blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2019-10-796-802blackmet-1737Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEИЗМЕНЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СОПРОТИВЛЕНИЯ УСТАЛОСТИ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СПЕКТРАХ НАГРУЖЕНИЯCHANGES IN FATIGUE RESISTANCE OF STRUCTURAL STEELS AT DIFFERENT LOADING SPECTRAМыльниковВ. В.Myl’nikovV. V.

 к.т.н., доцент кафедры «Технологии строительства»

603950,  Нижний Новгород, ул. Ильинская, 65

Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor of the Chair “Building Technology”

mrmylnikov@mail.ruШетуловД. И.ShetulovD. I.

д.т.н., профессор кафедры «Материаловедение, технология материалов и термическая обработка металлов»

603950,  Нижний Новгород, ул. Минина, 24

Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Chair “Materials Science, Technology of Materials and Heat Treatment of Metals”

shetulov@mail.ruКондрашкинО. Б.KondrashkinO. B.

 к.т.н., доцент, заведующий кафедрой «Технологии строительства» 

603950,  Нижний Новгород, ул. Ильинская, 65

Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor, Head of the Chair “Building Technology”

tsp-nngasu@mail.ruЧернышовЕ. А.ChernyshovE. A.

д.т.н., профессор кафедры «Металлургические технологии и оборудование»

603950,  Нижний Новгород, ул. Минина, 24

Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Chair “Metallurgical Technology and Equipment”

taep@nntu.ruПронинА. И.ProninA. I.

к.т.н., доцент кафедры «Технология машиностроения» 

681013,  Хабаровский край, Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27

Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor of the Chair “Engineering Technology”

mdsov@knastu.ruНижегородский государственный архитектурно-строительный университетРоссияNizhny Novgorod State University of Architecture, Building and Civil EngineeringRussian FederationНижегородский государственный технический университет им. Р.Е. АлексееваРоссияNizhny Novgorod State Technical University named after R.E. AlekseevRussian FederationКомсомольский-на-Амуре государственный университетРоссияKomsomolsk-on-Amur State UniversityRussian Federation2019021120196210796802Copyright © Мыльников В.В., Шетулов Д.И., Кондрашкин О.Б., Чернышов Е.А., Пронин А.И., 20192019Мыльников В.В., Шетулов Д.И., Кондрашкин О.Б., Чернышов Е.А., Пронин А.И.Myl’nikov V.V., Shetulov D.I., Kondrashkin O.B., Chernyshov E.A., Pronin A.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1737

Исследовали на усталостную прочность широко используемые машиностроительные конструкционные стали при различных частотах нагружения по схеме консольного изгиба вращающихся цилиндрических образцов. За показатель сопротивления усталости принят  тангенс угла наклона кривой усталости к оси долговечности. Установлено, что стали 40 и 45 относятся к группе материалов, у которых  уменьшение частоты нагружения приводит к циклическому разупрочнению и понижению сопротивления усталости, что численно выражается возрастанием наклона кривой усталости. Испытания образцов из стали 40Х показали, что увеличение частоты циклов нагружения  приводит к заметному уменьшению параметра наклона кривой усталости, т.е. к повышению сопротивления усталости. Понижение величины параметра сопротивления усталости связано с повышением упрочняемости материала поверхностных слоев образцов (деталей),  что снижает усталостную повреждаемость собственно поверхности. Приведена зависимость тангенса наклона кривой усталости от повреждаемости поверхности при изменении частоты циклов нагружения и показано, что независимо от частоты при увеличении наклона  кривой усталости повреждаемость поверхностных слоев материала увеличивается. Для каждой из этих групп определены математические  соотношения. За критерий стабильности циклического поведения сталей был принят коэффициент корреляции, показывающий степень  сходимости полученных экспериментальных результатов с построенной кривой усталости. Выявлено, что увеличение стабильности поведения стали 40Х наблюдается при повышении скорости циклического деформирования. Испытания стали марки 45 показали, что уменьшение циклической прочности при увеличении частоты нагружения не сказывается на усталостной стабильности работы материала. Увеличенный разброс экспериментальных результатов наблюдали у стали 40 при низкой частоте нагружения, несмотря на высокие значения  циклической прочности при заданной частоте нагружения. На основании проведенных экспериментов обозначена динамика поведения  реальных деталей машин и конструкций, подверженных циклическим нагрузкам, работающих в исследованном спектре нагружения.

