Influence of nonmetallic inclusions on the fracture resistance of steel under fatigue dynamic compression conditions

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Impact machines are one of the most productive types of equipment for the rock destruction. They provide high drilling speed but generally have low durability and reliability. Modern researches show that the process of mining machines parts fracture often is initiated by nonmetallic inclusions and internal defects in the structure of steel. However, nowadays the question concerning the degree of the influence of the nonmetallic inclusions morphology, size, shape and distribution on the steel fatigue failure resistance is still not clear. The traditional approach to solving the problem of the inclusions influence on steel properties requires the preparation of a significant number of experimental samples, so mathematical modeling is a promising method for assessing the influence of nonmetallic inclusions. The purpose of the research was to estimate the stresses intensity field near nonmetallic inclusions under the influence of cyclic compressive stresses and to develop recommendations for the usage of steels with various impurities for the impact machines parts manufacture. The effect of nonmetallic inclusions under dynamic loading conditions was evaluated in several stages. At the initial stage, using the methods of metallographic and microspectral analysis, the size, shape and morphology of nonmetallic inclusions in ten melt of 45 steel were determined. The obtained results were used as input data for the software package ANSYS Workbench 15.0 for calculating the stress field intensity the near inclusions. The reliability of the obtained mathematical models was checked by measuring the internal stresses by the X-ray diffraction analysis with ARL X'TRA diffractometer. Metallographic studies have shown that the main types of inclusions in the steel are point oxides, whose size can reach up to 100 microns and plastic sulphides up to 1.mm in length. The results of numerical simulation show that under dynamic compression conditions an application of the approach in which the inclusion is assumed to be mechanically equivalent to the pore or crack is incorrect. Under the dynamic compression condition near the pores and low-strength inclusions in the base material regions with a high level of local stresses are formed. The maximum value of the equivalent stresses was revealed near the elongated defects in the case of their orientation perpendicular to the action of the external force. Stress distribution near hard and strong oxides inclusions is significantly different. The maximum stresses are localized in the inclusion, while the stress magnitude is insignificant in the boundary region between the inclusion and base material. To verify the reliability of the data of the numerical experiment, XRD analysis was used for zonal stresses measuring. The results of X-ray diffractometry confirm the assumption that under compression conditions the presence of pores in the steel and plastic low-strength inclusions leads to a 50 % increase of local stresses of the main material near the defects. The stress level near the solid high-strength inclusions in the base material is 20 % lower than the average level. The results of the research show that it is desirable to make the details of impact machines using the steels whose structure contains inclusions which hardness exceeds the hardness of the matrix or apply high-purity steels with a low content of nonmetallic inclusions.

About the authors

A. I Popelyukh

Novosibirsk State Technical University

Email: aip13@mail.ru
20, Prospect K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation

S. V Veselov

Novosibirsk State Technical University

Email: veselov_s@inbox.ru
20, Prospect K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation

D. D Munkueva

Novosibirsk State Technical University

Email: 19darima94@mail.ru
20, Prospect K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation

V. V Timonin

Chinakal Institute of Mining of the Siberian Branch of the RAS

Email: timonin2005@ngs.ru
54, Krasny ave., Novosibirsk, 630091, Russian Federation

