-46552
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	0556-171X
language	Russian
last_indexed	2025-12-07T17:27:35Z
publishDate	2001
publisher	Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
record_format	dspace
spelling	Цыбанев, Г.В. Пономарев, С.Л. 2013-06-30T19:58:08Z 2013-06-30T19:58:08Z 2001 Усталость малоуглеродистых и низколегированных сталей для автомобильной промышленности. Сообщение 1. Влияние концентрации напряжений и фреттинга на долговечность натурных автомобильных колес и образцов / Г.В. Цыбанев, С.Л. Пономарев // Проблемы прочности. — 2001. — № 1. — С. 17-27. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. 0556-171X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46552 539.43 Приведены и проанализированы результаты эксплуатационных и стендовых испытаний дисковых автомобильных колес. Установлено, что основная причина их отказа в эксплуатации - зарождение и рост усталостных трещин в диске из крепежных и вентиляционных отверстий, а также результат фреттинга в контактирующей паре ступица-диск. Циклическая пластичность, концентрация напряжений и фреттинг исследованы при циклическом нагружении низколегированных и малоуглеродистых сталей, используемых в автомобилестроении. Показана необходимость поиска параметров для оценки работоспособности сталей в условиях фреттинг-усталости. Наведено та проаналізовано результати експлуатаційних і стендових досліджень дискових автомобільних коліс. Установлено, що основна причина їх відмови в експлуатації - зародження і ріст втомних тріщин у дискові з кріпильних та вентиляційних отворів, а також наслідок фретингу у контактуючій парі маточина-диск. Циклічну пластичність, концентрацію напружень і фретинг досліджено при циклічному навантаженні низьколегованих та маловуглецевих сталей, що використовуються в автомобілебудуванні. Показана необхідність пошуку параметрів для оцінки працездатності сталей в умовах фретинг-втоми. We present and analyze the results of service and full-scale tests of disk automobile wheels. We determined the main cause of their failure is initiation and propagation of fatigue cracks in the disk from fastening and ventilation holes, as well as fretting process in the hub-disk contacting pair. We studied the cyclic plasticity, stress concentration and fretting zones in low-carbon and low-alloyed steels used in automobile industry under cyclic loading conditions. It is shown that the a special parameter should be found and used as a criterion for the assessment of serviceability of steels under fretting-fatigue conditions. ru Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України Проблемы прочности Научно-технический раздел Усталость малоуглеродистых и низколегированных сталей для автомобильной промышленности. Сообщение 1. Влияние концентрации напряжений и фреттинга на долговечность натурных автомобильных колес и образцов Fatigue of Low-Carbon and Low-Alloyed Steels for Automobile Industry. Part 1. Influence of Stress Concentration and Fretting on Durability of Full-Scale Automobile Wheels and Disks Article published earlier
spellingShingle	Усталость малоуглеродистых и низколегированных сталей для автомобильной промышленности. Сообщение 1. Влияние концентрации напряжений и фреттинга на долговечность натурных автомобильных колес и образцов Цыбанев, Г.В. Пономарев, С.Л. Научно-технический раздел
title	Усталость малоуглеродистых и низколегированных сталей для автомобильной промышленности. Сообщение 1. Влияние концентрации напряжений и фреттинга на долговечность натурных автомобильных колес и образцов
title_alt	Fatigue of Low-Carbon and Low-Alloyed Steels for Automobile Industry. Part 1. Influence of Stress Concentration and Fretting on Durability of Full-Scale Automobile Wheels and Disks
title_full	Усталость малоуглеродистых и низколегированных сталей для автомобильной промышленности. Сообщение 1. Влияние концентрации напряжений и фреттинга на долговечность натурных автомобильных колес и образцов
title_fullStr	Усталость малоуглеродистых и низколегированных сталей для автомобильной промышленности. Сообщение 1. Влияние концентрации напряжений и фреттинга на долговечность натурных автомобильных колес и образцов
title_full_unstemmed	Усталость малоуглеродистых и низколегированных сталей для автомобильной промышленности. Сообщение 1. Влияние концентрации напряжений и фреттинга на долговечность натурных автомобильных колес и образцов
title_short	Усталость малоуглеродистых и низколегированных сталей для автомобильной промышленности. Сообщение 1. Влияние концентрации напряжений и фреттинга на долговечность натурных автомобильных колес и образцов
title_sort	усталость малоуглеродистых и низколегированных сталей для автомобильной промышленности. сообщение 1. влияние концентрации напряжений и фреттинга на долговечность натурных автомобильных колес и образцов
topic	Научно-технический раздел
topic_facet	Научно-технический раздел
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46552
work_keys_str_mv	AT cybanevgv ustalostʹmalouglerodistyhinizkolegirovannyhstaleidlâavtomobilʹnoipromyšlennostisoobŝenie1vliâniekoncentraciinaprâženiiifrettinganadolgovečnostʹnaturnyhavtomobilʹnyhkolesiobrazcov AT ponomarevsl ustalostʹmalouglerodistyhinizkolegirovannyhstaleidlâavtomobilʹnoipromyšlennostisoobŝenie1vliâniekoncentraciinaprâženiiifrettinganadolgovečnostʹnaturnyhavtomobilʹnyhkolesiobrazcov AT cybanevgv fatigueoflowcarbonandlowalloyedsteelsforautomobileindustrypart1influenceofstressconcentrationandfrettingondurabilityoffullscaleautomobilewheelsanddisks AT ponomarevsl fatigueoflowcarbonandlowalloyedsteelsforautomobileindustrypart1influenceofstressconcentrationandfrettingondurabilityoffullscaleautomobilewheelsanddisks

Institution

Similar Items