CC BY
38
УДК 621.В91
В. П. РАСЩУПКИН Г. А. ГОЛОЩАПОВ
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ОБРАЗОВАНИЯ ТРЕЩИН В ВЫСОКОМАРГАНЦОВИСТЫХ СТАЛЯХ
Исследуются причины выхода из строя изделий из высокомарганцовистых сталей. Речь идёт о легировании этих сталей как о способе повышения эксплуатационных характеристик и срока службы.
Изделия из высокомарганцовистых сталей, в частности траки, выходят из строя из-за развития в них трещин (рис. 1). Легирование этих сталей и исследование их прочности на основе механики разрушения и анализа микроструктуры показывает нл возможность повышения эксплуатационных характеристик и срока службы.
Исследования проводились на образцах из высокомарганцовистых сталей без легирующих добавок (сталь 110Г13Л по ГОСТ 2176-77) и образах стали 110Г13 с введением легирующих элементов (М, Сг, "П, ЫЬ, Мо) и редкоземельных металлов (см. табл. 1). Стали выплавляли электродуговым способом в печах ДСП 1,5-12. Отливки подвергали
закалке (охлаждение в воде) с температуры 1050°С. Механические характеристики сталей определяли на стандартных образцах согласно ГОСТ 1497-73, стандарту СЭВ 471-77. Вязкость разрушения К1г определяли на образцах для внецентренного растяжения толщиной 25 мм согласно [1,2]. Запись диаграмм, по которым рассчитывались величины К1Г и критйческое раскрытие трещины ак, осуществлялась с помощью электронного двухкоординат-ного по тенциометра А: ПДС-021М, состоящего из датчиков сопротивления. Усталостное разрушение образцов (ГОСТ 23026-78) при пульсирующем цикле в области растяжения исследовали на прессе-пульсаторе. Рост трещины в процессе нагружения
Таблица I
Данные усталостных, металлографических и фрактографических исследований стали 110Г1ЭЛ с добавками
Шифр плавки п СО К.Н/мм'" «1 1л Дополнительное легирование
к, К, К>1, К,„ К"С К„.
177 4,1 -8.1 120 620 830 1010 1600 1680 0,12 4.67 716 0,1% комплекса п.з.м.
178 3,8 -12.4 120 610 850 1440 1780 1920 0.11 5.31 547 1,5% Сг; 0.34% N1
180 3,4 -9,8 136 - 1150 2060 2090 2220 0,14 4,11 935 0,006% Т1; 0,1% р.м.з.
181 4,3 -10,2 178 850 1320 2200 2310 2280 0,22 5,32 415, 0,70% Мо
182 4.2 -8,2 160 900 1480 2320 2360 2100 0,20 2.56 430 2.68% 1,06% Мо
183 3,8 -8.4 195 950 1540 2400 2560 2620 0.29 2.02 231 1,37% N1; 0.6% Мо
184 4,5 -9,0 118 1000 1780 1980 2180 2150 0.11 2,66 236 1,03% N1; 0.8% Мо
185 3,8 -8,1 138 880 1010 1740 1800 1700 0,17 2,52 242 0,6% N1
М, 6,2 -14,8 148 730 1050 2950 2.83 468 0,6% Мо. 0,74% Сг; 3,4% №
м2 2,4 -8,1 128 910 2190 - - 368 0,38% Мо; 1.39% N1; 0,62% Сг
р, 2,5 -8.5 175 920 1300 2340 1550 2420 2900 0.35 2,20 284 0,1%р.з.м.; 0,53% Мо; 1,28% N1
4Н 2,0 -7,2 160 794 1000 815 4,10%№
110ПЗЛ 3.8 -7,0 180 1000 1780 2600 2800 2750 0.31 2.80 497
Рис. 1. Общий вид излома трака после циклических испытаний. 1,2,3 - места снятия реплик по зонам развития трещины
Рис. 2. Сканирование по неметаллическому включению и карбидной фазе, (X 240)
контролировали с помощью оптического микроскопа с ценной деления 0,05 мм. Нагрузку цикла рассчитывали таким образом, чтобы напряжения в сечении-нетто не превышали (0,2-0,3) о„.,.
