CC BY
6МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ^Vl
УДК 620.178.38
ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ ВЫСОКОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ ПОСЛЕ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ*
Е.А. ДРОБЯЗ, канд. техн. наук, доцент, В.А. БАТАЕВ, доктор техн. наук, профессор, А.М. ТЕПЛЫХ, аспирант, (НГТУ, г Новосибирск)
Статья поступила 3 октября 2011 г.
Дробяз Е.А. - 630092, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет, e-mail: ekaterina.drobyaz@ya.ru
Исследовано влияние высокоскоростного нагрева, реализуемого в процессе вневакуумной электроннолучевой обработки, на показатели трещиностойкости углеродистых сталей. Установлено, что величина размаха коэффициента интенсивности напряжений, обеспечивающая скорость распространения усталостной
—7 т—г 1/2 т—г
трещины dl/dN = 10 м/цикл, для поверхностно упрочненной стали составляет ~ 16 МПа • м . Поверхностный слой, имеющий мартенситную структуру интенсифицирует разрушение, а основной металл препятствует распространению усталостной трещины и соответственно выполняет функцию стабилизатора.
Ключевые слова: вневакуумная электронно-лучевая обработка, углеродистые стали, трещиностойкость
Введение
Из большого количества методов упрочнения сталей, основанных на использовании процессов высокоэнергетического воздействия на поверхность материала, следует особо выделить закалку электронным лучом, выведенным в воздушную атмосферу. Этот процесс может быть эффективно реализован с использованием промышленного ускорителя электронов ЭЛВ-6 производства Института ядерной физики СО РАН. Высокая мощность ускорителя (до 100 кВт) в совокупности с устройством вывода электронов в воздушную атмосферу дает возможность с высокой производительностью обрабатывать длинномерные крупногабаритные изделия. Кроме того, использование вне-вакуумной электронно-лучевой обработки (ВЭЛО) в качестве упрочняющей технологии
позволяет существенно изменять структурно-фазовое состояние поверхностных слоев, в результате чего металлы и сплавы приобретают в локальных объемах механические свойства, недостижимые при традиционных методах обработки. Цель работы заключалась в выявлении влияния вневакуумной электроннолучевой закалки на трещиностойкость высокоуглеродистой стали.
Материал и методики исследования
В качестве объекта исследования использовали углеродистую сталь У8 (0,83 % С; 0,33 % Мп; 0,21 % Б1; 0,02 % Б; 0,025 % Р). Электронно-лучевую закалку сталей осуществляли на промышленном ускорителе электронов ЭЛВ-6 в Институте ядерной физики
* Работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 гг.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
СО РАН по следующим режимам: ток пучка электронов I - 12 мА; скорость перемещения образца относительно электронного пучка V - 70 мм/с; расстояние от выпускного окна до образца H - 130 мм; энергия пучка Е - 1,4 МэВ. Структурные исследования сталей проводили с использованием оптического микроскопа AxioObserver Alm и растрового электронного микроскопа Carl Zeiss EVO50. Параметры усталостного разрушения определяли путем построения и анализа кинетических диаграмм усталостного разрушения.
Результаты и их обсуждение
Основными особенностями вневакуумной электронно-лучевой обработки являются высокие скорости нагрева и охлаждения материала. При встрече электронного луча с поверхностью металла в облучаемом объеме за короткое время выделяется столько тепловой энергии, что скорость локального нагрева может достигать сотен тысяч градусов в секунду. С другой стороны, локальность взаимодействия луча и металла означает, что после прохождения луча интенсивно нагретый участок оказывается в окружении холодного металла, который обеспечивает очень быстрое его охлаждение. Скорость охлаждения материала за счет тепло-отвода составляет сотни тысяч градусов в секунду. Таким образом, закалка осуществляется в условиях охлаждения, во много раз превосходящего по скорости обычное, реализуемое в воде или в других закалочных средах. При этом нижележащие слои сохраняют исходную структуру.
Трещиностойкость металлических материалов в условиях циклического нагружения, является одним из важнейших показателей конструктивной прочности, определяющим долговечность изготовленных из них изделий. Кинетические диаграммы, соответствующие различным видам термической обработки, приведены на рис. 1.
Анализ экспериментальных результатов позволяет сделать вывод о том, что поверхностно упрочненные образцы являются более надежными по сравнению с образцами, подвергнутыми объемной закалке. Об этом свидетельствует тот факт, что кинетическая диаграмма, соответству-
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
dl/dN,
м/цикп_
1 2 -О- Я
•
□ -J—□— ■ -о- -Ш- 5 8 • ф ■ •
тг о— # ■
л i
п " 9 I_о о п ^ • t 1 —
п 3 1 щ
L
□ п • р 0 Г
О 3 о о р
J о •
р 0 •
i 3 •
АК, МПа м1/2
Рис. 1. Кинетические диаграммы усталостного разрушения стали У8:
1 - закалка в масле, отпуск при 200 °С;
2 - вневакуумная электронно - лучевая закалка;
3 - отжиг на грубопластинчатый перлит
ющая стали, упрочненной методом вневакуум-ной поверхностной электронно-лучевой закалки, занимает промежуточное место и располагается на указанном графике правее (и ниже), чем кривая, соответствующая объемно-упрочненной стали. Величина размаха коэффициента интенсивности напряжений, обеспечивающая скорость распространения усталостной трещины Ш/ёЫ = = 10-7 м/цикл, для поверхностно упрочненной стали составляет ~ 16 МПа-м12, для объемно закаленной стали ~ 8,5 МПа-м12.
