techusguИзвестия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологииProceedings of the Southwest State University. Series: Engineering and Technology2223-1528Юго-Западный государственный университет10.21869/9/2223-1528-2026-16-2-60-74techusgu-414Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMETALLURGY AND MATERIALS SCIENCEКинетика роста усталостной трещины в спечённом диффузионно-легированном порошковом материале системы Fe-Ni-Cu-Mo при циклическом изгибеKinetics of fatigue crack growth in a sintered diffusion-alloyed powder material of the Fe-Ni-Cu-Mo system under cyclic bendinghttps://orcid.org/0009-0006-5871-9079ЕгороваР. В.EgorovaR. V.

Егорова Римма Викторовна , кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Кибербезопасность информационных систем»

пл. Гагарина, д. 1, г. Ростов-на-Дону 344003

Researcher ID: JQO-3802-2023

Rimma V. Egorova, Cand. Sci. (Engineering), Associate Professor, Associate Professor of Cybersecurity of Information Systems Department

1 Gagarin sq., Rostov-on-Don 344003

Researcher ID: JQO-3802-2023

regorova@donstu.ruДонской государственный технический университетРоссияDon State Technical UniversityRussian Federation2026080820261626074Copyright © Егорова Р.В., 20262026Егорова Р.В.Egorova R.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://techusgu.elpub.ru/jour/article/view/414Цель

Цель. Изучение кинетики роста усталостной трещины при циклическом изгибе спеченного диффузионно-легированного материала Fe-Ni-Cu-Mo (марка ПЛ-Н2Д2М) и установление количественных закономерностей влияния остаточной пористости (10-20%) и времени изотермической выдержки при спекании (30–90 минут) на усталостную долговечность.

Методы

Методы. Образцы изготавливали методом статического холодного прессования с последующим спеканием при 950[0] С в среде диссоциированного аммиака. Испытания на циклический изгиб проводили на вибростенде с частотой 7 Гц с амплитудой по циклу нагружения 3,5 мм. Регистрацию кинетики роста трещины осуществляли методом электропотенциалов с усилением сигнала аналого-цифровым преобразователем и записью в программе LGraph2. По тарировочным зависимостям разность потенциалов пересчитывали в длину трещины, после чего строили S-образные кривые в координатах «длина трещины число циклов».

Результаты

Результаты. Установлен трехстадийный S-образный характер усталостного разрушения для всех исследованных образцов. Снижение пористости с 20 до 10% приводит к увеличению числа циклов до разрушения, удлинению начального этапа зарождения трещины и снижению скорости ее роста на линейном участке. Увеличение времени спекания с 30 до 90 минут положительно влияет на усталостную прочность, этот эффект максимален при пористости 10% и слабо выражен при 20%.

Заключение

Заключение. Пористость является определяющим фактором усталостной долговечности, тогда как время спекания эффективно только для низкопористых материалов. Метод электропотенциалов подтвердил применимость для непрерывного контроля кинетики роста трещины в реальном времени. Полученные закономерности позволяют обоснованно выбирать технологические режимы для изготовления деталей из порошковых материалов, работающих при циклических нагрузках (шестерни, рычаги, эксцентрики, элементы трансмиссий).

Purpose 

Purpose . Study of the fatigue crack growth kinetics during cyclic bending of the sintered diffusion-alloyed Fe-Ni-CuMo material (PL-N2D2M grade) and establishment of quantitative patterns of the influence of residual porosity (1020%) and the time of isothermal exposure during sintering (30-90 minutes) on the fatigue durability. 

Methods

Methods. The samples were made by static cold pressing followed by sintering at 950[0] C in the medium of dissociated ammonia. Cyclic bending tests were carried out on a vibration stand with a frequency of 7 Hz with an amplitude of 3.5 mm in the loading cycle. The crack growth kinetics were recorded by the method of electro-potentials with signal amplification by an analog-digital converter and recording in the LGraph2 program. The potential difference was converted to crack length using calibration curves, and S-shaped curves were plotted in the "crack length-number of cycles" coordinates.

Results

Results. A three-stage S-shaped fatigue failure pattern was established for all the samples studied. Reducing the porosity from 20% to 10% leads to an increase in the number of cycles before failure, an extension of the initial crack initiation stage, and a decrease in the rate of crack growth in the linear stage. Increasing the sintering time from 30 minutes to 90 minutes has a positive effect on fatigue strength, with the maximum effect observed at a porosity of 10% and a slight effect at 20%.

