Филиал Южно-Уральского государственного университета (научно-исследовательский университет), Златоуст, Россия

М. А. Матвеева, старший преподаватель кафедры техники и технологий производства материалов (ТиТПМ), эл. почта: matveevama@susu.ru
И. В. Чуманов, заведующий кафедрой ТиТПМ, профессор, докт. техн. наук, эл. почта: chumanoviv@susu.ru

Южно-Уральский государственный университет (научно-исследовательский университет), Челябинск, Россия

А. В. Ерпалов, старший научный сотрудник Центра виброиспытаний и мониторинга состояния конструкций (ЦВиМСК), канд. техн. наук
К. А. Хорошевский, инженер ЦВиМСК

Исследованы усталостные характеристики многослойного металлического композиционного материала, полученного методом электрошлакового переплава. Для исследования отобраны две группы образцов с продольным и поперечным расположением слоев в сечении. Расчетно-экспериментальная оценка максимальных напряжений в диапазоне упругих деформаций, возникающих в образце при статических испытаниях на электродинамическом вибростенде, проведена на двух образцах с поперечным расположением слоев. Для регистрации деформаций на испытуемых образцах фиксировали оснастку из тензодатчиков. Статические испытания при консольном изгибе проводили при перемещении вертикального стола стенда на 1, 2 и 3 мм. Численная оценка напряженно-деформированного состояния проведена в конечно-элементном пакете ANSYS. Модель образца представлена оболочечными элементами толщиной 2 мм. Разбиение модели выполнено структурированной сеткой на 5225 элементов. В качестве граничных условий на одну грань, соответствующую местам захвата, наложено ограничение в виде жесткой заделки, а на вторую — ограничение перемещения по осям X (свободное перемещение), Y (перемещение запрещено), Z (1, 2 и 3 мм в зависимости от уровня нагружения). Получена картина распределения нормальных напряжений в образце. Усталостные испытания выполнены при стандартном гармоническом цикле нагружения с частотой 20 Гц до разрушения образцов либо до достижения базы испытаний (N = 2·10⁶ цикла). По результатам испытаний построены кривые удалости по методу Басквина для двух групп образцов. Установлено, что в группе с поперечным расположением слоев в сечении образца при консольном изгибе долговечность больше, чем в группе с продольными расположением слоев.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-29-20049, https://rscf.ru/project/22-29-20049/.

1. Дуб А. В., Левков Л. Я., Шурыгин Д. А., Кригер Ю. Н. и др. Перспективы производства оборудования для АЭС с использованием ЭШП // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Обеспечение безопасности АЭС. 2014. № 34. С. 11–18.
2. Быстров В. А. Основы электрошлаковых технологий упрочнения композиционными сплавами деталей, работающих при высокотемпературном износе : дис. … докт. техн. наук. — Барнаул, 2003. — 337 с.
3. Сиротенко Л. Д., Шлыков Е. С., Абляз Т. Р. Применение биметаллических материалов в машиностроении // Современные проблемы науки и образования. 2015. № 2-1. С. 163.
4. Быков А. А. Развитие производства биметаллов // Металлург. 2009. № 9. С. 61–64.
5. Кусков Ю. М., Жданов В. А., Проскудин В. Н., Нетяга А. В. Получение электрошлаковой наплавкой биметаллических армирующих элементов для упрочнения изделий горно-металлургического комплекса // Сталь. 2021. № 4. С. 15–17.
6. Kuskov Y. M., Kuzmenko O. G., Pentyugov L. I., Okopnik L. L. et al. Dispersehardened composite production of homogeneous chemical composition by electroslag cladding and remelting // Steel in Translation. 2021. Vol. 51, Iss. 2. P. 118–124.
7. Kuskov Y. M., Kuzmenko O. G., Lentyugov I. P., Okopnik L. L. et al. Production of composite material reinforced by chips using electroslag cladding by nonconsumable electrode // Steel in Translation. 2021. Vol. 51, Iss. 3. P. 205–210.
8. Дементьев В. Б., Соловьев С. Д., Стерхов М. Ю. и др. Формирование диффузионной зоны в процессе образования биметаллических соединений // Химическая физика и мезоскопия. 2018. Т. 20. № 3. С. 378–393.
9. Лехов О. С., Шевелев М. М. Оценка качества стальных трехслойных биметаллических полос получении на установке непрерывного литья и деформации // Известия вузов. Черная металлургия. 2021. Т. 64. № 10. С. 755–760.
10. Kivineva E. I., Olsom D. L., Matlock D. K. Particulate reinforced metal matrix composite (TiC) as a weld deposited // Welding. 2015. Vol. 3. Р. 83–92.
11. Чуманов И. В., Матвеева М. А., Порсев М. А. Исследование структуры переходной зоны в многослойном слитке, полученном методом электрошлакового переплава // Электрометаллургия. 2015. № 5. С. 16–20.
12. Быстров В. А. Математическое моделирование температурного поля шлаковой ванны ЭШН композиционных сплавов // Современные наукоемкие технологии. 2020. № 6. С. 15–24.
13. Чуманов И. В., Порсев М. А. Электрошлаковые технологии при получении биметаллических заготовок : учебное пособие. — Челябинск : Издательский центр ЮУрГУ, 2019. — 125 с.
14. Чуманов И. В., Чуманов В. И., Матвеева М. А. Исследование структуры и механических свойств многослойного металлического материала, полученного методом электрошлакового переплава // Электрометаллургия. 2014. № 3. С. 29–33.
15. ГОСТ 25.502–79. Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Методы механических испытаний металлов. Методы испытаний на усталость. — Введ. 01.01.1981.
16. Ерпалов А. В., Шефер Л. А., Рихтер Е. Е., Тараненко П. А. Усталостные испытания материалов и конструкций с использованием современного оборудования // Вестник ЮУрГУ. Серия «Машиностроение». 2015. Т. 15. № 2. С. 70–80.
17. Трощенко В. Т., Хамаза Л. А. Деформационные кривые усталости сталей и методы определения их параметров. Сообщение 1. Традиционные методы // Проблемы прочности. 2010. № 6. С. 26–43.
18. Ерасов В. С., Орешко Е. И. Испытания на усталость металлических материалов (обзор). Часть 2. Анализ уравнения Басквина–Мэнсона–Коффина. Методики испытаний и обработки данных // Авиационные материалы и технологии. 2021. № 1 (62). С. 80–94. URL: http://www.journal.viam.ru (дата обращения : 20.10.2023).