Исследование влияния химического состава и структуры углеродистых сталей на характеристики сопротивления усталости

Порошковая металлургия - 1979. - №4. - С. 8-13.

10. Кипарисов С.С., Водопьянова Л.С., Эйдук Ю.А., Исакова З.С. Исследование структуры и свойств сплавов "-№-Бе при термической обработке // Твердые сплавы и тугоплавкие металлы: Сб. научных трудов ВНИИТС. - М. Металлургия, 1976. - С. 56-63.

11. Лякишев Н.П. Диаграммы состояния двойных металлических систем. - М. Машиностроение, 2000. - 452 с.

12. Никольский А.В., Захаров А.М., Паршиков В.Г., Водопьянова Л.С. Фазовые равновесия в вольфрамовом углу системы "-М-Бе при 800-575°С // Порошковая металлургия - 1991. - №8. - С. 61-67.

13. Захаров А.М., Никольский А.В., Паршиков В.Г., Водопьянова Л.С. Фазовый состав святки в тяжелых сплавах типа ВНЖ // Цветные металлы - 1990. - №7. -С. 92-94.

14. Юпко В.Л., Монастырева Н.И., Верховодов П.А., Ми-накова Р.В., Неделяева Л.П., Войтенко В.Л. Смачивание моно- и поликристаллического вольфрама сплавами "-М-Бе // Порошковая металлургия - 1984. - №9. -С. 57-61.

Одержано 25.04.2007

Рассмотрен комплекс исследований тугоплавкого лома, в составе которого имеется вольфрам. Определены компоненты, фазовый и приблизительный химический состав лома. Обсуждены возможности дальнейшего использования.

The complex of refractory breakage researches which structure contains tungsten is considered. Components, phase and approximate chemical compound of breakage are determined. Future opportunities of application are discussed.

УДК 669.14:539.4.015:539.43

Канд. техн. наук С. А. Беженов1, Т. Д. Соболевская2

1 Национальный технический университет, 2 ОАО " Мотор Фч"

г. Запорожье

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА И СТРУКТУРЫ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ СОПРОТИВЛЕНИЯ УСТАЛОСТИ

В работе представлены результаты исследований структуры и характеристик сопротивления многоцикловой усталости образцов углеродистых конструкционных сталей с различной технологической наследственностью. На основе морфологической аналогии структур полимеров и металлов предложен подход к описанию механизмов разрушения и определению прочностных характеристик.

Введение

В литературе опубликованы многочисленные исследования специалистов разных отраслей науки (металлофизики, металловедения, металлургии, механики) о влиянии различных факторов на характеристики сопротивления усталости металлических материалов. Преимущественно такие исследования направлены на решение прямой задачи, которая связанна с созданием различных металлических сплавов и технологий их обработки, позволяющих обеспечивать наперед заданные технологические и эксплуатационные характеристики. Однако производством выпускаются только определенные марки материалов и реализуются специфические технологии их упрочнения. При этом

инженерам-конструкторам приходится решать обратную задачу, заключающуюся в эффективном применении поставляемых промышленностью конкретных материалов после конкретной их обработки для заданных эксплуатационных условий работы конструкций. Ус -пешное решение этой задачи обеспечивается при умении оценить работоспособность конкретных элементов конструкций и предвидеть возможность их разрушения в конкретных условиях эксплуатации, что обеспечивается надежными методами определения их прочностных характеристик. К сожалению, исследований в этом направлении явно недостаточно. Поскольку подавляющее большинство инженерных конструкций испытывают циклические нагружения, которые приводят к усталостному разрушению материала, то для решения за-

© С. А. Беженов, Т. Д. Соболевская, 2007 20

дачи прогнозирования работоспособности конкретно -го материала в условиях многоцикловой усталости актуальным является установление связи между составом, строением и способностью сопротивляться усталости конструкционных металлических материалов.

Исходя из того, что основную группу материалов, применяемых в машиностроении для изготовления деталей машин, конструкций и сооружений, составляют конструкционные углеродистые стали, целью данного исследования было установление связи между химическим составом углеродистых доэвтектоид-ных сталей, поступающих в производство в установленном порядке, их структурой и характеристиками сопротивления многоцикловой усталости.