Fatigue strength of widely used engineering structural steels was  studied at various frequencies of loading according to the scheme of  cantilever bending of the rotating cylindrical samples. Fatigue resistance index is tangent of angle of inclination of fatigue curve to axis  of longevity. It is established that 40 and 45 steels belong to the group  of materials in which decrease in frequency of loading leads to cyclic  softening and decrease in fatigue resistance, which is numerically expressed by increasing slope of fatigue curve. Tests of the samples made  of 40X steel had shown that increase in frequency of loading cycles  leads to a noticeable decrease in slope of fatigue curve parameter, i.e.  to an increase in fatigue resistance. Decrease in fatigue resistance parameter is associated with an increase in hardening of material of the  samples (parts) surface layers which reduces fatigue damage to the  surface itself. Dependence of the fatigue curve slope tangent on surface damage at changing loading cycles frequency is shown and it is  stated that, regardless of frequency, damage of material surface layers  increases along the slope of fatigue curve. For each of these groups  mathematical relations are defined. The correlation coefficient providing degree of convergence of experimental results with the constructed fatigue curve was adopted as a criterion of cyclic behavior stability  of steels. It is revealed that increase in behavior stability of 40X steel  is observed with increase in cyclic deformation rate. Tests of 45  steel  have shown that decrease in cyclic strength with increase in loading  frequency does not affect fatigue stability of material. Increased dispersion of experimental results was observed in 40 steel at low loading  frequency, despite the high values of cyclic strength at given loading  frequency. On the basis of conducted experiments, dynamics of behavior of real machine parts and structures subjected to cyclic loads  operating was determined in the studied loading spectrum.

