Mechanical behavior of X15CrNi12-2 structural steel under biaxial low-cycle fatigue at normal and elevated temperatures

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription or Fee Access

Abstract

The results of the experimental studies of the low-cycle fatigue characteristics of heat-resistant structural X15CrNi12-2 steel for aircraft purposes (chemistry: C - 0.13%; Cr - 12.5%; Si - 0.05%; Ni - 2.05%; Mo - 1.50%, W - 0.70%; Nb - 0.20%; V - 0.20%) under biaxial cyclic loading are presented. For cyclic tests a specialized Instron 8850 two-axes testing system was used which allows the planning of cyclic and static tests with an arbitrary stress sequence under the conditions of tension and torsion. The Epsilon 3550-010M dual-axis dynamic strain sensors for testing at normal temperatures and the Epsilon 3550HT-025M for testing at high temperatures were used to determine the values of axial and shear strains during the experiments. The test methods for biaxial cyclic loading under normal and elevated temperatures are described which allows to analyze the mechanical behavior and structural steel destruction processes under plane stress conditions. The tests results of X15CrNi12-2 heat-resistant alloy under low-cycle fatigue at different temperatures and cyclic strain paths with proportional and non-proportional changes in axial and shear deformations are presented. For different types of tests hysteresis loops are represented in the form of dependences of normal and shear stresses on axial and shear deformations, respectively. It is shown that the durability of X15CrNi12-2 steel in these parameters significantly depends on the cyclic strain path, the shape of the cycle and the test temperature. In the case of non-proportional deformation, the fatigue life of X15CrNi12-2 steel decreases 1.5-2 times as compared with the proportional loading at different test temperatures. Depending on the strain path, a significant decrease in fatigue life at a temperature of 600 ° C by 17-44% in comparison with the room temperature was observed.