В то же время следует отметить, что по сравнению с образцами, подвергнутыми отжигу, поверхностно упрочненные образцы обладают более низким уровнем усталостной тре-щиностойкости. Объясняется этот факт тем, что поверхностный слой, имеющий мартен-ситную структуру, характеризуется по сравнению с основным металлом более высоким уровнем твердости и внутренних напряжений. Таким образом, поверхностный слой интенсифицирует разрушение, а основной металл препятствует распространению усталостной трещины и соответственно выполняет функцию стабилизатора.
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
Рис. 2. Усталостное разрушение упрочненной стали У8
Панорамный снимок поверхности разрушения образца, упрочненного методом вневаку-умной электронно-лучевой закалки, приведен на рис. 2. При малых увеличениях поверхность усталостного разрушения зоны, упрочненной электронным лучом, имеет однородное строение без каких-либо заметных особенностей. Однако в действительности характер поверхности разрушения напрямую связан со структурой материала. Об этом свидетельствует фрактограмма, представленная на рис. 3. Отчетливо видно, что усталостная трещина продвигалась преимущественно по межзеренным границам. Следует отметить, что распространение магистральной усталостной трещины сопровождается образованием в некоторых местах трещин - сателлитов, направленных под некоторым углом к поверхности разрушения (рис. 3). Продвигаются эти трещины в глубь
Рис. 3. Фрактограмма усталостного разрушения поверхностного слоя стали У8, обработанной электронным лучом, выведенным в атмосферу
материала по границам бывших аустенитных зерен.
Причины отмеченного явления обусловлены влиянием двух факторов. Один из них связан с перегревом стали в процессе электроннолучевой обработки, а второй - с отсутствием отпуска высокопрочного мартенсита. Таким образом, фрактографические исследования свидетельствуют о необходимости контроля температуры нагрева поверхностного слоя и недопущения перегрева материала (несмотря на кратковременность процесса), а также о необходимости снятия внутренних напряжений в закаленном слое путем проведения последующего отпуска.
Результаты проведенных исследований свидетельствуют о том, что отпуск закаленного слоя может быть эффективно реализован в результате дополнительного кратковременного нагрева материала путем повторной его обработки электронным лучом. Кинетическая диаграмма усталостного разрушения, соответствующая электронно-лучевой закалке и последующему отпуску стали У8, приведена на рис. 4. Отпуск поверхностного слоя осущест-
Рис. 4. Влияние отпуска на усталостную трещиностойкость стали У8, упрочненной методом вневакуумной электронно-лучевой закалки:
1 - сталь У8, вневакуумная электронно-лучевая закалка; 2 - обработка по режиму 1 с дополнительным отпуском, путем повторной обработки
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
влялся по режиму: Е = 1,4 МэВ, I = 4 мА, Н = = 130 мм, V = 70 мм/с.
Сравнение диаграмм, соответствующих режимам поверхностной закалки без отпуска (кривая 1) и с отпуском (кривая 2), позволяет сделать вывод об эффективности последнего. Скорость распространения усталостной трещины в упрочненной и отпущенной стали ниже, чем в упрочненной без последующего отпуска (кривая 2 располагается правее, чем кривая 1). Объяснение отмеченного факта может быть связано со снятием в процессе отпуска стали внутренних напряжений в предварительно закаленном слое. Проведенные фрактографические исследования подтверждают отмеченное предположение. Продвижение магистральной трещины в отпущенной стали преимущественно носит транскристал-литный характер. Доля излома, соответствующая межзеренному разрушению, существенно уменьшилась. Такое изменение благоприятно отражается на увеличении энергоемкости процесса усталостного разрушения исследуемой стали, что в итоге способствует уменьшению скорости распространения усталостной трещины.
Выводы
По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы.
1. Вневакуумная электронно-лучевая поверхностная закалка представляет собой эффектив-
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
ную технологию упрочнения сталей, которая обеспечивает высокий уровень циклической трещиностойкости.
2. Усталостное нагружение поверхностно упрочненных неотпущенных сталей сопровождается интеркристаллитным разрушением, несмотря на малый размер бывших аустенитных зерен. Повышению усталостной трещиностой-кости высокоуглеродистых сталей способствует дополнительный нагрев закаленного слоя путем повторного прохода электронным лучом.
Список литературы
1. О поверхностной закалке стали концентрированным электронным пучком в атмосфере: Препринт № 88-73 / А.Ф. Вайсман, С.Б. Вассерман, М.Г. Голковский, В.Д. Кедо, Р.А. Салимов. - Новосибирск, 1988. - 32 с.
2. Тушинский Л.И. Влияние высокоскоростного нагрева на однородность структуры поверхностных слоев углеродистых сталей / Л.И. Тушинский, Е.А. Батаева // Обработка металлов. - 2005. - № 4 (29). - С. 29-31.
3. Шипко А.А. Упрочнение сталей и сплавов с использованием электронно-лучевого нагрева / А. А. Шипко. - Минск: Наука и техника, 1995. - 280 с.
4. Особенности разрушения поверхностного слоя стали, перегретого электронным лучом / Е.А. Батаева, В.Г. Буров, В.А. Батаев // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. -2006. - № 12. - С. 60.
Crack growth resistance of high carbon steel after high-speed heat treatment
ЕА. Drobyaz, V.A. Bataev, A.M. Teplykh
The effect of high heat by atmospheric electron-beam treatment on the rates of fracture toughness of carbon steels. Found that the magnitude of the stress intensity factor amplitude, providing speed of propagation of fatigue cracks dl / dN = 10- m / cycle for surface hardening of steel is ~ 16 MPa*m1 ' . The surface layer has a martensitic structure intensifies the destruction, and the base metal prevents the spread of fatigue cracks and consequently acts as a stabilizer.
Key words: atmospheric electron beam threatment, carbon steels, crack growth resistance
