Оценка усталости хромистых сталей после термической и химико-термической обработки

УДК 621. 191:669.15

ОЦЕНКА УСТАЛОСТИ ХРОМИСТЫХ СТАЛЕЙ ПОСЛЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ И ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ С.В. Сафонов, В.Н. Гадалов, Ю.В. Скрипкина, А.Е. Гвоздев, Н.А. Кореневский

Рассмотрены вопросы влияния термообработки на усталостные свойства сталей 30Х и 30X13. Описан ускоренный неразрушающий способ измерения предела усталости образцов, который позволил исключить влияние неоднородностей свойств образцов на результаты испытаний. Показано, что термообработка существенно влияет на усталостные свойства хромистых сталей. Выбор режимов термообработки позволяет оптимизировать сочетание механических и усталостных свойств металла

Ключевые слова: термообработка, усталостные свойства, металл

Большинство деталей и элементов конструкций работают в режиме повторно-силового нагружения и подвержены усталостному разрушению. Отличительной чертой усталости является то, что усталостное повреждение не сопровождается какими-либо видимыми признаками, а разрушение происходит внезапно, катастрофически быстро, часто являясь причиной аварий и экологических бедствий. Значение вопросов, связанных с усталостью

материалов, постоянно возрастает. Это требует многопараметрической оптимизации структуры с учетом циклической прочности и трещиностойкости в условиях подобия локального разрушения.

Известно, что химико-термическая обработка стали воздействует на поверхностные слои металла, т. е. на слои, в которых концентрируются максимальные напряжения, возникает

субмикроскопические трещины, развивающиеся во времени при внешнем воздействии. Усталостное разрушение начинается, как правило, в

поверхностных слоях. Поэтому необходимо уметь определять, какое структурное состояние является оптимальным для заданных условий нагружения с точки зрения сопротивления материалов зарождению и распространению трещины при сохранении высокой прочности и износостойкости стали. Т аким образом, речь идет

о выборе режимов химико-термической обработки стали, при которых прочностные и усталостные свойства материала оптимально сочетаются.

Разрушение при усталости обычно носит

прогрессирующий характер. Оно зависит не только от вида и уровня циклического нагружения, но и от состояния поверхности, структуры и ее неоднородности, величины и характера

распределения внутренних напряжений,

Сафонов Сергей Владимирович - ВГТУ, канд. пед. наук, профессор, тел. (41З) 246-29-90

Гадалов Владимир Николаевич - ЮЗГУ, д-р техн. наук, профессор, e-mail: Gadalov-VN@yandex.ru Скрипкина Юлия Владимировна - ЮЗГУ, канд. техн. наук, тел. (4112) 50-45-10

Гвоздев Александр Евгеньевич - ТГПУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (4812) 35-11-22

Кореневский Николай Алексеевич - ЮЗГУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (4112) 58-10-98

химического состава и других факторов. Простое перечисление уже говорит о сложности задачи изучения усталости, т.к. эта многопараметровость приводит к большим рассеяниям долговечности образцов, испытуемых при одинаковых внешних условиям Обычные усталостные испытания длительны, трудоемки и дорогостоящи, поэтому применяются обычно для особо ответственных деталей и элементов конструкций.

В последнее время интенсивно разрабатываются ускоренные неразрушающие методы определения характеристик усталости сталей. Наиболее эффективным является метод [1], основанный на магнитоупругом эффекте и принятым ГОСгортехнадзором РФ в нефтеперерабатывающем (и родственных) производствах [2]. Метод применялся для оценки характеристик циклической прочности сварных соединений конструкционных сталей. Выявлено влияние исходной структуры стали и параметров термического цикла сварки на предел выносливости сварных соединений [3].

Но при химико-термической обработке металлических материалов (упрочнение цементацией до высоких содержаний углерода с образованием в диффузионных слоях структуры, подобной металлокерамическим твердым сплавом) механизм повреждения и разрушения при усталости имеет свои особенности. Это связано с деформированием пластичной матрицы в присутствии твердых частиц и разделением частицы и матрицы по межфазной границе. Поэтому важным является вопрос о соотношении вязкой ферритной матрицы и карбидной фазы, при котором достигается оптимальное сочетание прочностных, износостойких и усталостных свойств материалов.

