CC BY
25
( " ^
It is determined that graphitized steels are perspective construction material, the breakage resistance and mechanical characteristics of which are determined to a considerable degree by form of graphitic impurities.
V___)
И. П. Волчок, И. В. АкИмоВ, А. А. митяЕВ, Запорожский национальный технический университет, И. м. АндрЕйко, Физико-механический институт им. Г. В. карпенко нАн Украины,
н. а. свидунович с. е. бельский, д. в. куис, бгту, а. п. мельников, м. а. садоха, оао «белниилит»
УДК 539.43: 669.14.017
РАЗРУШЕНИЕ ГРАФИТИЗИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ ПРИ ЦИКЛИЧЕСКИХ НАГРУЗКАХ
Графитизированные стали представляют собой заэвтектоидные железо-углеродистые сплавы, в которых определенная часть углерода находится в виде графитных включений. Благодаря более низкому по сравнению с чугунами содержанию углерода (1,2-1,8%) и соответственно графита этим сплавам присущи, с одной стороны, положительные качества чугунов (низкая чувствительность к концентраторам напряжений, высокая демпфирующая способность, невысокая стоимость и др.), с другой - более высокие по сравнению с чугунами механические свойства [1].
В зависимости от содержания элементов-гра-фитизаторов - углерода и кремния, а также от скорости охлаждения образование графита в гра-фитизированных сталях возможно как в процессе кристаллизации, так и в твердом металле путем распада цементита. В первом случае графит имеет пластинчатую форму, во втором - компактную, близкую к шаровидной, или хлопьевидную, типичную для ковких чугунов. Таким образом, изменяя содержание углерода и кремния, а также других элементов, оказывающих влияние на про-
цессы графитизации, представляется возможным управлять формой, размерами и распределением графитовых включений, а следовательно, и свойствами графитизированных сталей.
Согласно [2], форма графитовых включений играет значительную роль в процессах зарождения и роста усталостных трещин и определяет долговечность чугунов при циклическом нагру-жении. Сопротивление графитизированных сталей разрушению при циклических нагрузках изучено недостаточно, поэтому анализ микромеханизма процессов усталостного разрушения этого материала представляет теоретический и практический интерес.
Объектом исследований в данной работе были графитизированные стали с базовым химическим составом: 1,55-1,65% С; 0,18-0,22% Мп; 0,030,07% Сг; 0,025-0,030% S и 0,032-0,04% Р и с переменным содержанием кремния 0,96-2,57%, меди 0,50-1,51% и алюминия 0,053-0,259% (табл. 1). Стали выплавляли в 60-килограммовой индукционной печи и подвергали графитизирующему отжигу по режиму, применяющемуся для отжига
Таблица 1. Химический состав и свойства графитизированных сталей
Вариант стали Химический состав,% Параметр формы графита l Количество феррита, % Предел прочности ав, МПа Относительное удлинение 5, % Твердость НВ
Si Cu Al
1 0,98 0,51 0,058 2,2 29 336 2,8 170
2 0,96 0,51 0,261 1,4 33 570 7,4 166
3 1,11 1,51 0,054 2,5 13 339 3,1 187
4 1,03 1,49 0,263 1,4 15 545 8,6 197
5 2,51 0,53 0,053 17,2 93 121 1,4 170
6 2,49 0,50 0,261 19,1 97 43 1,0 170
7 2,49 1,48 0,057 20,5 89 129 1,0 187
8 2,57 1,45 0,259 26,7 98 170 1,0 197
9 1,74 0,97 0,153 1,4 51 386 2,4 187
/¡гтге Г П7ГТГГГ/7ггТГГГ? / СО
-а (58), 2010/ и%Р
а б в
Рис. 1. Типичные структуры графитизированных сталей с различным содержанием кремния. х100
белых чугунов на ковкие. Для характеристики степени сфероидизации включений графита применяли параметр формы 1 [2], который определяли по результатам металлографических исследований как среднее отношение максимальных размеров включений к минимальным. Предел прочности и относительное удлинение определяли на 5-кратных цилиндрических образцах диаметром 5 мм.
Критерии циклической трещиностойкости ЛК1к ф ЛК^, ЛК/с, ЛК* и показатель п в уравнении Пэриса определяли на дисковых образцах с краевой трещиной (базовый размер Ж = 64 мм, толщина ^ = 6-8 мм) при частоте циклического нагружения 10-15 Гц и коэффициенте асимметрии Я = 0,05 в среде лабораторного воздуха по стандартной методике [3]. Длину усталостной трещины измеряли катетометром КМ-6 с 25-кратным увеличением.
