CC BY
17
I СТРУКТУРОУТВОРЕННЯ. ОП1Р РУЙНУВАННЮ ТА Ф1ЗИКО-МЕХАН1ЧН1 ВЛАСТИ ВОСТ1
УДК 539.43: 669.14.017
Д-р техн. наук И. П. Волчок1, канд. техн. наук И. В. Акимов1,
канд. техн. наук И. М. Андрейко2
Национальный технический университет, г. Запорожье;
2Физико-механический институт им. Г. В. Карпенко НАН Украины, г. Львов
РАЗРУШЕНИЕ ГРАФИТИЗИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ ПРИ ЦИКЛИЧЕСКИХ НАГРУЗКАХ
Исследовано влияние формы включений графита на циклическую трещиностойкость и малоцикловую выносливость графитизированных сталей. Показано, что графитизированные стали по указанным показателям не уступают высокопрочным чугунам, и что наиболее высокое сопротивление усталостному разрушению имеют стали с компактными графитовыми включениями.
Надежность механизмов и машин - один из главных факторов, обеспечивающих развитие машиностроения в целом и двигателестроения в частности. Они зависят, прежде всего, от механических и служебных свойств конструкционных материалов. Известно, что в машиностроительной и металлургической промышленности в качестве конструкционного материала широко применяются графитизированные чугуны. Благодаря высокому содержанию углерода и кремния, а также наличию значительного количества (7.. .12 % объемн.) графитной фазы в структуре, эти материалы обладают, с одной стороны, рядом ценных свойств (низкая себестоимость, хорошие литейные свойства и обрабатываемость резанием, демпфирующая способность и низкая чувствительность к концентраторам напряжений, теплопроводность и др.), с другой, низкими механическими характеристиками. В связи с этим обращают на себя внимание графитизированные стали, которые представляют собой заэвтектоидные железо-углеродистые сплавы, в которых определенная часть углерода находится в виде графитовых включений. Благодаря более низкому по сравнению с чугуна-ми 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-графити-заторов - углерода и кремния, а также от скорости охлаждения образование графита в графитизированных
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 процессы графитизации, представляется возможным управлять формой, размерами и распределением графитовых включений, а следовательно, и свойствами графитизированных сталей.
Согласно литературным данным [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 гра-фитизированные стали с базовым химическим составом: 1,55.1,65 % С; 0,18.0,22 % Мп; 0,03.0,07 % Сг; 0,025.0,030 % 8 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 белых чугунов на ковкие. Для характеристики степени сфероидизации включений графита применяли параметр формы X [3], который определяли по результатам металлографичес-
© И. П. Волчок, И. В. Акимов, И. М. Андрейко, 2007
ких исследовании как среднее отношение максимальных размеров включении к минимальным. Предел прочности и относительное удлинение определяли на 5-кратных цилиндрических образцах диаметром 5 мм.
Критерии циклической трещиностойкости:
ЛК
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 [4]. 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 нагружением 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 так же 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 обуславливали значительное изменение прочности (43... 570 МПа) и пластичности (1.9 %) и в меньшей степени твердости (170 .200 НВ) исследуемых сталей (см. табл. 1).
Рис. 1. Типичные структуры графитизированных сталей с различным содержанием кремния (х 100)
Таблица 1 - Химический состав и свойства графитизированных сталей
а
б
в
Вариант стали Химический состав, % Параметр формы графита X Количество феррита, % Предел прочности ов, МПа Относительное удлинение 5, % Твердость НВ
81 Си А1
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
Характеристики циклической трещиностойкости 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 привела к повышению критической трещиностойкости А К/с с 51 до 83 МПа • 4м (вариант 2 против варианта 1). Эти значения АК/с для стали варианта 2 в 1,5...1,6 раза превышали аналогичную характеристику лучших высокопрочных чугунов перлитно-ферритного и перлитного классов [5]. 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. Обращает на себя внимание наличие в изломе участков с бороздчатым микрорельефом (рис. 3, в), характерных для усталостного разрушения пластичных сплавов.
В случае высококремнистых графитизированных сталей (варианты 5, 7 и 8 на рис. 2) критическая тре-щиностойкость А К/с существенно снижалась, особенно при легировании 1,5 % Си и 0,25 % А1 (вариант 8).
