zldmЗаводская лаборатория. Диагностика материаловIndustrial laboratory. Diagnostics of materials1028-68612588-0187ООО «Издательство «ТЕСТ-ЗЛ»10.26896/1028-6861-2023-89-10-74-82zldm-2040Research ArticleИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ. МЕХАНИКА МАТЕРИАЛОВ: ПРОЧНОСТЬ, РЕСУРС, БЕЗОПАСНОСТЬTESTING OF STRUCTURE AND PARAMETERS. MECHANICAL TESTING METHODSСтруктурные и функциональные закономерности накопления повреждений и разрушения металлов при динамическом нагружении и износеStructural and functional regularities of the damage accumulation and failure in metals under dynamic loading and wearПетроваИ. М.PetrovaI. M.

Ирина Михайловна Петрова

101990, Москва, Малый Харитоньевский пер, д. 4

Irina M. Petrova

4, Maly Kharitonievskii per., Moscow, 101990

impetr@mail.ruМарченкоЕ. А.MarchenkoE. A.

Елена Алексеевна Марченко

101990, Москва, Малый Харитоньевский пер, д. 4

Elena A. Marchenko

4, Maly Kharitonievskii per., Moscow, 101990

ХрущовМ. М.KhrushchovM. M.

Михаил Михайлович Хрущов

101990, Москва, Малый Харитоньевский пер, д. 4

Mikhail M. Khrushchov

4, Maly Kharitonievskii per., Moscow, 101990

БуяновскийИ. А.BuyanovskiiI. A.

Илья Александрович Буяновский

101990, Москва, Малый Харитоньевский пер, д. 4

Ilya A. Buyanovskii

4, Maly Kharitonievskii per., Moscow, 101990

Институт машиноведения им. А. А. Благонравова РАНРоссияBlagonravov Mechanical Engineering Research Institute of the Russian Academy of SciencesRussian Federation20232510202389107482Copyright © Петрова И.М., Марченко Е.А., Хрущов М.М., Буяновский И.А., 20232023Петрова И.М., Марченко Е.А., Хрущов М.М., Буяновский И.А.Petrova I.M., Marchenko E.A., Khrushchov M.M., Buyanovskii I.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.zldm.ru/jour/article/view/2040

Исследовано влияние повреждений, вызванных трением и износом, на накопление усталостных повреждений в приповерхностных слоях материала технических систем, работающих при динамическом нагружении. Сравнение данных испытаний образцов из науглероженной стали Cr – Mn – Si при ультразвуковом нагружении в диапазоне до 109 циклов с результатами испытаний образцов стали 45 при постоянной частоте 100 Гц, имитирующей условия при трибологических испытаниях на фрикционную усталость, показало, что во всех характерных диапазонах частот нагружения возникающие повреждения однотипны. При оценке влияния фрикционной усталости на накопление повреждений и вероятность эксплуатационных отказов авторы исходили из предположения о подобии процессов накопления структурных повреждений при циклической и фрикционной усталости. Проведены экспериментальные исследования поведения коэффициентов трения и величины уширения рентгеновских линий, характеризующей изменения дислокационной структуры металлических материалов (сталей и титановых сплавов) при трении, а также кривых фрикционной усталости. Показано, что процесс фрикционно-усталостного разрушения происходит по механизмам мало- и многоцикловой усталости, что может служить обоснованием предложенного подхода. В качестве примера приведены данные расчета вероятности отказов компрессора, основанные на кривых фрикционной усталости в широком диапазоне циклов нагружения, полученных в результате испытаний шейки коленчатого вала. Использование этих кривых дало возможность оценить влияние совместного действия динамической нагрузки и трения, выражающегося в увеличении зазоров, и динамических нагрузок в процессе изнашивания контактирующих деталей на накопление усталостных повреждений, долговечность и надежность в процессе эксплуатации.

