СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЕДЕЛА ВЫНОСЛИВОСТИ НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ
METHOD FOR DETERMINING ENDURANCE LIMIT OF LOW-CARBON LOW-ALLOYED STEELS

Изобретение относится к исследованию физико-механических свойств металлов и может использоваться в различных областях промышленности.
R
R
0,2
B
Определение характеристик усталости является важной практической задачей, однако испытания на усталость длительны, трудоемки и дороги. Их не могут позволить себе даже крупные научные и производственные центры, кроме особо ответственных случаев (ядерная и авиационная промышленность). Поэтому часто вынуждены оценку предела выносливости σ (R - коэффициент асимметрии цикла) делать по взаимосвязи σ с другими характеристиками сталей, прежде всего пределами текучести σ и прочности σ. Известны соотношения, связывающие эти характеристики, например [1], для низкоуглеродистых сталей:
10
-1
где Ψ и δ - относительное сужение и удлинение испытуемого образца соответственно, σ - предел выносливости при круговом изгибе (R=-1).
R
R
Многообразие соотношений свидетельствует о том, что нет надежно выявленной взаимосвязи между указанными характеристиками. Это связано, по нашему мнению, с тем, что не учитывается влияние структурно-фазового состава металла, который является одним из определяющих факторов, формирующих комплекс его механических свойств. Принимается, что этот фактор в одинаковой степени влияет на все прочностные характеристики сталей. Однако известно [2], что даже для одной стали в различных ее исходных структурных состояниях расхождение между расчетными и экспериментальными значениями σ по соотношениям (1-3) достигает 30-35%. Влияние фазового состава сталей на взаимосвязь σ и механических характеристик не может быть выявлена достаточно уверенно существующими методами усталостных испытаний.
R
0,2
B
5
Действительно, σ определяется испытанием до разрушения одной группы образцов стали, а σ, σ, Ψ, δ - на образцах другой группы той же стали. Однотипные образцы имеют естественную неоднородность структурно-фазового состава, различаются по объемной доле, характеру распределения, дисперсности фазовых составляющих структуры, так что скорее можно говорить о качественной, а не о количественной зависимости указанных характеристик.
-1
0,2
Целью предлагаемого способа является повышение достоверности определения предела выносливости низколегированных низкоуглеродистых сталей по механическим характеристикам. Предлагается наряду с определением предела текучести образца определять его структурно-фазовый состав. Нами проведены масштабные исследования с низколегированными низкоуглеродистыми сталями 09Г2С, 10Х2ГНМ, 17ГС, 17Г1С по выявлению взаимосвязи σ и σ с учетом фазового состава сталей.
Образцы сталей подвергались предварительной термической обработке по режимам, приведенным в табл.1, что обеспечивало различный исходный структурно-фазовый состав. Механические свойства указанных сталей для различных вариантов термической обработки даны в таблице 2.
max
8-5
Образцы, изготовленные из этих групп металла, подвергались термическому циклу с нагреванием при Т=1350°С и охлаждением с различной скоростью W в интервале температур 800-500°С диффузионного превращения аустенита. В результате получен набор образцов с широкой гаммой содержания долей фаз в структуре металла.
-1
0,2
-1
0,2
з
Ускоренный неразрушающий метод [3] позволяет измерить предел выносливости σ одного образца с высокой точностью (погрешность до 5%) и дальше определить предел текучести σ и его структурно-фазовый состав на том же образце, что исключает влияние мешающих факторов. Результаты измерений σ и σ в зависимости от объемной доли фазовых составляющих в структуре приведены на рис.1 для двух сталей и двух исходных их структурных составов: а)  исходная структура Б-М;  исходная структура Ф-П; б)  исходная структура Ф-Б;  исходная структура Б-М.
-1
0,2
Видно, что для стали 09Г2С в зависимости от объемной доли феррита в интервале 1,0-0,2 соотношение σ/σ не остается постоянным, тогда как для долей феррита Ф<0,2 это соотношение практически не изменяется, как и для стали 10Х2ГНМ в отсутствии ферритной фазы в структуре металла.
-1
0,2
Полученные данные позволили предложить формулу, связывающую соотношение σ/σ с долей ферритной Ф фазы в структуре металла
Ф
где N - доля ферритной фазы.
-1
0,2
График этой зависимости представлен на рис.2. Тогда предел выносливости σ можно рассчитать, если известны σ и доля феррита Ф в структуре металла
Сравнительные расчетные по формулам (1-4) и экспериментальные результаты для сталей с различным исходным структурным составом приведены в таблице 3.
-1
Как следует из приведенных данных, предложенная формула (4) дает наиболее сходимые результаты расчета σ в сравнении с известными ранее формулами (1-3) для всех приведенных исходных структурно-фазовых составов сталей.
ПРИМЕР ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СПОСОБА
-1
0,2
0,2
-1
-1
Для низкоуглеродистой низколегированной стали 17 ГС с долей ферритной фазы в структуре металла Ф=0,58 по графику (рис.2) находим σ/σ=0,62 (тот же результат получим расчетным путем по формуле (*)). На стандартном образце при статическом испытании на разрыв определено значение σ=428 МПа. Тогда σ=428·0,62=266 МПа. Стандартные испытания образцов той же группы стали по методу Локати на 5 образцах дали предел выносливости σ=253±28 МПа.
ЛИТЕРАТУРА
1. Иванова B.C. Природа усталости металлов [Текст] / B.C.Иванова, В.Ф.Терентьев - М.: Металлургия, 1975 - 456 с.
2. Шаповалова Ю.Д. Ускоренное определение усталостных свойств сталей вихретоковым методом [Текст] / Ю.Д.Шаповалова, С.Г.Емельянов, Д.И.Якиревич - Курск, Изд. КГТУ, 2009. - 134 с.
3. Терентьев В.Ф. Усталостная прочность металлов и сплавов [Текст]: Интернет- Инжиниринг, 2002. - 228 с.
Таблица 2
Марка стали
Вариант термич. обработки
Механические свойства
σ<sub>В</sub>, МПа
σ<sub>Т</sub>, МПа
δ<sub>5</sub>, %
ψ, %
HV, МПа
09Г2С
1
1023
660
11,1
61,6
3100
2
611
435
24,0
65,2
1850
3
546
320
26,8
70,9
1650
4
486
239
29,5
71,6
1470
10Х2ГНМ
1
594
446
19,0
-
1800
2
858
644
18,0
-
2600