Материалы для исследований

Исследовались образцы из сталей 20, 45 и У7А в состоянии поставки (СП) после поверхностного пластического деформирования стальными шариками, колеблющимися с ультразвуковой частотой (УЗУ), а также после соответствующей термической обработки (ТО). При этом стали 45 и У7А подвергались закалке и отпуску, а сталь 20 сначала подвергалась газовой цементации (920 °С, т = 10 часов), а затем закалке и отпуску. Химический состав сталей соответствовал ГОСТ 1050-88, ГОСТ 3833-98, а режимы УЗУ и ТО приведены в таблице 1.

Выбор нетрадиционного режима закалки стали 20 после цементации объясняется тем, что в случае охлаждения образца в воду возникают большие внутренние напряжения, вызывающие значительное коробление образцов. Поэтому в качестве охладителя использовалось масло, которое широко применяется при термообработке ажурных изделий.

Таблица 1 - Режимы термообработки (ТО) и ультразвукового упрочнения (УЗУ) образцов

Вид обработки закалка отпуск

О н Сталь 20 820 оС

Сталь 45 860 oC

Сталь У7А 790 оС

УЗУ диаметр шарика, мм 1,5-1,6

вес шариков, г 300

время упрочнения, с 10 ± 1

Методика и результаты механических испытаний образцов на усталость

Размеры и форма образцов для испытаний на усталость приведены в работе [1]. Испытания проводились в области многоцикловой усталости (^ N > 4,5) в условиях действия циклических изгибных напряже-

ний, возникающих в результате введения образца в резонансные поперечные колебания на электродинамическом вибростенде ВЭДС 200. Моментом разрушения считалось начало увеличения периода колебаний более чем на 5 %. Средняя амплитуда напряжений цикла ст a оценивалась расчетным методом по величине амплитуды колебаний свободного конца образца на основе данных тензометрирования.

На рис. 1 в двойных логарифмических координатах показаны результаты испытаний на усталость образцов из разных доэвтектоидных углеродистых сплавов с различной технологической наследственностью. Регрессионный анализ показал, что данные испытаний образцов каждого сплава с разной технологической наследственностью хорошо укладываются на прямые, сходящиеся в одной точке, что свидетельствует о существовании общей точки пересечения диаграмм усталости (полюса) для каждого сплава. При этом ординаты полюсов для всех трех сплавов оставались практически одинаковыми: lg стр и 3,0 . Абсциссы полюсов (lg Np) для разных сплавов заметно отличались. Их значения приведены в таблице 2. На графиках четко просматривается увеличение сопротивления усталости с повышением содержания углерода в сталях, а также после УЗУ и, особенно, после ТО.

Для аппроксимации результатов испытаний на многоцикловую усталость, согласно [2], использовалось соотношение:

стam  N = const,

Показатель степени m в формуле (1) в двойных логарифмических координатах представляет собой тангенс угла наклона диаграммы усталости к оси ординат ста. В таблице 2 приведены средние значения коэффициентов m, определенных по результатам регрессионного анализа данных испытаний на усталость различных выборок образцов при условии существования полюсов диаграмм усталости с установленными ранее координатами для разных марок сталей.

Методика и результаты металлографических исследований образцов

Исследовались структуры образцов из доэвтекто-идных углеродистых сталей, поступивших в производство в установленном порядке и подвергнутых в дальнейшем разным видам обработки по установленным режимам существующих в производстве методик. После испытаний на усталость образцы окончательно разрушались на разрывной машине УММ-10. Затем из зоны усталостной трещины каждого испытанного образца изготавливались образцы для металлографических исследований, которые проводились с помощью оптического микроскопа NEOPHOT 32 и растрового электронного микроскопа JSM-6360LA, оснащенного системой для проведения энергодисперсного рентгеноспектрального микроанализа (РСМА).

ISSN 1607-6885 Hoei Mamepia.nu i технологи в металурги та машинобудувант №1, 2007

21

ной малоуглеродистой стали после нормализации исходного прутка. На рис. 3 и 4 соответственно показаны структуры образцов из стали 45 и У7А с различной технологической наследственностью. Микроструктуры образцов указанных сталей в состоянии поставки и после УЗУ также практически не отличаются и представляют собой пластинчатый перлит и феррит в разных соотношениях. После ТО микроструктура образца стали 45 классифицируется как бей-нит, а сплава У7А представляет собой сложную ком -бинацию феррита, троостита и малоуглеродистого мартенсита.

