CC BY
38
№5
2007
621.825.52.00L2
К ОПРЕДЕЛЕНИЮ ПРЕДЕЛА ВЫНОСЛИВОСТИ АУСТЕНИТНЫХ
СТАЛЕЙ
Д-р техн. наук, проф. В.А. БУБНОВ, канд. техн. наук, доц. СТ. КОСТЕНКО
Одна из основных причин потери работоспособности деталей машин и аппаратов — разрушение их от усталости. Многие детали изготавливаются из сталей аустенитного класса. В технологии изготовления этих деталей широко практикуется пластическая деформация, которая значительно меняет выносливость деталей вследствие наклепа и изменения микроструктуры материала. Проведен сравнительный анализ существующих широко известных способов определения предела выносливости и предложен новый способ определения предела выносливости аустенитных сталей, подвергнутых пластической деформации, с помощью их магнитных свойств.
Fatigue of elements of machines and apparatus is the main reason of their destruction and loss of efficiency Many elements are producedfrom steels of authtenitic type. Plastic deformation is used in the technology of producing these elements. It changes the elements strength greatly because of riveting and alteration of material microstruciure, Comparative analysis of modern well-known methods of determining the limit of strength is carried out. A new method of determining strength limit of authtenitic steels subject to plastic deformation with the help of their magnetic properties is suggested.
Многие детали в пищевом, химическом и нефтехимическом машиностроении изготовляются из сталей аустенитного класса (12Х18Н10Т, 12Х18Н9Т и др.). В процессе их изготовления часто применяется пластическое деформирование [1,2], которое активно влияет на физические и механические свойства металлов. У аустенитных сталей (рис. 1) значительно повышаются прочностные характеристики (ар стд, НВ) и мягко, незначительно снижаются показатели пластичности (5 %; у %).
Одной из основных причин потери работоспособности деталей машиностроительных конструкций, работающих в условиях циклически изменяющихся напряжений, является разрушение их от усталости. Многочисленные исследования показывают, что разрушение от усталости начинается в местах концентрации напряжений, которые могут быть конструктивного происхождения (отверстия, резкое изменение поперечных сечений по длине детали), технологического (неровности поверхности, зависящие от степени шероховатости при механической обработке), металлургического происхождения (различного рода раковины и неметаллические включения и т.д.).
Концентраторы напряжений могут вызывать большие местные напряжения при небольшом среднем напряжении, действующем на деталь. Эти напряжения могут привести при первом же нагружении к местной пластической деформации. При циклически меняющихся напряжениях происходят микропластические деформации, которые ведут к дальнейшему накоплению деформаций
5% б Hila
60 №
800
709 бт
ш
■ 6Ú0 у/
10 500
20 т s
т
J0 _ 70 JO SO
40
О
5
15 £СХ
Рис. 1. Механические характеристики стали 12Х18Н10Т в зависимости от степени деформации г0 при упрочнении пластическим растяжением
№ 5 2007
такого вида, вплоть до полного использования запаса прочности, и последующему началу местного разрушения, т.е. образованию усталостной трещины.
Для обеспечения требуемого ресурса работы конструкции при минимальной материалоемкости и необходимом уровне технологичности деталей нужна исчерпывающая информация об условиях нагружения и характеристике усталостной прочности материала — пределе выносливости <у г
Известен способ определения предела выносливости по твердости для двух групп сталей: низколегированных сталей перлитного класса и для углеродистых сталей [3].
Способ заключается в том, что проводится испытание на усталость, в результате чего определяется предел выносливости конкретной стали. Определяется твердость этой же стали и затем строится график зависимости между твердостью НВ и пределом выносливости сг у. Средние линии на графиках могут быть описаны уравнениями: о } = ОД НВ 4- 150 (МПа) для низколегированных сталей перлитного класса и су у = 0,1 НВ +100 (МПа)—для углеродистых сталей. Недостаток указанного способа в его малой информативности и невысокой точности определения а у в зависимости от НВ.
Известен способ определения предела выносливости материала при растяжении-сжатии в случае симметричного цикла. Способ заключается в том, что партию стальных образцов подвергают осевым усилиям при симметричном цикле (попеременному растяжению и сжатию) и доводят до разрушения. Реализуется способ на установке, указанной в источнике [4].
Известен способ определения предела выносливости материала при чистом изгибе в случае симметричного цикла [4]. При испытаниях обеспечиваются в отдельных образцах различные напряжения для того, чтобы выявить закономерности изменения числа циклов до разрушения в зависимости от изменения амплитуды напряжений. Полученная закономерность изображается в форме кривой усталости. Особенности и недостатки данных способов: значительная трудоемкость, долговременность испытаний, необходимость большого числа образцов, большие энергетические затраты.
Нами предложен новый способ определения предела выносливости аустенитных сталей. Для устранения недостатков приведённых выше способов предел выносливости нержавеющей стали аустенитного класса, подвергаемой пластическому деформированию, находят следующим образом: первоначально определяют магнитную силу отрыва (Р ) исследуемого образца после чего предел выносливости нержавеющей стали аустенитного класса определяют по предварительно построенной тарировочной кривой, устанавливающей зависимость между пределом выносливости и магнитной силой отрыва образца.
