CC BY
27
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. Сварка, родственные процессы и технологии
DOI.org/10.5281/zenodo.399002 УДК 620.178.322.2, 620.186.4
Е.А. Гридасова, П.А. Никифоров, А.В. Гришин, К.Ю. Тальских, А.Е. Сухорада
ГРИДАСОВА ЕКАТЕРИНА АЛЕКСАНДРОВНА - к.т.н., доцент, e-mail: [email protected] НИКИФОРОВ ПАВЕЛ АЛЕКСАНДРОВИЧ - к.т.н., доцент, e-mail: [email protected] ГРИШИН АНТОН ВИКТОРОВИЧ - инженер, e-mail: [email protected] ТАЛЬСКИХ КРИСТИНА ЮРЬЕВНА - инженер, e-mail: [email protected] СУХОРАДА АЛЕКСЕЙ ЕВГЕНЬЕВИЧ - инженер, e-mail: [email protected] Кафедра сварочного производства Инженерной школы Дальневосточный федеральный университет Суханова ул., 8, Владивосток, 690950
Влияние высокочастотного нагружения на структуру малоуглеродистой стали
Аннотация: Приведены результаты металлографического исследования образцов из малоуглеродистой стали после высокочастотного нагружения. Описаны процессы изменения структуры, предшествующие деформации образцов из малоуглеродистой стали при высокочастотном нагружении. Ключевые слова: высокочастотные испытания, гигацикловая усталость, низкоуглеродистые стали, микроструктура.
Введение
Гигацикловая усталость конструкционных материалов - феномен, который впервые установлен и вызвал научный интерес лишь несколько десятилетий назад. Было отмечено, что некото-
^ 8 10 рые материалы при воздействии достаточно большого числа циклов нагружения (10-10 ) разрушаются на уровнях напряжений, которые традиционно считались безопасными [3]. В соответствии с действующими стандартами предполагается, что если материал выдерживает 10 циклов нагрузки, то он не разрушится с увеличением числа циклов на том же уровне действия нагрузки, а напряжение, соответствующее этому значению, рассматривается как предел усталости этого материала. Однако исследования авторов [1-4] показывают изменения пределов усталости в области гигациклов и самого механизма разрушения.
Целью настоящей работы является исследование влияния высокочастотного нагружения (f = 20000 Гц) на структуру малоуглеродистой стали в малоцикловой и гигацикловой областях при амплитудах, превышающих и равных пределу прочности.
Металлографические исследования: оборудование и методы
В качестве модельной малоуглеродистой стали была выбрана сталь СтЗсп (ГОСТ 535-88). Усталостные испытания образцов (рис. 1) производились на ультразвуковой испытательной машине USF-2000 (Shimadzu, Япония) с частотой 20 кГц.
© Гридасова Е.А., Никифоров П.А., Гришин А.В., Тальских К.Ю., Сухорада А.Е., 2017
О статье: поступила: 09.01.2017; принята к публикации: 09.02.2017; финансирование: бюджет ДВФУ.
Рис. 1. Образец для высокочастотных испытаний.
Для проведения металлографических исследований вырезалась средняя часть (шейка образца) длиной 27+1 мм, подверженная максимальным нагрузкам, и запрессовывалась в акриловую смолу. Запрессовка производилась при температуре 150 °С. Образцы последовательно шлифовались на абразивной бумаге зернистостью от P180 до P1200 и полировались на алмазных суспензиях с размером частиц от 9 мкм до 1 мкм. Обработка производилась с таким расчетом, чтобы в результате получалось продольное сечение, максимально близкое к оси образца. Выявление структуры производилось 4-процентным раствором азотной кислоты в изоамиловом спирте.
Оптическое металлографическое исследование проводилось на инвертированном микроскопе Eclipse MA200 (Nikon, Япония) на увеличениях 50х, 100х, 200х, 500х и 1000х.