Conclusion

Conclusion. Porosity is a determining factor in fatigue durability, whereas sintering time is effective only for low-porous materials. The electropotential method has confirmed its applicability for continuous monitoring of crack growth kinetics in real time. The obtained patterns allow for the reasonable selection of technological modes for the production of parts from powder materials that operate under cyclic loads (gears, levers, eccentrics, transmission elements).

порошковая металлургиядиффузионно-легированная стальусталостная прочностьциклический изгибметод электропотенциаловпористостьpowder metallurgydiffusion-alloyed steelfatigue strengthcyclic bendingelectro-potential methodporosityReferencesДьячкова Л.Н. Порошковые материалы на основе железа с повышенными механическими и триботехническими свойствами: монография. Минск: Белорусская наука, 2020. 204 с.Dyachkova L.N. Powder materials based on Iron with enhanced mechanical and tribotechnical properties. Minsk: Belorusskaya Nauka; 2020, 204 p. (In Russ.)Егоров М.С., Еремеева Ж.В., Егорова Р.В. Методы получения железных, стальных порошков и конструкционных материалов на их основе. Ростов н/Д: Дон. гос. технический ун-т, 2021. 251 с. EDN QNGGKG.Egorov M.S., Eremeeva Zh.V., Egorova R.V. Methods of obtaining Iron, steel powders and structural materials based on them. Rostov-on-Don: Don. gos. techn. un-t; 2021. 251 p. (In Russ.) EDN QNGGKG.Ageev E.V., Ageeva A.E. Phase composition of Titanium powders obtained for additive machines by electrodispersion of ot4 alloy waste in alcohol // Journal of Machinery Manufacture and Reliability. 2024. Vol. 53, no. 4. P. 379-385. https://doi.org/10.1134/S1052618824700213. EDN NQWOWQ.Ageev E.V., Ageeva A.E. Phase composition of Titanium powders obtained for additive machines by electrodispersion of ot4 alloy waste in alcohol. Journal of Machinery Manufacture and Reliability. 2024;53(4):379-385. https://doi.org/10.1134/S1052618824700213. EDN NQWOWQ.Исследование пористости образцов, полученных селективным сплавлением электро-эрозионных железохромоникелевых порошков / Е.В. Агеев, О.В. Кругляков, А.Ю. Алтухов, А.Е. Андреева // Известия Юго-Западного государственного университета. 2026. Т. 30, № 1. С. 8-19. https://doi.org/10.21869/2223-1560-2026-30-1-8-19. EDN PMYPOO.Ageev E.V., Kruglyakov O.V., Altukhov A.Yu., Andreeva A.E. Investigation of porosity of samples obtained by selective fusion of electroerosive Iron-Chromium-Nickel powders. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta = Proceedings of the Southwest State University. 2026;30(1):8-19. (In Russ.) https://doi.org/10.21869/2223-1560-2026-30-1-8-19. EDN PMYPOO.Материалы в современном машиностроении / Г.Х. Шарипзянова, А.В. Андреева, Ж.В. Еремеева, Н.М. Ниткин. М.: Инфра-Инженерия, 2021. 192 с. EDN KGOLYR.Sharipzyanova G.H., Andreeva A.V., Eremeeva Zh.V., Nitkin N.M. Materials in modern mechanical engineering. Moscow: Infra-Engineering; 2021. 192 p. (In Russ.) EDN KGOLYR.Исследование процесса спекания порошковой стали СП60ХН4Д2М с различными пластификаторами и легирующими добавками в исходной шихте / Ж.В. Еремеева, Ю.С. Тер-Ваганянц, Г.Х. Шарипзянова, О.В. Корзников // Материаловедение. 2023. № 1. С. 41-48. https://doi.org/10.31044/1684-579X-2023-0-1-41-48. EDN HJWPOX.Eremeeva Zh.V., Ter-Vaganyants Yu.S., Sharipzyanova G.H., Korznikov O.V. Investigation of the sintering process of SP60ХN4D2M powder steels with various plasticizers and alloying additives in the initial charge. Materialovedenie = Materials Science. 2023;(1):41-48. (In Russ.) https://doi.org/10.31044/1684-579X-2023-0-1-41-48. EDN HJWPOX.Дьячкова Л.Н. Особенности формирования структуры и свойств порошковых сталей с добавками, активирующими диффузионные процессы при спекании // Известия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наук. 2020. Т. 65, № 1. С. 43-53. https://https://doi.org/10.29235/1561-8358-2020-65-1-43-53.Dyachkova L.N. Features of the formation of the structure and properties of powder steels with additives that activate diffusion processes during sintering. Izvestiya Natsional'noi akademii nauk Belarusi. Seriya fiziko-tekhnicheskikh nauk = Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Series of Physical and technical Sciences. 