X 500
х 500
X 500
X 500
X 500
Рис. 2. Кинетическая диаграмма усталостного разрушения графитизированных сталей. Варианты кривых согласно табл. 1
е х 500
Рис. 3. Микрофрактограммы изломов образцов вариантов
(по табл. 1): 2 (а, б и в), 7 (г), 8 (д) и 9 (е) при v « 10-8
m/cycle (а) и v « 10-6 m/cycle (б, в, г, д, е)
б
в
г
Показатели AK. = 30...40 МПа -\/м (см. табл. 2) этих сталей соответствовали уровню ферритных высокопрочных чугунов [5]. Микрофрактографический анализ показал, что такие стали разрушались в значительной мере по механизмам транс- и межкристаллитного скола (рис. 3, г). Образование четких откольных меж-зеренных фасеток (рис. 3, д) и низкое сопротивление хрупкому разрушению высококремнистых сталей можно объяснить способностью кремния к снижению пластичности в результате твердорастворного упрочнения и межзеренной ликвации.
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 трещи-
ностойкость (рис. 3, табл. 2): AKh= 10...13 МПа-л/м у всех исследованных вариантов легирования. В среднем для графитизированных сталей с пластинчатой
формой графита A Kh=10...11 МПа • 4м , а для сталей
с компактным графитом A Kh=10...13 МПа • >/м . Можно утверждать, что в целом порог DKth графитизиро-ванных сталей незначительно превосходит аналогичный показатель серых чугунов. Тоже самое можно отметить и для порога A Ktheff (см. табл. 2).
Таким образом, с точки зрения циклической тре-щиностойкости 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 трещинообразования 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 нагружений. 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 % 81) трещины усталости возникали, 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 фрактограм 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 усталостной трещины, причем стали с 0,96 % 81 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 межкристаллит-ного скола, при этом на фрактограммах наблюдались квазихрупкие фасетки с поперечными надрывами.
Результаты выполненных исследований свидетельствуют о том, что графитизированные стали являются перспективным конструкционным материалом, сопротивление разрушению и механические свойства которо-
Таблица 2 - Циклическая вязкость разрушения графитизированных сталей
Вариант стали AKth eff AKth AKfc AK* n
МПа •
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
го в значительной мере определяются формой графитовых включений. Стали с компактной формой графитовых включений по показателям прочности, циклической
трещиностойкости и малоцикловой выносливости не уступают высокопрочным чугунам, обладая при этом более высокими значениями пластичности.
Перечень ссылок
1. Тодоров Р. П., Николов М. В. Структура и свойства отливок из графитизированной стали. - М.: Металлургия, 1976. - 168 с.
2. Литовка В. И., Бех Н. И., Шинский О. И. Усталостная прочность и разрушение чугуна // Литейное производство. - 1994. - №6. - С. 3-8.
3. Волчок И. П., Колотилкин О. Б., Шейко С. П. Конструкционные материалы для стеклоформующего инструмента. - Запорожье: Издательский центр «Павел», 1997. - 294 с.
4. Механика разрушения и прочность материалов // Справ. пособие в четырех томах. Под ред. В. В. Панасюка. Том 4. Романив О. Н., Ярема С. Я., Никифорчин Г.Н. и др. Усталость и циклическая трещиностойкость конструкционных материалов - Киев: Наукова думка, 1990. - 680 с.
5. Осташ О. П., Костик е. М., Андрейко I. М., Дронюк М.М. Вплив мжроструктури на низькотемпературну цикшчну трщинотривюсть високомщних чавушв // Фiзико-хiмiчна мехашка руйнування. - 1997. - № 1. - С. 57-69.
Одержано! 4.05.2007
До^джено вплив форми графтових включень на циклiчну трiщиностiйкiсть i малоциклову тривюсть графiтизованих сталей. Показано, що графiтизованi cmcmi за вказаними показниками не поступаються чавунам з кулястим графтом та що найбшьш високий опiр втомномуруйнуванню мають сталi з компактними графтовими включеннями.
The influence of graphite inclusion shape on fracture resistance and low-cycle fatigue of graphite steel is investigated. It is shown, that graphite steel do not concede high-strength cast irons on the specified parameters, and that the steel with compact graphite inclusions have the highest fatigue fracture resistance.
