Москва, г. Москва и Московская область, Россия
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
УДК 629.371.21 Гоночные автомобили
УДК 620.22 Материалы. Материаловедение
Актуальность проведенного исследования обусловлена необходимостью решения проблемы импортозамещения материалов в автомобилестроении. В статье приведены результаты металловедческих исследований по выбору аналога зарубежной стали для изготовления детали подвески гоночного автомобиля класса «Формула Восток». Комплекс исследований включал химический и металлографический анализ, прочностные испытания на растяжение и измерение твердости. Для определения допустимых нагрузок, возникающих в элементах направляющего аппарата подвески, применен метод анализа напряжено-деформированного состояния нагруженного узла с построением 3D-модели. В качестве заменителя итальянской омологированной стали для изготовления элемента направляющего аппарата подвески определена наиболее близкая по химическому составу отечественная сталь 20Х. Различия в свойствах оригинальной стали и стали-заменителя связаны с особенностями их микроструктуры: более высокий уровень упрочнения оригинальной стали обусловлен меньшим размером зерна. Проведение термической обработки в виде закалки и высокого отпуска (улучшение) позволяет получить в стали 20Х прочность и твердость наиболее близкие к оригиналу, при более высокой пластичности.
конструкционная сталь, микроструктура, механические свойства, термическая обработка, гоночный автомобиль, Формула Восток, направляющий аппарат подвески
Введение
В настоящее время из-за ограничения поставок в нашу страну зарубежных деталей одной из ключевых становится задача импортозамещения материалов, и, в первую очередь, сталей. Решение проблемы изыскания заменителей зарубежных сталей является актуальным не только для Российской Федерации. В странах Азии, нацеленных на самостоятельное производство, активно занимаются разработкой правил применения национальных марок сталей, эквивалентных европейским стальным материалам. Например, в инструкции [1], составленной профессиональными сообществами Гонконга, Китая и Макао, приводятся стали, производимые США, Японией, Австралией/Новой Зеландией, Китаем и Россией, которые рекомендованы для использования в качестве аналогов европейским сталям. Установлены принципы эквивалентности стальных материалов, к которым относятся как соответствие характеристик материала, так и гарантии качества. Характеристиками сравнения являются прочность, пластичность, вязкость, а также химический состав и технологический показатель свариваемости.
Задача выбора эквивалентных отечественных аналогов для замены зарубежных сталей особенно насущна для автомобильной отрасли, и в частности, при конструировании гоночных автомобилей. Многие детали для них изготавливаются из так называемых омологированных сталей, удовлетворяющих специальным техническим требованиям для данного класса автомобилей [2]. Это относится, в частности, к элементам системы подвески различной конструкции [3 – 7]. Отдельные трудности возникают при отсутствии доступа к спецификации на конкретный материал, что требует разработки и применения методик реверсивного инжиниринга.
В данной работе рассмотрен пример применения металловедческого комплекса исследований [8] для замещения стали для изготовления элемента направляющего аппарата подвески гоночного автомобиля класса «Формула Восток».
Гоночный автомобиль класса «Формула Восток» для национальных кольцевых гонок создан на базе автомобиля «Формула 3» в классе Европейского чемпионата. При конструировании направляющего аппарата подвески гоночного автомобиля применяется прокат итальянской стали в форме труб овального (каплевидного) сечения. Использование стали от единственного поставщика вызывает очевидные трудности, что требует поиска отечественного аналога.
Целью настоящей работы является обоснование выбора конструкционной стали и ее термообработки для изготовления направляющего аппарата подвески гоночного автомобиля класса «Формула Восток» путем сравнительного исследования химического состава, микроструктуры и прочностных свойств оригинальной стали и потенциального заменителя.
Методика исследования и применяемое оборудование
Для определения допустимых нагрузок, возникающих в элементах направляющего аппарата подвески гоночного автомобиля класса «Формула Восток», применен метод анализа напряжено-деформированного состояния нагруженного узла с построением 3D-модели при помощи системы автоматизированного проектирования SolidWorks [9].