Ускоренный способ определения усталостных характеристик базируется на использовании метода высших гармоник (МВГ) сигнала электро-индуктивного датчика. Установлено, что в критическом магнитном поле Нк амплитуды гармоник имеют высокую чувствительность к механическим напряжениям. С точки зрения синергетики Нк является точкой бифуркации, в которой флуктуации системы приводят к скачкообразному (коллективному) изменению механизма

намагничивания материалов. Необратимый зародыш

усталостного повреждения, образующийся при некотором значении механических напряжений, является тем «спусковым механизмом», который является причиной скачка амплитуды высшей гармоники сигнала датчика. Это напряжение соответствует пределу усталости образца о-1. Таким образом, измерение этого параметра усталости сводится к ступенчатому возрастанию напряжения До в образце на базе 103 циклов на каждой ступени. После циклирования образец разгружается и измеряется амплитуда гармоники ик. При о< о-1 изменение ик не наблюдается. При о = о-1 происходит скачок амплитуды гармоники на величину Дик.

Такой метод позволяет многократно испытать один и тот же образец, в том числе для изучения влияния разных факторов на о-1. Уникальная быстрота усталостных испытаний (15-20 минут) дают возможность использовать метод для большого числа вариантов исследований (обычные методы испытаний длятся от 3-х до 10 суток на один образец).

Исследование влияния режимов термической обработки на усталостные характеристики проводились на сталях 30Х и 30X13.

Из этих материалов изготовлены образцы круглого сечения 08 мм и длиной 160 мм. Диаметр рабочей (контролируемой) части образца 5 мм. Рабочая часть образца обрабатывается полировкой.

Сконструирована и изготовлена испытательная машина, позволяющая ступенчато нагружать образец. Частота нагружения 50 циклов в секунду. Схема нагружения образца - чистый изгиб с вращением. Ступень нагружения До = 30 МПа, т. е. погрешность измерения ± 15 МПа.

Блок-схема измерительной установки показана на рис. 1.

1

Рис.1. Блок-схема измерительной установки:

Г - генератор; 1 и 2 - намагничивающая и

измерительная обмотки датчика; З - образец; АГ -анализатор-гармоник; G - измеритель амплитуд ВГ.

На сырых образцах сталей З0Х и 30X13 измерен предел усталости, после чего эти же образцы подверглись термической обработке по режимам:

- сталь З0Х = 860° С (масло) в течение 60 мин; tom = 500° С. Охлаждение в масле.

- сталь 30X13 = 1000° С (воздух) в течение

60 мин; = 650° С. Охлаждение в масле.

Изменения механических свойств сталей в результате закалки представлены в таблице 1.

Таблица 1

Механические свойства сталей до и после ______термической обработки.______________

Сталь о02, МПа 2в, МПа Y, % 5, %

360 420 - -

З0Х Ю0 900 45 12

ЗЮ 430

З0Х1З

И0 960 52 16

В числителе даны значения свойств сталей до, а в знаменателе после термообработки.

Термообработанные образцы испытаны на усталость и измерен предел усталости о-1 каждого образца без разрушения.

В таблице 2 даны результаты усталостных измерений сталей 30Х и 30X13 до и после термической обработки.

Таблица 2

Предел усталости хромистых сталей до и после

термической обработки.

Сталь З0Х Сталь З0Х1З

№ обр 0-1, МПа (сырой) о-1, МПа после ТО 0-1, МПа (сырой) о-1, МПа после ТО

1 315 242 400 362

2 295 226 451 368

3 265 235 429 344

4 322 248 445 385

5 285 230 ЗЮ 342

В таблицах 3 и 4 представлены результаты исследований предела усталости сталей 30Х и 30Х13 после химико-термической обработки по различным режимам. Нитроцементация осуществлялась в карбюризаторе, в состав которого входят следующие компоненты:

- карбамид (КИ2)2 СО - 15%;

- железосинеродистый калий К4Ге(СЫ)6 - 15%;

- углекислый барий ВаСО3 - 15%;

- сажа газовая (аморфный углерод) - 55%.

Смесь компонентов разводится

карбометилцементным клеем (КМЦ) и наносится на упрочняемую поверхность.

Для экспериментальной проверки

эффективности карбюризатора нитроцементацию образцов из сталей 30Х и 30Х13 проводили в широком диапазоне температур от 500 до 900 °С. Образцы покрывали пастой, высушивали и упаковывали в контейнер с наполнителем в виде чугунной стружки. Нагрев контейнера с образцами производили в шахтной лабораторной печи СШОЛ-12-М3-Ц4. Длительность нитроцементации - 2 ч.

Таблица 3 Предел усталости стали 30Х после нитроцементации по различным режимам________

№ опы- та Режим обработки Значение о-1, МПа

до обраб. после обраб.

