CC BY
14
УДК 621.74:669.14
Канд. техн. наук В. Т. КудЫ, канд. техн. наук В. М. Сажнев, канд. техн. наук В. В. КудЫ
Нацюнальний техшчний ушверситет, м. Запор1жжя
ВПЛИВ КОНЦЕНТРАЦП НАПРУЖЕНЬ НА Ф1ЗИКО-МЕХАН1ЧН1 ВЛАСТИ ВОСТ1 В1ДЛИВК1В 13 В И СО КО МАРГАНЦЕВОЙ СТАЛ1
До^джено чутливiсть високомарганцево'1 сталi з низьким вмiстом фосфору (до 0,04 %) до концентрацИ напружень приргзнихрежимах навантаження. Встановлено, що вплив концентрацш проявляеться значнШе в зон багатоциклово'1 втомленостi. Вивченi види концентраторiв i Их вплив на фiзико-механiчнi властивостi низькофосфорноI високомарганцево'1 сталi.
Бшьштсть вщлившв iз високомарганцево! сталi ви-готовляють iз рiзними рiзкими змiнами конфiгурацi!, що призводить у процесi експлуатацп до виникнення в цих мiсцях концентрацп напружень.
Зважаючи на те, що високомарганцева сталь дуже схильна до змщнення при механiчнiй обробцi, вщлив-ки iз ще! сталi, в бшьшосп випадк1в, надходять в екс-плуатацш в литому станi. Лита поверхня мае багато дефекгiв у виглядi напливiв металу, шорсткостi по-верхт, спайок та раковин рiзного походження, як1 та-кож спричиняють концентрацш напружень.
Таким чином, вщливки iз високомарганцево! сталi мають велику шльшсть зовнiшнiх конструктивних i технологiчних концентрак^в напружень i внутрiшнiх (у виглядi неоднорiдностi структури) неметалевих включень, границь зерен i таке iнше.
Ведомостей про чутливють високомарганцево! сталi до концентрацп напружень дуже мало i вони супереч-ливi. Ця обставина пояснюеться тим, що властивостi високомарганцево! сталi дуже залежать вiд !! хiмiчно-го складу, особливо вмюту фосфору i технологi! !! ви-готовлення.
У зв'язку з вищесказаним було поставлене завдан-ня уточнити i розширити вiдомостi про чутливiсть високомарганцево! сталi до концентрацi! напружень, що може бути ще одним напрямом до вирiшення пробле-ми збшьшення експлуатацiйно! надiйностi i довговiч-ностi вiдливкiв.
Чутливiсть високомарганцево! сталi до концент-рацi! напружень вивчали на литих ударних зразках (10x10x55 мм) при статичному, динамiчному i цик-лiчному навантаженнях на згинання. Конструктивну концентрацiю створювали шляхом нанесення на зра-зок
ÍУ-подiбного надрiзу з рiзним радiусом закругления, а технолопчну - шляхом отримання зразка з по-верхневим зневуглецьованим шаром. Для дослщв були використанi зразки, вiдлитi в пiщано-глинисту суху форму. Високомарганцева сталь була виготовлена в промислових умовах у 5-тоннiй електропечi з основною футеровкою i мала такий хiмiчний склад: 1,33 %
вуглецю; 13,4 % марганцю; 0,49 % кремтю; 0,027 % фосфору; 0,009 % арки; 0,41 % хрому i 0,55 % тке-лю. Зразки з поверхневим зневуглецьованим шаром отримали при сершнш термiчнiй обробцi (нагрiв в електропечi опору до 1050 °С, витримка при цш тем-пературi 1,5 години, i потiм загартування в проточнш вод1). Зразки без зневуглецьовашго шару отримували при нагрiвi до тако! ж температури в солянiй вант розплав-леного хлористого барiю з витримкою протягом трьох хвилин iз подальшим загартуванням в проточнiй вода.
Статичне навантаження на згинання проводили на розтягувальнш машинi за допомогою спещального пристрою. Запис дiаграми руйнування проводили на двохкоординатному потенцiометрi ПДС-021М, який дозволяе записати дiаграму руйнування в координатах "навантаження-деформащя".
Динамiчне навантаження здшснювали на маятниковому кощи з фотографуваииям таких же дааграм руйнування, як1 отримували на осцилографi С1-19А. Цик-лiчне навантаження проводили на спещальнш машинi, яка дозволяе здшснювати ударне циклiчне згинання зразка з постшним замiром напружень, що виникають у зразку при ударi. При всiх видах випро-бувань зразка зусилля визначали за допомогою попе-редньо тарированих тензодатчик1в, а пластичну дефор-мацiю - за допомогою фотодатчишв.
У таблицi 1 наведет дат по одноразовому наванта-женню на згинання зразк1в iз високомарганцево! сталi з рiзними концентраторами напружень. Дат випробувань по визначенню характеристик мiцностi i пластичностi е нестандартними i величини границь текучосл i мiцностi вiдрiзияються вiд отриманих при стандартних випробуваннях на розтяг. Цей метод використаний для того, щоб ва випробування при статичному, динашч-ному i циклiчному наваитажениях проходили за одтею схемою. Чугливiсть зразка до концентращ! напружень визначалась по вщношенню мiцностi зразка з концент -ратором до мщносп зразка без концентратора (ко-ефiцiент К). Подабт характеристики мало вiдомi i ви-користовуються рiдко, але вони дають реальне уявлен -ня про чутлив^ь сталi до надрiзу.
