vsgiuВестник Сибирского государственного индустриального университетаBulletin of the Siberian State Industrial University2304 - 44972307-1710Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный индустриальный университет"10.57070/2304-4497-2025-3(53)-104-114vsgiu-727Research ArticleРаздел 2. Металлургия и материаловедениеSection 2. Metallurgy and Materials ScienceУСЛОВИЯ ЗАРОЖДЕНИЯ УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН В СТАЛИ ПРИ ЦИКЛИЧЕСКИХ НАГРУЗКАХ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ЕЕ ПРОЧНОСТИCONDITIONS FOR THE INITIATION OF FATIGUE CRACKS IN STEEL UNDER CYCLIC LOADS, DEPENDING ON ITS STRENGTHПавловВячеслав ВладимировичPavlovVyacheslav V.

заместитель директора по техническим вопросам

Deputy Technical Director

vestnicsibgiu@sibsiu.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7985-5666ТемлянцевМихаил ВикторовичTemlyantsevMikhail V.

д.т.н., проректор по реализации стратегического проекта

Dr. Sci. (Eng.), Vice-Rector for Strategic Project Implementation

uchebn_otdel@sibsiu.ruСибирская горно-металлургическая компанияРоссияSiberian Mining and Metallurgical CompanyRussian FederationСибирский государственный индустриальный университетRussian FederationSiberian State Industrial UniversityRussian Federation20253009202503104114Copyright © Павлов В., Темлянцев М., 20252025Павлов В., Темлянцев М.Pavlov V., Temlyantsev M.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik.sibsiu.ru/jour/article/view/727

Проведено исследование условий зарождения усталостных трещин в стали при циклических нагрузках в зависимости от ее прочности. При циклической нагрузке наиболее опасными являются напряжения растяжения, которые формируют нормальные растягивающие напряжения в плоскости скольжения дислокаций. Получено соотношение, позволяющее определить условия, при которых наиболее вероятно образование зародышей трещины от дефекта поверхности или от неметаллических включений. Установлено, что влияние неметаллических включений на возможность образования усталостных трещин индивидуально, зависит от морфологии неметаллических включений и их размеров. Крупные высокомодульные неметаллических включений диаметром 5,0 – 7,0 мкм и более могут быть ответственны за образование трещин во всем диапазоне прочностных свойств стали (вплоть от 500 до     2000 МПа). Пластичные низкомодульные алюмосиликатные неметаллические включения с модулем Юнга не более чем у металлической матрицы (200 – 210 ГПа) не вызывают образование трещин во всем диапазоне предела прочности стали. Состояние поверхности (наличие микро- и макродефектов) металлоизделий повышает чувствительность стали к образованию усталостных трещин. Для практического применения разработаны графики, позволяющие спрогнозировать возникновение зародышевой усталостной трещины в зависимости от морфологического типа неметаллических включений, их размеров, состояния поверхности стального образца или металлоизделия и временного сопротивления стали. Представлены рекомендации по организации процесса раскисления стали, обеспечивающего формирование пластичных неметаллических включений с модулем Юнга не более 200 – 210 МПа и минимизирующих влияние на образование усталостных трещин. Полученные результаты имеют наибольший практический интерес для совершенствования технологий производства сталей, изделия (рельсы, рессоры, пружины, торсионные валы, автомобильные оси и т.п.) из которых работают в условиях циклических, знакопеременных нагрузок.

Currently, there are various, opposing points of view regarding the influence of non-metallic inclusions on the fatigue strength of steel. A number of studies by domestic and foreign metallurgists and materials scientists note the lack of correlation between the fatigue limit of steel and its total contamination with non-metallic inclusions. At the same time, numerous studies indicate that the presence of non-metallic inclusions has no practical effect on the cyclic fatigue strength of medium-strength steel. However, for steel with σв ≥ 1200 MPa, their negative effect is observed on transverse specimens, and for steel with σв ≥ 1700 MPa, also on longitudinal specimens. This article examines the conditions for fatigue crack initiation in steel under cyclic loads depending on its strength. It is shown that, under cyclic loading, the most dangerous stresses are tensile stresses, which form normal tensile stresses in the dislocation slip plane. A relationship has been obtained that allows one to determine the conditions under which the formation of crack nuclei from a surface defect or from non-metallic inclusions is most likely. It has been established that the influence of non-metallic inclusions on the possibility of fatigue crack formation is individual and depends on the morphology of non-metallic inclusions and their sizes. Large high-modulus non-metallic inclusions with a diameter of 5.0 – 7.0 μm or more can be responsible for the formation of cracks in the entire range of steel strength properties up to 500 to 2000 MPa. Ductile low-modulus aluminosilicate non-metallic inclusions with a Young's modulus no greater than that of the metallic matrix (200 – 210 GPa) do not cause the formation of cracks in the entire range of the ultimate tensile strength of steel. 