Микроструктура сталей исследовалась после многократной полировки с целью снятия наклёпа, возникшего в результате механической обработки, и последующего травления в 3 %-ном спиртовом растворе азотной кислоты. Электролитическое травление выполняется в 10 %-ном водном растворе хромового ангидрида при напряжении 12 В, токе 1-1,5 А и времени выдержки до 100 с для выявления границ зерен и до 150 с для выявления дендритной структуры Для иденфикации карбидов, кроме окрашивания различными реактивами [3], использовалось термическое (или горячее) травление.
Микрофрактографический анализ поверхностей разрушения проводился на электронном микроскопе УЭМБ-100К с угольно-платиновых реплик, которые наносились под углом 30° на приборе ВУП-2К и отделялись с помощью 20 %-ного раствора желатина в тёплой воде.
Напряжение в сечении-нетто рассчитывали, учитывая напряжение в этом сечении (рис. 1) от изгиба и растяжения
где Р — нагрузка цикла; — размеры сечения; ¡V = 1И216-момент сопротивления сечения.
В случае трещины или надреза, согласно данным работы [4], изменение коэффициента интенсивности напряжения АК при распространении трещины / есть
АК = <т(Л//, (2)
гдеМ= 1,21пА^- параметр трещины [4]; (?-параметр формы трещины, зависящей от
отношения Да—До02 < а также от размеров трещины [4].
С учётом размеров образцов и уравнений (1) и (2) имеем
АК=Р(10,24—0,08-¡¡)■ (4,7 1^ (22-1/ (3)
Данные измерений числа циклов Л/ , длины трещины обрабатывались с помощью ЭВМ, причем вычислялся прирост трещины Л! за определённый прирост числа циклов АЫ, а также скорость роста дефекта Л1/ЛЫ и изменение А К по уравнению (3). Данные расчета использовались для построения кинетических диаграмм А1/АЫ - А К (рис.3), согласно
уравнению Д//ЛЛ' = С0(АК)" [4, 5].
По данным циклической долговечности определялись следующие параметры: п и С; для каждого материала, К, - пороговое значение АК, при котором трещина не растёт или растёт очень медленно, К. находили экстраполяцией данных в области
Д//ДА'= 10"* мм/цикл; А"(. — коэффициент, характеризующий начало зоны II — области стабильного роста трещины; К*ь коэффициент, характеризующий начало области III или конец зоны II; К',.. — коэффициент, характеризующий конец области III или начало долома; К'(. — коэффициент, характеризующий окончательное разрушение или долом образцов. В таблице представлены данные усталостных испытаний, а также значение вязкости разрушения и критического раскрытия трещины, определяемые при статических испытаниях.
В процессе микрофрактографических исследовании определялись размеры скачков трещины в трёх зонах кинетических диаграмм и для сравнения величина скачка трещины а, на участке II диаграмм для всех исследуемых сталей (см. табл. 1). С помощью металлографических исследований определялись размеры аустенитного зерна 1Л и дендритов, доля карбидной фазы и неметаллических включений, их форма и характер расположения, а также влияние легирующих элементов на представленные выше параметры структуры (рис. 2.).
Igt!.':.
б)
Рис. 3. Образец для испытаний и кинетические диаграммы исследуемых сталей: а-184,6-177
а| б)
Рис. 4. Фрактограммы ускоренного pa3Bii гия трещины, а - усталостные полоски с малым шагом, (плавки Р, 6, С); б - грубые усталостные полоски, (плавка 4)
Исходя из данных статических и усталостных испытаний можно отметить, что лучшими свойствами с точки зрения сопротивления распространению трещины обладают стали с молибдрном -наблюдается повышение характеристик К\., К\ , К\ и Кк. Это согласуется с данными металлографических исследований: введение молибдена не выше 0,6 % не приводит к увеличению размеров зернааустени-та и дендритов. Однако увеличение содержания легирующих элементов — до 3,46 % Ni, до 0,74 % Cr и выше 0,6 % Мо - приводит к увеличению этих размеров, к усилению ликвации, что сказывается в снижении характеристик статической и усталостной прочности. Легирование несколькими элементами совместно с редкоземельными снижают размер зерна до 270-295 мкм. Это находит отражение в уменьшении скорости роста трещины на участке 11 (рис.3) — снижается коэффициент п в уравнении А//АЛ' = С0(АК)", которым описывается этот участок. Кроме этого,.переход из стадии до критического роста трещины (участок III на рис. 1) к стабильному развитию происходит при высоком значении К"к= =800 Н/ ммУ2.
