Скачать каталог Сделать заказ

Исследование циклической трещиностойкости стали литых несущих деталей вагонов

Д.В. Даниленко1, В.П. Ефимов2, В.А. Чернов3

1ООО «УК РМ РЕЙЛ», 430006, Республика Мордовия, г.Саранск, ул. Лодыгина, 11
2ООО «УИЦ – Вагоны», 622007, Свердловская область, г. Нижний Тагил, ул. Орджоникидзе, д. 22, кв. 28
3 Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, Российская Федерация, 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9

Аннотация.

Цель: Проведение комплексных экспериментальных исследований циклической трещиностойкости литой стали, которая применяется для несущих деталей ходовых систем грузовых вагонов, с построением кинетической диаграммы усталостного разрушения.

Методы: Применен метод механических испытаний образцов литой стали в условиях циклического нагружения, который позволяет получить количественные оценки способности материала сопротивляться усталостному разрушению на стадии развития усталостной трещины (испытания на циклическую териностойкость). Для исследования поверхности усталостного разрушения применен микрографический анализ рельефа. Для исследования элементного состава литой стали и механизмов развития усталостных трещин применен микрорентгено – спектральный анализ на различных стадиях усталостного разрушения.

Результаты: Приведены результаты исследований циклической трещиностойкости литой стали 20ГЛ, которая применяется для несущих деталей грузовых вагонов. Построена кинетическая диаграмма усталостного разрушения, проведен детальный микрографический анализ поверхности усталостного разрушения и исследования элементного состава неметаллических включений.

Практическая значимость: По результатам исследований можно проводить оценку работоспособности стали 20ГЛ с трещинной и прогнозировать живучесть. Полученные результаты позволяют совершенствовать методы ресурсного проектирования литых несущих деталей ходовых систем грузовых вагонов, с целью повышению их эксплуатационной надежности. Результаты исследований используются предприятиями – изготовителями литых деталей для контроля стабильности технологии и повышения качества продукции.

Ключевые слова: Циклическая трещиностойкость, литые несущие детали, тележка грузового вагона, живучесть, микрорентгено–спектральный анализ литой стали, скорость роста усталостной трещины.

Литые несущие детали грузовых железнодорожных вагонов, изготавливаемые из стали 20ГЛ, по ГОСТ 32400-2013 [1] работают при высокой нагруженности и в различных климатических условиях. Такие детали, как боковая рама, надрессорная балка, корпус автосцепки и другие должны обладать комплексом свойств, обеспечивающих регламентированные значения сопротивления усталости и хрупкому разрушению металла, из которых они изготовлены, на протяжении назначенного срока службы. Вопросы повышения надежности литых несущих деталей грузовых вагонов становятся все более актуальными, в связи с развитием в РФ тяжеловесного движения [2] и внедрением инновационных вагонов [3]. Необходимы более углубленные исследования усталостной прочности и живучести, ответственных за безопасность движения деталей. Для литых несущих деталей новых конструкций тележек разрабатываются новые требования к их надежности [4] и новые расчетные методы их ресурсного проектирования, с учетом зон повышенной ответственности [5].

Экспериментальные исследования усталостной живучести литых сталей и натурных деталей проводятся различными организациями [6-8]. На базе этих исследований создан и постоянно пополняется банк данных по характеристикам сопротивления развитию усталостных трещин литых сталей. Однако, проблема повышения усталостной прочности и живучести литых несущих деталей грузовых тележек становится все более актуальной, в связи с разработкой и запуском в эксплуатацию инновационных тележек с нагрузкой на ось 25 тс…27 тс [9,10] и значительным повышением требований к их эксплуатационной надежности.

Известно, что процесс усталостного разрушения подразделяется на две основные стадии: стадию зарождения и стадию распространения усталостной трещины. Способность материала конструкции эффективно сопротивляться развитию трещины является одним из важнейших факторов, определяющим живучесть конструкции. Наличие конструктивных концентраторов, структурных дефектов литой стали, различного типа включений, реализация сложного напряженного состояния в локальных зонах конструкции деталей способствуют более раннему зарождению трещин усталости и, соответственно, ускоренному разрушению материала литых несущих деталей.

