blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2023-3-367-375blackmet-2562Research ArticleИННОВАЦИИ В МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОМ ПРОМЫШЛЕННОМ И ЛАБОРАТОРНОМ ОБОРУДОВАНИИ, ТЕХНОЛОГИЯХ И МАТЕРИАЛАХINNOVATIONS IN METALLURGICAL INDUSTRIAL AND LABORATORY EQUIPMENT, TECHNOLOGIES AND MATERIALSМетод изучения частотной стабильности материалов при испытаниях на многоцикловую усталость сталиA method for studying the frequency stability of materials during tests for multi-cycle fatigue of steelhttps://orcid.org/0000-0001-5545-4163МыльниковВ. В.Myl’nikovV. V.

Владимир Викторович Мыльников, к.т.н., доцент кафедры «Технологии строительства»

Россия, 603950, Нижний Новгород, ул. Ильинская, 65

Vladimir V. Myl’nikov, Cand. Sci. (Eng.), Assist. Prof. of the Chair “Building Technology”

65 Il’inskaya Str., Nizhny Novgorod 603950, Russian Federation

mrmylnikov@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8023-316XДмитриевЭ. А.DmitrievE. A.

Эдуард Анатольевич Дмитриев, д.т.н., доцент, ректор

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

Eduard A. Dmitriev, Dr. Sci. (Eng.), Assist. Prof., Rector

27 Lenina Ave., Komsomolsk-on-Amur, Khabarovsk Territory 681013, Russian Federation

rector@knastu.ruНижегородский государственный архитектурно-строительный университетРоссияNizhny Novgorod State University of Architecture, Building and Civil EngineeringRussian FederationКомсомольский-на-Амуре государственный университетРоссияKomsomolsk-on-Amur State UniversityRussian Federation202303072023663367375Copyright © Мыльников В.В., Дмитриев Э.А., 20232023Мыльников В.В., Дмитриев Э.А.Myl’nikov V.V., Dmitriev E.A.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/2562

Для безаварийного функционирования и без потерь упругих и неупругих свойств особо ответственных элементов преобразователей электрических колебаний в механические в течение длительного периода циклической наработки необходимо, кроме исследования усталостных характеристик материалов, применяемых для их изготовления, исследовать эти сплавы и на частотную стабильность. Это связано с тем, что незначительные отклонения частоты собственных колебаний приводят к недопустимым погрешностям в работе такого рода высокоточных изделий. Для проведения  исследований разработана и сконструирована оригинальная установка, работающая в режиме автоколебаний, в которой осуществлено синусоидальное нагружение плоских образцов по «мягкой» схеме консольного изгиба. Частота циклического нагружения в установке генерируется импульсами тока, которые являются откликом на частоту собственных колебаний испытываемого образца, преобразованных с помощью электроники. В результате достигается частотное равенство в процессе испытаний. Разработан алгоритм расчета напряжений в зависимости от амплитуды нагружения образцов из стали разной геометрической формы. Показано, что напряжение на образце, рассчитанное по амплитуде деформации, во всех случаях на 8 – 10 % выше напряжения, рассчитанного по силе вне зависимости от формы образцов. Для верификации предложенного метода исследований проведены испытания мартенситно-стареющей стали на нагрузках, близких к пределу усталости, так как наибольший интерес представляет стабильность частоты в этом диапазоне. Получены частотные характеристики в многоцикловой области испытаний. Определено, что при наработке в 50 млн циклов нагружения изменение частоты составило 0,75 Гц. Выявлена динамика частотной стабильности: наиболее интенсивно частота менялась при первых 10 млн циклов нагружения, за это время она изменилась на 0,54 Гц.

