CC BY
40
УДК 620.172.21.537.3
ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА НА ПРОЧНОСТЬ СТАЛЬНЫХ ПЛАСТИН
С ЦЕНТРАЛЬНОЙ ТРЕЩИНОЙ
© В.М. Иванов, В.А. Киперман, Г.А. Барышев, А.В. Баранов
Ivanov V.M.. Kipcrman V.A., Barishcv О.А.. Baranov A.V. lnflucncc of an electric current on strength of steel plates with the central crack. The strength change results of the steel plates with the central crack during the influence of the current arc given. The current range of its considerable influence on the strength properties has been found.
Многие детали современных электрофизических установок работают при совместном действии механических нагрузок и электрического поля. Широко применяют электромагнитное поле в дефектоскопии [I], для термообработки стали [2, 3].
Под действием тока в области вершины трещины легко достигаются условия, необходимые для локальных структурных превращений, теплового разрушения материалов [4, 5].
В [6] изучено влияние импульсов тока (ИТ) длительностью около 100 мке и плотностью (1-2) ГА/м2 на прочность пластин с краевым надрезом. Обработка таким током приводит к образованию в вершине надреза небольшого сквозного отверстия - кратера, что, естественно, влечет за собой значительное изменение прочностных характеристик.
В связи с этим представляет интерес продолжить исследования по изучению конструкционной прочности пластин с центральным надрезом после обработки импульсами электрического тока, найти интервал значений параметров тока (амплитуда, длительность), в котором вариации прочности пластин несущественны, а также пороговые значения тока, приводящие к значительным ее изменениям при сохранении конфигурации надреза.
Методика исследований была аналогична методике, описанной в работе [6], со следующими особенностями. Объектом исследований служили пластины из отожженной углеродистой стали 60Г размерами 40x80x1 мм с центральным сквозным надрезом длиной 10 мм и радиусом кривизны в вершине 0,1 мм. Импульсы тока генерировались сварочным трансформатором с регулируемым выходным напряжением, первичная обмотка которого коммутировалась с помощью тиристорного ключа, задававшего длительность импульса, при этом температура в устье надреза фиксировалась с помощью инфракрасного радиометра. Параметры импульса (длительность и плотность) выбирались таким образом, чтобы обеспечить к моменту его окончания температуру в кончике надреза, превышающую критическую температуру Ас\. Это позволяло реализовать режимы фазовых превращений в зоне, прилегающей к устью надреза, не доводя ее до теплового разрушения. Параметры применявшихся ИТ приведены в таблице I.
Таблица 1
Параметры импульсов тока
Обозначение режима Плотность тока, МА/м2 Длительность ИТ, с Объемная плотность энергии, ГДж/м'1
1 77,5 0,7 0,64
2 67,6 1,6 1,1
3 47,5 3,4 1,2
4 37,5 7 1,5
Прочность образцов оценивалась по величине напряжений, которые они выдерживали до разрушения, и по работе, затрачиваемой на это. На полученных диаграммах выделялись две характерные точки, соответствующие моменту образования трещины и максимуму нагрузки. Разделив эти усилия на сечение нетто, получали величины соответствующих напряжений С, и О,. Затем по площади под диаграммой нагружения определялась полная работа деформации А„ и ее составляющая - работа до зарождения трещины А,.
При анализе результатов эксперимента были построены зависимости указанных выше характеристик от плотности тока и от величины вводимой в единицу
объема металла энергии за один импульс \У = у'2//у,
где у - удельная проводимость металла.
Несмотря на то, что обработка током указанных параметров слабо влияет на прочностные характеристики С, и (7„, отмечены изменения характера разрушения. В исходных образцах и образцах, обработанных первым импульсом, рост трещины начинался до достижения на образце максимальной нагрузки, т. е. начало разрушения не совпадало с моментом потери образцом несущей способности, а само разрушение происходило путем среза. В образцах, сквозь которые были пропущены второй, третий и четвертый импульсы, разрушение начиналось при максимальной нагрузке путем отрыва.
