Диагностика прочности деталей машин, нагруженных сдвигающими нагрузками

Цель – разработка оперативного неразрушающего метода определения предела прочности на срез деталей из конструкционных углеродистых и легированных сталей. Для определения предела прочности при срезе использован метод индентирования контролируемых деталей. При этом предложена новая характеристика материала – модуль упрочнения при срезе. Экспериментальное исследование выполнено с помощью программно-технического комплекса для испытания металлов ИР 5143-200 и приспособления для испытания образцов на двойной срез. Были исследованы стали марок: сталь 10, сталь 20, сталь 35, сталь 45, сталь 20Х, сталь 40Х, сталь 25ХГТ, сталь 30ХГСА. В качестве характеристики прочностных свойств образцов использовали число пластической твердости, которая обладает рядом преимуществ перед другими числами твердости. Проведенные авторами исследования показали значительное расхождение между справочными значениями временного сопротивления при срезе и экспериментальными, полученными авторами, которое может достигать 20%. Получены зависимости для определения предела прочности на срез для образцов из конструкционных углеродистых и легированных сталей; показана их достаточная точность для инженерных расчетов как по экспериментальным данным авторов, так и при сравнении с литературными источниками. Погрешность определения предела прочности при срезе не превышает, как правило, ±5%. В работе приведены некоторые виды предохранительных деталей, разрушающихся при воздействии срезающих нагрузок. Показано, что заниженные значения временного сопротивления, приводимые в справочниках, могут приводить к повышенным нереализуемым запасам прочности и, как следствие, увеличению металлоемкости соединений. Предложенный метод неразрушающего определения предела прочности материала на срез обладает достаточной для инженерной практики точностью и может быть использован в условиях изготовления, эксплуатации и ремонта различных деталей и узлов машин.

1. Матлин Ю. А., Казанкина Е. Н., Казанин В. А. Обзор методов неразрушающего контроля физико-механических свойств материалов деталей трибопроводов // Механика и физика процессов на поверхности и вконтакте твердых тел, деталей технологического и энергетического оборудования. 2020. № 13. С. 64–69.

2. Liu Diankun, He Jingbo, Li Zuohua, Teng Jun. Non-destructive evaluation of absolute stress in steel members using shear-wave spectroscopy // Transactions of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics. 2018. Vol. 35. Iss. 2. P. 236–243. https://doi.org/10.16356/j.1005-1120.2018.02.236.

3. Матлин М. М., Мозгунова А. И., Казанкина Е. Н., Казанкин В. А. Методы неразрушающего контроля прочностных свойств деталей машин: монография. М.: Издво «Инновационное машиностроение», 2019. 247 с.

4. Матюнин В. М. Индентирование в диагностике механических свойств материалов. М.: ИД МЭИ, 2015. 288 с.

5. Ghosh A., Arreguin-Zavala J., Aydin H., Goldbaum D., Chromik R., Brochu M. Investigating cube-corner indentation hardness and strength relationship under quasi-static and dynamic testing regimes // Materials Science and Engineering A. 2016. Vol. 677. P. 534–539. https://doi.org/10.1016/j.msea.2016.08.067.

6. Qing-ya Mа, Zhang Ya. Study of the relation between tensile strength and hardness for low-carbon steel based on least squares support vector machine // Journal University China National Science Education. 2016. Iss. 3. P. 258–278. https://doi.org/10.3969/j.issn.1673-3193.2016.03.010.

7. Tiryakioğlu M. On the relationship between Vickers hardness and yield stress in Al-Zn-Mg-Cu Alloys // Materials Science and Engineering: A. 2015. Vol. 633. P. 17–19. https://doi.org/10.1016/j.msea.2015.02.073.

8. Kyung Woo Lee, Jae Choi Min, Young Kim Ju, Il Kwon Dong, Ho Kim Kwang. Instrumented indentation technique: new nondestructive measurement technique for flow stress-strain and residual stress of metallic materials // Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing. 2005. Vol. 26. Iss. 5. P. 306–314.