For trouble-free operation without loss of elastic and inelastic properties of particularly critical elements of electrical-to-mechanical vibration converters during a long period of cyclic operation, it is necessary, in addition to studying the fatigue characteristics of materials used for their manufacture, to study these alloys for frequency stability, since minor deviations in the frequency of natural oscillations lead to unacceptable errors in the operation of such high-precision products. To carry out such studies, we developed and constructed an original installation, in which sinusoidal loading is carried out according to the “soft” scheme of flat samples cantilever bending operating in self-oscillation mode. The frequency of cyclic loading in this installation is generated by current pulses, which are a response to the frequency of the test sample natural oscillations converted using electronics.  As a result, frequency equality is achieved in the test process. An algorithm for calculating stresses depending on the loading amplitude of steel samples of different geometric shapes was developed. It is shown that the stress on the sample calculated by the deformation amplitude in all cases is 8 – 10 % higher than the stress calculated by the force, regardless of the shape of the proposed samples. To verify the proposed research method, martensitic-aging steel was tested at loads close to the fatigue limit, since frequency stability in this range is of great interest. We obtained the frequency characteristics in the multi-cycle test area. It was determined that with an operating time of 50 million loading cycles, the frequency change was 0.75 Hz. The dynamics of frequency stability was revealed: the frequency changed most intensively during the first 10 million loading cycles, during this time the frequency changed by 0.54 Hz.

