СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ УСТАЛОСТИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2012 года по МПК C21D7/02 C22F1/04 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к разработке способов повышения характеристик усталостной долговечности конструктивных металлов на основе преобразования энергетической структуры материалов как на стадии производства сплавов и полуфабрикатов, так и в эксплуатации.

Известны способы повышения и стабилизации механических характеристик металлических полуфабрикатов посредством обтяжки растяжением вдоль проката до 2% (Алиева С.Г., Альтман М.Б., Амбарцумян С.М. и др. Промышленные алюминиевые сплавы: Справочное изд. / 2 изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1984), повышения усталостной долговечности металлов и элементов конструкций с помощью создания в опасных сечениях, в зонах концентрации напряжений полей остаточных напряжений обратного эксплуатационным напряжениям знака (остаточных напряжений сжатия) методами локального упругого, упругопластического или пластического деформирования материала по контуру концентратора напряжений и постановки болтов и заклепок с гарантированным осевым и радиальным натягом (Белов В.К., Рудзей Г.Ф., Калюта А.А. Повышение усталостной долговечности заклепочных и сварных соединений авиационных конструкций технологическими методами: Монография. - Новосибирск, 2006).

Остаточные напряжения сжатия, суммируясь с действующими в конструкции эксплуатационными напряжениями от внешних воздействий, существенно снижают уровень максимальных напряжений цикла растяжения, что приводит к ощутимому приросту долговечности элемента конструкции за счет увеличения периода циклической наработки до момента появления трещины усталости.

Известные способы местного пластического деформирования (МПД) связаны с пластическим деформированием поверхностного слоя элемента конструкции, материала на контуре концентратора в плоскости детали или в поперечном направлении (Брондз Л.Д. Технология и обеспечение ресурса самолетов. - М.: Машиностроение, 1986). При этом эффект упрочнения ограничивался диапазоном возможных деформаций по физико-механическим параметрам или конструктивным соображениям.

Недостатком этих способов является невозможность восстановления релаксирующего во время эксплуатации или хранения изделия эффекта упрочнения без повторения операций упрочнения с разборкой соединений, узлов, агрегатов.

Наиболее близкими по технической сущности к предлагаемому способу являются способы повышения сопротивления усталости элементов конструкций с концентраторами напряжений за счет эпизодических или периодических периодов отдыха или умеренных перегрузок материала статическим растяжением (Форрест П. Дж. Усталость металлов. - М.: Машиностроение, 1968), тренировок циклическим растяжением (Иванова B.C., Терентьев В.Ф. Природа усталости металлов. - М.: Металлургия, 1975).

Недостатком данного способа является очень низкий эффект упрочнения (до 10…15% от исходной долговечности) в зоне концентратора напряжений - источника зарождения трещин усталости. Эффект на гладких образцах материалов - в пределах разброса экспериментальных результатов.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение сопротивления усталости конструкционных металлических материалов.

Для достижения технического результата в способе упрочняющей обработки пластин из конструкционных металлических материалов, включающем тренировку нагружением пластины путем внешнего механического воздействия на пластину с обеспечением циклического растяжения, осуществляют переменное механическое воздействие в диапазоне циклических дозирующих нагрузок сжатия от σ=(-3÷-10) кг/мм² до σ_max=(+1÷+4) кг/мм² и сдвига до τ=(±3,0÷±5,0) кг/мм².

Экспериментальная проверка влияния способа предварительной обработки сдвигом проведена на алюминиевом сплаве Д16АТ, лист толщиной δ=2,8 мм, временное сопротивление при растяжении σ_в=47,5 кг/мм², модуль упругости первого рода Е=7,2·10³ кг/мм².

Для реализации программ предварительного нагружения металла сдвиговыми напряжениями разработано приспособление (фиг.1), обеспечивающее нагружение пластины в ее плоскости как балки с заделкой по концам, нагруженной посередине сосредоточенной силой.

Принципиальная схема нагружения показана на фиг.2.

Во избежание возникновения биений при высокочастотном нагружении в приспособлении на каждом уровне закреплялись по две пластины с внутренними прокладками достаточной толщины, что создавало жесткий контур в плане (фиг.1).

Эта методика позволила проводить нагружение пластин сдвиговыми напряжениями до уровня τ=±5 кг/мм².

Для предварительного нагружения пластин на сжатие использовали, в основном, то же приспособление. Вместо конструкции из четырех поперечно расположенных пластин на те же носители жестко закрепляли две, разнесенные на расстояние ~35 мм, продольно расположенные пластины высотой ~120…130 мм.

Такое устройство позволило провести циклическое нагружение пластин напряжениями сжатия до уровня σ_сж=-10 кг/мм² без потери устойчивости.

После проведения предварительной наработки пластин по указанным методикам из них изготавливали образцы для испытаний на статическую прочность и выносливость.

Предварительную наработку пластин проводили по пяти различным программам, представленным в таблице 1, из которых две программы - испытания на сдвиг, три программы - испытания па растяжение-сжатие.

В программах, содержащих несколько уровней напряжений, наработка произведена последовательно, начиная с нижних уровней напряжений, в итоге суммируясь по всем уровням.

