Shear strength diagnostics of machine parts

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

This study presents an effective non-destructive method for determining the ultimate shear strength of parts made of structural carbon and alloy steels. The shear strength was determined using the method of controlled part indentation. In addition, a new material characteristic – a shear hardening modulus – is proposed. The experimental study was carried out using an IR 5143-200 software and hardware complex for metal testing and a double-shear testing device. Steel samples of the following grades were examined: steel 10, 20, 35, 45, 20Kh, 40Kh, 25KhGT and 30KhGSA. The value of plastic hardness was used as a strength characteristic due to its advantages over other hardness values. The conducted experiments found a significant discrepancy (up to 20%) between the reference and experimental values of shear strength. Dependencies for determining the shear strength of structural carbon and alloy steel samples were obtained. The accuracy of these dependencies was determined to be sufficient for engineering calculations both according to the obtained experimental results and literature sources. The error associated with shear strength determination does not exceed ±5%. In addition, the paper provides some types of safety parts that can be destroyed by shear loads. The underestimated reference values of the ultimate strength can lead to increased unrealizable safety margins and, as a result, an increase in the specific metal amount of joints. The proposed non-destructive method for shear strength determination exhibits the accuracy sufficient for engineering practice and can be used when manufacturing, operating and repairing various machine parts and units.

About the authors

M. M. Matlin

Volgograd State Technical University

Email: matlin@vstu.ru

V. A. Kazankin

Volgograd State Technical University

Email: kazankin_vmr@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7188-4219

E. N. Kazankina

Volgograd State Technical University

Email: kazankina_elena@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9669-4315