частота циклов нагружения сопротивление усталости прочность долговечность машиностроительная сталь упрочнение  повреждаемость поверхностиfrequency of loading cycles fatigue resistance strength durability engineering steel hardening surface damageReferencesТерентьев В.Ф., Кораблева С.А. Усталость металлов. – M.: Наука, 2015. – 479 c.Terent’ev V.F., Korableva S.A. Ustalost’ metallov [Metal fatigue].  Moscow: Nauka, 2015, 479 p. (In Russ.).Suresh S. Fatigue of metals. Cambridge University Press, 2006. – 701 p.Suresh S. Fatigue of metals. Cambridge University Press, 2006, 701  p. Fatigue of steels modified by high intensity electron beams / V.E. Gro mov, Yu.F. Ivanov, S.V. Vorobiev, S.V Konovalov. – Cambridge, 2015. – 272 р.Gromov V.E., Ivanov Yu.F., Vorobiev S.V., Konovalov S.V. Fatigue of steels modified by high intensity electron beams. Cambridge,  2015, 272 p.Honeycombe R.W.K. The Plastic Deformation of Metals. – London: Edward Arnold Ltd., 1984. – 483 p.Honeycombe R.W.K. The Plastic Deformation of Metals. London:  Edward Arnold Ltd., 1984, 483 p.Vitaliy Kazymyrovych. Very high cycle fatigue of engineering materials – A literaturereview. – Karlstad University Studies, 2009. – 22 р.Kazymyrovych V. Very high cycle fatigue of engineering materials – A literature review. Karlstad University Studies, 2009, 22 p.Панин В.Е. Физическая мезомеханика материалов. Т. 1. Под ред. С.Г. Псахье. – Томск: изд. ТГУ, 2015. – 462 с.Panin V.E. Fizicheskaya mezomekhanika materialov. Tom 1 [Physical mesomechanics of materials. Vol. 1]. Psakh’e S.G. ed. Tomsk:  TGU, 2015, 462 p. (In Russ.).Владимиров В.И. Физическая природа разрушения металлов. – М.: Металлургия, 1984. – 280 с.Vladimirov V.I. Fizicheskaya priroda razrusheniya metallov [Physical nature of metals destruction]. Moscow: Metallurgiya, 1984,  280  p. (In Russ.).Шанявский А.А. Безопасное усталостное разрушение элементов авиаконструкций. Синергетика в инженерных приложениях. – Уфа: Монография, 2003. – 803 с.Shanyavskii A.A. Bezopasnoe ustalostnoe razrushenie elementov aviakonstruktsii. Sinergetika v inzhenernykh prilozheniyakh [Safe  fatigue failure of aircraft components. Synergy in engineering applications]. Ufa: Monografiya, 2003, 803 p. (In Russ.).Мак-Ивили А.Дж. Анализ аварийных разрушений / Пер. с анг. Э.М. Лазарева, И.Ю. Шкадиной. Под. ред. Л.Р. Ботвиной. – М.: Техносфера, 2010. – 416 с.McEvily A.J. Metal Failures: Mechanisms, Analysis, Prevention.  New York: Wiley, 2002, 324 p. (Russ.ed.: McEvily A.J. Analiz avariinykh razrushenii. Moscow: Tekhnosfera, 2010, 416 p.).Schijve J. Fatigue of Structures and Materials in the 20th Century and the State of the Art // International Journal of Fatigue. 2003. Vol. 25. P. 679-702.Schijve J. Fatigue of structures and materials in the 20th century and  the state of the art. International Journal of Fatigue. 2003, vol.  25,  pp. 679–702.Школьник Л.М. Методика усталостных испытаний. Справочник. – М.: Металлургия, 1978. – 304 с.Shkol’nik L.M. Metodika ustalostnykh ispytanii. Spravochnik [Fatigue testing technique. Reference book]. Moscow: Metallurgiya,  1978, 304 p. (In Russ.).Трощенко В.Т., Сосновский Л.А. Сопротивление усталости металлов и сплавов. – Киев: Наукова думка, 1987. – 1303 с.Troshchenko V.T., Sosnovskii L.A. Soprotivlenie ustalosti metallov i splavov [Fatigue resistance of metals and alloys]. Kiev: Naukova  dumka, 1987, 1303 p. (In Russ.).Иванова В.С., Шанявский А.А. Количественная фрактография. Усталостное разрушение. – М.: Металлургия, 1988. – 399 с.Ivanova V.S., Shanyavskii A.A. Kolichestvennaya fraktografiya. Ustalostnoe razrushenie [Quantitative fractography. Fatigue fracture]. Moscow: Metallurgiya, 1988, 399 p. (In Russ.).Технология комплексного исследования разрушения деформированных металлов и сплавов в разных условиях нагружения. Учебн. пособие / Г.В. Пачурин, А.Н. Гущин, К.Г. Пачурин, Г.В. Пименов. – Нижний Новгород: изд. Нижегородского гос. университета, 2005. – 141 с.Pachurin G.V., Gushchin A.N., Pachurin K.G., Pimenov G.V. Tekhnologiya kompleksnogo issledovaniya razrusheniya deformirovannykh metallov i splavov v raznykh usloviyakh nagruzheniya. Ucheb. posobie [Technology of comprehensive study of destruction of deformed metals and alloys under different loading conditions. Manual]. Nigny Novgorod: izd NGU, 2005, 141 p. (In Russ.).Haw-Ming Huang, Wei-Jen Chang, Nai-Chia Teng, Hung-Lung Lin, and Sung-Chih Hsieh. Structural Analysis of Cyclic-loaded NickelTitanium Rotary Instruments by Using Resonance Frequency as a Parameter // JOE. 2011.Vol. 37. Nо. 7. Р. 993 – 996.Haw-Ming Huang, Wei-Jen Chang, Nai-Chia Teng, Hung-Lung  Lin,  and  Sung-Chih  Hsieh.  Structural  analysis  of  cyclic-loaded  nickel-titanium rotary instruments by using resonance frequency as  a parameter. JOE. 2011, vol. 37, no. 7, pp. 993–996.Коцаньда С. Усталостное растрескивание металлов / Пер. с польск. Г.Н. Мехеда. Под ред. С.Я. Яремы. – М.: Металлургия, 1990. – 432 с.Kotsan’da S. Ustalostnoe rastreskivanie metallov [Fatigue cracking  of metals]. Trans. from Polish. Yarema S.Ya. ed. Moscow: Metallurgiya, 1990, 432 p. (In Russ.).Weiss T. ASTM Bulletin. 1949. February. P. 188; Р. 31.Weiss T., ASTM Bulletin, 1949, February, p. 188; p. 31.Proceedings of the International Conference VHCF-5, June 28 – 30, 2011, Berlin. Edited by C. Berger, H.