Механические испытания образцов в условиях циклического нагружения позволяют получить количественные оценки способности материала сопротивляться усталостному разрушению на стадии распространения усталостной трещины (испытания на циклическую трещиностойкость). Основным показателем, наглядно иллюстрирующим эту способность, является кинетическая диаграмма усталостного разрушения.

Цель испытаний на циклическую трещиностойкость образцов из стали 20ГЛ – построение кинетической диаграммы усталостного разрушения. В качестве материала для исследования использовали сталь 20ГЛ, из которой изготавливаются боковые рамы тележек грузовых вагонов. Циклические испытания проводили на универсальной сервогидравлической машине фирмы «Инстрон» при комнатной температуре в условиях знакоположительного циклического растяжения с частотой изменения нагрузки f = 10 - 20 Гц. Коэффициент асимметрии цикла нагрузки составлял R=0,1. Испытания проводили на прямоугольных образцах с односторонним надрезом (образцы на внецентренное растяжение «ВР») – (рис.1). Габаритные размеры образцов: 62,5х60х25мм. Методика проведения испытаний на циклическую трещиностойкость соответствовала требованиям методических рекомендаций РД 50-345-82 [11]. Анализ развития усталостной трещины (УТ) в образце данного типа и с данным вариантом надреза показал, что траектория роста УТ незначительно отклоняется от условия перпендикулярности по отношению к линии действия внешней циклической нагрузки (рис.2). В диапазоне экспериментально полученных значений скоростей роста трещины ∆v ≈  6∙10-8 – 1,5∙10-6 м/цикл развитие.

Рис.1 Прямоугольный образец с односторонним боковым надрезом (образец ВР) для испытаний на циклическую трещиностойкость (скорость роста усталостной трещины)



Рис. 2 Образец ВР с усталостной трещиной на боковой поверхности после окончательного разрушения


УТ характеризуется формированием все время возрастающей в размерах по мере увеличения длины трещины локальной пластической зоны в ее вершине. При достижении стадии ускоренного роста УТ размер локальной пластической зоны существенно возрастает (рис.2) вызывая образование так называемого пластического шарнира, границы которого выходят на торцевую поверхность образца при достижении предельного состояния, связанного с реализацией пластической нестабильности процесса усталостного разрушения в процессе роста трещины. Анализ макрорельефа поверхности усталостного разрушения образца ВР показывает три характерные области: стабильного, ускоренного роста УТ и зона долома. На поверхности усталостного разрушения испытанных образцов ВР отчетливо выявляются две основные характерные области: развития усталостной трещины (относительно ровная поверхность с незначительной шероховатостью) и статического долома (поверхность с развитым, грубым, сильно шероховатым рельефом и отчетливо выявляемым утонением материала образца на боковых поверхностях в поперечном направлении). В свою очередь область развития УТ разделяется на две стадии: стабильного и ускоренного роста УТ. В изломе различие между этими стадиями выражается в увеличении шероховатости поверхности усталостного разрушения при приближении к области статического долома. Более детальный, микрофрактографический, анализ рельефа поверхности усталостного разрушения показывает, что при низких скоростях роста УТ (в начальной стадии стабильного роста УТ) формируется относительно грубый микрорельеф (рис.3), характерный для литых сталей, на котором при больших увеличениях можно видеть наличие различного типа поперечных бороздок (рис.4). Бороздчатый рельеф с поперечными трещинами свойственен участкам, на которых разрушение происходит по элементам литой структуры (рис.4 а).

pic3.jpg

Рис. 3 Микрорельеф поверхности усталостного разрушения при скоростях роста УТ v = (0,6÷1,0)∙10-7 м/цикл: а – х1000; б – х2450


