Ефективний метод оцінки рівня пошкодження матеріалу За різних умов експлуатації

Автор(и)

DOI:

https://doi.org/10.32703/2617-9059-2023-42-8

Ключові слова:

твердість, пара рейка–колесо, статистична обробка даних, мастильний склад, випробування на тертя та зношування, зносостійкість, трибологічні характеристики, пошкодження.

Анотація

У статті проаналізовано відомі експериментальні результати оцінки ступеню пошкодження конструкційних матеріалів різних марок за умов довготривалого, циклічного, статичного навантаження та мастильного тертя. Показано, що структурні зміни, які відбуваються в матеріалах під час навантаження, корелюють зі змінами статистичних характеристик розсіювання результатів вимірювання твердості. Це дозволяє прогнозувати кінетику накопичення пошкоджень у матеріалах під час експлуатації, а отже, прогнозувати термін їх служби. Такий підхід є актуальним для розробки методів оцінки поточного стану та залишкового ресурсу конструкцій залізничного та інших транспортних галузей. Запропоновано використовувати цю методику для оцінки рівня пошкодження мікроструктури матеріалів у зоні контакту та його впливу на трибологічні характеристики металевих пар тертя. Запропоновано новий метод оцінки ефективності мастильних композицій на основі промислових мастил, які містять нанодобавки різного хімічного складу для підвищення зносостійкості сталевих важконавантажених пар тертя. Метод базується на спільному аналізі експериментальних даних щодо кінетики зношування, зміни відносної твердості та рівня пошкодженості поверхневих шарів металів пар тертя. Порушення структури матеріалів у зоні контакту визначають за допомогою статистичних параметрів розсіювання значень твердості. Методика апробована для сталевих пар тертя, де використовуються мастильні матеріали на основі індустріального масла та нанодобавок міді, магнієвих сплавів, графіту та двох марок середньовуглецевих сталей.

Посилання

Chaboche, J. L. (1989). Phenomenological aspects of continuum damage mechanics. Theoretical and Applied Mechanics, 41-56.

Betten, J. (1992). Applications of tensor functions in continuum damage mechanics. International Journal of Damage Mechanics, 1(1), 47-59. https://doi.org/10.1177/105678959200100103

Krajcinovic, D. (1983). Constitutive equations for damaging materials, J. Appl. Mech, 50(2), 355-360. https://doi.org/10.1115/1.3167044

Lemaitre, J., & Desmorat, R. (2006). Engineering damage mechanics: ductile, creep, fatigue and brittle failures. Springer Science & Business Media. https://doi.org/10.1007/b138882.

Murakami, S., Liu, Y., & Mizuno, M. (2000). Computational methods for creep fracture analysis by damage mechanics. Computer methods in applied mechanics and engineering, 183(1-2), 15-33. https://doi.org/10.1016/S0045-7825(99)00209-1.

Kattan, P. I., & Voyiadjis, G. Z. (2012). Damage mechanics with finite elements: practical applications with computer tools. Springer Science & Business Media. https://doi.org/10.1007/978-3-642-56384-3.

Lebedev, A. A. (2008). New characteristics of material degradation at the stage of development of scattered damage. Tekh. Diagn. Nerazrushayushchii Kontrol, (4), 35-44.

Barter, S. A., Molent, L., & Wanhill, R. J. (2018). Typical Fatigue-Nucleating Discontinuities in Metallic Aircraft Structures. In Aircraft Sustainment and Repair (pp. 41-65). Butterworth-Heinemann. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-100540-8.00003-0.

Merson, E., Danilov, V., Merson, D., & Vinogradov, A. (2017). Confocal laser scanning microscopy: The technique for quantitative fractographic analysis. Engineering Fracture Mechanics, 183, 147-158. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2017.04.026.

Das G., Sridhar, D., Ghosh Chowdhury, S., Goswami, N.G., Eds. (1999) Image analysis in quantitative metallography. In Materials Characterization Techniques-Principles and Applications. National Metallurgical Laboratory, 135-150.

Kharchenko, V.V.; Makaev, A.G.; Katok, O.A. (2015). Experimental study of the mechanical behavior of materials by the method of pressing disk microsamples. Strength of Materials, 3, 32–38.

Wang, Z.-X.; Shi, H.-J.; Lu, J.; Shi, P.; Ma, X.-F. (2008) Small punch testing for assessing the fracture properties of the reactor vessel steel with different thicknesses. Nuclear Engineering and Design, 238(12), 3186–3193. https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2008.07.013.

Gafur, S., Andrey, S., Liliya, S., & Vadim, F. (2017). Assessment of damage of metallic elements in oil and gas facilities using small punch test. International Journal of Applied Engineering Research, 12(21), 11583-11587.

Romanishin, R. I., & Romanishin, I. M. (2019). Assessment of scattered damage in structural materials. Russ Journal of Nondestructive Testing, 55, 111-121.Romanishin, R.I.; Romanishin, I.M. https://doi.org/10.1134/S1061830919020086.