Таблица 2 - Значения коэффициента т и абсцисс полюсов для регрессионных диаграмм усталости образцов с различным техническим состоянием

____

2,8 2,7

Т4

2,6 — Л, -Е

2,5 — ° —~ 0 >ч ч

2,4 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

4 5 6 7

число циклов нагружения ^ N

Рис. 1. Регрессионные диаграммы усталости образцов из доэвтектоидных сталей с различными видами обработок:

1 - СП; 2 - УЗУ; 3 - ТО; а - сталь 20; б - сталь 45; в - сталь У7А

На рис. 2 показаны микроструктуры образцов из стали 20 в состоянии поставки и после поверхностного пластического деформирования (УЗУ), которые практически не отличаются и состоят из относительно равноосных зерен избыточного феррита и пластинчатого перлита, что характерно для доэвтектоид-

Материал Вид обработки Коэффициент т 1§

Сталь 20 СП 6,715 2,0

УЗУ 7,538

Т О 9,568

Сталь 45 С П 8,548 1,7

УЗУ 10,374

Т О 14,547

Сталь У7А С П 10,639 1,0

УЗУ 13,274

Т О 22,397

Рис. 2. Микроструктура образцов из стали 20 с различной ТН: а - СП; б - УЗУ

4

5

6

7

4

5

6

7

Обсуждение полученных результатов

Согласно [3] в инженерной практике принято основной характеристикой сопротивления усталости конкретного материала, изготовленного по определенной технологии и работающего в условиях действия циклических нагрузок, считать предел выносливости образцов или натурных изделий, для определения которого требуются большие затраты времени, материальных и трудовых ресурсов. Указанный параметр несет ограниченную информацию о прочностных возможностях исследуемого материала и затрудняет решение задачи оптимизации выбора материала и технологии изготовления конкретной конструкции, обеспечивающих максимальное исчерпание его возможностей в конкретных условиях производства и эксплуатации этих конструкций. Поэтому актуальной является задача поиска новых подходов к исследованию процесса усталости, позволяющих установить простые и надежные характеристики сопротивления усталости.

В работах [4-6] показано, что таким репрезентативным параметром, характеризующим поведение конкретных изделий одного химического состава, но с разной технологической наследственностью, является показатель степени т в формуле (1). На рис. 5 приведены графики зависимости коэффициента т от содержания углерода в сплаве и от вида его обработки. Из рисунка видно, что с увеличением содержания углерода при всех видах обработок сплавов коэффициент т возрастает. При этом для всех исследованных материалов после поверхностной пластической деформации образцов указанный коэффициент заметно возрастает, а после ТО возрастает весьма существенно.

Проведенные исследования подтверждают известные положения о взаимосвязи между характеристиками сопротивления усталости и структурой исследуемого материала. В работах [7, 8] рассматриваются механизмы усталостного разрушения в двухфазных сплавах перлитного класса, структура которых представляет наличие перлитных колоний в ферритной

ISSN 1607-6885 Новi матерiали i технологи в металурги та машинобудувант №1, 2007

23

Рис. 5. Зависимости коэффициента т от содержания углерода в образцах с разными видами обработки: 1 - СП; 2 - УЗУ; 3 - ТО

матрице, что, как правило, имеет место после нормализации углеродистых сплавов. В работе [7] отмечается, что при металлографическом наблюдении усталостных повреждений в таком циклически деформируемом двухфазном поликристаллическом теле усталостные трещины всегда возникали в ферритных зернах под действием сдвиговых деформаций в большинстве случаев под углом 45 ° к линии действия внешней силы (первая стадия усталости). Достигнув критического значения, трещина сдвига скачком меняла направление, переходя на более хрупкую фазу (перлит) как трещина нормального отрыва. Предел выносливости таких сплавов определялся по зависимости ст№ = ст№о + К^ф [9], где под dф понимают характерный размер элементов ферритной фазы.

Таким образом, чтобы рассматривать процессы усталости в углеродистых конструкционных сталях с позиций механики деформируемого гетерогенного твердого тела, необходимо более подробно изучить их возможные структуры при большом увеличении. На рис. 6 показаны микроструктуры образцов исследованных сталей при увеличении х 5000 в состоянии поставки, из которых видно, что с повышением углерода характер среды существенно изменяется. В стали 20 она сильно разнородная. Здесь основную массу составляет мягкая фаза (феррит), в которой хаотично расположены образования разных размеров твердой фазы (перлита), способствующие скоплению ансамблей дислокаций. Структура стали 45 более равномерная. Соотношение феррита и перлита практически одинаковое при некотором превышении феррита. Пакеты перлита практически одинаковые и равномерно распределены в феррите. Возможное распределение ансамблей дислокаций, возникающих у препятствий,

при этом более равномерное, а их прорыв более затруднен. Микроструктура стали У7А представляет собой уже в основном перлитные образования с небольшими промежутками и островками феррита, что существенно затрудняет движение дислокаций, а, следовательно, и образование микротрещин.

