УСЛОВИЯ ЗАРОЖДЕНИЯ УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН В СТАЛИ ПРИ ЦИКЛИЧЕСКИХ НАГРУЗКАХ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ЕЕ ПРОЧНОСТИ

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.

1. Попелюх 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.

2. 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.

3. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2006.06.004

4. Dominguez 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.2008.03.001

5. Zhang 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.

6. 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.

7. 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.

8. https://doi.org/10.1016/j. msea.2006.04.068

9. Терентьев В.Ф., Кораблева С.А. Усталость металлов. М.: Наука, 2015. – 484 с.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. Шпис Х.И. Поведение неметаллических включений в стали при кристаллизации и деформации. Пер. с нем. Москва: Метал-лургия. 1971:127.

15. 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.

16. Murakami Yu. Metal Fatigue: Effects of Small Defects and Nonmetallic Inclusions. Elsevier, 2002:386.

17. Терентьев В.Ф., Петухов А.Н. Усталость высокопрочных металлических материалов. Москва: ИМЕТ РАН-ЦИАМ, 2013:514.

18. 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.

19. Павлов В.В. Неметаллические включения, усталость, дефекты контактной усталости. Новокузнецк: ИЦ СибГИУ. 2021:144.

20. 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.

21. Гуртов В.А., Осауленко Р.Н. Физика твердого тела для инженеров. Москва: Техносфера. 2012:558.

22. 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.

23. Саррак В.Н. О хрупком разрушении стали. В кн.: Металловеды. Иркутск: изд. Иркутского ун-та. 2009:258–261.

24. 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.

25. 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.

26. 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.

27. 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.

28. Одинг И.А. Допускаемые напряжения в машиностроении и циклическая прочность металлов. Москва: Машгиз. 1962:260.

29. Федюкин В.К. Критический анализ учения о сопротивлении материалов. Санкт-Петербург: изд. Михайлова В.А. 2006;251.

30. Нордлинг К., Остерман Д. Справочник по физике для ученого и инженера. Санкт-Петербург: БХВ-Петербург. 2011;522.

31. 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.

32. Tekeli S. Enhancement of fatigue strength of sae 9245 steel by shot peening. Materials Letters. 2002;57.(3):604–608.

33. 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.

34. 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.