Исследование физико-механических свойств штамповых сталей в условиях термической усталости Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

№ 3 / 2015______________________________ISSN 2410-6070_____________________________________________

увеличении задымленности воздуха, примерно в 2 раза, рабочий ток снижается на 6 мкА, что показывает существенную зависимость тока короны от степени запыленности атмосферного воздуха.

Список использованной литературы

1. Авторское свидетельство СССР, №325996, кл. ВОЗС, 1972.

2. Пред патент РК №20892, кл. ВОЗС 3/12, бюл. №3, 16.03.2009

3. Устройство для очистки воздуха, заявка на изобретение В РГКП «НИРС» №2014/09311от 9.07.14

4. Справочник по электротехническим материалам в 3 томах, Л-д Энергоатомиздат, 1988, 3-тий том, стр.591-605

© Ш.А. Бахтаев, А.А. Абдурахманов, Ю.В. Кузьмин, 2015

УДК 621.73.07

Д.Т. Березин

к.т.н., доцент Авиатехнологический факультет ФГБОУ ВПО Рыбинский государственный авиационный технический университет им. П.А. Соловьева г. Рыбинск, Российская Федерация

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ШТАМПОВЫХ СТАЛЕЙ В УСЛОВИЯХ ТЕРМИЧЕСКОЙ УСТАЛОСТИ

Аннотация

В статье рассматривается влияние термо-циклических воздействий на физико-механические свойства штамповых сталей. Проведен анализ и представлены зависимости механических и теплофизических свойств от количества термоциклов.

Ключевые слова

Эксплуатационная стойкость штампа; термоциклирование; штамповая сталь; термоусталость; термоусталостная трещина; физико-механические свойства; деформационное упрочнение.

Одним из основных факторов, определяющих эксплуатационную стойкость штампов для горячего деформирования материалов, является изменение физико-механических свойств материалов в условиях термомеханической усталости. Поэтому исследование изменения этих свойств, при эксплуатации штампов представляет особый интерес.

В качестве исследуемых материалов взяли углеродистые, штамповые и коррозионно-стойкие стали, которые широко используются в конструкциях штампов для горячего деформирования, такие как У8А, 3Х2В8Ф, 5ХНМ, 4Х5МФС и 20Х13Л [1, с. 14].

В качестве характеристик механических свойств исследовали: предел прочности - <5в, предел текучести -сто,2, относительное удлинение - 5, относительное сужение - у, модуль упругости - Е, твердость - HRC. В качестве характеристик физических свойств исследовали: ток размагничивания - 1р, коэффициент линейного расширения - а, удельное электросопротивление - р, коэффициент теплопроводности - X.

Термоциклирование стандартных образцов круглого поперечного сечения (рис. 1 а) для испытаний на растяжение по ГОСТ 1497-84 производили на установке, описанной в работе [2, с. 9], по режиму: 300-700-300°С с охлаждением в воздушном потоке вентилятора. Длительность нагрева составляла 3-9 секунд при скорости нагрева 25-30°С/сек, полное время цикла 23-25 секунд.

- 152 -

Рисунок 1- Экспериментальные образцы: а) - в исходном состоянии; б) - после 500 циклов нагружения; в) - после 1500 циклов нагружения (в данном образце после эксплуатации в течение 1500 циклов нагружения отчетливо видно появление магистальной трещины по толщине образца)

Как известно, по условиям эксплуатации пуансоны и матрицы штампов горячего деформирования работают в тяжелых условиях, с коэффициентом жесткости защемления Кз« 0,85, поэтому термоциклирование образцов производили в этом режиме, до момента появления первых видимых трещин.

После циклические механические свойства ов, 00,2, 5, у, Е определяли при температуре испытаний от 20 до 700°С, на универсальной машине УМ-5. Измерение модуля упругости Е определяли по ГОСТ 1497-84.

Значение теплового коэффициента линейного расширения а для исследуемых сталей определяли из анализа дилатометрических кривых, которые записывали на дилатометре ДКВ - 4А. Исследования для определения магнитных свойств, проводили на коэрцитиметре КИФМ - 1. Исследования для определения электрических свойств, проводили на установке ИМАШ-5с. Измерение сопротивления осуществлялось по методу амперметра-вольтметра. Для оценки изменения коэффициента теплопроводности X в процессе термоциклирования использовали величину удельного электросопротивления и удельной электропроводности.

Зависимости ов, 00,2, 5, у, Е, HRC от количества циклов нагружения при температуре 550°С представлены на рис. 2.