Изучение микроструктуры в непосредственной близости от зоны разрушения показывает, что зарождение микротрещин происходит у границ зёрен вблизи карбидных выделений путём распространения полос скольжения. Локализация скольжения в отдельных полосах вызывает локальное повышение деформации у границ зёрен, что может приводить к внезапному хрупкому разрушению изделия. Комплексное легирование приводит к измельчению зерна аустенита и к уменьшению доли нерастворённых карбидов, а это благоприятно сказывается на усталостной прочности сталей. Микрофрактографические исследования показали, что разрушение характеризуется полосами, которые представляют локальные скачки трещины за один или несколько циклов (рис. 4). Ширина скачка характеризует величину скорости развития трещины, и с этой точки зрения можно сказать следую-
а)
б)
Л
'■-">■ г1 < j»
■УГ'Г- У
\ -к 4v."v л
V V .
( ' - V;
•• , N . • -
Рис. 5. Фрактограммы развития трещины, х 5500; а,б - ямочный рельеф, (плавка Р|; в - слабый ямочный рельеф
щее- величина скачка растёт от зоны I к зоне Ш, причём в конце зоны Ш разрушение носит интер-крисгаллитный характер, присущий статическому разрушению. Целесообразно сравнить для исследуемых сталей характер изломов на стадии II (рис. 5), являющейся определяющей в долговечности изделия (4]. Исходя из данных табл. 1, можно утверждать, что комплексное легирование существенно тормозит её развитие (рис.2).
Библиографический список
1. Сроули Испытания высокопрочных металлических материалов / Сроули. - М.: Наука, 1967. — С.231.
2. Алюшин Ю.А. Заводская лаборатория №6. 19В4г., С 31 - 32.
3. Полилов Л.Л. Электрополирование металлографических шлифов/Л.Л. Полилов. — М.: Машиностроение, 1982. - С.95 - 96.
4. Хеккель К Техническое применение механики разрушения / К. Хеккель. - М.: Наука, 1981. - С 120.
5 Черепанов Г.П. Механика хрупкого разрушения / Г.П. Черепанов. - М.: Наука, 1981. - С 210.
РАСЩУПКИН Валерий Павлович, к.т.н., доцент кафедры конструкционных материалов и специальных технологий.
ГОЛОЩАПОВ Георгий Алексеевич, инженер кафедры конструкционных материалов.
Дата поступления статьи в редакцию: 10.03.06 г. © Расщупкин В.П., Голощапов Г.А.
Информация
В Украине растет число запатентованных изобретений
Государственный департамент интеллектуальной собственности отмечает увеличение количества зарегистрированных охранных документов. Так, на 1 июня текущего года их количество достигло 169 тыс. 883.
Как сообщает корреспондент Л1ГА£пнес/мформ, в 2005 году в Госдепартамент поступило свыше 39 тыс. заявок на объекты интеллектуальной собственности, что почти на 19 % больше, чем в предыдущем году. Так, количество выданных патентов в 2004 году составило 2838, а б 2005 году - 3433. Из них на имя иностранных заявителей выдано 1262 патентов (в 2004 году -1169), а на имя национальных -2171 патентов 1в 2004 году - 1669).
По состоянию на 1 января 2006 года в государственный реестр внесено 78 420 патентов на изобретение, из них действительными являются 21055 декларационных патентов и 16231 патентна изобретение.