References

  1. Матлин Ю. А., Казанкина Е. Н., Казанин В. А. Обзор методов неразрушающего контроля физико-механических свойств материалов деталей трибопроводов // Механика и физика процессов на поверхности и вконтакте твердых тел, деталей технологического и энергетического оборудования. 2020. № 13. С. 64–69.
  2. Liu Diankun, He Jingbo, Li Zuohua, Teng Jun. Non-destructive evaluation of absolute stress in steel members using shear-wave spectroscopy // Transactions of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics. 2018. Vol. 35. Iss. 2. P. 236–243. https://doi.org/10.16356/j.1005-1120.2018.02.236.
  3. Матлин М. М., Мозгунова А. И., Казанкина Е. Н., Казанкин В. А. Методы неразрушающего контроля прочностных свойств деталей машин: монография. М.: Издво «Инновационное машиностроение», 2019. 247 с.
  4. Матюнин В. М. Индентирование в диагностике механических свойств материалов. М.: ИД МЭИ, 2015. 288 с.
  5. Ghosh A., Arreguin-Zavala J., Aydin H., Goldbaum D., Chromik R., Brochu M. Investigating cube-corner indentation hardness and strength relationship under quasi-static and dynamic testing regimes // Materials Science and Engineering A. 2016. Vol. 677. P. 534–539. https://doi.org/10.1016/j.msea.2016.08.067.
  6. Qing-ya Mа, Zhang Ya. Study of the relation between tensile strength and hardness for low-carbon steel based on least squares support vector machine // Journal University China National Science Education. 2016. Iss. 3. P. 258–278. https://doi.org/10.3969/j.issn.1673-3193.2016.03.010.
  7. Tiryakioğlu M. On the relationship between Vickers hardness and yield stress in Al-Zn-Mg-Cu Alloys // Materials Science and Engineering: A. 2015. Vol. 633. P. 17–19. https://doi.org/10.1016/j.msea.2015.02.073.
  8. Kyung Woo Lee, Jae Choi Min, Young Kim Ju, Il Kwon Dong, Ho Kim Kwang. Instrumented indentation technique: new nondestructive measurement technique for flow stress-strain and residual stress of metallic materials // Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing. 2005. Vol. 26. Iss. 5. P. 306–314.
  9. Ammar H. R., Haggag F. M., Alaboodi A. S., Al-Mufadi F. A. Nondestructive measurements of flow properties of nanocrystalline Al-Cu-Ti alloy using Automated Ball Indentation (ABI) technique // Materials Science and Engineering: A. 2018. Vol. 729. P. 477–486. https://doi.org/10.1016/j.msea.2018.05.089.
  10. Kwak K., Mine Y., Morito S., Ohmura T., Takashima K. Correlation between strength and hardness for substructures of lath martensite in low- and medium-carbon steels // Materials Science and Engineering: A. 2022. Vol. 856. Р. 144007. https://doi.org/10.1016/j.msea.2022.144007.
  11. Qingfei Yun, Chunlei Xie, Ze Zhang, Youqian Liu, Junsong Fu, Qi Liu. The solution of the double-sphere model and experimental research of the long-term shear strength of frozen sand based on spherical template indenter test // Journal of Glaciology and Geocryology. 2022. Iss. 2. P. 485–494. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2022.0053.
  12. Okano S., Kanamaru D., Ihara R., Mochizuki M. On the distinction between instrumented indentation technique and X-ray diffraction method in nondestructive or seminondestructive surface stress measurement // Journal of the Society of Materials Science. 2016. Vol. 65. Iss. 4. P. 319–324. https://doi.org/10.2472/jsms.65.319.
  13. Пат. № 2740634, Российская Федерация, МПК G01N3/40. Способ определения предела прочности при срезе / М. М. Матлин, В. А. Казанкин, Е. Н. Казанкина; заявитель и патентообладатель Волгоградский государственный технический университет. Заявл. 15.06.2020; опубл. 18.01.2021. Бюл. № 2.
  14. Густов Ю. И., Воронина И. В., Аллаттуф Х. Л. Взаимосвязь напряжений среза и предела выносливости металлических материалов // Вестник Московского государственного строительного университета. 2013. № 4. С. 32–37. https://doi.org/10.22227/1997-0935.2013.4.31-37.
  15. Пат. № 204286, Российская Федерация, F22B 35/18. Устройство автоматического контроля и управления твердотопливным котлом / И. А. Подшивалов, А. Г. Туманян; заявитель и патентообладатель И. А. Подшивалов. Заявл. 22.01.2021; опубл. 18.05.2021. Бюл. № 14.
  16. Пат. № 173549, Российская Федерация, F16D 9/06. Предохранительная муфта с разрушающимися элементами / М. Н. Казанцев, И. А. Флегентов, С. Н. Зозуля; заявитель и патентообладатель ПАО «Транснефть». Заявл. 01.03.2017; опубл. 30.08.2017. Бюл. № 25.
  17. Пат. № 192168, Российская Федерация, A62B 1/10. Амортизатор на срезаемых штифтах для средств защиты втягивающего типа / С. Е. Курьез, А. П. Тюрин, С. С. Гаврюшин; заявитель и патентообладатель ООО «Сейф ТЕК». Заявл. 26.04.2019; опубл. 05.09.2019. Бюл. № 25.
  18. Пат. № 2779806, Российская Федерация, F16L 29/00. Приводная муфта аварийного разъединения / В. В. Вакулов; заявитель и патентообладатель В. В. Вакулов. Заявл. 22.12.2021; опубл. 13.09.2022. Бюл. № 26.
  19. Пат. № 2214340, Российская Федерация, B63B 22/08. Устройство крепления и отделения всплывающего буя на подводном техническом средстве / А. Г. Дун, М. В. Савенков; заявитель и патентообладатель ФГУП «Малахит». Заявл. 17.12.2001; опубл. 20.10.2003. Бюл. № 29.
  20. Пат. № 2492413, Российская Федерация, F42B 10/46. Сбрасываемый головной обтекатель летательного аппарата / Н. А. Васильев, В. А. Ефремов, В. И. Злобин, А. А. Федоров; заявитель и патентообладатель ОАО «Корпорация тактическое ракетное вооружение». Заявл. 05.03.2012; опубл. 10.09.2013. Бюл. № 25.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).