Подбор отечественного аналога для замены оригинальной стали основан на анализе признаков сравнения: структуры, химического состава и прочностных характеристик (по ГОСТ 4543-2016 [10]). Для анализа применен комплекс металловедческих исследований, разработанный для мониторинга структурного состояния конструкционных материалов, который успешно используется при анализе разрушений стальных деталей автомобилей [8, 11]. Данный комплекс включает:
- исследование химического состава стали с применением искрового оптико-эмиссионного спектрометра ИСКРОЛАЙН-300К (Россия);
- металлографические исследования микроструктуры подготовленных микрошлифов в оптическом металлографическом микроскопе МЕТАМ ЛВ-41 (ЛОМО, Россия);
- определение прочностных характеристик сталей при испытаниях на растяжение по ГОСТ 1497-84 [12] на разрывной машине УТС 110М-50 0-У (ТЕСТСИСТЕМЫ, Россия).
- измерение твердости образцов на твердомере МЕТОЛАБ-101 (ООО «Метолаб», Россия).
Для экспериментальных исследований использовались образцы, вырезанные из оригинальной итальянской стальной трубы (рис. 1) и образцы отечественных сталей, составы которых приведены в табл. 1.
Результаты проведённых исследований
Анализ напряженно-деформированного состояния деталей направляющего аппарата гоночного автомобиля «Формула Восток» производился по двум видам нагружения: с толкающей тягой и с тянущей тягой (рис. 2).
Результаты моделирования показали, что наибольшие критические напряжения в рычагах направляющего аппарата гоночного автомобиля (466 MПa) возникают при нагружении подвески тянущей тягой. Для гоночных автомобилей коэффициент запаса прочности элементов конструкции подвески выбирается равный 1,2. Это делается с целью обеспечения минимального веса неподрессоренных масс гоночного автомобиля. Таким образом, предельно допустимое напряжение для стали деталей подвески в данном случае составляет
σ = 560 МПа.
Результаты химического анализа образца оригинальной трубы представлены в табл. 2: она изготовлена из низкоуглеродистой стали, легированной хромом, с микродобавками молибдена. Сравнение показывает, что по основным элементам зарубежной стали в наибольшей степени соответствует отечественная конструкционная сталь 20Х (табл. 2).
При сопоставлении механических свойств оригинальной стали и потенциального заменителя установлено, что как по твердости, так и по прочностным характеристикам трубный прокат из российской стали 20Х в состоянии поставки существенно уступает исходной стали (табл. 3). Вместе с тем, сталь 20Х обладает более высоким относительным удлинением. При этом диаграммы растяжения сравниваемых сталей различаются (рис. 3). Для стали 20Х получена кривая с площадкой текучести, тогда как оригинальная сталь имеет диаграмму, характерную для малопластичных материалов.
Различия в свойствах сравниваемых сталей обусловлены их микроструктурой. Металлографические исследования микрошлифов показали, что обе стали имеют ферритно-перлитную структуру (рис. 4, 5). Но оригинальная сталь имеет структуру более мелкозернистую (табл. 3), а перлитная составляющая раздроблена на мелкие фрагменты, в отличие от стали 20Х в поставке, где перлит находится в пластинчатом виде.
В поверхностном участке оригинальной стали наблюдается некоторая полосчатость, оставшаяся после горячей прокатки. Также на поверхности различима небольшая зона обезуглероживания толщиной 0,15…0,17 мм (рис. 4, х200).
Можно предположить, что наблюдающаяся в оригинальной стали структура получена в результате применения комбинированного метода деформационной термоциклической обработки [13], который позволил создать значительное упрочнение.
С целью увеличения прочностных свойств стали 20Х, предлагаемой в качестве заменителя, образцы были подвергнуты термической обработке в виде улучшения: закалке в масло с температуры 880 ℃ с последующим высоким отпуском при температуре 600 ℃. Металлографическое исследование микрошлифа после проведённой термической обработки, показало, что микроструктура стали представляет собой зернистый сорбит (рис. 6).
Твёрдость образцов стали 20Х после улучшения существенно повышается и достигает значения твёрдости оригинальной стали – 105 НRB (280 HB). Испытания на растяжение показали (рис. 7), что предел прочности
(σв = 824 МПа) увеличился практически до уровня характеристики оригинальной стали
(σв = 834 МПа), а предел текучести
(σт = 760 МПа) даже превышает значение для исходной стали (σ0,2 = 625 МПа), как и относительное удлинение (δ = 8 %).