Более интересными оказались зависимости работы разрушения А„ и А, от плотности тока и энергии, подводимой к образцу за один импульс (рис. 1, доверительный интервал 6 Дж при доверительной вероятности 0,9). Это подтверждает известный принцип о
большей чувствительности энергетических характеристик к различным охрупчивающим факторам, объясняющейся тем, что они определяются произведением прочностных и пластических свойств.
Полная работа разрушения уменьшалась во всех исследованных режимах. Зависимость работы до зарождения трещины имеет резко выраженный минимум, соответствующий минимуму введенной энергии. В остальных точках она не отличается от исходной.
Для более детального изучения ситуации вблизи кончика надреза было проведено исследование микро-твердости вдоль его оси (рис. 2, доверительный интервал 25 КПа при доверительной вероятности 0,9). Микроструктура, разрешаемая в оптический микроскоп, в сочетании с данными по измерению микротвердости свидетельствуют о том, что в зоне термического влияния образуются закалочные и промежуточные структуры. Например, при обработке первым импульсом тока в зоне, примыкающей к вершине надреза, получается мартенсит закалки. Этим вызвано резкое уменьшение работы зарождения трещины в этом режиме.
Структуры, образующиеся при воздействии тока других параметров, имеют меньшую микротвердость и на работу зарождения трещины влияют слабо, но продвижение трещины сквозь зону термического влияния облегчается, что приводит к уменьшению полной работы разрушения.
Так как температура в кончике надреза во всех применявшихся режимах была одинаковой, очевидно, что решающее влияние на образование закалочных структур оказывает скорость охлаждения за счет теплоотвода в более холодные участки металла, определяемая температурным градиентом. Для характеристики величины градиента температур, образующегося в образце благодаря наличию надреза, воспользуемся коэффициентом концентрации теплового поля 0, равным отношению температуры в вершине надреза к температуре, достигаемой в бездефектном образце или
на большом удалении от надреза Тх = j211 у С , где С - объемная теплоемкость. При заданных режимах график изменения 0 в функции длительности импульса приведен на рис. 3. С увеличением длительности импульса температура поверхности выравнивается. Применение более коротких импульсов увеличивает градиент температур, а следовательно, и скорость охлаждения после окончания протекания тока. В пределе при уменьшении длительности импульса коэффициент концентрации теплового поля стремится к квадрату коэффициента концентрации электрического тока [7]. При этом температурное поле формируется в адиабатических условиях.
Проанализируем возможность взаимодействия с током подобных параметров (/' = 80 МА/м2, / = 1 с) дефектов другой геометрии.
Коэффициент концентрации электрического тока в кончике надреза определяется только его геометрическими параметрами Р = 1 + А", где К = -Jalг - геометрический параметр, характеризующий степень вы-тянутости и остроты дефекта, а - полудлнна центрального дефекта, г - радиус кривизны в вершине [7]. Характер же локализации теплового поля, вызванного током, зависит от соотношения геометрических параметров (К и г) и длительности протекания тока [7].
А„
А, \ \
\ \
25 50 70 j_ МА/м2
а)
0.5 0.75 1,25 и'. ГДж/м'
б)
Рис. 1. Зависимость энергетических характеристик разрушения от плотности тока (а) и от энергии импульса (б)
Рис. 2. Распределение микротвердостн в зависимости от расстояния до кончика надреза вдоль его оси, цифры указывают номер режима обработки
0 2 4 t. с
Рис. 3. Зависимость коэффициента концентрации теплового поля в кончике надреза от длительности импульса тока
Если, оставив неизменной величину К, увеличивать по сравнению с рассмотренным в работе радиус кривизны, то такой дефект будет сильнее концентрировать тепловое поле. Температура в кончике дефекта и ее градиент возрастают (предельное значение температуры в вершине надреза соответствует адиабатическому
приближению Тв = _/2р2//уС). При воздействии тока на подобный дефект условия образования закалочных структур сохраняются.
