Preview

Вестник Донского государственного технического университета

Расширенный поиск

Анализ начальной стадии усталостного износа гетероструктурных материалов в условиях контактных циклических нагрузок

https://doi.org/10.23947/1992-5980-2019-19-4-328-334

Полный текст:

Аннотация

Введение. Рассмотрен процесс формирования усталостных дефектов в металлических сплавах с различной структурной морфологией.Цель работы — создание расчетного аппарата для определения момента зарождения указанных дефектов в условиях циклического нагружения.

Материалы и методы. Построена физическая модель, представлены расчетные выражения. В основу физической модели положена теория дислокаций. Показано, что при динамических циклических нагружениях определяющее значение в процессе зарождения очагов разрушения имеет структурный фактор. В зависимости от структуры и свойств материала, а также от характера нагрузок, критический усталостный дефект развивается в форме трещины, поры или микрократера износа. 

Результаты исследования. Выполнен численный эксперимент по определению момента зарождения дефекта критического размера в сплавах на основе железа при высокоскоростных капельных соударениях. Представлены сравнительные данные расчетов и стендовых испытаний по каплеударной эрозии сталей и сплавов со структурой феррита, аустенита, сорбита и мартенсита. Оценен вклад стадии зарождения в инкубационный период эрозионного износа исследованных материалов.

Обсуждение и заключение. Строгие инструментальные методы для определения продолжительности стадии зарождения отсутствуют, поэтому рекомендовано использовать предложенную расчетно-аналитическую модель. Кроме того, выполненная работа дала важный прикладной результат — продемонстрировала, что целенаправленное конструирование структуры материала может существенно увеличить износостойкость. 

Об авторах

О. В. Кудряков
Донской государственный технический университет
Россия
профессор кафедры «Физическое и прикладное материаловедение», главный научный сотрудник НОЦ «Материалы», доктор технических наук, профессор


В. Н. Варавка
Донской государственный технический университет
Россия
профессор кафедры «Физическое и прикладное материаловедение», руководитель НОЦ «Материалы», доктор технических наук, доцент


И. Ю. Забияка
Донской государственный технический университет
Россия
аспирант кафедры «Физическое и прикладное материаловедение», мл. научный сотрудник НОЦ «Материалы»


Э. А. Ядрец
Донской государственный технический университет
Россия
магистрант кафедры «Физическое и прикладное материаловедение»


О. В. Шведчикова
Донской государственный технический университет
Россия
магистрант кафедры «Физическое и прикладное материаловедение»


Список литературы

1. Field, J. E. The Effects of Target Compliance on Liquid Drop Impact / J. E. Field, J. P. Dear, J. E. Ogren // Journal of Applied Physics. — 1989. — Vol. 65. — P. 533–540.

2. Heymann, F. J. Liquid Impingement Erosion / F. J. Heymann // Friction, Lubrication, and Wear Technology. — 1992. — Vol. 18. — P. 214–220.

3. Itoh, H. Evaluation of Erosion by Liquid Droplet Impingement for Metallic Materials / H. Itoh, N. Okabe // Transaction of JSME. — 1993. — Vol. 59. — P. 2736–2741.

4. Richman, R. H. Liquid-Impact Erosion / R. H. Richman // Failure Analysis and Prevention. — 2002. — Vol. 11. — P. 1013–1018.

5. Haller, K. K. Computational Study of High-speed Liquid Droplet Impact / K. K. Haller, Y. Ventikos, D. Poulikakos // Journal of Applied Physics. — 2002. — Vol. 92. — P. 2821–2828.

6. Arai, J. Numerical Analysis of Droplet Impingement on Pipe Inner Surface Using a Particle Method / J. Arai, S. Koshizuka // Journal of Power Energy Systems. — 2009. — Vol. 3. — P. 228–236.

7. Xiong, J. Numerical Analysis of Droplet Impingement Using the Moving Particle Semi-implicit Method / J. Xiong, S. Koshizuka, M. Sakai // Journal of Nuclear Science Technology. — 2010. — Vol. 47. — P. 314–321.

8. Li, R. A Numerical Study of Impact Force Caused by Liquid Droplet Impingement onto a Rigid Wall / R. Li, H. Ninokata, M. Mori // Progress in Nuclear Energy. — 2011. — Vol. 53. — P. 881–885.

9. Li, R. A Numerical Study on Turbulence Attenuation Model for Liquid Droplet Impingement Erosion / R. Li [et al.] // Annals of Nuclear Energy. — 2011. — Vol. 38. — P. 1279–1287.

10. Sanada, T. A Computational Study of High-speed Droplet Impact / T. Sanada, K. Ando, T. Colonius // Fluid Dynamics Materials Processing. — 2011. — Vol. 7. — P. 329–340.

11. Kudryakov, O. V. Integrated Indentation Tests of Metal-Ceramic Nanocomposite Coatings / O. V. Kudryakov, V. N. Varavka // Inorganic Materials. — 2015. — Vol. 51, № 15. — P. 1508–1515.

12. Varavka, V. N. Regularities of Steel Wear under the Impact of Discrete Water-Droplet Stream. Part I: Initial Stage of Droplet_Impingement Erosion / V. N. Varavka, O. V. Kudryakov // Journal of Friction and Wear. — 2015. — Vol. 36, № 1. — P. 71–79.

13. Varavka, V. N. Regularities of Steel Wear under the Impact of Discrete Water-Droplet Stream. Part II: Stage of the Developed Droplet-Impingement Erosion / V. N. Varavka, O. V. Kudryakov // Journal of Friction and Wear. — 2015. — Vol. 36, № 2. — P. 153–162.

