Установка и методика испытаний на частотную стабильность при циклическом нагружении металлов и сплавов

Для изготовления деталей, работающих в сложных условиях циклического нагружения, а также изделий со стабильными размерами требуются материалы с минимальными проявлениями неупругих свойств. Для их исследования необходимо проводить специализированные узконаправленные испытания с использованием машин и установок с соответствующими экспериментальными методиками. В работе представлена конструкция электромагнитной установки для испытаний на усталость и частотную стабильность, работающей в автоколебательном режиме, при котором частота циклического нагружения всегда равна собственной частоте колебаний образца. Система управления установкой содержит два замкнутых контура — для возбуждения автоколебаний и для стабилизации амплитуды колебаний. Нагружение образца проводится электромагнитной силой, а разгрузка — за счет сил упругости материала. Приведены методика и алгоритмы расчета напряжений образцов различной геометрической формы для оценки изменения амплитудно-частотных характеристик. Установлена расчетная зависимость между усилием, прикладываемым к образцу, и его перемещением в точке приложения силы с последующим определением напряжения по известной силе. Представлены результаты тарировочных испытаний для статического режима нагружения образцов и проведена оценка действующих на образец сил (внешней, инерции, упругости) с учетом максимального напряжения и максимальной амплитуды деформации. Сопоставлены статический и циклический режимы нагружения. При реализации испытаний стальных образцов по предложенной методике получены частотные характеристики. Проведен анализ экспериментальных результатов испытаний с перерывами в процессе циклического нагружения и непрерывных испытаний. Показано, что перерывы в циклических испытаниях приводят к скачкообразному приросту частоты, а при непрерывных испытаниях такие скачки отсутствуют. При этом сравнительный анализ результатов рассматриваемых видов испытаний показал, что общее отклонение частоты за весь цикл наработки в обоих случаях примерно одинаковое. Установлено, что прирост частоты после отдыха носит случайный характер и не зависит от числа циклов наработки.

1. Школьник Л. М. Методика усталостных испытаний: Справочник. — М.: Металлургия, 1978. — 304 с.

2. Suresh S. Fatigue of metals. — Cambridge University Press, 2006. — 701 p.

3. 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.

4. Терентьев В. Ф., Кораблева С. А. Усталость металлов. — М.: Наука, 2015. — 479 с.

5. Gadolina I. V., Makhutov N. A., Erpalov A. V. Varied approaches to loading assessment in fatigue studies / International Journal of Fatigue. 2021. Vol. 144. P. 106035. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2020.106035

6. Mughrabi H., Christ H.-J. Cyclic deformation and fatigue of selected ferritic and austenitic steels; specific aspects / ISIJ International. 1997. Vol. 37. N 12. P. 1154 – 1169.

7. Гаденин М. М. Расчетно-экспериментальная оценка роли соотношения частот в измерении долговечности при двухчастотных режимах деформирования / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2019. Т. 85. No 1-I. С. 64 – 71. DOI: 10.26896/1028-6861-2019-85-1-I-64-71

8. Troshchenko V. T., Khamaza L. A., Pokrovsky V. V., et al. Cyclic Deformation and Fatigue of Metals. — Amsterdam: Elsevier, 1993. — 500 p.

9. Мыльников В. В., Шетулов Д. И., Кондрашкин О. Б. и др. Изменение показателей сопротивления усталости конструкционных сталей при различных спектрах нагружения / Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2019. Т. 62. No 10. С. 796 – 802. DOI: 10.17073/0368-0797-2019-10-796-802

10. 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.

11. Головин С. А., Тихонова И. В. Температурная зависимость внутреннего трения и свойства деформированных малоуглеродистых сплавов железа / Деформация и разрушение материалов. 2013. No 7. С. 16 – 21.

12. McClaflin D., Fatemi A. Torsional deformation and fatigue of hardened steel including mean stress and stress gradient effects / Int. J. Fatigue. 2004. Vol. 26. N 7. P. 773 – 784.

13. Kardashev B. K., Sapozhnikov K. V., Betekhtin V. I., et al. Internal friction, young’s modulus, and electrical resistivity of submicrocrystalline titanium / Physics of the Solid State. 2017. Vol. 59. N 12. P. 2381 – 2386.

14. Столяров В. В. Неупругость ультрамелкозернистых металлов / Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2010. No 11. С. 51 – 54.

15. Blanter M. S., Golovin I. S., Neuhäuser H., Sinning H. R. Internal friction in metallic materials / Springer Series in Materials Science. 2007. Vol. 90. P. 1 – 535.

16. Romaniv O. N., Laz’ko L. P., Krys’kiv A. S. Relationship of internal friction to the fatigue life of patented steel wire / J. Mater. Science. 1984. Vol. 19. P. 522 – 527. DOI: 10.1007/BF00722120

17. Пат. 2781466 Российская Федерация, МПК G01N 3/38 (2006.01). Установка для испытаний на усталость / Мыльников В. В., Шетулов Д. И.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет» (ННГАСУ). — No 2021127107; заявл. 14.09.2021; опубл. 12.10.2022. Бюл. No 29.

18. 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. Т. 16. No 3. С. 62 – 64.