CC BY
12
ENSURING THE REQUIRED STRUCTURE AND PROPERTIES OF STEEL 30HGSN2A IN THE IMPLEMENTATION OF MULTI-STAGE COMBINED PROCESSING
Muratov Vladimir Sergeevich Dr.Sc.professor
( e.mail:muratov1956@mail.ru)
Morozova Elena Aleksandrovna,Cand.Tech.Sci.,associateprofessor
(e-mail:e.morozova2012@mail.ru) Yakimov Nikolay Sergeevich, graduate student
(e-mail: andrej.bakin2013@yandex.ru) Samara State Technical University, Samara, Russia
This article presents the results of studies of the structural features and properties of high-strength steel 30HGSN2A during the implementation of multi-stage combined processing. Such processing includes steel smelting and obtaining a deformed billet, intermediate heat treatment operations, machining, welding, final heat treatment, chromium plating. Recommended modes that will provide the required level of steel characteristics and exclude cases of premature destruction of the products.
Key words: high-strength steel, structure, properties, hot rolled bars, absorbing devices, heat treatment, chromium plating.
УДК 669.017
АНАЛИЗ И ПУТИ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ПРЕЖДЕВРЕМЕННОГО РАЗРУШЕНИЯ ТЯЖЕЛОНАГРУЖЕННЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ВЫСОКОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ Муратов Владимир Сергеевич, д.т.н., профессор
( e-mail:muratov1956@mail.ru) Морозова Елена Александровна, к.т.н., доцент (e-mail:e.morozova2012@mail.ru) Якимов Николай Сергеевич, аспирант. (e-mail: andrej.bakin2013@yandex.ru) Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия
В работе проанализированы случаи преждевременного разрушения поглощающих устройств, изготовленных из стали 30ХГСН2А, в ходе проведения приемо-сдаточных испытаний и при эксплуатации устройств. Выявлен характер и причины разрушения: пониженная технологичность стали при окончательной термической обработке и повреждение хромового покрытия штока.
Ключевые слова: поглощающие устройства, испытания, эксплуатация, преждевременное разрушение, технология изготовления.
Высокопрочные комплексно-легированные хромо-кремне-марганцево-никелевые стали используются в транспортных системах для ряда ответственных тяжелонагруженных изделий [1,2]. К таким изделиям, в частности, относятся гидравлические поглощающие ( демпфирующие) устройства, предназначенные для гашения части энергии удара, уменьшения продоль-
ных растягивающих и сжимающих усилий, передающихся на конструкцию транспортного средства. Общая схема такого устройства показана на рис.1.
Рисунок 1 - Общая схема гидравлического поглощающего устройства: 1- шток с поршнем 2, 3- гидроцилиндр (корпус устройства), 4- опора, 5, 7 -полость гидроцилиндра, 6- калиброванные отверстия в поршне
Шток с поршнем (1,2) под действием приложенной силы Р совершает поступательное движение внутри гидроцилиндра (корпуса) 3, заполненного рабочей жидкостью и закрепленного на опоре 4. При этом рабочая жидкость вытесняется поршнем штока 2 из полости 5 цилиндра и, проходя через калиброванные отверстия 6 в поршне штока 2, поступает в полость 7 гидроцилиндра ( корпуса). Работа силы Р на перемещение штока расходуется на преодоление сил трения подвижных частей и, в основном, на проталкивание рабочей жидкости через калиброванные отверстия, т. е. на преодоление сил гидравлического сопротивления при перетекании жидкости. Это сопротивление тем больше, чем больше скорость движения штока (и, соответственно, скорость течения жидкости через отверстия в поршне) и чем меньше диаметр (калибр) отверстия. За счет трения частиц жидкости друг о друга и о стенки отверстия повышается температура жидкости и конструкции демпфера. Тепло через стенки демпфера рассеивается в пространство, рассеивается и энергия, приложенная к штоку.
Поглощающие устройства работают в тяжелых условиях эксплуатации. Максимальная внешняя нагрузка ряда поглощающих аппаратов может достигать 3,0 МН, а ресурс по количеству введенной энергии должен составлять не менее 250МДж [3].