V. N Karpov

Chinakal Institute of Mining of the Siberian Branch of the RAS

Email: kvn184@yandex.ru
54, Krasny ave., Novosibirsk, 630091, Russian Federation

References

  1. Downhole high-pressure air hammers for open pit mining / A.A. Repin, B.N. Smolyanitsky, S.E. Alekseev, A.I. Popelyukh, V.V. Timonin, V.N. Karpov // Journal of Mining Science. - 2014. - Vol. 50, no. 5. - P. 929-937. - doi: 10.1134/S1062739114050123.
  2. Murakami Y., Nomoto T., Ueda T. Factors influencing the mechanism of superlong fatigue failure in steels // Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures. - 1999. - Vol. 22, iss. 7. - Р. 581-590. - doi: 10.1046/j.1460-2695.1999.00187.x.
  3. Bergengren Y., Larsson M., Melander A. The influence of machining defects and inclusions on the fatigue properties of a hardened spring steel // Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures. - 1995. - Vol. 18, iss. 10. - Р. 1071-1087. - doi: 10.1111/j.1460-2695.1995.tb00840.x.
  4. Estimation of maximum inclusion size and fatigue strength in high-strength ADF1 steel / J.M. Zhang, J.F. Zhang, Z.G. Yang, G.Y. Li, G. Yao, S.X. Li, W.J. Hui, Y.Q. Weng // Materials Science and Engineering: A. - 2005. - Vol. 394, iss. 1-2. - P. 126-131. - doi: 10.1016/j.msea.2004.11.015.
  5. Influence of nonmetallic inclusions on endurance of percussive machines / A.A. Repin, S.E. Alekseev, A.I. Popelyukh, A.M. Teplykh // Journal of Mining Science. - 2011. - Vol. 47, iss. 6. - Р. 798-807. - doi: 10.1134/S1062739147060128.
  6. Исследование конструктивной прочности материалов после комбинированного упрочнения и специальных видов сварки / А.В. Плохов, А.И. Попелюх, С.В. Веселов, А.Г. Тюрин, А.А. Никулина. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2015. - 392 с. - ISBN 978-5-7782-2635-7.
  7. Influence of inclusion size on fatigue behavior of high strength steels in the gigacycle fatigue regime / J.M. Zhang, S.X. Li , Z.G. Yang, G.Y. Li, W.J. Hui, Y.Q. Weng // International Journal of Fatigue. - 2007. - Vol. 29, iss. 4. - Р. 765-771. - doi: 10.1016/j.ijfatigue.2006.06.004.
  8. Dominguez G.M.A. Prediction of very high cycle fatigue failure for high strength steels, based on the inclusion geometrical properties // Mechanics of Materials. - 2008. - Vol. 40, iss. 8. - Р. 636-640. - doi: 10.1016/j.mechmat.2008.03.001.
  9. On the critical inclusion size of high strength steels under ultra-high cycle fatigue / Z.G. Yang, J.M. Zhang, S.X. Li, G.Y. Li, Q.Y. Wang, W.J. Hui, Y.Q. Weng // Materials Science and Engineering: A. - 2006. - Vol. 427, iss. 1-2. - Р. 167-174. - doi: 10.1016/j.msea.2006.04.068.
  10. Явойский В.И., Рубенчик Ю.И., Окенко А.П. Неметаллические включения и свойства стали. - М.: Металлургия, 1980. - 284 с.
  11. Murakami Y. Metal fatigue: effects of small defects and nonmetallic inclusions. - Amsterdam: Elsevier, 2002. - 369 p. - ISBN 9780080440644.
  12. Influence of non-metallic inclusions on the fatigue properties of heavily cold drawn steel wires / K. Lambrighs, I. Verpoest, B. Verlinden, M. Wevers // Procedia Engineering. - 2010. - Vol. 2, iss. 1. - Р. 173-181. - doi: 10.1016/j.proeng.2010.03.019.
  13. Lankford J. Initiation and early growth of fatigue cracks in high strength steel // Engineering Fracture Mechanics. - 1977. - Vol. 9, iss. 3. - P. 617-624. - doi: 10.1016/0013-7944(77)90074-1.
  14. The fatigue behaviors of zero-inclusion and commercial 42CrMo steels in the super-long fatigue life regime / Z.G. Yang, S.X. Li, J.M. Zhang, J.F. Zhang, G.Y. Li, Z.B. Li,W.J. Hui, Y.Q. Weng // Acta Materialia. - 2004. - Vol. 52, iss. 18. - Р. 5235-5241. - doi: 10.1016/j.actamat.2004.06.031.
  15. Заславский А.Я. Современные автоматные стали. Состав, включения, свойства. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2005. - 205 с. - ISBN 5-696-03332-6.
  16. Шпис Х.И. Поведение неметаллических включений в стали при кристаллизации и деформации. - М.: Металлургия, 1971. - 125 с.
  17. Финкель В.М. Физические основы торможения разрушения. - М.: Металлургия, 1977. - 359 с.
  18. Штремель М.А. Прочность сплавов. Ч. 1. Дефекты решетки. - М.: Металлургия, 1982. - 280 с.
  19. Горелик С.С., Скаков Ю.А., Расторгуев Л.Н. Рентгенографический и электронно-оптический анализ. - М.: МИСИС, 2002. - 360 с. - ISBN 5-87623-096-0.
  20. Комяк Н.И., Мясников Ю.Г. Рентгеновские методы и аппаратура для определения напряжений. - Л.: Машиностроение, 1972. - 87 с.
  21. Specific features of the nucleation and growth of fatigue cracks in steel under cyclic dynamic compression / A.I. Popelyukh, P.A. Popelyukh, A.A. Bataev, A.A. Nikulina, A.I. Smirnov // The Physics of Metals and Metallography. - 2016. - Vol. 117, iss. 3. - P. 279-287. - doi: 10.1134/S0031918X1603011X.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML


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

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».