-J. Christ. Berlin, Germany: DVM, 2011. – 980 p.Proceedings of the Int. Conf. VHCF-5, June 28-30, 2011, Berlin. Berger C., Christ H.-J. eds. Berlin, Germany: DVM, 2011, 980 p.Сулима А.М., Евстигнеев М.И. Качество поверхностного слоя и усталостная прочность деталей из жаропрочных и титановых сплавов. – М.: Машиностроение, 1974. – 255 с.Sulima A.M., Evstigneev M.I. Kachestvo poverkhnostnogo sloya i ustalostnaya prochnost’ detalei iz zharoprochnykh i titanovykh splavov [Surface layer quality and fatigue strength of parts made  of heat-resistant and titanium alloys]. Moscow: Mashinostroenie,  1974, 255 p. (In Russ.).Yakovleva T.Yu., Matokhnyuk L.E. Prediction of Fatigue Characteristics of Metals at Different Loading Frequences // Strength of Materials. 2004. Vol. 36. Nо. 4. Р. 442-448.Yakovleva T.Yu., Matokhnyuk L.E. Prediction of fatigue characteristics of metals at different loading frequencies. Strength of Materials. 2004, vol. 36, nо. 4, pp. 442–448.Ясний П.В., Марущак П.О., Панин С.В., Любутин П.С., Баран Д.Я., Овечкин Б.Б. Стадийность деформирования материала и кинетика роста усталостной трещины в стали 25Х1М1Ф при низких частотах нагружения // Физическая мезомеханика. 2012. Т. 15. № 2. С. 97 – 107.Yasnii P.V., Marushchak P.O., Panin S.V., Lyubutin P.S., Ba ran  D.Ya.,  Ovechkin B.B. The stages of material deformation and growth kinetics of fatigue crack in 25Kh1M1F steel at low loading frequencies. Fizicheskaya mezomekhanika. 2012, vol. 15, no. 2, pp. 97–107.  (In Russ.).Konovalov S., Aksenova K., Gromov V., Ivanov Yu., Semina O. The influence of electron beam treatment on alloy structure destroyed at high-cycle fatigue // Key Engineering Materials. 2016. January. Vol. 675-676. P. 655 – 659.Konovalov S., Aksenova K., Gromov V., Ivanov Yu., Semina O. The  influence of electron beam treatment on alloy structure destroyed at  high-cycle fatigue. Key Engineering Materials. 2016, vol. 675-676,  pp. 655–659.Mughrabi H., Christ H. - J. Cyclic deformation and fatigue of selected ferritic and austenitic steels; specific aspects // ISIJ International. 1997. Vol. 37. No. 12. P. 1154 – 1169.Mughrabi H., Christ H. - J. Cyclic deformation and fatigue of selected ferritic and austenitic steels; specific aspects. ISIJ International.  1997, vol. 37, no. 12, pp. 1154–1169.Musuva J. K. Radon J. C. The effect of stress ratio and frequency on fatigue crack growth // Fatigue of Eng. Materials and Structures. 1979. Vol. 1. P. 457-470.Musuva J. K. Radon J. C. The effect of stress ratio and frequency  on fatigue crack growth. Fatigue of Eng. Materials and Structures.  1979, vol. 1, pp. 457–470.Marines I., Bin X. and Bathias C. An understanding of very high cycle fatigue of metals // International Journal of Fatigue. 2003. Vol. 25. No. 9-11. Р. 1101 – 1107.Marines I., Bin X., Bathias C. An understanding of very high cycle  fatigue of metals. International Journal of Fatigue. 2003, vol. 25,  no. 9-11. pp. 1101–1107.Mylnikov V.V., Shetulov D.I., Chernyshov E.A. Variation in faktors of fatigue resistance for som pure metals as a function of the freguensy of loading cycles // Russ. J. Non-Ferr. Met. 2010. Vol. 51. No. 3. P. 237 – 242.Mylnikov V.V., Shetulov D.I., Chernyshov E.A. Variation in factors of fatigue resistance for some pure metals as a function of the frequency of loading cycles. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2010, vol. 51,  no. 3, pp. 237–242.Шетулов Д.И. Связь сопротивления циклической нагрузке с повреждаемостью поверхности металлов // Изв. Академии наук. Металлы. 1991. № 5. С. 160.Shetulov D.I. Relation of resistance to cyclic loading with metals  surface damage. Izv. Akademii Nauk. Metally. 1991, no. 5, pp. 160.  (In Russ.).Mylnikov V.V., Shetulov D.I., Chernyshov E.A. Investigation into the Surface Damage of Pure Metals Allowing for the Cyclic Loading Frequency // Russ. J. Non-Ferr. Met. 2013. Vol. 54. No. 3. P. 229 – 233.Myl’nikov V.V., Shetulov D.I., Chernyshov E.A. Investigation  into the surface damage of pure metals allowing for the cyclic  loading frequency. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2013, vol. 54, no. 3,  pp. 229–233.Mylnikov V.V., Shetulov D.I., Chernyshev E.A. On Evaluation of Durability Criteria in Carbon Steels // Metals Technology. 2010. No. 2. С. 19 – 22.Myl’nikov V.V., Shetulov D.I., Chernyshev E.A. On evaluation of  durability criteria in carbon steels. Metals Technology. 2010, no. 2,  pp. 19–22.Мыльников В.В., Чернышов Е.А., Шетулов Д.И. Влияние частоты циклического нагружения на сопротивление усталости высокопрочных конструкционных материалов // Заготовительные производства в машиностроении. 2009. № 2. С. 33 – 36.Myl’nikov V.V., Chernyshov E.A., Shetulov D.I. Influence of cyclic  loading frequency on fatigue resistance of high-strength structural  materials. Zagotovitel’nye proizvodstva v mashinostroenii. 2009,  no. 2, pp. 33–36. (In Russ.).Мыльников В.В. О влиянии частоты приложения нагрузки на сопротивление усталости материалов // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2016. № 6-2. С. 202 – 205.Myl’nikov V.V. On the effect of load application frequency on fatigue resistance of materials. Mezhdunarodnyi zhurnal prikladnykh i fundamental’nykh issledovanii. 2016, no. 6-2, pp. 202–205. (In  Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.