Поглощающие устройства подвергаются определенным приемосдаточным испытаниям. В процессе приемо-сдаточных испытаний проверяют конструкционный ход и показатели статической силовой характеристики устройства.
Конструкционный ход - максимальный рабочий ход (величина сжатия, деформация), допускаемый конструкцией без повреждения или разрушения каких-либо элементов этой конструкции.
Силовая характеристика устройства - график зависимости силы сопротивления устройства при сжатии и восстановлении исходного состояния (отдаче) от деформации. Статическая силовая характеристика определяется при сжатии со скоростью не превышающей 0,05 м/с. Силовая характеристика позволяет определить ее показатели: усилие начальной затяжки -минимальная сила, которую нужно приложить к устройству, чтобы оно начало сжиматься; силу закрытия - минимальная сила, которую надо приложить к устройству для сжатия его на конструкционный ход; усилие возврата - минимальная сила, препятствующая восстановлению поглощающего устройства в исходное ( до приложения внешней силы) состояние; ряд энергетических показателей.
Непосредственно в ходе проведения испытаний отмечены случаи преждевременного разрушения корпусов поглощающих устройств. На рис.2 показан разрезанный на фрагменты такой разрушенный корпус, изготовленный из высокопрочной стали 30ХГСН2А. Начальная область разрушения расположена в донной части корпуса, в которой хорошо видна траектория развития трещины по фрагменту №3 ( справа - налево). Этой же части корпуса соответствует и наименьший уровень твердости стали 33НЯС.
Рисунок 2 - Разрезанный на фрагменты разрушенный при приемосдаточных испытаниях корпус поглощающего устройства из стали
30ХГСН2А
Анализ поверхности излома детали показывает, что излом имеет вязкий статический характер. Внутри излома не наблюдается металлургических дефектов. Явно выраженный шевронный рельеф излома позволяет определить начало и направление развития трещины [4]. Разрушение происходило от донной части корпуса вдоль его образующей по направлению волокон макроструктуры.
Определен уровень механических свойств в донной части разрушенного корпуса: о в =1120 МПа (>1570 МПа), 5 =14,4% (>8,0%), ф = 44,3% ( >35,0 %), КСи =247 кДж/м2 (>390 кДж/м2) , ИКС34(>ИКС44). Испытания выполнены на продольных образцах; в скобках приведены требуемые значения свойств по нормативным документам. Из приведенных данных следу-
ет, что сталь имеет недопустимо низкие значения предела прочности, твердости и ударной вязкости. Требуемый уровень механических свойств сталь приобретает после окончательной термической обработки, заключающейся в проведении закалки и низкого отпуска. Анализ микроструктуры стали в донной части корпуса показывает, что сталь имеет троосто-мартенситную структуру с присутствием свободного феррита. При выполнении предписанных режимов термической обработки сталь должна иметь структуру мартенсит отпуска. Поскольку нарушений режимов окончательной термической термической обработки на выявлено, то несоответствие в микроструктуре следует связывать с повышенной склонностью стали к обезуглероживанию и пониженной прокаливаемостью [5-8]. В свою очередь, низкую технологичность стали при термической обработке следует объяснять нежелательными особенностями ее химического состава и структуры, сформированными на предшествующих этапах технологического процесса изготовления поглощающих устройств - выплавке и горячей прокатке прутков, которые являются исходными заготовками для корпусов и штоков.
Известны случаи преждевременного разрушения корпусов поглощающих устройств в процессе их эксплуатации. Очаг разрушения в этом случае выявляется на внутренней поверхности корпуса, а дальнейшее разрушение происходит вдоль его образующей (рис.3).