2020;65(1):43-53. (In Russ.) https://doi.org/10.29235/1561-8358-2020-65-1-43-53.Егоров М.С., Егорова Р.В. Технология изготовления детали «Втулка» № сс42049 левой опоры шнека подборщика кормоуборочного П3000 из порошковой стали // Современные наукоемкие технологии. 2026. № 1. С. 30-36. https://doi.org/10.17513/snt.40645. EDN KUNQCS.Egorov M.S., Egorova R.V. Manufacturing technology of the "Sleeve" part No. ss42049 left screw supports of the forage picker p3000 made of powder steel. Sovremennye naukoemkie tekhnologii = Modern high-tech technologies. 2026;(1):30-36. (In Russ.) https://doi.org/10.17513/snt.40645. EDN KUNQCS.Влияние микроструктурных факторов на механизм разрушения и пластичность спеченных хромоникелевых порошковых сталей при сдвиговых деформациях / Р.В. Егорова, М.С. Егоров, В.Н. Пустовойт, А.М. Егоров // Металлург. 2026. № 3. С. 99-103. https://doi.org/10.52351/00260827_2026_3_99. EDN KHQBFK.Egorova R.V., Egorov M.S., Pustovoit V.N., Egorov A.M. The influence of microstructural factors on the mechanism of destruction and plasticity of sintered Chromium–Nickel powder steels under shear deformations. Metallurg = Metallurg. 2026;(3):99-103. (In Russ.) https://doi.org/10.52351/00260827_2026_3_99. EDN KHQBFK.Установка для исследования кинетики развития трещины при испытаниях на циклический изгиб / В.Н. Пустовойт, С.А. Гришин, В.В. Дука, В.В. Федосов // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2020. Т. 86, № 7. С. 59-64. https://doi.org/10.26896/1028-6861-2020-86-7-59-64. EDN AFJEDW.Pustovoit V.N., Grishin S.A., Duka V.V., Fedosov V.V. Installation for studying the kinetics of crack development during cyclic bending tests. Zavodskaya laboratoriya. Diagnostika materialov = Industrial Laboratory. Diagnostics of Materials. 2020;86(7):59-64. (In Russ.) https://doi.org/10.26896/1028-6861-2020-86-7-59-64. EDN AFJEDW.Порошковые материалы производства ПАО "Северсталь" / О.В. Миронова, О.В. Корзников, Ж.В. Еремеева, В.Ю. Лопатин, В.К. Нарва // Новые материалы и технологии: порошковая металлургия, композиционные материалы, защитные покрытия, сварка: материалы 16-й Международной научно-технической конференции. Минск: Белорусская наука, 2024. С. 134-137. EDN NWBYUS.Mironova O.V., Korznikov O.V., Eremeeva Zh.V., Lopatin V.Yu., Narva V.K. Powdered materials produced by PJSC Severstal. In: Novye materialy and technologies: materialy 16-i Mezhdunarodnoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii = Powder metallurgy, composite materials, protective coatings, welding: proceedings of the 16th International scientific and technical conference. Minsk: Belarusian Science; 2024. P. 134-137. (In Russ.) EDN NWBYUS.Усталостное разрушение стали со структурой феррито-мартенситного композита / В.Н. Пустовойт, С.А. Гришин, Ю.В. Долгачев, В.В. Дука // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2022. Т. 65, № 2. С. 92-97. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2022-2-92-97. EDN PQQUSJ.Pustovoit V.N., Grishin S.A., Dolgachev Yu.V., Duka V.V. Fatigue failure of steel with ferrite-martensitic composite structure. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Chernaya metallurgiy = News of higher educational institutions. Ferrous metallurgy. 2022;65(2):92-97. (In Russ.) https://doi.org/10.17073/0368-0797-2022-2-92-97. EDN PQQUSJ.Qiao R., Yan X. The characterization of fatigue damage of 316L stainless steel parts formed by selective laser melting with harmonic generation technique // Mater. (Basel). 2022. Vol. 15, no. 3. https://doi.org/10.3390/ ma15030718.Qiao R., Yan X. The characterization of fatigue damage of 316L stainless steel parts formed by selective laser melting with harmonic generation technique. Mater. (Basel). 2022;15(3). https://doi.org/10.3390/ma15030718.Усталостное разрушение стали 316l, изготовленной методом селективного лазерного плавления / Л.Р. Ботвина, Е.