ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА УСТАЛОСТИ АВТОМОБИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

В процессе эксплуатации конструктивные элементы автомобилей испытывают воздействие температур и вибрации. Преобладающее большинство разрушений металлоконструкций вызвано их усталостью. Это обуславливает экономические потери и часто человеческие жертвы от аварий. Поэтому задача обеспечения работоспособности деталей и узлов автомобилей является одной из актуальных в современном автомобилестроении. Для этого нужно знать закономерности поведения металлических материалов, полученных по разным технологиям, при воздействии вибрации. Деструкция структуры металла непосредственно сказывается на поведении прогиба образцов, отражающего конкуренцию двух взаимно противоположных явлений – упрочнения и разупрочнения, напрямую влияющих на структурную повреждаемость металла. Статья посвящена изучению кинетики усталостного разрушения автомобильных материалов с использованием тарировки структурных повреждений их поверхности с поведением кривых изменения текущего прогиба при знакопеременном нагружении. В работе рассматриваются автомобильные материалы (стали 20XI3, 14Х17Н2, 35ХГСА) и модельные металлы и сплавы (Медь М1, Латунь Л63Т, алюминиевый сплав В95пчТ2) в различном структурном состоянии при циклическом нагружении для пониженных, комнатных и повышенных температур с фиксацией прогиба образца и соответствующих ему структурных повреждений. Показана возможность изучения кинетики усталостной деструкции материала образцов по кривым прогиба, представляющим собой интегральную характеристику деструктивных процессов, протекающих при знакопеременном нагружении. По этим процессам можно отслеживать стадии повреждаемости при усталости металлических материалов – повреждение структуры на начальном этапе, момент появления макроскопической трещины, ее последующее продвижение вплоть до полного разделения конструкционного материала. По ним можно выявить соотношение длительности периода до появления трещины усталости и ее последующего роста, а также определить среднюю скорость продвижения усталостной трещины по телу металлического образца. Важным является также то, что по кривым прогиба можно оценивать кинетику деструкции материалов в условиях, когда прямое изучение структурного состояния поверхности образцов невозможно, например, в условиях криогенных и высоких температур или в присутствии коррозионных сред. В сочетании с фрактографическим и металлографическим анализом процесса усталости кривые прогиба позволяют на основании оценки стадий деструкции материалов проводить выбор  последних для конструктивных элементов автомобиля с учетом условий его эксплуатации и оптимизацию технологии изготовления деталей с целью повышения ресурса и ремонтопригодности.

1. Пачурин Г.В., Кудрявцев С.М., Соловьев Д.В., Наумов В.И. Кузов современного автомобиля: материалы, проектирование и производство. – СПб.: Изд-во «Лань», 2016. – 316 с.

2. Ivanov Y., Alsaraeva K., Gromov V. etc. Evolution of Al-19.4Si alloy surface structure after electron beam treatment and high cycle fatigue // Materials Science and Technology. 2015. Vol. 31. No. 13a. Р. 1523 – 1529.

3. Konovalov S.V., Atroshkina A.A., Ivanov Yu.F., Gromov V.E. Evolution of dislocation substructures in fatigue loaded and failed stainless steel with the intermediate electropulsing treatment // Materials Science and Engineering A. 2010. Vol. 527. No. 12. P. 3040 – 3043.

4. Konovalov S., Komissarova I., Ivanov Y. etc. Structural and phase changes under electropulse treatment of fatigue-loaded titanium alloy VT1-0 // Journal of Materials Research and Technology. 2019. Vol. 8. No. 1. P. 1300 – 1307.

5. Сартор М., Вунде М., Лемке А. и др. Применение покрытий для снижения потерь металла в результате окалинообразования при повторном нагреве // Черные металлы. 2016. № 11. С. 46 – 51.

6. Furuya Y., Matsuoka S. The effect of modified-ausforming on gigacycle fatigue properties in Si–Mn steels // Tetsu to Hagane. J. Iron and Steel Inst. Jap. 2003. Vol. 89. No. 10. P. 1082 – 1089.

7. Коль Т., Бретшнайдер М., Клинкберг Т. и др. Оптимизация поверхности оцинкованной стальной полосы за счет улучшения процесса дрессировки // Черные металлы. 2017. № 8. С. 44 – 48.

8. Lukas P., Kunz L., Navratilova L. etс. Fatigue damage of ultrafinegrain copper in very-high cycle fatigue region // Materials Science and Engineering. 2011. Vol. 528. P. 7036 – 7040.

9. Estrin Y., Vinogradov A. Extreme grain refinement by severe plastic deformation: A wealth of challenging science // Acta Materialia. 2013. Vol. 61. P. 782 – 817.

10. Пачурин Г.В. Усталостное разрушение при нормальной температуре предварительно деформированных сплавов // Металловедение и термическая обработка металлов. 1990. № 10. С. 35 – 38.

11. Анджело Зинути, Джанкарло Саро. Волочение проволоки на станах // Метизы. 2003. № 2(03). С. 41 – 47.

12. Дзиро Томигана, Кинья Вакимото, Тошимичи Мори и др. Производство катанки с высокой способностью к удалению окалины // Метизы. 2008. № 2(18). С. 32 – 42.

13. Furuya Y. Visualization of internal small fatigue crack growth // Mater. Lett. 2013. Vol. 112. P. 139 – 141.

14. Filippov A.A., Pachurin G.V., Naumov V.I., Kuzmin N.A. Low-cost treatment of rolled products used to make long high-strength bolts // Metallurgist. 2016. Vol. 59. No. 9 – 10. P. 810 – 815.

15. Sosnovskiy L.A., Makhutov N.A., Troshchenko V.T. Evolution of ideas on fatigue of metals by volume loading and friction // Тр. VI Междунар. симпозиума по трибофатике (ISTF 2010). – Минск: БГУ, 2010. С. 77 – 84.

16. Терентьев В.Ф. Усталость металлических материалов / Отв. ред. Н.П. Лякишев. – М.: Наука, 2003. – 254 с.

17. Партон В.З. Механика разрушения: От теории к практике. – М.: Наука, 1990. – 240 с.

18. Хеллан К. Введение в механику разрушения. – М.: Мир, 1988. – 364 с.

19. Терентьев В.Ф., Петухов А.Н. Усталость высокопрочных металлических материалов. – М.: ИМЕТ РАН, 2013. – 515 с.

20. Терентьев В.Ф., Кораблева С.А. Усталость металлов / Отв. ред. В.М. Блинов; Ин-т металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН. – М.: Наука, 2015. – 484 с.

21. Терентьев В.Ф. Усталостная прочность металлов и сплавов. – М.: Интермет Инжиниринг, 2002. – 288 с.

22. Серенсен С.В., Гарф М.Э., Кузьменко В.А. Динамика машин для испытаний на усталость. – М.: Машиностроение, 1967. – 460 с.

23. Пачурин Г.В. Коррозионная долговечность изделий из деформационно-упрочненных металлов и сплавов. – СПб.: Изд-во «Лань», 2014. – 160 с.