Full Text

Restricted Access

About the authors

E V Lomakin

Lomonosov Moscow State University

M P Tretyakov

Perm National Research Polytechnic University

A V Ilinykh

Perm National Research Polytechnic University

A V Lykova

Perm National Research Polytechnic University

References

  1. Бураго Н.Г., Журавлев А.Б., Никитин И.С. Модели многоосного усталостного разрушения и оценка долговечности элементов конструкций // Механика твердого тела. - 2011. - № 6. - С. 22-33.
  2. Влияние режимов двухосного нагружения на усталостную долговечность алюминиевого сплава Д16Т и стали 40ХГМА / В.Э. Вильдеман, М.П. Третьяков, О.А. Староверов, А.С. Янкин // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. - 2018. - № 4. - С. 169-177. doi: 10.15593/perm.mech/2018.4.16
  3. Paul S.K. A Multiaxial Low Cycle Fatigue Life Prediction Model for Both Proportional and Non-proportional Loading Conditions // Journal of Materials Engineering and Performance. - 2014. - Vol. 23(9). - P. 3100-3107.
  4. Xiao-Wei Wang, De-Guang Shang, Yu-Juan Sun. A weight function method for multiaxial low-cycle fatigue life prediction under variable amplitude loading // Journal of Strain Analysis. - 2018. - Vol. 53(4). - P. 197-209.
  5. An equivalent stress process for fatigue life estimation under multiaxial loadings based on a new non linear damage model / A. Aida, M. Bendouba, L. Aminallah, A. Amrouche, N. Benseddiq, M. Benguediab // Materials Science and Engineering A. - 2012. - Vol. 538. - P. 20-27.
  6. Itoh a T., Yang T. Material dependence of multiaxial low cycle fatigue lives under non-proportional loading // International Journal of Fatigue. - 2010. - Vol. 33. - P. 1025-1031.
  7. Multiaxial low-cycle fatigue life evaluation under different non-proportional loading paths / W.L. Qu, E.N. Zhao, Q. Zhou, Y.-L. Pi // Fatigue Fracture of Engineering Materials Structures. - 2017. - Vol. 41. - Iss. 5. - P. 1064-1076.
  8. Nikhamkin M., Ilinykh A. Low cycle fatigue and crack grown in powder nickel alloy under turbine disk wave form loading: validation of damage accumulation model // Applied Mechanics and Materials. - 2013. - Vol. 467. - P. 312-317.
  9. Бондарь В.С., Даншин В.В., Семенов П.В. Численное моделирование нелинейных процессов накопления повреждений при циклических нагружениях // Вычислительная механика сплошных сред. - 2013. - Т. 6, № 3. - С. 286-291.
  10. Влияние ориентации критической плоскости на оценку многоцикловой усталости при многоосном нагружении / A. Carpinteri, C. Ronchei, D. Scorza, S. Vantadori // Физическая мезомеханика. - 2015. - Т. 18, № 5. - С. 74-79.
  11. Li B., Reis L., Freitas de M. Simulation of cyclic stress/strain evolutions for multiaxial fatigue life prediction // International Journal of Fatigue. - 2005. - Vol. 28. - P. 451-458.
  12. Стрижиус В.Е. Методы расчета на усталость элементов авиационных конструкций при многоосном нагружении // Научный вестник МГТУ ГА. - 2014. - № 187. - С. 65-73.
  13. Жернаков В.С., Семенова И.П., Ермоленко А.Н. Влияние напряженно-деформированного состояния деталей из объемных наноматериалов на усталостную прочность // Вестник УГАТУ. - 2009. - Т. 12, № 2(31). - С. 62-68.
  14. Влияние кристаллографической ориентации отливок из сплава типа ВКНА на сопротивление малоцикловой усталости [Электронный ресурс] / О.А. Базылева, М.С. Беляев, Е.М. Висик., Н.Ф. Шванова // Литейное производство. - 2012. - № 6. - URL: https://viam.ru/public/files/2011/2011-205929.pdf (дата обращения: 28.01.2018).
  15. Малоцикловая усталость и циклическая трещиностойкость никелевого сплава при нагружении, характерном для дисков турбин / А.А. Иноземцев, А.М. Ратчиев, М.Ш. Нихамкин, А.В. Ильиных, В.Э. Вильдеман, М.А. Вятчанин // Тяжелое машиностроение. - 2011. - № 4. - С. 30-33.
  16. Махутов Н.А. Конструкционная прочность, ресурс и техногенная безопасность: в 2 ч. - Новосибирск: Наука, 2005. - Ч. 1. Критерии прочности и ресурса. - 494 с.
  17. Багмутов В.П., Савкин А.Н. Сравнительный анализ моделей накопления рассеянных повреждений в металле при нерегулярной переменной нагруженности // Проблемы прочности. - 2009. - № 6. - С. 95-104.
  18. Богатов А.А., Колмогоров В.Л. Разрушение и деформируемость. - М.: Металлургия, 1976. - 485 с.