The effect of damage caused by friction and wear on the accumulation of fatigue damage in the near-surface layers of the material used in technical systems operating under dynamic loading is studied. A comparative study of the samples of carbonized Cr – Mn – Si steel under ultrasonic loading in the range up to 109 cycles and the samples of steel 45 loaded at a permanent frequency of 100 Hz to simulate conditions of tribological tests for frictional fatigue revealed the same types of damage occurring in the characteristic frequency ranges of loading. To assess the effect of friction fatigue on damage accumulation and the probability of operational failures the authors have supposed that the processes of structural damage accumulation in cyclic and frictional fatigue are similar. The analysis of experimental data on the behavior of the friction coefficients and the magnitudes of broadening X-ray lines which characterize changes in the dislocation structure of the metallic structural materials (steels and titanium alloys) upon friction and the friction fatigue curves confirmed that the process of friction fatigue failure occurs via the mechanisms of low and high cycle fatigue that proves the validity of the proposed approach. The calculation results for the probability of the compressor failure are presented as an example. The calculations are based on the friction fatigue curves in a wide range of loading cycles obtained upon testing the crankshaft neck. The use of friction fatigue curves thus obtained provided assessment of the effects of combined action of the dynamic loading and friction, resulting in increased gaps and the dynamic loads (due to the wear of contacting parts) on the fatigue damage accumulation, durability and the reliability of the mechanical systems during operation.