Исследование малоцикловой усталости проводили в соответствии с ГОСТ 2860-65 на установке ИП-2М повторно-переменным чистым изгибом плоских образцов толщиной 2 мм с жестким на-гружением и частотой 50 циклов/мин по симметричному циклу с контролируемой деформацией 0,15; 0,25; 0,35 и 0,5%. Микромеханизм усталостного разрушения изучали при деформации 0,35% на образцах, имеющих с одной стороны полированную поверхность.
Как показал металлографический анализ, при содержании кремния 0,96% графит отжига имел форму, близкую к шаровидной (рис. 1, а), металлическая матрица при этом была представлена ферритной и перлитной фазами. При 1,74% кремния образовался менее компактный хлопьевидный графит отжига (рис. 1, б), металлическая матрица при этом также была представлена фазами перлита и феррита. При содержании кремния 2,57% графит имел пластинчатую форму (рис. 1, в), матрица была ферритной. Структура металлической основы и форма включений графитной фазы обусловливали значительное изменение прочности (43-570 МПа) и пластичности (1-9%) и в меньшей степени твердости (170-200 НВ) исследуемых сталей (табл. 1).
Характеристики циклической трещиностой-кости оказались структурно чувствительными показателями в особенности в средне- и высокоамплитудных участках диаграммы усталостного разрушения (рис. 2). Снижение параметра формы графита в результате легирования алюминием в низкокремнистых сталях привело к повышению критической трещиностойкости ЛКфс от 51 до 83 МПа-Т^ (вариант 2 против варианта 1). Эти значения Лф для стали варианта 2 в 1,5-1,6 раза превышали аналогичную характеристику лучших высокопрочных чугунов перлитно-феррит-ного и перлитного классов [4]. Микромеханизм усталостного разрушения такой стали оказался достаточно энергоемким. Наблюдался преимущественно ямочный с интенсивными деформационными гребнями микрорельеф излома, где практически отсутствовали характерные для чугунов участки скола, причем как в низко- (рис. 3, а), так и в высокоамплитудных (рис. 3, б) участках диаграммы циклической трещиностойкости. Обра-
10 20 30 40 50 60 100
АК, МПа1/м~
Рис. 2. Кинетическая диаграмма усталостного разрушения графитизированных сталей. Варианты кривых согласно табл. 1
Mirj^r: г: ксттг/7ггггггггт
/ 4 (58), 2010-
г Э е
Рис. 3. Микрофрактограммы изломов образцов вариантов (по табл. 1): 2 (а, б и в), 7 (г), 8 (Э) и 9 (е) при v «10-8 m/cycle (а)
и v «10-6 m/cycle (б, в, г, Э, е). а, б, г, Э, е - х500; в - х5000
щает на себя внимание наличие в изломе участков с бороздчатым микрорельефом (рис. 3, в), характерных для усталостного разрушения пластичных сплавов.
В случае высококремнистых графитизирован-ных сталей (варианты 5, 7 и 8 на рис. 2) критическая трещиностойкость АКс существенно снижалась, особенно при легировании 1,5%Си и 0,25%А1 (вариант 8). Показатели АК/с = 30-40 МПа■Vм (табл. 2) этих сталей соответствовали уровню ферритных высокопрочных чугунов [4]. Микро-фрактографический анализ показал, что такие стали разрушались в значительной мере по механизмам транс- и межкристаллитного скола (рис. 3, г). Образование четких откольных межзе-ренных фасеток (рис. 3, д) и низкое сопротивление хрупкому разрушению высококремнистых сталей можно объяснить способностью кремния к снижению пластичности в результате твердора-створного упрочнения и межзеренной ликвации.
Таблица 2. Циклическая вязкость разрушения графитизированных сталей
Вариант стали ДKth eff ДКЛ AKfc дк* п
МПа-Тм
1 6,3 12,6 51 25,7 6,38
2 6,3 12 83 32,8 4,38
3 6,3 11 65 27,9 4,96
4 6,2 10 72 27,6 4,72
5 5,1 10 40 20,2 6,14
6 Разрушение на начальной стадии
7 4, 9 10 38 20 6,57
8 5,9 11 32 19,8 8,90
9 5,9 10,7 50 23,5 5,66
Циклическая трещиностойкость графитизированных сталей промежуточного легирования
(вариант 9) была невысокой, что подтвердилось ростом усталостной трещины не только по вязкому механизму, но и путем транскристаллитного скола (рис. 3, е).