Arora, V., Wijnant, Y. H., & de Boer, A. (2014). Acoustic-based damage detection method. Applied acoustics, 80, 23-27. https://doi.org/10.1016/j.apacoust.2014.01.003.

Lebedev, А.А.; Nedoseka, А.Ya.; Chausov, N.G.; Nedoseka, S.A. (2001). Estimation of damage to the metal of operating gas pipelines using the method of acoustic emission scanning. Technical Diagnostics and Non-Destructive Testing, 1, 8–12.

Diogo, A. R., Moreira, B., Gouveia, C. A., & Tavares, J. M. R. (2022). A review of signal processing techniques for ultrasonic guided wave testing. Metals, 12(6), 936.. https://doi.org/10.3390/met12060936.

Koshovyi, V. V., Romanyshyn, I. M., Romanyshyn, R. I., Mokryi, O. M., Sharamaga, R. V., Kyryenko, A. V., & Semak, P. M. (2013). Development of ultrasonic tomography techniques for diagnostics of nuclear power plant piping. Strength of Materials, 45, 512-516. https://doi.org/10.1007/s11223-013-9487-5.

Lord, W. A., Stinchcomb, W.W., Duke, J.C., Henneke, E.G., Reifsnider, K.L., (1980). Survey of Electromagnetic Methods of Nondestructive Testing. In Mechanics of Nondestructive Testing. Eds.; Springer: Boston, USA. https://doi.org/10.1007/978-1-4684-3857-4_3.

Billardon, R., Dufailly, J., & Lemaitre, J. (1987). A procedure based on Vickers' micro-hardness tests to measure damage fields. In Structural mechanics in reactor technology.

ASTM E18 – 16 : Standard Test Methods for Rockwell Hardness of Metallic Materials (2016). ASTM International, West Conshohocken. 22. Broitman, E. (2017). Indentation hardness measurements at macro-, micro-, and nanoscale: a critical overview. Tribology Letters, 65(1), 23. https://doi.org/10.1007/s11249-016-0805-5.

Oliver, W. C., & Pharr, G. M. (2004). Measurement of hardness and elastic modulus by instrumented indentation: Advances in understanding and refinements to methodology. Journal of materials research, 19(1), 3-20.

Golovin, Y. I. (2008). Nanoindentation and mechanical properties of solids in submicrovolumes, thin near-surface layers, and films: A Review. Physics of the solid State, 50, 2205-2236.

Gromakovskij, D.G.; Ibatullin, I.,D.; Priluckij, V.А.; Dynikov, А.V.; Ovchinikov, I.N.; Bakirov, M.B. (2000). A new method for assessing the plasticity of structural materials and predicting the resource characteristics of machine parts and structures. Heavy Engineering, 10, 2–6.

Moshchenok, V.; Lalazarova, N.; Doshchechkina, I.; Demchenko, S. (2016). Comparison of strength indicators determined during tensile tests and hardness values. Bulletin of KhNADU, 73, 115–118.

Bulichev, S.I.; Alekhin, V.P.; Shorshorov, M.H.; Ternovsky, A.P. (1976) Investigation of the mechanical properties of materials using the kinetic diagram "load-indentation depth" with microindentation. Strength of Materials, 9, 79–83.

Rails are common for broad gauge railways. General technical conditions. State Standard of Ukraine: Kyiv, Ukraine, 2005. DSTU 4344:2004; (In Ukrainian)

Wheel pairs of freight cars: rules of maintenance, repair and formation. State Standard of Ukraine: Kyiv, Ukraine, 2015. DSTU ISO 6001-2015; (In Ukrainian)

Iwnicki, S. D., & Bevan, A. J. (2012). Damage to railway wheels and rails: a review of the causes, prediction methods, reduction and allocation of costs. Int J Railw Technol, 1, 121-46. https://doi.org/10.4203/ijrt.1.1.6.

Izotov, V.I.; Fillipov, G.A. (2005). Expert assessment of operational damage to railway wheels. Deformation and destruction of materials, 8, 2 – 7.

Lebedev, A.; Muzyka, M.R. (2006). Technical diagnostics of the material using the LM-hardness method. Problems of resource and safety of operation of structures, buildings and machines, 97–101.

Lebedev, A. A., & Kosarchuk, V. V. (2000). Influence of phase transformations on the mechanical properties of austenitic stainless steels. International Journal of Plasticity, 16(7-8), 749-767. https://doi.org/10.1016/S0749-6419(99)00085-6.

Kurmoiartseva, K. A., Trusov, P. V., & Kotelnikova, N. V. (2017, December). Multilevel modeling of damage accumulation processes in metals. In IOP Conference Series: Materials Science and Engineering (Vol. 286, No. 1, p. 012018). IOP Publishing. https://doi.org/10.1088/1757-899X/286/1/012018.