динамическое нагружениемало-много- и гигацикловая усталостьтрение и контактное взаимодействиефрикционно-усталостное повреждениеизноскоэффициент тренияэволюция дислокационной и дефектной структурыразвитие трещиннакопление поврежденийвероятность отказаdynamic loadinglowhigh and gigacycle fatiguefriction and contact interactiontribo-fatigue damagewearfriction coefficientevolution of dislocation and defect structurecrack progressdamage accumulationprobability of failureReferencesМахутов Н. А. Конструкционная прочность, ресурс и техногенная безопасность. В 2-х ч. — Новосибирск: Наука, 2005. Часть 1: Критерии прочности и ресурса. — 494 с.; Часть 2: Обоснование ресурса и безопасности. — 610 с.Makhutov N. A. Structural Strength, Resource and Technical Safety. — Novosibirsk: Nauka, 2005. Part 1: Strength and Resource Criteria. — 494 p.; Part 2: Justification of Resource and Safety. — 610 p. [in Russian].Ботвина Л. Р. Разрушение: кинетика, механизмы, общие закономерности. — М.: Наука. 2008. — 334 с.Botvina L. R. Fracture: Kinetics, Mechanisms, General Patterns. — Moscow: Nauka, 2008. — 334 p. [in Russian].Лукашев Е. А., Сидоров М. И. Механохимическая кинетика накопления повреждений, разрушения и износа. — М.: Эко-Пресс, 2017. — 422 с.Lukashev E. A., Sidorov M. I. Mechanochemical Kinetics of Damage Accumulation, Fracture, and Wear. — Moscow: Éko-Press, 2017. — 422 p. [in Russian].Сосновский Л. А. Механика износоусталостного повреждения. — Гомель: БелГУТ, 2007. — 434 с.Sosnovskiy L. A. Mechanics of Wear-Fatigue Damage. — Gomel: Belarus State Transport Univ. (BelGUT), 2007. — 434 p. [in Russian].Tridello A., Boursier-Niutta C., Rossetto M., et al. Statistical models for estimating the fatigue life, the stress — life relation, and the P – S – N curves of metallic materials in very high cycle fatigue: A review / Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct. 2022. Vol. 45. N 2. P. 332 – 370. DOI: 10.1111/ffe.13610Tridello A., Boursier-Niutta C., Rossetto M., et al. Statistical models for estimating the fatigue life, the stress — life relation, and the P – S – N curves of metallic materials in very high cycle fatigue: A review / Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct. 2022. Vol. 45. N 2. P. 332 – 370. DOI: 10.1111/ffe.13610Li W., Sun Z., Zhang Z., et al. Evaluation of crack growth behavior and probabilistic S – N characteristics of carburized Cr – Mn – Si steel with multiple failure modes / Mater. Design. 2014. Vol. 64. P. 760 – 768. DOI: 10.1016/j.matdes.2014.08.047Li W., Sun Z., Zhang Z., et al. Evaluation of crack growth behavior and probabilistic S – N characteristics of carburized Cr – Mn – Si steel with multiple failure modes / Mater. Design. 2014. Vol. 64. P. 760 – 768. DOI: 10.1016/j.matdes.2014.08.047Степнов М. Н. Вероятностные методы оценки характеристик механических свойств материалов и несущей способности элементов конструкций. — Новосибирск. Наука, 2005. — 341 с.Stepnov M. N. Probabilistic methods for assessing the characteristics of the mechanical properties of materials and the load carrying capacity of structural elements. — Novosibirsk: Nauka, 2005. — 341 p. [in Russian].Крагельский И. В. Трение и износ. — М.: Машиностроение, 1968. —- 480 с.Kragelsky I. V. Friction and Wear. — Moscow: Mashinostroenie, 1968. — 480 p. [in Russian].Марченко Е. А. О природе разрушения поверхности металлов при трении. — М.: Наука, 1979. — 118 с.Marchenko E. A. On the Nature of the Frictional Damage of Metallic Surfaces. — Moscow: Nauka, 1979. — 118 p. [in Russian].Серенсен С. В. Сопротивление материалов усталостному и хрупкому разрушению. — М.: Атомиздат, 1975. — 192 с.Serensen S. V. Materials Resistance to Fatigue and Brittle Fracture. — Moscow: Atomizdat, 1975. — 192 p. [in Russian].Марченко Е. А., Хрущов М. М., Каплунов С. М., Панов В. А. Трибологические свойства конструкционных сплавов деталей теплообменного оборудования, подверженных фреттингу / Сборка в машиностроении, приборостроении. 2020. Т. 21. № 9. С. 401 – 407. DOI: 10.36652/0202-3350-2020-21-9-401-407Marchenko E. A., Khrushchov M. M., Kaplunov S. M., Panov V. A. Tribological properties of structural alloys of heat exchange equipment parts subjected to fretting / Sborka Mashinostr. Priborostr. 2020. Vol. 21. N 9. P. 401 – 407 [in Russian]. DOI: 10.36652/0202-3350-2020-21-9-401-407Еловой О. М., Богданович А. В. Ресурс подшипников коленчатого вала по критерию их локальной поврежденности / Труды VI Международного симпозиума по трибофатике (МСТФ-2010). — Минск: БГУ, 2010. Ч. 1. С. 247 – 251.Yelovoy O. M., Bogdanovich A. V. The resource of crankshaft bearings according to the criterion of their local damage / Proc. 6th Int. Symp. on Tribo-Fatigue (MSTF-2010). — Minsk: Belarus State Univ, 2010. Part 1. P. 247 – 251 [in Russian].Петрова И. М., Москвитин Г. В., Гриб В. В. Влияние износа на накопление усталостных повреждений / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2006. Т. 72. № 11. С. 49 – 52.Petrova I. M., Moskvitin G. V., Grib V. V. The effect of wear on the accumulation of fatigue damage / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2006. Vol. 72. N 11. P. 49 – 52 [in Russian].Серенсен С. В., Когаев В. П., Шнейдерович Р. М. Несущая способность и расчеты деталей машин на прочность. — М.: Машиностроение, 1975. — 488 с.Serensen S. V., Kogaev V. P., Schneiderovich R. M. Load Carrying Capacity and Calculations of Machine Parts for Strength. — Moscow: Mashinostroenie, 1975. — 488 p. [in Russian].Petrova I. M., Alimov M. A., Buyanovsky I. A., Gadolina I. V. Estimation of the ultimate strength of machine parts on the basis of linear hypothesis of fatigue and wear damages / Int. J. Appl. Mech. Eng. 2002. Vol. 7. Spec. issue: SITC-2002. P. 415 – 417.Petrova I. M., Alimov M. A., Buyanovsky I. A., Gadolina I. V. Estimation of the ultimate strength of machine parts on the basis of linear hypothesis of fatigue and wear damages / Int. J. Appl. Mech. Eng. 2002. Vol. 7. Spec. issue: SITC-2002. P. 415 – 417.Петрова И. М., Филимонов М. А., Лагуткин М. Г. Оценка вероятности отказа механических систем на основе моделирования их технического состояния / Безопасность труда в промышленности. 2020. № 2. С. 12 – 17. DOI: 10.24000/0409-2961-2020-2-12-17Petrova I. M., Filimonov M. A., Lagutkin M. G. Estimation of the probability of failure of mechanical systems based on modeling their technical condition / Bezopasn. Truda Prom. 2020. N 2. P. 12 – 17 [in Russian]. DOI: 10.24000/0409-2961-2020-2-12-17

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