Микроструктура графитизированных сталей оказала слабое влияние на пороговую циклическую трещиностойкость (рис. 3, табл. 2): АКЙ = 10-13 МПа-^м у всех исследованных вариантов легирования. В среднем для графитизированных сталей с пластинчатой формой графита АКЙ = 1011 МПа-^м , а для сталей с компактным графитом АКЙ= 10-13 МПа-^м. Можно утверждать, что в целом порог АКЙ графитизированных сталей незначительно превосходит аналогичный показатель серых чугунов. Тоже самое можно отметить и для порога АКЙ ^ (табл. 2).
Таким образом, с точки зрения циклической трещиностойкости оптимальным оказался вариант 2 (см. табл. 1 и 2), что можно объяснить, в первую очередь, благоприятной формой графитовых включений.
Анализ микромеханизма разрушения при испытаниях на малоцикловую выносливость показал, что в наибольшей степени процессам трещи-нообразования способствовали включения графита пластинчатой и некомпактной хлопьевидной формы. Возле таких включений происходило зарождение микротрещин, отдельные из которых приводили к образованию магистральной трещины при дальнейшем увеличении числа нагруже-ний. В области включений компактной формы также образовывались трещины, однако интенсивность их зарождения и роста была значительно ниже, чем в области включений некомпактной формы.
В стали с компактными графитовыми включениями (0,96%Si) трещины усталости возникали,
аггг^ г: гл^ггтллтгггггт /С1
-а (58), 2010 /III
а б в
Рис. 4. Фрактограммы усталостных изломов графитизированных сталей: а - 0,96% Si; б - 1,74; в - 2,57% Si. х1000
как правило, у включений графита и распространялись в нормальном направлении к продольной оси образца. Наблюдались также зарождение и рост микротрещин в зонах скоплений мелких включений графита. Данная сталь имела наиболее высокие показатели сопротивления малоцикловому усталостному разрушению.
В стали с хлопьевидными включениями (1,74%81) зарождение и рост трещин имели место в основном около графитовых включений протяженной формы.
Сталь с 2,57% кремния, имеющая пластинчатый графит, разрушалась без заметной пластической деформации. При этом трещины проходили в основном по пластинчатым включениям графита.
Анализ фрактограмм усталостных изломов (рис. 4) показал, что на микрорельефе излома сталей с содержанием кремния 0,96 и 1,74% присутствовали ярко выраженные усталостные бороздки с четко определяемым направлением роста уста-
лостной трещины, причем в стали с 0,96% имелись участки с интенсивными деформационными гребнями, свойственными для сталей с большим запасом пластичности. Такие виды микрорельефа свидетельствуют о значительной энергоемкости работы разрушения. Разрушение высококремнистых сталей происходило по механизму транс-и межкристаллитного скола, при этом на фракто-граммах наблюдались квазихрупкие фасетки с поперечными надрывами.
Результаты выполненных исследований свидетельствуют о том, что графитизированные стали являются перспективным конструкционным материалом, сопротивление разрушению и механические свойства которого в значительной мере определяются формой графитовых включений. Стали с компактной формой графитовых включений по показателям прочности, циклической тре-щиностойкости и малоцикловой выносливости не уступают высокопрочным чугунам, обладая при этом более высокими значениями пластичности.
Литература
1. Л и т о в к а В. И., Б е х Н. И., Ш и н с к и й О. И. Усталостная прочность и разрушение чугуна // Литейное производство. 1994. №6. С. 3-8.
2. В о л ч о к И. П., К о л о т и л к и н О. Б., Ш е й к о С. П. Конструкционные материалы для стеклоформующего инструмента. Запорожье: Издательский центр «Павел», 1997.
3. Механика разрушения и прочность материалов: Справ. пособ. в 4-х т. Киев: Наукова думка, 1990.
4. О с т а ш О. П., К о с т и к С. М., А н д р е й к о I. М., Д р о н ю к М. М. Вплив мжроструктури на низькотемпера-турну цитчну трiщинотривкiсть високомщних чавушв // Фiзико-хiмiчна мехашка руйнування. 1997. № 1. С. 57-69.