Davison, L., Stevens, A. L., & Kipp, M. E. (1977). Theory of spall damage accumulation in ductile metals. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 25(1), 11-28. https://doi.org/10.1016/0022-5096(77)90017-5.

Sakai, T., Nakajima, M., Tokaji, K., & Hasegawa, N. (1997). Statistical distribution patterns in mechanical and fatigue properties of metallic materials. Journal of the Society of Materials Science, Japan, 46(6Appendix), 63-74. https://doi.org/10.2472/jsms.41.1014.

Lebedev, A. A., Kosarchuk, V. V., & Gudramovych, V. S. (1999). Micro-and macrostructural aspects of plastic deformation of metastable steels. In IUTAM Symposium on Micro-and Macrostructural Aspects of Thermoplasticity: Proceedings of the IUTAM Symposium held in Bochum, Germany, 25–29 August 1997 (pp. 355-362). Dordrecht: Springer Netherlands. https://doi.org/10.1007/0-306-46936-7_34.

Rinne, H. (2008). The Weibull distribution: a handbook. CRC press: Boca Raton, USA.

Weibull, W. (1951). A statistical distribution function of wide applicability. Journal of applied mechanics.

Evans, J. W., Kretschmann, D. E., & Green, D. W. (2019). Procedures for estimation of Weibull parameters (p. 17). United States Department of Agriculture, Forest Service, Forest Products Laboratory. https://doi.org/10.2737/FPL-GTR-264.

Horvat, A.A.; Molnar, O.O.; Minkovich, V.V. (2019) Methods of processing experimental data using MS Excel: Tutorial. Uzhhorod: Hoverla, Ukraina. (In Ukrainian)

Available online: www.stata.com (accessed on 18 November 2023).

Gumbel, E. J. (1954). Statistical theory of extreme valuse and some practical applications. Nat. Bur. Standards Appl. Math. Ser. 33.

Patent of Ukraine N 52107А, Lebedev, A.A.; Muzyka, M.R.; Volchek, N.L. The method for assessing the degradation of the material after the damage accumulation in the process of exploitation, “LM-method of hardness”, 15 January 2003. (In Ukrainian)

Metal materials. Determination of the level of scattered damage by LM-hardness method, State enterprise "Ukrainian scientific research and training center for problems of standardization, certification and quality. DSTU 7793:2015; State Standard of Ukraine: Kyiv, Ukraine, 2016. (In Ukrainian)

Lebedev, A.A.; Makovetskiy, I.V.; Muzyka, M.R.; Volchek, N.L.; Shvets, V.P. (2006) Evaluation of damage to the material by the dispersion of the characteristics of elasticity and static strength. Strength of Materials. 6, 5–14.

Lokoshchenko, А.М.; Ilyin, А.А.; Mamonov, А.М.; Nazarov, V.V. (2008) Analysis of creep and long-term strength of titanium alloy VT6 with pre-embedded hydrogen. Physical and chemical mechanics of materials. 5, 98–104.

Lebedev, A.A.; Makovetskiy, I.V.; Muzyka, M.R.; Shvets, V.P. (2008). Study of the Processes of Deformation and Damage Accumulation in Steel 10GN2MFA under Low-Cycle Loading. Strength of Materials, 2, 5–10.

Chausov, M., Pylypenko, A., Maruschak, P., & Menou, A. (2021). Phenomenological models and peculiarities of evaluating fatigue life of aluminum alloys subjected to dynamic non-equilibrium processes. Metals, 11(10), 1625. https://doi.org/10.3390/met11101625.

Muzyka, N. R., & Shvets, V. P. (2014). Determination of stresses and strains in elastoplastic deformed body from hardness characteristics. Strength of Materials, 46, 512-517.

Muzyka, M.R.; Shvets, V.P. (2014) Influence of the type of loading on the process of damage accumulation in the material, Strength of Materials. 1. 130-136.

Meng, Y., Xu, J., Jin, Z., Prakash, B., & Hu, Y. (2020). A review of recent advances in tribology. Friction, 8, 221-300. https://doi.org/10.1007/s40544-020-0367-2.

Kosarchuk, V., Chausov, M., Pylypenko, A., Tverdomed, V., Maruschak, P., & Menou, A. (2022). Nanopowders of Different Chemical Composition Added to Industrial Lubricants and Their Impact on Wear Resistance of Steel Friction Pairs. Lubricants, 10(10), 244. https://doi.org/10.3390/lubricants10100244.

##submission.downloads##

Опубліковано

2023-12-12

Як цитувати

Kosarchuk, V., Chausov, M., & Tverdomed, V. (2023). Ефективний метод оцінки рівня пошкодження матеріалу За різних умов експлуатації. Транспортні системи і технології, (42), 91–106. https://doi.org/10.32703/2617-9059-2023-42-8

Номер

Розділ

Техніка і технології

Статті цього автора (авторів), які найбільше читають