© В. Т. Куд1н, В. М. Сажнев, В. В. Куд1н, 2007 82
ТЕХНОЛОГИ ОТРИМАННЯ ТА ОБРОБКИ КОНСТРУКЦ1ЙНИХ МАТЕР1АЛ1В
Таблиця 1 - Вплив концентраци напружень на властивостi високомарганцево1 сталi при статичному та динамiчному згинанш
Без зневуглецьованого шару 1з зневуглецьованим шаром
Рад1ус надр1зу Мехашчш властивост Коефщент Мехашчш властивост Коефщент
о^, МПа о в, МПа I, мм напружень оТ, МПа о в, МПа I, мм напружень
Статичне згинання
0 678 1600 27,0 1,0 516 1327 27,0 1
1,0 760 1690 15,6 1,12 541 1532 16,0 1,15
0,25 810 1850 13,2 1,16 560 1565 14,0 1,17
Динам1чне згинання
0 780 1600 27,0 1 700 1580 27,0 1
1,0 860 1710 16,8 1,10 800 1670 14,1 1,14
0,25 1055 1860 13,2 1,35 970 1810 12,3 1,39
Встановлено, що збiльшення концентраци напружень призводить до збшьшення характеристик мiцностi i зниженню пластичностi, що е закономiрним для такого в'язко-пластичного матерiалу, яким е висо-комарганцева сталь. Коефщент концентраци напружень К збшьшуеться при збiльшеннi гостроти надрiзу. Поверхневий зневуглецьований шар збшьшуе концен-трацiю напружень, що тдтверджуеться збiльшенням коефiцiента концентраций
При одноразовому руйнуванш пластичних матерь алiв за рахунок релаксаци напружень проходить деяке пом'якшення впливу концентратора напружень. Тому найбшьш характерне визначення чутливостi пластичних матерiалiв до концентраци напружень може бути здшснене при дослщах на втомне руйнування.
На рис. 1 показаш кривi випробування на втом-ленiсть зразк1в високомарганцево1 сталi з рiзними концентраторами напружень. Як видно з глюстраци, кривi втомлення сходиться в зонi високих напружень. Таким чином, чутливiсть високомарганцево1 сталi до концентраци напружень зменшуеться при одноразовому руй-нуванш i в зонi малоциклово1 втомленосп.
Збiльшення ефективного коефiцiента концентраци напружень призводить до значного зниження границ витривалостi високомарганцево1 сталi (в межах бази 106 циклiв) (табл. 2). Треба вщмггити, що i при одноразовому, i при втомному руйнуваннi концентрацiя напружень спричинена наявшстю зневуглецьованого поверхневого шару i впливае на властивосп сталi не в меншш мiрi, нiж гострий на^з.
■ сталь бег-.знгвуглецъовэного шару
стапь.^ поЕерхневиш зневутлецьоЕаним шаром
Рис.1. Крив1 втомленост високомарганцевоi' стал1 з р1зними концентраторами напружень:
1 - без концентратор1в напружень; 2 - рад1ус надр1зу 1 мм; 3 - рад1ус надр1зу 0,25 мм
1607-6885 Новi матерiали i технологи в металурги та машинобудувант №1, 2007
83
Таблиця 2 - Вплив концентрацп напружень на границю втомленостi високомарганцево! сталi
Концентрация напружень О о на баз1 106 циктв, МПа Коефщент концентрацп напружень
Без концентратора напружень:
- без зневуглецьованого шару 612 1,00
- ¡з зневуглецьованим шаром 525 1,164
Канавка ¡з рад1усом надр1зу 1,0 мм:
- без зневуглецьованого шару 494 1,240
- ¡з зневуглецьованим шаром 440 1,390
Канавки ¡з рад1усом надр1зу 0,25 мм:
- без зневуглецьованого шару 400 1,530
- ¡з зневуглецьованим шаром 354 1,745
У дiйсних ввдливках втомленi трщини розвивають-ся з поверхнi, де дшть найбiльшi напруження. Осе-редком розвитку трiщин е мiсця i3 збiльшеною кон-центрацieю напружень. Розповсюджуються трiщини по внутрiшнiм дефектам, яш також е концентраторами напружень. Таким чином, довготривалють деталей може бути значно збшьшена зниженням концентрацп напружень. Для високомарганцево! сталi зменшення поверхневих концентраторiв можливе як за рахунок покращення якостi поверхнi вщливка (технологi! ви-готовлення), так i за рахунок усунення поверхневого зневуглецьованого шару (технолопя термiчно!' оброб-ки).
Перелiк посилань
1. Богачев И.Н. Структура и свойства железомарганцевых сплавов / И.Н. Богачев, В.Ф. Еголаев. - М.: Металлургия, 1973. - 296 с.
2. Давыдов Н.Г. Высокомарганцевая сталь. - М.: Металлургия, 1979. - 176 с.
3. Власов В.Н. Литая высокомарганцевая сталь Г13Л: Свойства и производство / В.Н. Власов, В.Ф. Комоло-ва. - М.: Машгиз, 1963. - 195 с.
4. Ямшанов П.И. Износостойкость литых деталей из стали Г13Л / П.И. Ямшанов, Б.А. Никулин, А.К. Копысо-ва. - В кн.: Производство крупных машин. - М., 1965, вып. 8. Литейное производство, С. 3-134.
Одержано 14.02.2007
Исследована чувствительность высокомарганцевой стали с низким содержанием фосфора (до 0,04 %) к концентрации напряжений при различных режимах нагружения. Установлено, что влияние концентрации проявляется в наибольшей степени в зоне многоцикловой усталости. Изучены виды концентраторов и их влияние на физико-механические свойства низкофосфористой высокомарганцевой стали.
Sensibility of the high-manganese steel with low-phosphorus content (up to 0.04 %) to stress concentration at different loading regimes has been investigated. It has been determined that stress concentration influence is more evident in the multicycle fatigue zone. The types of stress concentrators have been studied as well as their influence on physical and mechanical properties of the low-phosphorus high-manganese steel.