Н. Белецкий, Ю.А. Демина, И.А. Иванов // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2024. Т. 90, № 7. С. 56-67. https://doi.org/10.26896/1028-6861-2024-90-7-56-67.Botvina L.S., Belecky E.N., Demina Yu.A., Ivanov I.A. Fatigue fracture of 316L steel manufactured by selective laser melting method. Zavodskaya laboratoriya. Diagnostika materialov = In-dustrial laboratory. Diagnostics of Materials. 2024;90(7):56-67. (In Russ.) https://doi.org/10.26896/1028-6861-2024-90-7-56-67.Dudrova E., Kabátova M. A review of failure of sintered steels: fractography of static and dynamic crack nucleation, coalescence, growth and propagation // Powder Metallurgy. 2016. Vol. 59, no. 2. P. 148-167. https://doi.org/10.1080/00325899.2016.1145786Dudrova E., Kabátova M. A review of failure of sintered steels: fractography of static and dynamic crack nucleation, coalescence, growth and propagation. Powder Metallurgy. 2016;59(2):148-167. https://doi.org/10.1080/00325899.2016.1145786.Егоров М.С., Егорова Р.В. Определение зависимости механических свойств спеченных дисперсно-упрочненных сплавов на основе железа от условий спекания // Безопасность техногенных и природных систем. 2022. № 2. С. 76-83. https://doi.org/10.23947/2541-9129-2022-2-76-83. EDN KLJCDR.Egorov M.S., Egorova R.V. Determination of mechanical properties of sintered dispersionstrengthened Iron-based alloys depending on sintering conditions. Bezopasnost' tekhnogennykh i prirodnykh sistem = Safety of Technogenic and Natural Systems. 2022;(2):76-83. (In Russ.) https://doi.org/10.23947/2541-9129-2022-2-76-83. EDN KLJCDR.Егоров М.С., Егорова Р.В. Пластичность композиционных материалов с определением температурных режимов горячей штамповки, исключающих появление дефектов в структуре материала // Заготовительные производства в машиностроении. 2019. Т. 17, № 2. С. 66-72. EDN VUINKF.Egorov M.S., Egorova R.V. Plasticity of composite materials with determination of temperature conditions of hot stamping, excluding the appearance of defects in the structure of the material. Zagotovitel'nye proizvodstva v mashinostroenii = Procurement in mechanical engineering. 2019;17(2):66-72. (In Russ.) EDN VUINKF.Егоров М.С., Егорова Р.В. Влияние операции спекания на свойства дисперсно-упрочненных сплавов на основе железа // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2022. Т. 12, № 2. С. 81-95. https://doi.org/10.21869/2223-1528-2022-12-2-81-95. EDN TFKXKQ.Egorov M.S., Egorova R.V. The influence of sintering operations on the properties of dispersed-hardened Iron-based alloys. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Tekhnika i tekhnologii = Proceedings of the Southwest State University. Series: Engineering and Technologies. 2022:12(2):81-95. (In Russ.) https://doi.org/10.21869/2223-1528-2022-12-2-81-95. EDN TFKXKQ.Влияние режимов закалки и отпуска на структуру и свойства горячедеформированных порошковых сталей с ультрадисперсными частицами / М.С. Егоров, Р.В. Егорова, А.В. Мозговой, К.В. Гантимуров, М.В. Ковтун // Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2025. Т. 19, № 1. С. 15-22. https://doi.org/10.17073/1997-308X-2025-1-15-22. EDN UDSXXY.Egorov M.S., Egorova R.V., Mozgovoy A.V., Gantimurov K.V., Kovtun M.V. Effect of quenching and tempering on the structure and properties of hot-deformed powder steels with ultrafine particles. Izvestiya vuzov. Poroshkovaya metallurgiya i funktsional'nye pokrytiy = Powder Metallurgy аnd Functional Coatings. 2025;19(1):15-22. (In Russ.) https://doi.org/10.17073/1997-308X-2025-1-15-22. EDN UDSXXY.Егоров М.С., Месхи Б.Ч., Егорова Р.В. Термическая обработка спеченных порошковых сталей. Аустенитизация в спеченных порошковых сталях // Металлург. 2024. № 9. С. 54-59. https://doi.org/10.52351/00260827_2024_9_54. EDN HWBDWZ.Egorov M.S., Meskhi B.C., Egorova R.V. Heat treatment of sintered powder steels. Austenitization in sintered powder steels. Metallurg = Metallurg. 2024;(9):54-59. (In Russ.) https://doi.org/10.52351/00260827_2024_9_54. EDN HWBDWZ.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.