Заключение
На основе комплекса металловедческих исследований определены химический состав, особенности микроструктуры и характеристики базовых механических свойств оригинальной итальянской стали, используемой для изготовления деталей направляющего аппарата подвески гоночного автомобиля класса «Формула Восток». Сравнительные исследования позволили предложить в качестве заменителя исходной стали наиболее подходящую по составу и механическим свойствам российскую сталь марки 20Х. Оптимальная структура стали и наиболее близкие к оригиналу прочностные свойства достигаются после термической обработки в виде улучшения: закалки в масло с температуры 880 ℃ и последующего высокого отпуска при температуре 600 ℃. Преимуществами предлагаемой в качестве заменителя стали являются повышенная пластичность и предел текучести, а также ее доступность и невысокая стоимость.
1. Chung K.F., Ho H.C., Feng W. Selection of equivalent steel materials to European steel materials specifications: Professional guide PG-003. Hong Kong: Polytechnic University, 2021. 276 p.
2. Kumar Y., Siddiqui R.A., Upadhyay Y., Prajapati S. Kinematic and Structural Analysis of Independent type suspension system with Anti-Roll bar for Formula Student Vehicle // Materials Today: Proceedings. 2022. № 56. Part 5. P. 2672–2679.
3. Biswal S., Prasanth A., Udayakumar R., Deva S., Gupta A. Design of a suspension system and determining suspension parameters of a medium downforce small Formula type car, MATEC // Web of Conferences 124, 07006 ICTTE. 2017. № 12. P. 1– 6.
4. Patil A., Patil S., Shah M., Sall N. Design and analysis of suspension system with different material for SUPRA SAE INDIA // International Journal of Scientific & Engineering Research. 2018. V. 9. № 3. P. 32– 36.
5. Samant S.Y., Santosh K., Kaushal K. J., Sudhanshu K. B., Dhiraj G., Sivapuram R., Karuna K. Design analysis of formula student race car suspension system : 12th International Conference on Vibration Problems, ICOVP 2015 // ScienceDirect. 2018. № 1931. P. 1138–1149.
6. Kashem S.B., Mustapha K.B., Kannan S., Roy S., Safe A.A., Chowdhury M.A., Choudhury T.A., Ektesabi M., Nagarajah R. A study and review on vehicle suspension system and introduction of a high-bandwidth configured quarter car suspension system // Aust. J. Basic & Appl. Sci. 2015. № 9 (30). P. 59–66.
7. Wang H. Enhancing vehicle suspension system control performance based on the improved extension control // Advances in Mechanical Engineering. 2018. № 10 (7). P. 1–13.
8. Петрова Л.Г., Лихачёва Т.Е., Малахов А.Ю. Исследовательский комплекс для мониторинга структурного состояния конструкционных материалов и его применение при анализе разрушений стальных деталей автомобилей // Вестник МАДИ. 2013. № 2 (33). С. 11–17.
9. Малахов А.Ю., Карелина М.Ю., Петрова Л.Г., Перекрестов А.Е., Перекрестова В.А. Применение метода моделирования напряженно-деформированного состояния при производстве автотехнической экспертизы // Проблемы экспертизы в автомобильно-дорожной отрасли. 2021. № 1 (1). С. 29–40.
10. ГОСТ 4543-2016. Металлопродукция из конструкционной легированной стали. Технические условия : межгосударственный стандарт : дата введения 01.10.2017 / Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации (МГС). М.: ФГУП «Стандартинформ», 2019. 50 с
11. Шестопалова Л.П., Лихачева Т.Е., Петрова Л.Г., Перекрестов А.Е., Малахов А.Ю. Металловедческие исследования причин усталостных разрушений коленчатых валов ДВС при проведении автотехнической экспертизы/ Проблемы экспертизы в автомобильно-дорожной отрасли. 2022. № 1 (2). С. 37–58.
12. ГОСТ 1497-2023. Металлы. Методы испытаний на растяжение: межгосударственный стандарт: дата введения 01.07.2024 / Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации (МГС). М.: ФГБУ «Институт стандартизации», 2024. 49 с.
13. Прудников А.Н., Прудников В.А. Структура и свойства листовой стали 10, подвергнутой деформационной термоциклической ковке // Развитие технических наук в современном мире : сборник научных трудов по итогам международной научно-практической конференции 11 декабря 2016 г. Сибирский государственный индустриальный университет, 2016. С. 39–42.