Результаты и их обсуждение
В рамках данной работы были исследованы два образца, отобранные из серии испытаний с разными амплитудами напряжений при симметричном цикле нагружения. Данные образцы были выбраны в целях исследования механизма разрушения при высокочастотном нагружении, а также для оценки структуры после испытания, проведенного предположительно при «безопасном напряжении» (образец не имел явных изменений после испытания в гигацикловой области).
Образец № 1. Образец испытан при амплитуде напряжений 690 МПа, число циклов до разрушения N = 1,5 • 10 . Остановка эксперимента была вызвана выходом образца из резонанса. После испытания наблюдалась шейка с диаметром на 0,1 мм меньше исходного.
На рис. 2 приведена микроструктура образца № 1 после испытания (увеличение 100х). Левая часть снимка соответствует шейке, правая часть - участку ближе к концу образца.
Рис. 2. Микроструктура образца № 1 после испытания, 100х.
Данный снимок хорошо иллюстрирует процессы изменения структуры стали, происходящие при увеличении пиковых напряжений при высокочастотной нагрузке. Условно его можно разделить на три зоны.
1. «Неизмененная структура» - зона на правом краю снимка: соответствует сечению с большей площадью, т.е. испытывавшему меньшие нагрузки. В данной зоне структура соответствует СтЗсп (ГОСТ 535-88).
2. «Промежуточная зона» - средняя часть: зерна феррита в основном еще сохраняют форму (хотя уже начинается дробление), а в перлите происходят заметные изменения. В частности, по цвету перлитных колоний после травления эта зона отличается от предыдущей.
3. «Шейка» - левая часть снимка: соответствует наиболее тонкой части образца, испытывавшей максимальные нагрузки и деформировавшейся с образованием шейки. В данной зоне происходит интенсивное дробление ферритных зерен, а также дальнейшее изменение структуры перлита и расширение перлитных колоний за счет соседних ферритных зерен.
Структуры этих трех зон при увеличении 1000х приведены на рисунках 3-5.
Рис. 3. Микроструктура образца № 1 («неизмененная структура») после испытания, 1000х.
Рис. 4. Микроструктура образца № 1 («промежуточная зона») после испытания, 1000х.
Рис. 5. Микроструктура образца № 1 («шейка») после испытания, 1000х.
Образец № 2. Испытан при амплитуде напряжений 390 МПа, число циклов N = 2,0159 • 109. Остановка эксперимента была произведена вручную по достижении планируемого числа циклов, образец не имел видимых признаков деформации и повреждений.
На рис. 6 показана микроструктура образца № 2 после испытания (увеличение 100х). Место съемки точно соответствует геометрическому центру рабочей части образца, т.е. месту, где предположительно должна была образоваться шейка.
Рис. 6. Микроструктура образца № 2 после испытания, 100х.
На рис. 7 приведена микроструктура образца № 2 в той же точке при увеличении 1000х.
Рис. 7. Микроструктура образца № 2 после испытания, 1000х.
Как свидетельствуют рисунки 6, 7, структура стали соответствует СтЗсп (ГОСТ 535-88). Необходимо отметить, что пиковые напряжения при испытании данного образца лежали в диапазоне предела прочности СтЗсп (380-490 МПа) при испытании по стандартным методикам (ГОСТ 1497-84 Металлы. Методы испытаний на растяжение (с Изменениями № 1, 2, 3), поэтому был проведен целенаправленный поиск структурных изменений по всему продольному сечению образца. Несмотря на это, сколько-нибудь значительных изменений (которые можно было бы однозначно зафиксировать оптической микроскопией) обнаружить не удалось.
Выводы
На основании полученных результатов можно сделать следующие выводы.
1. При амплитуде напряжений 690 МПа изменение структуры СтЗсп начинается с перлита. Вероятно, на данном этапе происходит дробление цементита как наиболее хрупкой фазы. Затем (судя по увеличению площади, занимаемой перлитом) происходит смещение раздробленных кристаллов цементита в область, изначально занимаемую свободным ферритом, а также дробление зерен феррита.