Как видно из кривых для сталей У8А, 5ХНМ, 3Х2В8Ф предел прочности ов и предел текучести оо,2, на начальном этапе до 100-150 циклов интенсивно уменьшается. А для сталей 4Х5МФС и 20Х13Л пределы прочности и текучести сначала убывают, а потом возрастают (рис. 2 а, б). Повышение прочностных свойств этих сталей на начальной стадии термоциклирования очевидно обусловлено процессами деформационного упрочнения. Характеристики пластичности: относительное удлинение - 5 и сужение - у всех сталей вначале повышаются, а затем постепенно снижаются, однако для стали 5ХНМ относительное удлинение и сужение начинает монотонно понижаться почти с самого начала, это указывает на повышенное развитие дефектов в этой стали (рис. 2 в, г). Анализ изменения твердости в рабочей части образца в процессе термоциклирования подтверждает это предположение (рис. 2 е). Характерным является и тот факт, что наряду с возрастанием твердости для стали 5ХНМ в начальной стадии термоциклирования, наблюдается увеличение ширины зоны деформационного упрочнения.

- 153 -

№ 3/2015

ISSN 2410-6070

г)

Рисунок 2- Зависимость механических свойств от количества циклов: а) предела прочности - ъв; б) предела текучести - ао.2; в) относительного сужения - х¥; г) относительного удлинения - 5; д) модуля упругости - Е; е) твердости HRC

Дальнейшее термоциклирование приводит к снижению твердости в рабочей части образца. В сталях У8А, 3Х2В8Ф, 20Х13Л твердость монотонно снижается, а в стали 4Х5МФС твердость в первые 500 циклов падает, а затем вновь возрастает.

Вследствие повышения твердости, хрупкость материала возрастает, что, как известно, увеличивает склонность его к разрушению. На рис. 1 представлены три образца из стали 5ХНМ в исходном состоянии, при 500 и 1500 циклов работы, при этом характерно, что термоусталостные трещины при термоциклировании в большинстве случаев появились в центральной части образца в зоне деформационного упрочнения (рис. 1 в). В тоже время, разрушение образцов без трещин после термоциклирования при механических испытаниях на разрыв происходило вне зоны деформационного упрочнения, где прочность материала ниже, т.к. материал там не упрочнен. Это еще раз подтверждает тот факт, что к моменту появления трещин при термоциклировании предшествуют процессы упрочнения, вследствие действия пластической деформации.

Увеличение модуля упругости Е для всех исследуемых сталей, а затем его резкое снижение, дополнительно указывает на более интенсивное образование и накопление дефектов в материале, при жестком защемлении, которые затем развиваются в микротрещины. Очевидно, что уступы на кривых (рис. 2 д) для исследуемых сталей при 500, 750, 900, 1000 и 1125 циклов обусловлены процессами образования скрытых дефектов в материале, вследствие аннигиляции дислокаций. Полученные закономерности изменения механических свойств в дальнейшем следует учитывать в расчете напряженно-деформированного состояния штампов и моделирования процессов развития трещин термоусталости.

Измерение после циклических магнитных, электрических и дилатометрических свойств материалов осуществляли через каждые 50-100 циклов нагружения. Изменение 1р, р, X при температуре 20°С, а а при температуре 550°С от количества циклов нагружения представлены на рис. 3.

Как видно из (рис. 3 а), для сталей У8А и 5ХНМ ток размагничивания 1р на начальном этапе (до N = 30-50 циклов) убывает, а затем увеличивается, но после максимума наблюдается монотонное уменьшение, а затем снова постепенный рост, а для сталей 3Х2В8Ф, 4Х5МФС и 20Х13Л происходит постепенное увеличение

- 154 -

____________________________МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА»

исследуемых характеристик. Удельная электропроводность р сталей У8А и 3Х2В8Ф на всем этапе монотонно уменьшается, а у сталей 4Х5МФС, 20Х13Л наоборот происходит его резкий подъем в первые 250-300 циклов. У стали 5ХНМ на начальном этапе наблюдается рост, но затем происходит падение, которое сменяется при N = 500 циклов резким увеличением. По-видимому увеличение 1р и р связано с увеличением количества остаточного аустенита, имеющего более высокое электросопротивление, чем мартенсит.

Коэффициент линейного расширения у всех сталей монотонно увеличивается (рис. 3 в), что по-видимому связано с наличием фазовых превращений и образованием аустенита при нагреве и превращением в мартенсит при охлаждении. Удельное электросопротивление - р и теплопроводность - X (рис. 3 б, г) сталей У8А, 3Х2В8Ф монотонно увеличиваются, а у сталей 4Х5МФС и 20Х13Л на начальном этапе до 25 циклов монотонно снижаются, а затем не изменяются. Как известно, снижение коэффициента теплопроводности сопровождается повышением температурного градиента At. У стали 5ХНМ, наблюдается повышение X до 300 циклов, а затем после максимума происходит его уменьшение.

Таким образом, с увеличением пластической деформации в исследованных сталях, твердость, электросопротивление, ток размагничивания, коэффициент линейного расширения повышаются, а пределы прочности, текучести, модуль упругости, относительные удлинения, сужения и коэффициент теплопроводности уменьшаются, что объясняется увеличением числа дефектов кристаллического строения (дислокаций и вакансий), которые в последствии приведут к образованию в материале надрывов и микротрещин.

б)

в) г)

Рисунок 3- Зависимость теплофизических свойств от количества циклов: а) тока размагничивания - 1р; б) удельного электросопротивления - р; в) коэффициента линейного расширения - а; г) коэффициента теплопроводности - X

Полученные закономерности изменения а = f (N), X = f (N) в дальнейшем использовались для моделирования процессов развития трещин. Кроме этого зависимости 1р = f (N), р = f (N) могут быть использованы для оценки состояния материалов до появления трещин термоусталости и являются структурночувствительными характеристиками на основе которых могут быть разработаны методы и средства

- 155 -

№ 3 / 2015

ISSN 2410-6070

неразрушающего контроля и определения длительности первого периода по критическим значениям - 1р.кр, ркр. Так, для стали 5ХНМ они соответственно равны 1р.кр = 32,2 мА, ркр = 585 НОмм.

Список использованной литературы:

1. Жуков А.А., Постнова А.Д., Немтырев О.В., Березин Д.Т. Коррозионно-стойкая сталь для пресс-форм литья под давлением // Литейное производство. - 2001. - №8. - с. 14 - 15.

2. ЖуковА.А., Березин Д.Т. Экспериментально-расчетный метод оценки эксплуатационной долговечности материалов в условиях термоусталости.// Инженерный журнал. Справочник. - 2002. - №6, с. 9 - 13.

© Д.Т. Березин, 2015

УДК 534.833:621

О. С. Кочетов

д.т.н., профессор Московский государственный университет приборостроения и информатики е-mail: [email protected]

УПРУГИЙ ЭЛЕМЕНТ СО ВСТРОЕННЫМ ДЕМПФЕРОМ

Вибрация является одним из основных вредных производственных факторов, поэтому на современном этапе создание эффективных технических средств виброзащиты производственного персонала, а также зданий и сооружений от ее воздействия [1,с.33; 2,с.15; 3,с. 14] является одной из актуальных задач исследователей.

Виброизолирующая система (рис.1) состоит из основания 6 и маятникового подвеса, выполненного в виде резьбовой шпильки 1, соединенной одним концом с опорным рычагом 8 для крепления виброизолируемого оборудования, а другим - с упорной шайбой 2 и гайкой 10, связанной со втулкой 3, соединенной с кольцом 4, в которую упирается верхний фланец упругого элемента 9, помещенного в защитный кожух 5. Во втулке 3 коаксиально и осесимметрично стержню 1 установлена втулка 7 из эластомера, например полиуретана..

Каждый из упругих элементов 9 виброизолятора выполнен в виде вибродемпфирующей пружины (рис.2), содержащей корпус 11,

Пружина со встроенным демпфером содержит цилиндрическую винтовую пружину, состоящую из двух частей 3 и 4 со встречно направленными концами 6 и 5 соответствующих витков этих пружин. На опорных витках пружины выполнены опорные кольца 1 и 2 для прочной и надежной фиксации концов пружин при их работе.

Первая часть винтовой пружины 3 выполнена с витками прямоугольного (или квадратного) сечения с закругленными кромками, а вторая часть 4 пружины выполнена полой, например круглого сечения, при этом встречно направленный конец 6 первой части пружины размещен в полости встречно направленной второй части пружины с концом 5, при этом второй ее конец, закрепленный на опорном кольце 2, загерметизирован, например при помощи резьбовой пробки (на чертеже не показана).

В полости второй части 4 пружины, выполненной полой круглого сечения, образованы с четырех сторон, относительно прямоугольного сечения первой части 3 пружины, зазоры 7 сегментного профиля в сечении, перпендикулярном оси контактирующих частей 3 и 4 пружины.

- 156 -