14. Оценка эрозионной стойкости упрочненных металлических сплавов в условиях каплеударного воздействия / О. В. Кудряков [и др.] // Вестник Дон. гос. техн. ун-та. — 2018. — Т. 18, № 1. — С. 6–15.

15. Application of Nanocomposite Coatings to Protect Power Equipment from Droplet Impingement Erosion / V. N. Varavka [et al.] // Thermal Engineering. — 2014. — Vol. 61, no. 11. — P. 797–803.

16. Кинетика зарождения и развития процесса эрозионного разрушения поверхности сталей при каплеударном воздействии / В. А. Рыженков [и др.] // Надежность и безопасность энергетики. — 2012. — № 1 (16). — С. 67–71.

17. Закономерности и параметры каплеударной эрозии титановых сплавов / В. Н. Варавка [и др.] // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. — 2011. — № 6. — С. 92–98.

18. Li, R. A Calculation Methodology Proposed for Liquid Droplet Impingement Erosion / R. Li, M. Mori, H. Ninokata // Nuclear Engineering and Design. — 2012. — Vol. 242. — P. 157–163.

19. Sasaki, H. Numerical Analysis of Influence of Roughness of Material Surface on High-Speed Liquid Droplet Impingement / H. Sasaki, Y. Iga // Journal of Pressure Vessel Technology. — 2019. — Vol. 141, 031404. — 7 p.

20. Isomoto, Y. Erosion Phenomenon Caused by Water Droplet Impingement and Life Prediction of Industrial Materials. Part 2. Establishment of Predictive Equations and Evaluation of Material Performance / Y. Isomoto, H. Miyata // Zairyo-to-Kankyo. — 2008. — Vol. 57. — P. 146–152.

21. Modeling Study of Liquid Impingement Erosion of NiAl Alloy / J. Zhao [et al.] // Wear. — 2014. — Vol. 311. — P. 65–70.

22. Ботвина, Л. Р. Разрушение: кинетика, механизмы, общие закономерности / Л. Р. Ботвина. — Москва : Наука, 2008. — 334 с.

23. Frost, H. J. Deformation-Mechanism Maps. The Plasticity and Creep of Metals and Ceramics / H. J. Frost, M. F. Ashby. — Oxford ; New York ; Sydney : Pergamon, 1982. — 166 р.

24. Kudryakov, O. V. Dislocation Quasi-Dipoles and Their Possible Role in Martensitic Transformations in Steel / O. V. Kudryakov // The Physics of Metals and Metallography. — 2002. — Vol. 94, № 5. — P. 421–428.

25. Кудряков, О. В. Феноменология мартенситного превращения и структуры стали / О. В. Кудряков, В. Н. Варавка. — Ростов-на-Дону : Издательский центр ДГТУ, 2004. — 200 с.

26. Hedstrӧm, P. Deformation and Martensitic Phase Transformation in Stainless Steels / P. Hedstrӧm. — Luleå : Universitetstryckeriet, 2007. — 218 р.

27. Ashby, M. F. Engineering Materials. An Introduction to their Properties and Applications / M. F. Ashby, D. R. Jones. — 2nd ed. — Oxford : Butterworth-Heinemann, 1996. — 322 p.

28. Morphological features and mechanics of destruction of materials with different structures under impact drop cyclic loading / V. N. Varavka [et al.] // MATEC Web of Conferences. — 2017. — Vol. 132, 03004. — 4 p.

29. Механика разрушения и прочность материалов. Справ. пособ. : в 4 т. Т. 3. Характеристики кратковременной трещиностойкости материалов и методы их определения / С. Е. Ковчик, Е. М. Морозов. — Киев : Наукова думка, 1988. — 436 с.

30. Селезнев, Л. И. Эрозионный износ конструкционных материалов / Л. И. Селезнев, В. А. Рыженков // Технология металлов. — 2007. — № 3. — С. 19–24.

31. Ahmad, M. Experimental Assessment of Droplet Impact Erosion Resistance of Steam Turbine Blade Materials / M. Ahmad, M. Casey, N. Sürken // Wear. — 2009. — Vol. 267. — P. 1605–1618.

32. Seleznev, L. I. Phenomenology of Erosion Wear of Constructional Steels and Alloys by Liquid Particles / L. I. Seleznev, V. A. Ryzhenkov, A. F. Mednikov // Thermal Engineering. — 2010. — Vol. 57, № 9. — P. 741–745.

33. Experiments on Liquid Droplet Impingement Erosion by High-speed Spray / N. Fujisawa [et al.] // Nuclear Eng. Design. — 2012. — Vol. 250. — P. 101–107.

34. Hattori, S. Effect of Impact Angle on Liquid Droplet Impingement Erosion / S. Hattori, M. Kakuichi // Wear. — 2013. — Vol. 298–299. — P. 1–7.


Для цитирования:


Кудряков О.В., Варавка В.Н., Забияка И.Ю., Ядрец Э.А., Шведчикова О.В. Анализ начальной стадии усталостного износа гетероструктурных материалов в условиях контактных циклических нагрузок. Вестник Донского государственного технического университета. 2019;19(4):328-334. https://doi.org/10.23947/1992-5980-2019-19-4-328-334

For citation:


Kudryakov O.V., Varavka V.N., Zabiyaka I.Yu., Yadrets E.A., Shvedchikova O.V. Analysis of the initial stage of fatigue wear in heterostructure materials under contact cyclic loading. Vestnik of Don State Technical University. 2019;19(4):328-334. (In Russ.) https://doi.org/10.23947/1992-5980-2019-19-4-328-334

Просмотров: 77


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 1992-5980 (Print)
ISSN 1992-6006 (Online)