На участках, где видны относительно равномерные упорядоченные бороздки (рис.4 б), рост трещины происходит по механизму образования одной бороздки за цикл нагружения, т.е. определив расстояние между соседними бороздками можно приблизительно рассчитать скорость роста усталостной трещины. Такое сочетание различного типа бороздок свидетельствует о неравномерном подрастании трещины вдоль ее фронта. Ближе к концу стабильного роста УТ (диапазон скоростей v = (4,0÷6,0)∙10-7м/цикл) на поверхности разрушения появляются участки, содержащие скопления неметаллических включений, сферообразной формы, размер которых находится в диапазоне 1-2 мкм (рис.5).

pic4.jpg

Рис. 4 Поперечные бороздки на поверхности усталостного разрушения, характеризующие рост УТ в литых сталях: а – х26700; б – х26900


pic5.jpg

Рис. 5 Микрорельеф поверхности усталостного разрушения при скоростях роста УТ v = (4,0÷6,0)∙10-7м/цикл: а – х1000; б – х9700


Микрорентгено - спектральный анализ (рис.6) показывает, что основными составляющими этих включений являются алюминий, кислород, марганец и сера. Можно предположить, что это либо оксиды алюминия, либо сложные включения, состоящие из оксида алюминия и сульфида марганца.

На стадии ускоренного роста УТ можно наблюдать формирование фрагментированной блочной структуры с туннельным эффектом продвижения трещины (рис.7).

pic6.jpg

Рис. 6 Неметаллические включения на поверхности усталостного разрушения и их элементный состав


pic7.jpg

Рис.7 Микрорельеф поверхности усталостного разрушения на стадии ускоренного роста УТ: а – х1000; б – х4540


Отчетливо видны как усталостные бороздки, так и многочисленные поперечные вторичные трещины, образование которых связано с развитой зоной локальной пластической деформации в вершине трещины, компоненты напряженного состояния (главные растягивающие напряжения) в которой имеют относительно высокие значения. Разрушение литой стали в зоне долома происходит в основном путем реализации вязких механизмов разрушения (рис.8), ведущим из которых является ямочный (механизм слияния вязких ямок – рис. 8б). Также встречаются локальные области, в которых разрушение происходит по фрагментам литой структуры, содержащей сульфидные включения (рис.8а)

pic8.jpg

Рис. 8 Микрорельеф поверхности усталостного разрушения в зоне долома: а – разрушение по фрагментам литой структуры (х972), б – вязкий ямочный рельеф (х4540)


Вязкие ямки и включения на дне ямок представлены на рис.9а. Сравнительный элементный анализ показал, что данные включения имеют сложный состав, состоящий из оксида алюминия и сульфида марганца (рис.9 б).

pic9.jpg

Рис. 9 Неметаллические включения на дне вязких ямок (а) и сравнительный элементный состав включений (спектр 2) и матрицы (спектр 3) (б)


Для слежения за развитием усталостной трещины на боковых поверхностях образцов наносились риски (рис.2) с шагом 1 мм. На основании полученного массива данных (длина трещины (lтр) – число циклов (N)), определенного на обеих поверхностях образцов, строилась осредненная зависимость lтр = f(N). Значения скорости роста трещины получали расчетным путем, аппроксимируя полученные результаты полиномиальной зависимостью.

Размах коэффициента интенсивности напряжений ∆К определяли по формуле:

form1.png (1)

где: Y = (0,886 + 4,64∙α + 13,32∙α2 – 14,72∙α>3 + 5,6∙α4); t – толщина образца,

В – характерная длина; α = lтр/B.