2. Уменьшение амплитуды до 390 МПа при частоте 20 кГц на базе 2 • 109 циклов у СтЗсп не вызывает усталостного разрушения и даже изменения микроструктуры, что показывает на отсутствие влияния высокой частоты нагружения на усталостные характеристики материалов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Вшивков А.Н., Прохоров А.Е., Уваров С.В., Плехов О.А. Особенности механического поведения армко-железа при испытании в режиме гигацикловой усталости // Вестник ПНИПУ. Сер. Механика. 2013. № 4. С. 18-32.
2. Матохнюк Л.Е., Яковлева Т.Ю., Бялонович А.В. Прогнозирование характеристик сопротивления усталости металлов в гигацикловой области по результатам высокочастотных испытаний. Сообщение 1. Экспериментальные результаты // Проблемы прочности. 2012. № 4. С. 67-78.
3. Nwachukwu O.P., Gridasov A.V., Gridasova E.A. Gigacycle Fatigue of Welded Joints of Structural Materials (A Review). Advanced Engineering Forum. 2016(17): 14-30.
4. Siddique S.(V), Imran M., Wycisk E., Emmelmann C., Walther F. Fatigue assessment of laser additive manufactured AlSi12 eutectic alloy in the very high cycle fatigue (VHCF) range up to 109 cycles. APMAS 2015, 5th International Advances in Applied Physics and Materials Science Congress & Exhibition, Oludeniz, Turkey, 16-19 Apr., 2015.
THIS ARTICLE IN ENGLISH SEE THE NEXT PAGE
Welding, Related Processes and Technologies DOI.org/10.5281/zenodo.399002
Gridasova E., Nikiforov P., Grishin A., Talskikh K., Sukhorada A.
EKATERINA GRIDASOVA, Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor, е-mail: [email protected]
PAVEL NIKIFOROV, Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor, е-mail: [email protected]
ANTON GRIShIn, Engineer, e-mail: [email protected] KRISTINA TALSKIKH, Engineer, e-mail: [email protected] ALEKSEY SUKHORADA, Engineer, e-mail: [email protected] Department of Welding Engineering, School of Engineering Far Eastern Federal University 8 Sukhanova St., Vladivostok, Russia, 690950
The influence of high-frequency cyclic loading on the structure of low-carbon steel
Abstract: The article presents the results of the metallographic studies of low-carbon steel samples after high-frequency cyclic loading. The structural changes preceding the deformation of low-carbon steel samples are described in it.
Key words: high-frequency fatigue testing, gigacycle fatigue, low-carbon steel, microstructure.
REFERENCES
1. Vshivkov A.N., Prokhorov A.E., Uvarov S.V., Plekhov O.A. Peculiarities of mechanical behavior of Armco-iron under fatigue in gigacyclic regime. PNRPU Mechanics Bulletin. 2013(4): 18—32.
2. Matokhnyuk L.E., Yakovleva T.Yu., Byalonovich A.V. Prediction of gigacycle fatigue resistance characteristics of metals from high-frequency test data. Part 1. Experimental results. Journal Strength of Materials. 2012(44);4:67-78.
3. Nwachukwu O.P., Gridasov A.V., Gridasova E.A. Gigacycle Fatigue of Welded Joints of Structural Materials (A Review). Advanced Engineering Forum. 2016(17): 14-30.
4. Siddique S.(V), Imran M., Wycisk E., Emmelmann C., Walther F. Fatigue assessment of laser additive manufactured AlSi12 eutectic alloy in the very high cycle fatigue (VHCF) range up to 109 cycles. APMAS 2015, 5th International Advances in Applied Physics and Materials Science Congress & Exhibition, Oludeniz, Turkey, 16-19 Apr., 2015.