стальусталостьамплитуда деформациичастота нагружениядолговечностьчастота собственных колебанийциклическая прочностьстабильность частотыsteelfatiguestrain amplitudeloading frequencydurabilitynatural oscillation frequencycyclic strengthfrequency stabilityReferencesШкольник Л.М. Методика усталостных испытаний: Справочник. Москва: Металлургия; 1978:304.Shkol’nik L.M. Fatigue Testing Methodology. Guide. Moscow: Metallurgiya; 1978:304. (In Russ.).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.2020.106035Gadolina 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.2020.106035Suresh S. Fatigue of Metals. Cambridge University Press; 2006:701.Suresh S. Fatigue of Metals. Cambridge University Press; 2006:701.Терентьев В.Ф., Кораблева С.А. Усталость металлов. Mосква: Наука; 2015:479.Terent’ev V.F., Korableva S.A. Fatigue of Metals. Moscow: Nauka; 2015:479. (In Russ.).Gromov V.E., Ivanov Yu.F., Vorobiev S.V., Konovalov S.V. Fatigue of Steels Modified by High Intensity Electron Beams. Cambridge; 2015:272.Gromov V.E., Ivanov Yu.F., Vorobiev S.V., Konovalov S.V. Fatigue of Steels Modified by High Intensity Electron Beams. Cambridge; 2015:272.Mughrabi H., Christ H.-J. Cyclic deformation and fatigue of selected ferritic and austenitic steels; specific aspects. ISIJ International. 1997;37(12):1154–1169. https://doi.org/10.2355/isijinternational.37.1154Mughrabi H., Christ H.-J. Cyclic deformation and fatigue of selected ferritic and austenitic steels; specific aspects. ISIJ International. 1997;37(12):1154–1169. https://doi.org/10.2355/isijinternational.37.1154Gadenin M.M. Study on damaging and fatigue life of const­ructions under single- and two-frequency loading modes based on deformational and energy approaches. Inorganic Materials. 2018;54(15):1543–1550. https://doi.org/10.1134/S0020168518150049Gadenin M.M. Study on damaging and fatigue life of const­ructions under single- and two-frequency loading modes based on deformational and energy approaches. Inorganic Materials. 2018;54(15):1543–1550. https://doi.org/10.1134/S0020168518150049Гаденин М.М. Влияние формы цикла нагружения на сопротивление циклическому деформированию и разрушению конструкционных материалов. Вестник научно-технического развития. 2010;(9(37)):15–19.Gadenin M.M. Influence of loading cycle form on resistance to cyclic deformation and destruction of structural mate­rials. Vestnik nauchno-tekhnicheskogo razvitiya. 2010;(9(37)): 15–19. (In Russ.).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 вузов. Черная Металлургия. 2019;62(10):796–802. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2019-10-796-802Myl’nikov V.V., Shetulov D.I., Kondrashkin O.B., Chernyshov E.A., Pronin A.I. Changes in fatigue resistance of structural steels at different loading spectra. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2019;62(10):796-802. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/0368-0797-2019-10-796-802Гаденин М.М. Расчетно-экспериментальная оценка роли соотношения частот в измерении долговечности при двухчастотных режимах деформирования. Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2019;85(1–1):64–71. https://doi.org/10.26896/1028-6861-2019-85-1-I-64-71Gadenin M.M. Calculation-and-experimental estimation of the role of the frequency ratio in changing the endurance at two-frequency deformation modes. Zavodskaya laboratoriya. Diagnostika materialov. 2019;85(1-1):64–71. (In Russ.). https://doi.org/10.26896/1028-6861-2019-85-1-I-64-71Troshchenko V.T., Khamaza L.A., Pokrovsky V.V., etc. Cyclic Deformation and Fatigue of Metals. Bily M. ed. Amsterdam: Elsevier; 1993:500.Troshchenko V.T., Khamaza L.A., Pokrovsky V.V., etc. Cyclic Deformation and Fatigue of Metals. Bily M. ed. Amsterdam: Elsevier; 1993:500.Головин С.А., Тихонова И.В. Температурная зависимость внутреннего трения и свойства деформированных малоуглеродистых сплавов железа. Деформация и разрушение материалов. 2013;(7):16–21.Golovin S.A., Tikhonova I.V. Temperature dependence of internal friction and properties of deformed low-carbon iron alloys. Deformatsiya i razrushenie materialov. 2013;(7): 16–21. (In Russ.).Головин С.А., Петрушина А.Г. Температурный спектр внутреннего трения чугунов. Известия вузов. Черная металлургия. 2009;52(9):51–54.Golovin S.A., Petrushina A.G. Temperature spectrum of internal friction of cast iron. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2009;52(9):51–54. (In Russ.).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.2003.10.019McClaflin 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.2003.10.019Головин 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/ S0015323014020089Golovin I.S., Bychkov A.S., Mikhailovskaya A.V., Dobatkin S.V. Contributions of phase and structural transformations in multicomponent Al-Mg alloys to the linear and nonlinear mechanisms of anelasticity. The Physics of Metals and Metallography. 2014;115(2):192–201. https://doi.org/10.1134/S0031918X14020082Kardashev B.K., Sapozhnikov K.V., Betekhtin V.I., Kadom­tsev A.G., Narykova M.V. Internal friction, Young’s modulus, and electrical resistivity of submicrocrystalline titanium. Physics of the Solid State. 2017;59(12):2381–2386. https://doi.org/10.1134/S1063783417120204Kardashev B.K., Sapozhnikov K.V., Betekhtin V.I., Kadom­tsev A.G., Narykova M.V. Internal friction, Young’s modulus, and electrical resistivity of submicrocrystalline titanium. Physics of the Solid State. 2017;59(12):2381–2386. https://doi.org/10.1134/S1063783417120204Blanter 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/10.1007/978-3-540-68758-0Blanter 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/10.1007/978-3-540-68758-0Столяров В.В. Неупругость ультрамелкозернистых металлов. Известия вузов. Черная металлургия. 2010;53(11): 51–54.Stolyarov V.V. Inelasticity of ultrafine-grained metals. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2010;53(11):51–54. (In Russ.).Romaniv O.N., Laz’ko L.P., Krys’kiv A.S. Relationship of internal friction to the fatigue life of patented steel wire. Soviet Mater Science. 1984;19:522–527. https://doi.org/10.1007/BF00722120Romaniv O.N., Laz’ko L.P., Krys’kiv A.S. Relationship of internal friction to the fatigue life of patented steel wire. Soviet Mater Science. 1984;19:522–527. https://doi.org/10.1007/BF00722120Пат. 2781466 RU. Установка для испытаний на усталость / Мыльников В.В., Шетулов Д.И.; заявл. 14.09.2021; опубл. 12.10.2022. Бюл. № 29.Myl’nikov V.V., Shetulov D.I. Installation for fatigue testing. Patent RF no. 2781466. Bulleten’ izobretenii. 2022;(29). (In Russ.).Демидов А.С., Кашелкин В.В. Определение поврежденности и напряженного состояния балочных образцов по изменению собственной частоты и амплитуды колебаний. Вестник Московского авиационного института. 2009;16(3):62–64.Demidov A.S., Kashelkin V.V. Determination of damage and stress state of beam samples by changing the natural frequency and amplitude of vibrations. Vestnik Moskovskogo aviatsionnogo instituta. 2009;16(3):62–64. (In Russ.).

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