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

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. 

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.