На дефектах с радиусом кривизны в вершине, меньшим 0,1 мм, концентрация теплового поля уменьшается за счет действия теплопроводности. Следовательно, такие дефекты при их взаимодействии с током не окажут влияния на прочность.
Рассмотрим, к чему приводит изменение величины геометрического параметра К. Одно и то же значение К может быть получено при различном сочетании линейных размеров дефекта и радиуса кривизны в его вершине. Если модификация геометрии дефекта происходит путем изменения только его длины, температура меняется прямо пропорционально (I + К)2. Изменение К за счет вариации г ведет к тому, что из-за действия теплопроводности температура в вершине будет меняться медленнее, чем (1 + К)'.
Таким образом, изменение плотности тока независимо от соотношения геометрических параметров концентратора и длительности тока приводит к изменению температуры пропорционально (I + К)'.
Для исследования возможности упрочняющей обработки импульсом тока были использованы закаленные образцы из стали 60Г. Температура в вершине надреза фиксировалась на уровне 600 °С. В опытах были использованы импульсы той же плотности, но уменьшенной длительности. Обработка током не влияет на характер диаграмм нагружения, имевших вид, характерный для хрупкого разрушения. Для токов с плотностью 72 и Уз отмечено образование зоны с пониженной относительно исходной микротвердостью, что связано с процессами отпуска, происходящими под действием температурного поля, вызванного током. В этих же режимах зарегистрировано незначительное увеличение полной работы разрушения, объясняющееся увеличением сопротивления продвижению трещины сквозь отпущенную зону.
В заключение отметим, что эффективность влияния исследованных режимов на прочность значительно меньше, чем в работе [6]. так как применявшиеся в ней импульсы тока приводили к разрушению кончика надреза, что резко снижало концентрацию механических напряжений.
Таким образом, найден диапазон параметров тока, в котором его влияние на прочность пренебрежимо мало, а также его критическое значение, приводящее к снижению работы разрушения на 25 %.
Показана возможность изменения работы разрушения пластин с концентратором напряжений в результате неразрушающей обработки током. Действенность такого воздействия определяется коэффициентом концентрации теплового поля, зависящим от соотношения геометрических параметров и длительности импульса тока. Основной причиной влияния токовой обработки на прочность являются структурные изменения и остаточные напряжения в зоне, прилегающей к кончику надреза.
Возможность подобного изменения прочностных характеристик следует учитывать при эксплуатации деталей, работающих в условиях периодического и постоянного воздействия электромагнитного поля, а также при выборе зондирующих импульсов в дефектоскопии.
ЛИТЕРАТУРА
1. Дорчфссн Л.Л.. Кашманов Ю.І'. Электромагнитная дефектоскопия. М.: Машиностроение, 1980. 232 с.
2. Хасим Г.А., Дисшов А.И.. Попова Т.Н. и др. Электротермическая обработка и теплое волочение стали. М.: Металлургия, 1984. 152
с.
3. Кривоглаз М. А.. Садовский В Л.. Смирнов A.B. и др. Закалка стали в магнитном поле. М.: Наука. 1977. 119 с.
4. Головин Ю.И.. Финкеяъ В.М.. Иванов В.М. и др. О влиянии импульса тока на структуру металла в вершине трешины // Физика и химия обработки металлов. 1976. Jfe 6. С. 131-133.
5. Финкель В.М., Головин Ю.И., Слетков A.A. Разрушение вершины трешины сильным электромагнитным полем // Докл. АН СССР. 1977. Т. 237. №2. С. 325-327.
6. Борисов В. Т.. Головин Ю.И.. Иванов В.М. Влияние электрического тока на прочность стальных пластин с концентраторами напряжений // Проблемы прочности. 1984. № 2. С. 92-95.
7. Головин ЮН.. Киперман В.А. Концентрация электрического и теплового полей в вершине дефектов в металле // Фишка и химия обработки материалов. 1980. № 4. С. 26-31.