Рис. 6. Микроструктура образцов в состоянии поставки: а - сталь 20; б - сталь 45; в - сталь

На рис. 7 показаны микроструктуры образцов исследованных сталей при увеличении х 5000 после ТО, из которых видно, что после термообработок структуры исследованных сплавов состоят из разного характера пластинчатых и игольчатых образований из твердых элементов в виде перлита и мартенсита с незначительными включениями мягких структур феррита или остаточного аустенита. Из этого следует, что практически после любого комплекса термообработок углеродистых сплавов с достаточно высоким содержанием углерода, в который входит закалка, образуются сложные структуры, вследствие чего проблематично установить не только характерный размер мягкой фазы dф, но и распределение ее по объему. Следовательно, модели уста -лостного разрушения простых двухфазных сплавов, рассмотренные в работах [7, 8], к ним не применимы.

Для разработки адекватных моделей разрушения такого сложного гетерогенного твердого тела, учитывающего специфику влияния на него циклической деформации, необходимы новые подходы к представлению о прочности металлических конструкционных

Рис. 7. Микроструктура образцов после термообработки: а - сталь 20; б - сталь 45; в - сталь

материалов. При этом научный и практический интерес представляет определение физического смысла коэффициентов С и т в формуле (1), что связано с установлением механизма усталостного разрушения исследуемого материала. Поскольку исследователи пока не располагают достаточно эффективными прямыми методами изучения процесса разрушения металлических материалов, весьма плодотворным может оказаться предположение аналогии механизмов разрушения полимерных и металлических материалов. Такая аналогия начинается уже с определенного сходства в строении. Так, на рис. 8 показаны строения как образцов металлических материалов, так и образцов ориентированного аморфно-кристаллического полимера. На указанном рисунке хорошо видны пластины цементита в пакетах перлитных образований, аналогичные фибриллам полимера.

Достаточно подробные и надежные исследования прямыми методами (инфракрасной спектрометрии, парамагнитного резонанса, массспектрометрии) разрывов связей в полимерах на субмикро- и микроуровнях показали, что скорость этого процесса с повышением напряжения от внешней нагрузки возрастает экспоненциально, а с течением времени сначала интенсивно возрастает, а затем стабилизируется и практически остается постоянной [10]. Тогда усталостное разрушение металлических материалов можно представить как процесс накопления дефектов структуры циклически нагружаемого твердого тела, в котором число последних растет экспоненциально величине приложенного напряжения и пропорционально числу циклов нагружения. Превышение некоторого порогового значения этого числа приводит к образованию магистральной трещины и катастрофическому ее росту. Исходя из этого, коэффициент С в формуле (1) представляет собой пороговое значение накопленных повреждений за период циклического деформирования металлического материала до его разрушения при напряжении ста = 1 МПа, а стат - характеризует уровень

а б в г

Рис. 8. Морфологическая аналогия структур ориентированного аморфно-кристаллического полимера [10]

и металлических материалов: а - фибриллярное строение полимера; б - гетерогенное строение фибрилла; в - пластинчатое строение перлитного образования

1607-6885 Новi матерiали i технологи в металургп та машинобудувант №1, 2007

25

накопления их за один цикл при напряжении ст а .

Исходя из геометрической интерпретации уравнения (1) в двойных логарифмических координатах [6], можно записать: ^ C = ^ Np + m  lg ст p, где С - пороговое число повреждений в материале при ст а = 1 МПа, т - тангенс угла наклона диаграммы усталости к оси напряжений, ст р - ордината полюса диаграммы усталости. Следует отметить, что значение ст р для разных марок сталей практически оставалось неизменным (^стр и 3 ), что соответствует максимальным значениям предела прочности этих сплавов.

Смещение абсциссы полюса для разных сплавов можно объяснить различной интенсивностью динамического структурного старения, суть которого [11] заключается в стабилизации структуры материала под действием циклических нагрузок. Чем меньший процент углерода в сплаве, тем меньше напряжена кристаллическая решетка, тем большее время требуется на стабилизацию структуры материала при его циклическом деформировании.