Рисунок 3 - Фрагмент разрушенного в процессе эксплуатации корпуса
В данном случае излом (рис.4) имеет явные признаки усталостного разрушения [4,9]. В изломе виден фокус излома, имеющий светлую заглаженную зону концентрической формы; затем выявляется зона форсированного развития усталостной трещины, для которой характерно наличие четких границ и радиальных бороздок, которые исходят из фокуса излома. Третья зона - зона долома, распространяющаяся вдоль волокон макроструктуры стали и имеющая вид шевронного узора. Направленность ступенек такого узора показывает траекторию финишного разрушения изделия - вдоль образующей корпуса поглощающего устройства в разные стороны от зоны форсированного развития трещины усталости
Рисунок 4 - Участок поверхности разрушения корпуса
Как видно из рис. 4, фокус трещины располагается на внутренней поверхности корпуса поглощающего устройства. Причем на этой же поверхности корпуса в области зарождения усталостного повреждения обнаружены продольные задиры от перемещения штока с поршнем (рис.5).
а б
Рисунок 5 - Задиры на внутренней поверхности корпуса: а- общий вид дефектной поверхности; б- вид дефекта
Поскольку в дефектных участках поверхности обнаруживаются частицы хрома, то причиной появления задиров является разрушение хромового покрытия штока с поршнем, вследствие нарушения режимов хромирования или недостаточного последующего обезводороживания.
Заключение.
Корпуса поглощающих устройств подвержены преждевременному разрушению как в ходе приемо-сдаточных испытаний, так и в процессе эксплуатации. В первом случае, причиной является недостаточная технологичность стали при окончательной термической обработке; во втором, усталостное разрушение вследствие повреждаемости внутренней поверхности корпуса из-за разрушения хромового покрытия штока.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ по проекту № 1938-90172.
Список литературы
1. Материаловедение: Б.Н. Арзамасов, И.И.Сидорин, Г.Ф.Косолапов и др.; под общ.ред. Б.Н.Арзамасова.- М.: Машиностроение, 1986.- 384с.
2. Е.В. Лукьяненко, В.В.Овчинников, В.В.Истомин-Костровский, Ю.М. Боровин, Т.Ю.Скакова. Влияние многоэлементной ионной имплантации на структуру поверхно-
стного слоя и износостойкость деталей из стали 30ХГСН2А// Машиностроение и инженерное образование .-2014.№1.C8-15.
3. ГОСТ 32913-2014. Аппараты поглощающие сцепных и автосцепных устройств железнодорожного состава. Технические условия и правила приемкиМ.: Стандартин-форм. - 2015.- 9с.
4. РД 50-672-88. Методические указания. Расчеты и испытания на прочность. Классификация видов излома металла. М.: Изд-во стандартов.- 1988.-21с.
5. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов.М.: Металлургия.-1986.-480с.
6.ГОСТ 54566-2011. Сталь. Стандартные методы испытаний для оценки глубины обезуглероженного слоя. М.: Стандартинформ.-2014.-16с.
7.Справочник по конструкционным материалам: Б.Н.Арзамасов, Т.В.Соловьева, С.А.Герасимов и др.; Под ред. Б.Н.Арзамасова, Т.В.Соловьевой.-М.: Идд-во МГТУ им.Н.Э.Баумана, 2005.-640с.
8. Муратов В.С., Якимов Н.С. Особенности деформационной и термической обработок коррозионностойких сталей мартенситно-ферритного класса // Современные наукоемкие технологии. -2018. № 12-2. - С.398-402.
9. Школьник Л.М. Методика усталостных испытаний. Справочник. М.: Металлургия, 1978.-304с.
ANALYSIS AND WAYS TO PREVENT PREMATURE DESTRUCTION OF HEAVY-LOADED PRODUCTS FROM HIGH-STRENGTH STEELS Muratov Vladimir Sergeevich Dr.Sc.professor
( e.mail:muratov1956@mail.ru)
Morozova Elena Aleksandrovna,Cand.Tech.Sci.,associateprofessor
(e-mail:e.morozova2012@mail.ru) Yakimov Nikolay Sergeevich, graduate student
(e-mail: andrej.bakin2013@yandex.ru) Samara State Technical University, Samara, Russia
In this paper, the cases of premature destruction of absorbing devices made of 30HGSN2A steel during the acceptance tests and during operation of the devices are analyzed. The nature and causes of destruction were revealed: reduced processability of steel during final heat treatment and damage to the chrome coating of the rod.
Key words: absorbing devices, tests, operation, premature destruction, manufacturing technology.