На основании полученного массива данных: скорость роста усталостной трещины (v) – размах коэффициента интенсивности напряжений (∆К) строилась кинетическая диаграмма усталостного разрушения (рис.10) в двойных логарифмических координатах lg(v) – lg(∆К). Как было упомянуто выше результаты циклических испытаний по определению скорости роста усталостной трещины представляют в виде кинетической диаграммы роста усталостной трещины (рис.10). Для получения количественных оценок развития УТ необходимо полученные результаты представить в виде соответствующей зависимости, связывающей скорость роста УТ и размах коэффициента интенсивности напряжений. Наибольшее распространение получила зависимость, предложенная Пэрисом и Эрдоганом в следующем виде:

f2.png (2 )

где C и m – постоянные

Описание скорости роста УТ с помощью зависимости (2) позволяет в большинстве случаев получать корректные количественные оценки с приемлемой для практических целей точностью. Как видно из полученной диаграммы зависимость (2) с высокой степенью точности описывает результаты эксперимента. Значения постоянных: = 3∙10-12, m ~ 3,22.

pic10.jpg

Рис. 10 Кинетическая диаграмма усталостного разрушения стали 20ГЛ


Таким образом, с помощью зависимости (2) можно получать оценки работоспособности материала с трещиной и прогнозировать его живучесть.

Библиографический список

  1. ГОСТ 32400-2013. Рама боковая и балка надрессорная литые тележек железнодорожных грузовых вагонов. Технические условия. – М.: Изд-во стандартов, 2013.
  2. Бороненко Ю.П.. Стратегические задачи вагоностроители в развитии тяжеловесного движения //Транспорт РФ. 2013, №5 (48) С. 68-74. 3. Бороненко Ю.П., Выбор технико-экономических параметров и перспективы внедрения инновационных вагонов габарита Тпр // Транспорт РФ. 2015, №3 (58) С. 3-6.
  3. Орлова А.М., Сухих И.В., Забадыкин И.В.. Совершенствование требований к литым боковым рамам и набрессорным балкам для повышения их надежности.// Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты. Тезисы докладов VIII Международной научно-технической конференции. СПб.: ФГБОУ ВПО ПГУПС, 2013. – С. 154-157.
  4. Сухих И.В., Забадыкин И.В., Турутин И.В., Орлова А.М. Зоны повышенной ответственности литых рам и балок трехэлементных тележек грузового вагона и их определение методом сопротивления усталости // Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты: материалы Х Международной научно-технической конференции. – СПб.: ФГБОУ ВПО ПГУПС, 2015. – С. 40-42.
  5. Змеева В,Н., Лебединский С.Г., Статистические закономерности развития усталостных трещин в литых сталях деталей грузовых вагонов // Вестник ВНИИЖТ. 1999.№ 3. С. 26-31.
  6. Северинова Т.П. Исследование трещиностойкости сталей литых деталей тележек грузовых вагонов после длительного периода эксплуатации // Вестник ВНИИЖТ. 1999.№ 3. С. 35-40.
  7. Расщепкина Д.В., Якушев А.В. Работоспособность боковых рам тележек грузовых вагонов после возникновения опасного отказа // Транспорт Урала. – 2018.- № 3 (58). – С.30-34.
  8. Ефимов В.П., Пранов А.А., Баранов А.Н., Белоусов К.А. Тележка для грузовых вагонов нового поколения с повышенными осевыми нагрузками // Железнодорожный транспорт. 2009. №6. С. 58-61.
  9. Лосев Д.Н. Опыт эксплуатации и дальнейшие пути развития технического обслуживания инновационных вагонов на тележках Barber S - 2 – R // Транспорт РФ. 2014. №3 (52). С. 24-28.
  10. РД 50-345-82 Расчеты и испытания на прочность. Методы механических исследований металлов. Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при циклическом нагружении / Методические указания. М.: Изд-во стандартов, 1983.- 95 с.

Контакт:Даниленко Денис Викторович, руководитель Департамента ООО «УК РМ РЕЙЛ» (г. Саранск, Россия).

Ефимов Виктор Петрович, к.т.н., доцент. Генеральный директор ООО «УИЦ – Вагоны» uiz123456@mail.ru(г. Нижний Тагил, Россия).

Чернов Владимир Александрович, доцент кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство» ФГБОУ "ПГУПС Императора Александра 1" (г. Санкт-Петербург, Россия).

К списку статей