1 Нитроцементация (950 °С, 3 ч) + закалка (860 °С в масле) - без отпуска 295 285

2 Нитроцементация (900 °С, 3 ч) + закалка (860 °С в масле) + отпуск (500 °С, 2 ч) 328 265

3 Нитроцементация (900 °С, 3 ч) + закалка (860 °С в масле) + отпуск (600 °С, 2 ч, охлаждение в воде) 322 341

4 Нитроцементация (650 °С, 1 ч) 318 300

5 Нитроцементация (650 °С, 2 ч) 322 400

6 Нитроцементация (650 °С, 3 ч) 322 460

1 Нитроцементация (650 °С, 4 ч) 320 460

Таблица 4 Предел усталости стали 30Х13 после нитроцементации по различным режимам________

№ опы- та Режим обработки Значение о_ь МПа

до обраб. после обраб.

1 Нитроцементация (950 °С, 3 ч) + закалка (880 °С в масле) - без отпуска 375 390

2 Нитроцементация (900 °С, 3 ч) + закалка (900 °С в масле) + отпуск (500 °С, 2 ч) 416 386

3 Нитроцементация (900 °С, 3 ч) + закалка (880 °С в масле) + отпуск (600 °С, 2 ч) 422 375

4 Нитроцементация (650 °С, 1 ч) 375 320

5 Нитроцементация (650 °С, 2 ч) 435 320

6 Нитроцементация (650 °С, 3 ч) 375 280

7 Нитроцементация (650 °С, 4 ч) 372 280

Из приведенных данных следует, что для стали 30Х высокотемпературная нитроцементация с последующей закалкой не привела к увеличению предела выносливости образцов.

Низкотемпературная нитроцементация (650 °С), проводимая после закалки и, в некотором смысле, заменяющая высокий отпуск, привела к заметному повышению предела выносливости. Особенно заметно это повышение при длительности нитроцементации 3 ч и выше, - при этих режимах обработки повышение предела выносливости получено почти в полтора раза по сравнению с исходным состоянием.

Химико-термическая обработка нержавеющей стали 30Х13 дала прямо противоположные результаты. Высокотемпературные режимы

обработки и особенно низкотемпературные режимы не обеспечили роста значений о-1 против исходного

состояния (нормализованной) стали. Лишь в одном случае, после нитроцементации при 900 °С, закалке с 880 °С в масле без отпуска, было получено незначительное увеличение предела выносливости (режим 1 в табл. 4).

Можно заключить, что на усталостную прочность стали 30Х наибольшее влияние оказывает длительность низкотемпературной

нитроцементации.

Результаты исследований, представленные в таблицах (1-4), показывают, что использованный для исследований неразрушающий метод измерений о-1 можно считать эффективным, т.к. сравниваются результаты измерений на одном и том же образце до и после термообработки и ХТО. По результатам испытаний можно заключить, что указанные режимы термической обработки снижают параметр а

1 с одновременным увеличением о02 и се.

Сравнение комплекса характеристик образцов в зависимости от режима обработки позволит установить оптимальные соотношения прочностных и усталостных свойств испытуемого материала.

Такой подход позволяет, в принципе, получить материал с заданными свойствами, что является актуальной задачей материаловедения.

Работа выполнена в рамках реализации Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной

России» на 2009-2013 годы.

Литература

1. Якиревич Д.И., Иванова B.C. Патент РФ №

2095784 «Способ определения усталостных

характеристик ферромагнитных материалов и сварных соединений» 10.10.1997.

2. Методика экспресс-диагностики свойств металла сосудов, аппаратов и трубопровода из конструкционных сталей приборами неразрушающего контроля. Госгортехнадзор РФ. 22.11.1994 г.

3. Стеклов О.И. Ефименко Л.А. и д.р. Влияние

исходной структуры стали и параметров термического цикла сварки на предел выносливости и статическую трещиностойкость сварных соединений. -

Автоматическая сварка, 1993 г, №1. стр. 53-54.

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»

ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет»

ФГБОУ ВПО «Тульский государственный педагогический университет»

ASSESSMENT OF FATIGUE CHROME STEEL AFTER THERMAL AND CHEMICAL HEAT TREATMENT S.V. Safonov, V.N. Gadalov, J.V. Skripkina, A.E. Gvozdev, N.A. Korenevsky

The problems of the influence of heat treatment on the fatigue properties of steels and 30X 30X13. Described accelerated non-destructive method for measuring the fatigue limit of samples , which allowed us to exclude the influence of inhomogeneous samples on the test results. It is shown that heat treatment significantly influence on the fatigue properties of chromium steel . Selection of heat treatment to optimize the combination of mechanical and fatigue properties of metal

Key words: heat treatment, fatigue properties, metal