Научная статья на тему 'Разрушение графитизированных сталей при циклических нагрузках'

Разрушение графитизированных сталей при циклических нагрузках Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
106
16
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — И П. Волчок, И В. Акимов, И М. Андрейко

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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

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.

Текст научной работы на тему «Разрушение графитизированных сталей при циклических нагрузках»

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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.