Известно, что нержавеющие стали аустенитного класса содержат неустойчивый аус-тенит (аустенит-раствор углерода в у-железе, у-железо является не магнитным материалом [5, 6]). Пластическая деформация приводит к его частичному преобразованию в а-железо по мартенситному механизму (а-железо обладает высокой магнитной восприимчивостью). Пластическая деформация оказывает существенное влияние на величину предела выносливости и величину магнитной силы отрыва стали,
Нами установлено, что предел выносливости и магнитная сила отрыва стали аустенитного класса увеличиваются в зависимости от степени предварительной пластической деформации и весьма значительно. Таким образом, можно прямо связать предел выносливости с магнитной силой отрыва данного типа стали.
На рис. 2 приведена схема установки для реализации предлагаемого способа.
Установка представляет собой аналитические весы, в которых образец-навесок 1 исследуемого материала подвешен на немагнитной нити 2 в тонкостенной чашечке 3 из немагнитного материала. Нить подвешивается на конце коромысла 4 со стрелкой 5, шарнирно закрепленного на вертикальной стойке 6 с установленной на ней шкалой 7. Коромысло имеет специальные регулируемые противовесы 8. Стойка крепится на основании 9. На основании
№5
2007
Рис. 2. Схема установки для реализации способа определения предела выносливости аустенитной стали
9 расположен, строго под указанной подвеской, постоянный магнит 10. На другом конце коромысла, также на нити 2, подвешивается чашечка 11, в которой расположен мерный груз (песок) 12.
Способ реализуется следующим образом. Коромысло 4 уравновешивается регулируемыми противовесами 5 после удаления с основания 9 магнита 10. Контроль равновесия осуществляется установкой стрелки 5 в нулевое положение по шкале 7. Затем ставится магнит в указанное выше место и образец-навесок 1 исследуемого материала с предварительной пластической деформацией, помещенный в чашечке 3, приводится в положение касания с магнитом поворотом коромысла 4. После этого песок подсыпают в чашечку 11 до момента отрыва образца-навеска 1 с чашечкой 3 от магнита 10. Величина магнитной силы отрыва образца-навеска определяется взвешиванием мерного песка. Затем определяют предел выносливости материала по предварительно построенной тарировочной кривой в координатах Рмаг— а
Установление связи между магнитной силой отрыва стали и ее пределом выносливости позволяет уменьшить количество и трудоемкость испытаний, нет необходимости в проведении большого числа длительных экспериментов по определению предела выносливости и изготовлении большого числа точных образцов для испытания на усталость.
Апробация способа проводилась на примере стали 12Х18Н10Т. На первом этапе изготовлялись образцы из указанной аустенитной стали с различной степенью деформации (0; 2; 5; 10; 20 %). Они испытывались в условиях чистого изгиба при симметричном цикле нагружения на машине для усталостных испытаний МУИ-6000. По результатам испытаний была установлена зависимость предела выносливости сг_; от степени деформации материала, из которого изготовлены образцы (рис. 3).
На втором этапе изготовлялись образцы-навески (диаметр образца с/=10 мм, высота Л = 15 мм) с такой же степенью деформации (0; 2; 5; 10; 20%). С помощью установки (рис, 2) определялась величина магнитной силы отрыва Р для каждого образца и строилась зависимость (рис. 4).
На третьем этапе строилась тарировочная кривая в координатахРмаг— а, (рис. 5). По построенной тарировочной кривой можно определить сул стали 12X18Н1 ОТ с любой другой (отличной от 2; 5; 10; 20 %) степенью деформации.
Предложенный способ 2т5 может быть использован для
прогнозирования ресурса ра- 3 График изменения предела выносливости при симметричном боты конструкций, ИСПЫТЫ- цшсле нагружения в условиях чистого изгиба в зависимости от степени вающих при эксплуатации деформации е0, %: 1 — 0; 2 — 2;3— 5;4— 10;5— 20
8
78 Известия вузов. МАШИНОСТРОЕНИЕ
№ 5 2007
циклические напряжения, изготовленных из нержавеющих аустенитного класса сталей (12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т и т. п.) и содержащих в технологии изготовления пластическое деформирование.
Р маг, Гс
Рис. 4, График изменения магнитной силы отрыва стали аустенитного класса в зависимости от степени деформации; е0, %: 1 — 0; 2 — 2; 3 — 5; 4 — 10; 5 — 20
а_1гШа
0 0,25 0,5 ()~5 1 1,25 Гс
Рис. 5. Тарировочная кривая, устанавливающая связь между пределом выносливости и магнитной силой
отрыва стали после пластической деформации
Таким образом, преимущества предлагаемого способа: простота осуществления, отсутствие энергозатрат, малое количество образцов, снижение трудоемкости и сложности проведения испытаний на усталостную прочность деталей, материал которых в ходе изготовления подвергался предварительной пластической деформации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бубнов В. А. Изменение механических свойств сталей при пластическом изгибе и последующем пластическом растяжении // Известия вузов. Машиностроение. — 1989. — № 12._С. 3_б.
2. Отрадный В.В..Бубнов В. А. Работоспособность стальных деталей, подвергаемых объемном}' упрочнению пластическим деформированием // Известия вузов. Машиностроение. — 2002. — № 4. — С. 18_25.
3. М а р к о в е ц М. П. Определение механических свойств металлов по твердости. — М,: Машиностроение, 1979. — С. 145—146.
4. Сопротивление материалов. Под общ. ред. ПСПисаренко. 4-с изд. — Киев: Вища школа, 1979 — С 594
5. Физические величины. Справочник. Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. — М.: Энергоатомиздп; 1991.
6. Г у л я е в А. П. Металловедение, 5-е изд., — М.: «Машиностроение», 1977. — С. 483—487.