9. Ammar H. R., Haggag F. M., Alaboodi A. S., Al-Mufadi F. A. Nondestructive measurements of flow properties of nanocrystalline Al-Cu-Ti alloy using Automated Ball Indentation (ABI) technique // Materials Science and Engineering: A. 2018. Vol. 729. P. 477–486. https://doi.org/10.1016/j.msea.2018.05.089.

10. Kwak K., Mine Y., Morito S., Ohmura T., Takashima K. Correlation between strength and hardness for substructures of lath martensite in low- and medium-carbon steels // Materials Science and Engineering: A. 2022. Vol. 856. Р. 144007. https://doi.org/10.1016/j.msea.2022.144007.

11. Qingfei Yun, Chunlei Xie, Ze Zhang, Youqian Liu, Junsong Fu, Qi Liu. The solution of the double-sphere model and experimental research of the long-term shear strength of frozen sand based on spherical template indenter test // Journal of Glaciology and Geocryology. 2022. Iss. 2. P. 485–494. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2022.0053.

12. Okano S., Kanamaru D., Ihara R., Mochizuki M. On the distinction between instrumented indentation technique and X-ray diffraction method in nondestructive or seminondestructive surface stress measurement // Journal of the Society of Materials Science. 2016. Vol. 65. Iss. 4. P. 319–324. https://doi.org/10.2472/jsms.65.319.

13. Пат. № 2740634, Российская Федерация, МПК G01N3/40. Способ определения предела прочности при срезе / М. М. Матлин, В. А. Казанкин, Е. Н. Казанкина; заявитель и патентообладатель Волгоградский государственный технический университет. Заявл. 15.06.2020; опубл. 18.01.2021. Бюл. № 2.

14. Густов Ю. И., Воронина И. В., Аллаттуф Х. Л. Взаимосвязь напряжений среза и предела выносливости металлических материалов // Вестник Московского государственного строительного университета. 2013. № 4. С. 32–37. https://doi.org/10.22227/1997-0935.2013.4.31-37.

15. Пат. № 204286, Российская Федерация, F22B 35/18. Устройство автоматического контроля и управления твердотопливным котлом / И. А. Подшивалов, А. Г. Туманян; заявитель и патентообладатель И. А. Подшивалов. Заявл. 22.01.2021; опубл. 18.05.2021. Бюл. № 14.

16. Пат. № 173549, Российская Федерация, F16D 9/06. Предохранительная муфта с разрушающимися элементами / М. Н. Казанцев, И. А. Флегентов, С. Н. Зозуля; заявитель и патентообладатель ПАО «Транснефть». Заявл. 01.03.2017; опубл. 30.08.2017. Бюл. № 25.

17. Пат. № 192168, Российская Федерация, A62B 1/10. Амортизатор на срезаемых штифтах для средств защиты втягивающего типа / С. Е. Курьез, А. П. Тюрин, С. С. Гаврюшин; заявитель и патентообладатель ООО «Сейф ТЕК». Заявл. 26.04.2019; опубл. 05.09.2019. Бюл. № 25.

18. Пат. № 2779806, Российская Федерация, F16L 29/00. Приводная муфта аварийного разъединения / В. В. Вакулов; заявитель и патентообладатель В. В. Вакулов. Заявл. 22.12.2021; опубл. 13.09.2022. Бюл. № 26.

19. Пат. № 2214340, Российская Федерация, B63B 22/08. Устройство крепления и отделения всплывающего буя на подводном техническом средстве / А. Г. Дун, М. В. Савенков; заявитель и патентообладатель ФГУП «Малахит». Заявл. 17.12.2001; опубл. 20.10.2003. Бюл. № 29.

20. Пат. № 2492413, Российская Федерация, F42B 10/46. Сбрасываемый головной обтекатель летательного аппарата / Н. А. Васильев, В. А. Ефремов, В. И. Злобин, А. А. Федоров; заявитель и патентообладатель ОАО «Корпорация тактическое ракетное вооружение». Заявл. 05.03.2012; опубл. 10.09.2013. Бюл. № 25.