Характеристики статической прочности после наработки по этим программам мало изменились: предел прочности σ_в остался таким же, как у исходного металла, модуль упругости Е увеличился на 7…8% после программ на сжатие.

Все напряжения программ лежат в упругой зоне металла.

Таблица 1 Программа предварительного нагружения пластин из Д16АТ, δ=2,8 мм №
п/п Программа предварительного циклического нагружения (тренировки) Режим предварительного циклического нагружения Условное обозначение программы Максимальное минимальное; напряжение цикла, кг/мм² Наработка, циклов 1 Одноступенчатый знакопеременный симметричный сдвиг τ=±3,0 80000 τ3 2 Трехступенчатый знакопеременный симметричный сдвиг τ=±3,0
τ=±4,0
τ=±5,0 40000
40000
40000 τ5 3 Трехступенчатое осевое сжатие -растяжение σ=+1,0; -3,0
σ=+2,0; -6,0
σ=+2,0; -9,0 40000
40000
40000 С9 (40) 4 Четырехступенчатое осевое сжатие - растяжение σ=+1,5; -3,0
σ=+2,5; -5,0
σ=+3,0; -8,0
σ=+4,0; -10,0 60000
60000
60000
60000 С10 (60) 5 Четырехступенчатое осевое сжатие -растяжение σ=+1,5; -3,0
σ=+2,5; -5,0
σ=+3,0; -8,0
σ=+4,0; -10,0 60000
80000
100000
120000 С10 (120)

Для оценки влияния программы предварительного нагружения последующие сравнительные испытания исходного материала на выносливость проведены на разных уровнях напряжений отнулевыми циклами растяжения в широком диапазоне значений максимального напряжения цикла σ_mах: от 15 кг/мм² до 44 кг/мм².

В таблице 2 приведены средние значения выносливости гладких образцов N_cp для разных уровней σ_max и относительные значения N_cp/N_исх выносливости на этих уровнях σ_max после предварительной наработки по пяти вышеуказанным программам.

На фиг.3 и 4 приведены графики, иллюстрирующие увеличение относительной выносливости N_cp/N_исх (σ) образцов после предварительной наработки по этим пяти программам.

Таблица 2 Сводная таблица результатов испытаний образцов (гладких) после предварительной наработки по пяти различным программам №п/п Условное обозначение программы σ_mах=15 кг/мм², N_исх=1613,2 т.ц. σ_mах=20 кг/мм², N_исх=426,9 т.ц. σ_mах=30 кг/мм², N_исх=84,3 т.ц. σ_mах=40 кг/мм², N_исх=23,7 т.ц. N_cp N_cp/N_исх N_cp N_cp/N_исх N_cp N_cp/N_исх N_cp N_cp/N_исх 1 τ3 3982,67 2,47 - 1,0 - - - - 2 τ5 >8101,8 >5 899,00 2,100 133,86 1,588 - - 3 С9 (40) - - 864,76 2,025 113,35 1,344 - - 4 С 10 (60) >10023,8 >6,2 1317,00 3,085 141,00 1,670 - - 5 С10 (120) - - 1720,87 4,030 194,12 2,300 30,420 1,283

Здесь

N_исх, тысяч циклов - исходная долговечность гладкого образца при отнулевом циклическом растяжении с максимальным напряжением цикла σ_mах;

N_cp, тысяч циклов - долговечность гладкого образца при отнулевом циклическом растяжении с максимальным напряжением цикла σ_mах после предварительной циклической наработки по соответствующей программе.

Полученные результаты показывают:

- принятые методики позволяют значительно повысить выносливость исходного конструкционного металла в широком диапазоне эксплуатационных напряжений;

- увеличение параметров программ предварительной наработки (τ, σ, N, ступеней их дискретности) дает существенное увеличение выносливости;

- после программ предварительной наработки τ5, С10 (60), С10 (120) предел выносливости исследованного конструкционного металла (Д16АТ) увеличился до 15 кг/мм².

Изобретение относится к области металлургии, а именно к разработке способов повышения характеристик усталостной долговечности конструкционных металлов на основе преобразования энергетической структуры материалов как на стадии производства сплавов и полуфабрикатов, так и в эксплуатации. Техническим результатом заявленного изобретения является повышение сопротивления усталости конструкционных металлических материалов. Для достижения технического результата в способе упрочняющей обработки пластин из конструкционных металлических материалов, включающем тренировку нагружением пластины путем внешнего механического воздействия на пластину с обеспечением циклического растяжения, осуществляют переменное механическое воздействие в диапазоне циклических дозирующих нагрузок сжатия от σ=(-3÷-10) кг/мм² до σ_max=(+1÷+4) кг/мм² и сдвига до τ=(±3,0÷±5,0) кг/мм². 2 табл., 4 ил.

Способ упрочняющей обработки пластин из конструкционных металлических материалов, включающий тренировку нагружением путем внешнего механического воздействия на пластину с обеспечением циклического растяжения, отличающийся тем, что осуществляют переменное механическое воздействие на пластину в диапазоне циклических дозирующих нагрузок сжатия от σ=(-3÷-10) кг/мм² до σ_max(+1÷+4) кг/мм² и сдвига τ=(±3,0÷±5,0) кг/мм².