  19. Партон В.З., Морозов Е.М. Механика упругопластического разрушения. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Наука, 1985. - 504 с.
  20. Букатый С.А. Назначение эквивалентных циклов нагружения стандартных образцов при испытаниях и прогнозировании малоцикловой долговечности деталей ГТД // Вестн. Рыб. гос. авиац. технол. акад. им. П.А. Соловьева. - 2013. - № 1 (24). - С. 90-94.
  21. Романов А.Н. Проблемы материаловедения в механике деформирования и разрушения на стадии образования трещин (Ч. 1) // Вестн. науч.-техн. развития. - 2013. - № 11 (75). - С. 38-49.
  22. Кирпичев В.А. Использование критерия остаточных напряжений для прогнозирования сопротивления усталости деталей при повышенных температурах // Вестн. Самар. ун-та. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. - 2006. - № 2-2(10). - С. 87-90.
  23. Пачурин Г.В. Кинетика усталостного разрушения некоторых цветных металлов и сплавов при разных температурах [Электронный ресурс] // Современные проблемы науки и образования. - 2014. - № 2. - URL: http://www.science-education.ru/ ru/article/view?id=12055 (дата обращения: 28.01.2018).
  24. Humayun Kabir S.M., Yeo T. Influence of temperature on a low-cycle fatigue behavior of a ferritic stainless steel // Journal of Mechanical Science and Technology. - 2014. - Vol. 28(7). - P. 2595-2607.
  25. A new energy-based method to evaluate low-cycle fatigue damage of AISI H11 at elevated temperature / W. Du, Y. Luo, Y. Wang, S. Chen, D. Yu // Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures. - 2017. - Vol. 40. - P. 994-1004.
  26. Малоцикловая усталость монокpисталлов жаpопpочных никелевых сплавов пpи повышенных темпеpатуpах / Е.Р. Голубовский, И.Л. Светлов, Н.В. Петрушин, С.А. Черкасова, М.Е. Волков // Деформация и разрушение материалов. - 2009. - № 8. - С. 41-48.
  27. Экспериментальное исследование малоцикловой усталости монокристаллов жаропрочного никелевого сплава ВЖМ5 при высоких температурах / Е.В. Голубовский, М.Е. Волков, Н.М. Эммаусский, С.А. Шибаев // Вестник УГАТУ. - 2015. - Т. 9, № 3. - С. 119-125.
  28. Пряхин В.В. Закономерности малоциклового деформирования, разрушения и влияние нестационарного нагружения на повреждаемость штамповых материалов в условиях эксплуатационных температур // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. - 2014. - № 11. - С. 169-175.
  29. Разрушение жаропрочного сплава вж175 в условиях жесткого малоциклового нагружения [Электронный ресурс] / В.Ф. Терентьев, М.С. Беляев, М.М. Бакрадзе, М.А. Горбовец, М.А. Гольдберг // Труды ВИАМ. - 2014. - № 11. - URL: http://viam-works.ru/ru/articles?art_id=744 (дата обращения: 28.01.2018).
  30. Малоцикловая усталость при заданной деформации жаропрочного никелевого сплава ВЖ175 [Электронный ресурс] / М.С. Беляев, В.Ф. Терентьев, М.А. Горбовец, М.М. Бакрадзе, О.С. Антонова // Труды ВИАМ. - 2015. - № 9. - URL: http://viam-works.ru/ru/articles?art_id=857 (дата обращения: 28.01.2018).
  31. Беляев М.С., Горбовец М.А., Бакрадзе М.М. Изменение параметров упругопластического деформирования в процессе испытаний на МЦУ при жестком нагружении жаропрочного сплава ВЖ175 [Электронный ресурс] // Труды ВИАМ. - 2015. - № 12. - URL: http://viam-works.ru/ru/articles? art_id=896 (дата обращения: 28.01.2018).
  32. Ильиных А.В., Вильдеман В.Э., Третьяков М.П. Экспериментальное исследование механического поведения конструкционных сплавов при двухосном циклическом нагружении // Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника. - 2017. - № 51. - C. 115-123.
  33. Янкин А.С. Влияние частот бигармонического (двухчастотного) нагружения на механическое поведение имитатора твердого топлива // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. - 2015. - № 4. - С. 273-292. doi: 10.15593/perm.mech/2015.4.16
  34. Вильдеман В.Э., Ломакин Е.В., Третьяков М.П. Закритическое деформирование сталей при плоском напряженном состоянии // Механика твердого тела. - 2014. - № 1. - С. 26-36.
  35. Бабушкин А.В., Козлова А.В. Влияние предварительного циклического нагружения и температуры на остаточную прочность однонаправленных композитов // Механика композиционных материалов и конструкций. - 2011. - Т. 17, № 2. - С. 235-244.

Statistics

Views

Abstract: 18

PlumX


Copyright (c) 2021 Lomakin E.V., Tretyakov M.P., Ilinykh A.V., Lykova A.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies