CC BY
41Технология и ме%атронщ& в машиностроении
УДК 669:539.4.015
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СТАЛИ ГАДФИЛЬДА ПОСЛЕ УДАРНО-ВОЛНОВОГО НАГРУЖЕНИЯ
А. В. Гуськов, А. С. Долматов, К. Е. Милевский, Ю. П. Яковлева
Новосибирский государственный технический университет Российская Федерация, 630073, г. Новосибирск, просп. К. Маркса, 20 E-mail: enigma_dance@mail.ru
Представлены исследования механических свойств и структуры стали Гадфильда после ударно-волнового нагружения.
Ключевые слова: сталь Гадфильда, механические свойства, пластическая деформация, ударно-волновое напряжение, растяжение, структура материала.
STUDYING MECHANICAL PROPERTIES OF HADFIELD STEEL AFTER SHOCK-WAVE LOADING
A. V. Guskov, A. S. Dolmatov, K. E. Milevsky, Yu. P. Yakovleva
Novosibirsk State Technical University 20, K. Marksa Av., Novosibirsk, 630073, Russian Federation E-mail: enigma_dance@mail.ru
The research presents the study of mechanical properties and structure of Hadfield steel after shock-wave loading.
Keywords: Hadfield steel, mechanical properties, plastic deformation, shock-wave tension, tensile, fabric structure.
Введение. Способность стали Гадфильда 110Г13Л упрочняться при воздействии на нее больших давлений или ударных нагрузок в ряде случаев делает ее незаменимой для изготовления деталей и узлов машин и механизмов [1]. Перспективным способом повышения прочностных свойств и износостойкости материала заготовок является обработка их рабочих поверхностей энергией взрыва. Целью работы является изучение изменения механических свойств стали 110Г13Л после взрывного нагружения.
Ударно-волновое нагружение. Для определения деформированного состояния материала и расчета пластических деформаций после ударно-волнового нагружения использовался метод делительных сеток [2]. В качестве объекта выбраны технологические пробы с размерами 25x44x33 мм из литой закаленной на аустенит высокомарганцовистой стали, которые отливаются и проходят закалку в заводских условиях, совместно с изготавливаемым изделием. На поверхность одного образца наносили сетку с шагом 2x2 мм. Сетку фотографировали до и после нагружения при общем увеличении х6,5. Координаты узлов сетки определяли по полученным фотографиям. Деформацию рассчитывали по координатам X, Y, Z и строили зависимости относительных деформаций ех, еу и е2 по толщине упрочненного слоя. Параллельно в ячейках проводились замеры твердости.
Из полученных зависимостей определено, что на глубине 4 мм степень деформации порядка 9 %, а твердость изменяется с 10,3 до 37,5 HRC (увеличивается в 3,5 раза), на глубине 10 мм степень деформации 5 %, а твердость изменяется с 10,3 до 33 HRC (увели-
чивается в 3 раза). Для сравнения, в работе [3] представлена осадка по высоте образцов из стали 110Г13Л при ударах молота весом 750 кг. При статическом нагружении (удары молота) при 40... 50 %-й осадке образцов твердость составляет ~35...38 HRC, при динамическом нагружении (действие взрывной волны) твердость равна -35...38 HRC при 8-9 %-й деформации.
Для определения механических свойств стали 110Г13Л после ударно-волнового нагружения взяты технологические пробы в виде «топориковых образцов» [4] (клиновидные бруски высотой 110 мм, длиной 210 мм, шириной при основании клина 55 мм, при вершине 16 мм).
В качестве взрывчатого вещества использовалось пластическое вещество ЛВВ11-01 (как и в методе делительных сеток) в связи с тем, что оно может с высокой точностью копировать поверхность упрочняемого изделия.
Методика исследования. Определение толщины упрочненного слоя материала проводилось пошаговым измерением твёрдости по всей толщине образца от нагружаемой поверхности до основания. Твёрдость определялась по методу Роквелла прибором ТК-2М. Измерения твёрдости проводились для трёх образцов по трём трекам, расположенным на расстоянии 5 мм друг от друга, и интервалам 3 мм [5]. Металлографические исследования структуры материала проводились на микроскопе Ахюуей 25 СА.
Определение механических характеристик при статическом растяжении проводилось на партиях
<Тешетневс^ие чтения. 2016
плоских образцов, изготовленных по ГОСТ 1497-84, с использованием испытательной машины 1шйоп 3369.
По результатам замеров твёрдости установлено, что твёрдость материала исходных образцов до ударно-волнового нагружения по всей толщине материала постоянна и составляет ~19-20 HRC. Зависимость изменения величины твёрдости упрочнённого материала от расстояния до нагружаемой поверхности можно разделить на два участка. На первом участке, от 0 до 30 мм, распределение имеет линейный убывающий характер. Происходит уменьшение твёрдости от 40 до 20 HRC. На втором участке от 30 мм до основания (110 мм) распределение имеет постоянный характер около 20 HRC (см. рисунок).
Зависимость изменения величины твёрдости упрочнённого материала от расстояния до нагружаемой поверхности
По результатам металлографических исследований определено, что поверхностный слой (глубиной до 2-3 мм) является дефектным, в нём фиксируется образование каверн, трещин, остатков продуктов детонации, а также происходит пережог материала и т. д. Деформация материала в первом и втором упрочнённых слоях после ударно-волнового нагружения составила 5-6 %. В микроструктуре зёрен зарегистрированы линии скольжения, количество и ориентация которых изменяются в зависимости от расстояния до нагружаемой поверхности [6].
Предел прочности (при растяжении) образца, взятого из слоя на глубине 6 мм, составляет 1 240 МПа, что в 1,5 раза выше предела неупрочнён-ного образца (80 МПа). На расстоянии 30 и 42 мм пределы прочности достигают 1 050 и 980 МПа соответственно.
В результате проведённых исследований определена толщина упрочнённого слоя после ударно-волнового нагружения, которая составляет около 50 мм от поверхности нагружения.
В исследуемом упрочнённом слое зарегистрирован диапазон изменения физико-механических свойств материала: значения твёрдости, микротвёрдости, изменение микроструктуры материала, показателей пределов текучести и прочности (от 450 и 800 МПа до 860 и 1240 МПа соответственно), относительного удлинения (от 5 до 40 мм).
Библиографические ссылки
1. Дерибас А. А. Физика упрочнения и сварки взрывом. Новосибирск, 1972.
2. Гуськов А. В., Зубков Е. Е., Милевский К. Е., Петров А. Ф. Оценка деформированного состояния стали 110Г13Л из условия нагружения пластическим взрывчатым веществом марки ЛВВ 11-1 // Боеприпасы и высокоэнергетические конденсированные системы : науч.-техн. журн. Спец. вып. по мат-лам V конф. «Проектирование боеприпасов, систем и полигонных измерительных комплексов» (1-3 окт. 2008 г.). 2009. № 3. С. 58-62.
3. Власов В. И., Комолова Е. Ф. Высокомарганцовистая сталь. М. : Машиностроение, 1972. 220 с.
4. Милевский К. Е., Петров А. Ф., Тушинский Л. И., Гуськов А. В. Влияние высокоскоростной ударной волны на микроструктуру и механические свойства стали Гадфильда 110Г13Л // Научный вестник НГТУ. 2006. № 4 (25).
5. Guskov A. V., Milevsky K. E., Mihaylova N. Y. Research of Gadfild steel structure after dynamic Loading // 7th World conference on explosives & blasting. Moscow, Russia, 2013.
6. Гуськов А. В., Драньков Н. О., Милевский К. Е. Исследование механических свойств стали Гадфильда при высокоскоростном нагружении // Деформация и разрушение материалов. 2011. № 3. С. 39-41.
References
1. Deribas A. A. Physics hardening and explosion welding. Novosibirsk, 1972.
2. Guskov A. V., Zubkov E. E., Milevsky K. E., Petrov A. F. Evaluation of strain state steel 110G13L the condition of loading of Plastic Explosives for the brand BWT 11-1 // Ammunition and high-condensed systems: scientific and engineering. Zh. spec. Vol. on the mat Lama V Conf. "Design of ammunition systems and polygon measurement systems" (October 1-3, 2008). 2009. № 3. P. 58-62.
3. Vlasov V. I., Komolova E. F. High-manganese steel. M. : Engineering, 1972. 220 p.
4. Milevsky K. E., Petrov A. F., Tushino L. I., Gus-kov A. V. Influence of high shock wave on the microstructure and mechanical properties of Hadfield steel 110G13L // Scientific Bulletin of the NSTU. 2006. № 4 (25).
5. Guskov A. V., Milevsky K. E., Mihaylova N. Y. Research of Gadfild steel structure after dynamic Loading // 7th World conference on explosives & blasting. Moscow, Russia, 2013.
6. Guskov A. V., Dranko N. O., Milevsky K. E. The study of the mechanical properties of Hadfield steel under high loading // Deformation and fracture materialov. 2011. № 3. P. 39-41.
© Гуськов А. В., Долматов А. С., Милевский К. Е.,
Яковлева Ю. П., 2016