Интересно отметить, что все три линии т = / (% С) на рис. 5 сходятся в одной точке: минимальное значение т ш;п = 5 при отсутствии углерода в сплаве. Таким образом, для простроения диаграммы усталости партии изделий из определенного материала, зная координаты ее полюса, достаточно определить угол наклона диаграммы усталости к оси напряжений и точку ее перелома N0.

Полученные результаты исследования значительно расширяют представления о процессе усталости в конструкционных сталях и позволяют разработать методики испытаний на усталость, значительно сокращающие затраты времени, трудовых и материальных ресурсов на их проведение.

Выводы

1. Показано, что диаграммы усталости сталей с определенным содержанием углерода, но с разной технологической наследственностью, сходятся в одной точке - полюсе. Определены координаты полюсов диаграмм усталости сталей и установлена зависимость угла наклона диаграмм к оси напряжений от содержания углерода в стали и ее технологической наследственности.

2. Показана морфологическая аналогия структур углеродистых сталей и ориентированных аморфно-

кристаллических полимеров, что позволяет использовать аналогию механизмов разрушения этих материалов при разработке моделей разрушения сталей и установления физического смысла коэффициентов урав -нения диаграммы их усталости.

3. Установлено, что поверхностная пластическая деформация углеродистых сплавов практически не влияет на их структуру, но существенно отражается на характеристиках сопротивления усталости.

Перечень ссылок

1. Беженов С.О. Методика дослщження поверхневого шару конструкцшних матерiалiв методом акустично! емюп // Новi матерiали та технологи в металурги та машинобудуванш. - 1999. - № 1. - C. 6-19.

2. ГОСТ 25.507-85 Методы испытания на усталость при эксплуатационных режимах нагружения - М.: Изд-во стандартов, 1985. - 32 с.

3. ГОСТ 23.207-78 Сопротивление усталости. Основные термины, определения и обозначения - М.: Изд-во стандартов, 1978. - 48 с.

4. Беженов С.А., Беженов А.И., Коцюба В.Ю., Пахолка С.Н. К вопросу оценки характеристик сопротивления усталости конструкционных материалов //Вестник дви-гателестроения. - 2004. - № 4. - С. 66-71.

5. Беженов С.А. Некоторые аспекты определения характеристик сопротивления усталости конструкционных материалов // Aims for future of engineering science: VI Int. sci. forum (Hong-Kong, March 23-30). - Proceedings: Gaudeamus, 2005. - P. 135-140.

6. Беженов С.А., Беженов А.И. К вопросу геометрической и энергетической интерпретации параметров диаграммы многоцикловой усталости //Вестник двигателе-строения. - 2006. - № 1. - С. 45-52.

7. Вагапов Р. Д. Вероятностно-детерминистская механика усталости. - М.: Наука, 2003. - 254 с.

8. Котречко С.А. Статистическая модель хрупкого разрушения феррито-перлитных сталей // Металлофизика и новейшие технологии. - 2001. - Т.23, № 1. - С. 103122.

9. Петч Н.Дж. Переход от вязкого состояния в хрупкое в а-железе / Атомный Механизм Разрушения: Материалы междунар. конф. по вопросам разрушения. (Свомп-скотт, США, апрель 1959); пер. с англ. под ред. М.А. Штремеля. - М.: Металлургиздат, 1963. - С. 69-83.

10. Регель В.Р., Слуцкер А.И., Томашевский Э.Е. Кинетическая природа прочности твердых тел. - М.: Наука, 1974. - 560 с.

11. Терентьев В.Ф. Усталость металлических материалов -М.: Наука, 2002. - 248 с.

Одержано 12.02.2007

В po6omi наведено результати до^джень структури та характеристик опору багатоцикловш emoMi зразюв вуглецевих конструкцшних сталей, що мають ргзну mехнoлoгiчну спадкoвiсmь. Запропоновано пiдхiд до описання механiзмiвруйнування та визначення мщтсних характеристик, який Трунтуеться на мoрфoлoгiчнiй аналоги структур пoлiмерiв та металевих маmерiалiв.

The investigation results of structure and fatigue resistance characteristics over specimens made of structural carbon steel various processing inheritance have been presented. The approach to the description of the mechanism fracture and determination of strength characteristics based on the morphological analogy between the polymers and metals has been suggested.