Чекмарев В. В., Никитин Д. А. О результатах термоусталостных испытаний чугуна и оценке его долговечности // Научная жизнь. 2021. Т. 16. Вып. 8. С. 1118–1128. DOI: 10.35679/1991-9476-2021-16-8-1118-1128

Чекмарев Василий Васильевич, д-р техн. наук, профессор кафедры «Техническое обеспечение АПК», ФГБОУ ВО «Саратовский государственный аграрный университет им. Н. И. Вавилова»: Россия, 410012, г. Саратов, Театральная пл., 1.
Никитин Дмитрий Анатольевич, д-р техн. наук, профессор кафедры «Техническое обеспечение АПК», ФГБОУ ВО «Саратовский государственный аграрный университет им. Н. И. Вавилова»: Россия, 410012, г. Саратов, Театральная пл., 1.

Тел.: (960) 350-67-14
E-mail: chekmarev.v@yandex.ru

В статье отмечается, что в настоящее время, несмотря на многочисленные исследования термической усталости, термоусталостная прочность чугунов в связи с напряжениями в деталях, выполненных из этого материала, требует дополнительного изучения. Вопросы термоусталостной прочности особенно актуальны для таких теплонапряженных деталей двигателей внутреннего сгорания автотракторных дизелей как головка цилиндров. Особую значимость для этих деталей при их конструировании и восстановлении имеет возможность прогнозирования термоусталостной прочности, являющейся основным критерием, определяющим их долговечность. В статье описывается подход к решению задачи прогнозирования термоусталостной прочности деталей из чугуна на базе данных об их напряженном состоянии и результатах термоусталостных испытаний образцов на специально разработанной и изготовленной установке. Установка представляет собой две массивные плиты, установленные на стойках, между которыми жестко устанавливался образец с отверстием. В ходе испытаний образец нагревался специальной кольцевой печью до температуры 550С в течение двух минут, а затем охлаждался проточной водой через центральное отверстие. Ограниченный с двух сторон образец при нагреве и тепловом расширении в результате релаксационных процессов накапливал остаточные напряжения растяжения и при достижении критических значений и появлении усталостных дефектов в виде трещин разрывался. Предложенный режим достаточно точно повторяет условия работы тепловоспринимающей поверхности головок цилиндров в зоне межклапанных перемычек при смене режима работы на номинальной мощности и последующем останове двигателя. В результате испытаний были получены кривые количества циклов до разрушения в зависимости от достигнутых напряжений и проведена их аппроксимация. На основании аппроксимирующих выражений и зависимостей «ограниченной долговечности» при малоцикловом нагружении деталей, может быть спрогнозирована термоусталостная прочность детали из чугуна при изменениях её напряженного состояния в результате конструкторских изменений или после восстановления.

напряжения, температура, испытания, чугун, термоусталостная прочность, долговечность

Список литературы:

1. Hong J., Li B., Chen Y. and Peng H. Study on the optimal design of engine cylinder head by parametric structure characterization with weight distribution criterion // Journal of Mechanical Science and Technology. – 2011. – 25 (10). – Рр. 2607-2614.

2. Kim B., Egner-Walter A. and Chang H. Estimation of residual stress in cylinder head // International Journal of Automotive Technology. – 2006. – 7 (1). – Рр. 69-74.
3. Kang W. J. and Kim G. H. Analysis of manufacturing effects on fatigue failure of an automotive component using finite element methods // July Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures. – 2009. – 32(8). – Рр. 619-630.
4. Wei M. Z. and Wei Z. Z. Study on Thermal Fatigue Life Prediction of Cylinder Head // January Advanced Materials Research. – 2012. – №3. – Рр. 433-440.
5. Buketkin B. V. and Shirshov A. A. Creep of ChNKhMD Heat-Resistant Cast Iron under Tensile and Compression // Industrial laboratory. Diagnostics of materials. – 2015. – 81(4). – Рр. 56-58.
6. Chang H., Lee K., Kim C. and Kim B. Durability improvement of a cylinder head in consideration of manufacturing process // April International Journal of Automotive Technology. – 2007. – 8(2). – Рр. 243-248.
7. Ivanov I. H. Destruction of a cast iron cylinder head in / operation and after welding recoveryacta technica corviniensis // Bulletin of Engineering. – 2017. – Tome X.- Fascicule 1 [January – March].
8. Wilson L. G., Carlos S. C., Luis C. G. and André M. Z. High Temperature Strength of Cast Irons for Cylinder Heads // Materials Science Forum Submitted. – 2017. – Vol. 925. – Рр. 385-392.
9. Чекмарев В. В., Межецкий Г. Д., Никитин Д. А. Долговечность деталей двигателей внутреннего сгорания в условиях термоусталостной нагрузки // Аграрный научный журнал. – 2019. – №12. – С. 100-104.
10. Орлов П. И. Основы конструирования: В 2 кн. – М.: Машиностроение, 1988. – Кн. 1. – 560 с.
11. Shetulov D. I., Kravchenko V. N., Myl’nikov V. V. Predicting the Strength and Life of Auto Parts on the Basis of Fatigue Strength // Russian Engineering Research. – 2015. – Vol. 35. – P. 580–583.
12. Makhutov N. A., Gadenin M. M., Odintsev I. N., Razumovsky I. A. Methods of the calculation and experimental determination of the local residual stresses under spectrum development of complex loading // Journal of Machinery Manufacture and Reliability. – 2015. – Т. 44, №6. – С. 531-538.

ON THE RESULTS OF THERMAL FATIGUE TESTING OF CAST IRON AND THE EVALUATION OF ITS DURABILITY

Chekmarev Vasily Vasilievich, Dr. of Tech. Sci., Prof. of the Depart. of Technical support of the agro-industrial complex, Saratov State Agrarian University named after N. I. Vavilov, Saratov, Russia.
Nikitin Dmitry Anatolievich, Dr. of Tech. Sci., Prof. of the Department of Technical support of the agro-industrial complex, Saratov State Agrarian University named after N. I. Vavilov, Saratov, Russia.

Keywords: stresses; temperature; tests; cast iron; thermal fatigue strength; durability.

Abstract. The article notes that at present, despite numerous studies of thermal fatigue, the thermal fatigue strength of cast irons due to stresses in parts made of this material requires additional study. Issues of thermal fatigue strength are especially relevant for such heat-stressed parts of internal combustion engines of autotractor diesel engines as the cylinder head. Of particular importance for these parts in their design and restoration is the ability to predict thermal fatigue strength, which is the main criterion that determines their durability. The article describes an approach to solving the problem of predicting the thermal fatigue strength of cast iron parts based on the data on their stress state and the results of thermal fatigue testing of samples on a specially designed and manufactured installation. The setup consists of two massive plates mounted on racks, between which a sample with a hole was rigidly installed. During the tests, the sample was heated by a special annular furnace to a temperature of 550°C for two minutes, and then cooled with running water through the central hole. A sample bounded on both sides during heating and thermal expansion accumulated residual tensile stresses as a result of relaxation processes and, upon reaching critical values and the appearance of fatigue defects in the form of cracks, ruptured. The proposed mode quite accurately repeats the operating conditions of the heat-receiving surface of the cylinder heads in the area of the intervalve jumpers when changing the operating mode at rated power and subsequent engine shutdown. As a result of the tests, the curves of the number of cycles to failure depending on the achieved stresses were obtained and their approximation was carried out. On the basis of approximating expressions and dependences of "limited durability" under low-cycle loading of parts, the thermal fatigue strength of a part made of cast iron can be predicted when its stress state changes as a result of design changes or after restoration.