высокопрочная стальусталостная прочностьнеметаллические включенияисследованиеhigh-strength steelfatigue strengthnon-metallic inclusionsstudyReferencesПопелюх А.И., Веселов С.В., Мункуева Д.Д., Тимонин В.В., Карпов В.Н. Влияние неметаллических включений на сопротив-ление стали разрушению при многократном динамическом сжатии. Металловедение. 2017;2(75):67‒78.Popelyukh A.I., Veselov S.V., Munkueva D.D., Timonin V.V., Karpov V.N. The effect of nonmetallic inclusions on the fracture resistance of steel under repeated dynamic compression. Metallovedenie. 2017;2(75):67‒78. (In Russ.).Zhang J.M., Li S.X., Yang Z.G., Li G.Y., Hui W.J., WengY.Q. In uence of inclusion size on fatigue behavior of high strength steels in the gigacycle fatigue regime. International Journal of Fatigue. 2007;29(4):765‒771.Zhang J.M., Li S.X., Yang Z.G., Li G.Y., Hui W.J., WengY.Q. In uence of inclusion size on fatigue behavior of high strength steels in the gigacycle fatigue regime. International Journal of Fatigue. 2007;29(4):765‒771.https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2006.06.004https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2006.06.004Dominguez G.M.A. Prediction of very high cycle fatigue failure for high strength steels, based on the inclusion geometrical properties. Mechanics of Materials. 2008;40(8):636‒640. https://doi.org/10.1016/j. mechmat.2008.03.001Dominguez G.M.A. Prediction of very high cycle fatigue failure for high strength steels, based on the inclusion geometrical properties. Mechanics of Materials. 2008;40(8):636‒640. https://doi.org/10.1016/j.mechmat.2008.03.001Zhang C., Wang R., Zhu H. experimental study on mechanical properties of q690 high strength steel after fatigue damage. Jianzhu Jiegou Xuebao. 2021;Т.42(4):17–184.Zhang C., Wang R., Zhu H. experimental study on mechanical properties of q690 high strength steel after fatigue damage. Jianzhu Jiegou Xuebao. 2021;42(4):17–184.Tong L., Niu L., Ren Zh., Zhao X.L. experi-mental research on fatigue performance of high-strength structural steel series. Journal of Constructional Steel Research. 2021;183:106743.Tong L., Niu L., Ren Zh., Zhao X.L. experi-mental research on fatigue performance of high-strength structural steel series. Journal of Constructional Steel Research. 2021;183:106743.Yang Z.G., Zhang J.M., Li S.X., Li G.Y., Wang Q.Y., Hui W.J., Weng Y.Q. On the critical inclusion size of high strength steels under ultra-high cycle fatigue. Materials Science and Engineering: A. 2006;427(1-2):167‒174.Yang Z.G., Zhang J.M., Li S.X., Li G.Y., Wang Q.Y., Hui W.J., Weng Y.Q. On the critical inclusion size of high strength steels under ultra-high cycle fatigue. Materials Science and Engineering: A. 2006;427(1-2):167‒174.https://doi.org/10.1016/j. msea.2006.04.068https://doi.org/10.1016/j. msea.2006.04.068Терентьев В.Ф., Кораблева С.А. Усталость металлов. М.: Наука, 2015. – 484 с.Terent'ev V.F., Korableva S.A. Metal fatigue. Moscow: Nauka, 2015:484. (In Russ.).Oberreiter M., Horvath M., Stoschka M., Fladischer S. Effect of surface finishing state on fatigue strength of cast aluminium and steel alloys. Fladischer S. Materials. 2023;16.(13):4755.Oberreiter M., Horvath M., Stoschka M., Fladischer S. Effect of surface finishing state on fatigue strength of cast aluminium and steel alloys. Fladischer S. Materials. 2023;16.(13):4755.Bae D.Su., Lee J.K. Еffect of surface rough-ness on fatigue strength in mar-tensitic stain-less steel. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing. 2024;25. (10):2125–2131.Bae D.Su., Lee J.K. Effect of surface rough-ness on fatigue strength in mar-tensitic stain-less steel. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing. 2024;25(10):2125–2131.Guo H., Wei H., Li G., Wang Ya. Еxperi-mental research on fatigue performance of corroded q690 high-strength steel. Journal of Materials in Civil Engineering. 2021;33(11):04021304.Guo H., Wei H., Li G., Wang Ya. experimental research on fatigue performance of corroded q690 high-strength steel. Journal of Materials in Civil Engineering. 2021;33(11).Zhao X., Zhang W., Chen H. Сomparative research on fatigue performance of high-strength bainitic steel with or without corrosion. Journal of Materials Engineering and Performance. 2020;29(11):7488–7498.Zhao X., Zhang W., Chen H. comparative research on fatigue performance of high-strength bainitic steel with or without corrosion. Journal of Materials Engineering and Performance. 2020;29(11):7488–7498.Шпис Х.И. Поведение неметаллических включений в стали при кристаллизации и деформации. Пер. с нем. Москва: Метал-лургия. 1971:127.Shpis H.I. Behavior of non-metallic inclusions in steel during crystallization and deformation. Translated from German. Moscow: Metallurgy. 1971:127. (In Russ.).Sumita M., Uchiyama J., Araki T. Araki: A Model Experiment on Relationship between Fatigue Properties of Steel and Size, Shape, and Distribution of Inclusions. Tetsu To Ha-gane. 1971;57(2):289 – 334.Sumita M., Uchiyama J., Araki T. Araki: A Model Experiment on Relationship between Fatigue Properties of Steel and Size, Shape, and Distribution of Inclusions. Tetsu To Ha-gane. 1971;57(2):289–334.Murakami Yu. Metal Fatigue: Effects of Small Defects and Nonmetallic Inclusions. Elsevier, 2002:386.Murakami Yu. Metal Fatigue: Effects of Small Defects and Nonmetallic Inclusions. Elsevier, 2002:386.Терентьев В.Ф., Петухов А.Н. Усталость высокопрочных металлических материалов. Москва: ИМЕТ РАН-ЦИАМ, 2013:514.Terent'ev V.F., Petukhov A.N. Fatigue of high-strength metal materials. Moscow: IMET RAN-TsIAM, 2013:514. (In Russ.).Frith P.H. Fatigue tests on rolled alloy steels made in electric and open-hearth furnaces J. iron and Steel Inst. 1955;180(1):26–38.Frith P.H. Fatigue tests on rolled alloy steels made in electric and open-hearth furnaces J. iron and Steel Inst. 1955;180(1):26–38.Павлов В.В. Неметаллические включения, усталость, дефекты контактной усталости. Новокузнецк: ИЦ СибГИУ. 2021:144.Pavlov V.V. Non-metallic inclusions, fatigue, contact fatigue defects. Novokuznetsk: IS Sibgiu. 2021:144. (In Russ.).Bhat S.P., Fine M.E. Fatigue crack nucleation in iron and a high strength low alloy steel. Materials Science and Engineering. 2001;314(1-2):90–96.Bhat S.P., Fine M.E. Fatigue crack nucleation in iron and a high strength low alloy steel. Materials Science and Engineering. 2001;14(1-2):90‒96.Гуртов В.А., Осауленко Р.Н. Физика твердого тела для инженеров. Москва: Техносфера. 2012:558.Gurtov V.A., Osaulenko R.N. Solid State Physics for Engineers. Textbook. Moscow: Tekhnosfera. 2012:558. (In Russ.).Toribio J., González B., Matos J.C. transient and steady state regimes of fatigue crack growth in high strength steel. Key Engineering Materials. 2012;525-526:553–556.Toribio J., González B., Matos J.C. transient and steady state regimes of fatigue crack growth in high strength steel. Key Engineering Materials. 2012.525-526:553–556.Саррак В.Н. О хрупком разрушении стали. В кн.: Металловеды. Иркутск: изд. Иркутского ун-та. 2009:258–261.Sarrak V.N. On brittle fracture of steel. In the collection "Metal scientists". Irkutsk: Irkutsk University Press. 2009:258–261. (In Russ.).Павлов В.В., Корнева Л.В. Взаимодействие системы «металлическая матрица – неметаллическое включение» в рельсовой стали. В кн.: Сб. науч. докладов «Улучшение качества и условий эксплуатации рельсов и рельсовых скреплений». Екатеринбург. 2010:133–148.Pavlov V.V., Korneva L.V. Interaction of the "metal matrix - non-metallic inclusion" system in rail steel. In: The collection of scientific reports "Improving the quality and operating conditions of rails and rail fastenings". Ekaterinburg. 2010:133–148. (In Russ.).Павлов В.В., Корнева Л.В. Разработка ме-тодики оценки скопления рельсовой стали к образованию дефектов контактно усталостного происхождения. В кн.: Сб. науч. докладов «Улучшение качества и условий эксплуатации рельсов и рельсовых скреплений». Екатеринбург. 2011:117–137.Pavlov V.V., Korneva L.V. Development of a methodology for assessing the accumulation of rail steel to the formation of defects of contact fatigue origin. In: The collection of scientific reports "Improving the quality and operating conditions of rails and rail fastenings". Ekaterinburg. 2011:117–137. (In Russ.).Павлов В.В., Темлянцев М.В., Трошкина А.В. О связи усталостных показателей с прочностными свойствами стали и роли неметаллических включений. Проблемы черной металлургии и материаловедения. 2020;(2):44–50.Pavlov V.V., Temlyantsev M.V., Troshkina A.V. On the relationship between fatigue performance and strength properties of steel and the role of non-metallic inclusions. Problems of Ferrous Metallurgy and Materials Science. 2020;(2):44–50. (In Russ.).Павлов В.В., Темлянцев М.В., Бухмиров В.В. Увеличение усталостной прочности стали высокопрочных марок. Известия вузов. Черная металлургия. 2023;Т.66.(5):522–527.Pavlov V.V., Temlyantsev M.V., Troshkina A.V. On the relationship between fatigue performance and strength properties of steel and the role of non-metallic inclusions. Problems of Ferrous Metallurgy and Materials Science. 2020;(2):44–50. (In Russ.).Одинг И.А. Допускаемые напряжения в машиностроении и циклическая прочность металлов. Москва: Машгиз. 1962:260.Oding I.A. Permissible stresses in mechanical engineering and cyclic strength of metals. Moscow: Mashgiz. 1962:260. (In Russ.).Федюкин В.К. Критический анализ учения о сопротивлении материалов. Санкт-Петербург: изд. Михайлова В.А. 2006;251.Fedyukin V.K. Critical analysis of the theory of resistance of materials. St. Petersburg: Mikhailov V.A. Publishing House, 2006;251. (In Russ.).Нордлинг К., Остерман Д. Справочник по физике для ученого и инженера. Санкт-Петербург: БХВ-Петербург. 2011;522.Nordling K., Osterman D. Handbook of Physics for Scientists and Engineers. St. Petersburg: BHV-Petersburg. 2011;522. (In Russ.).Park Ye.Ch., An Ch.B., Kim M., Sim H.Bo. Effect of the depth of decarburized layer in skl15 tension clamp on fatigue strength. Ap-plied Sciences (Switzerland). 2021;11(9):3841.Park Ye.Ch., An Ch.B., Kim M., Sim H.Bo. Effect of the depth of decarburized layer in skl15 tension clamp on fatigue strength. Ap-plied Sciences (Switzerland). 2021;11(9):3841.Tekeli S. Enhancement of fatigue strength of sae 9245 steel by shot peening. Materials Letters. 2002;57.(3):604–608.Tekeli S. Enhancement of fatigue strength of sae 9245 steel by shot peening. Materials Letters. 2002;57(3):604–608.De la rosa C.E.F., Trejo M.H., Román M.C., López E.A. Effect of decarburization on the residual stresses produced by shot peening in automotive leaf springs. Journal of Materials Engineering and Performance. 2016;25(7):2596–2603.De la rosa C.E.F., Trejo M.H., Román M.C., López E.A. Effect of decarburization on the residual stresses produced by shot peening in automotive leaf springs. Journal of Materials Engineering and Performance. 2016;25(7):2596–2603.Malikoutsakis M., Gakias Ch., Makris I., Kinzel P., Müller E., Pappa M., Michailidis N., Savaidis G. on the effects of heat and surface treatment on the fatigue performance of high-strength leaf springs. MATEC Web of Conferences. 2021;349:04007.Malikoutsakis M., Gakias Ch., Makris I., Kinzel P., Müller E., Pappa M., Michailidis N., Savaidis G. on the effects of heat and surface treatment on the fatigue performance of high-strength leaf springs. MATEC Web of Conferences. 2021;349:04007.

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