Способ определения предела выносливости низкоуглеродистых низколегированных сталей
Владельцы патента RU 2476855:
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Курская государственная сельскохозяйственная академия имени профессора И.И. Иванова Министерства сельского хозяйства Российской Федерации (RU)
Изобретение относится к исследованию физико-механических свойств металлов и может использоваться в различных областях промышленности. Сущность: определяют предел текучести и структурно-фазовый состав образца и рассчитывают предел выносливости по формуле. Технический результат: повышение достоверности определения предела выносливости низколегированных низкоуглеродистых сталей по механическим характеристикам. 3 табл., 2 ил.
Изобретение относится к исследованию физико-механических свойств металлов и может использоваться в различных областях промышленности.
Определение характеристик усталости является важной практической задачей, однако испытания на усталость длительны, трудоемки и дороги. Их не могут позволить себе даже крупные научные и производственные центры, кроме особо ответственных случаев (ядерная и авиационная промышленность). Поэтому часто вынуждены оценку предела выносливости σR (R - коэффициент асимметрии цикла) делать по взаимосвязи σR с другими характеристиками сталей, прежде всего пределами текучести σ0,2 и прочности σB. Известны соотношения, связывающие эти характеристики, например [1], для низкоуглеродистых сталей:
где Ψ и δ10 - относительное сужение и удлинение испытуемого образца соответственно, σ-1 - предел выносливости при круговом изгибе (R=-1).
Многообразие соотношений свидетельствует о том, что нет надежно выявленной взаимосвязи между указанными характеристиками. Это связано, по нашему мнению, с тем, что не учитывается влияние структурно-фазового состава металла, который является одним из определяющих факторов, формирующих комплекс его механических свойств. Принимается, что этот фактор в одинаковой степени влияет на все прочностные характеристики сталей. Однако известно [2], что даже для одной стали в различных ее исходных структурных состояниях расхождение между расчетными и экспериментальными значениями σR по соотношениям (1-3) достигает 30-35%. Влияние фазового состава сталей на взаимосвязь σR и механических характеристик не может быть выявлена достаточно уверенно существующими методами усталостных испытаний.
Действительно, σR определяется испытанием до разрушения одной группы образцов стали, а σ0,2, σB, Ψ, δ5 - на образцах другой группы той же стали. Однотипные образцы имеют естественную неоднородность структурно-фазового состава, различаются по объемной доле, характеру распределения, дисперсности фазовых составляющих структуры, так что скорее можно говорить о качественной, а не о количественной зависимости указанных характеристик.
Целью предлагаемого способа является повышение достоверности определения предела выносливости низколегированных низкоуглеродистых сталей по механическим характеристикам. Предлагается наряду с определением предела текучести образца определять его структурно-фазовый состав. Нами проведены масштабные исследования с низколегированными низкоуглеродистыми сталями 09Г2С, 10Х2ГНМ, 17ГС, 17Г1С по выявлению взаимосвязи σ-1 и σ0,2 с учетом фазового состава сталей.
Образцы сталей подвергались предварительной термической обработке по режимам, приведенным в табл.1, что обеспечивало различный исходный структурно-фазовый состав. Механические свойства указанных сталей для различных вариантов термической обработки даны в таблице 2.
Образцы, изготовленные из этих групп металла, подвергались термическому циклу с нагреванием при Тmax=1350°С и охлаждением с различной скоростью W8-5 в интервале температур 800-500°С диффузионного превращения аустенита. В результате получен набор образцов с широкой гаммой содержания долей фаз в структуре металла.
Ускоренный неразрушающий метод [3] позволяет измерить предел выносливости σ-1 одного образца с высокой точностью (погрешность до 5%) и дальше определить предел текучести σ0,2 и его структурно-фазовый состав на том же образце, что исключает влияние мешающих факторов. Результаты измерений σ-1 и σ0,2 в зависимости от объемной доли фазовых составляющих в структуре приведены на рис.1 для двух сталей и двух исходных их структурных составов: а) 
исходная структура Б-М; 
исходная структура Ф-Пз; б) исходная структура Ф-Б; 
исходная структура Б-М.
Видно, что для стали 09Г2С в зависимости от объемной доли феррита в интервале 1,0-0,2 соотношение σ-1/σ0,2 не остается постоянным, тогда как для долей феррита Ф<0,2 это соотношение практически не изменяется, как и для стали 10Х2ГНМ в отсутствии ферритной фазы в структуре металла.
Полученные данные позволили предложить формулу, связывающую соотношение σ-1/σ0,2 с долей ферритной Ф фазы в структуре металла
где NФ - доля ферритной фазы.
График этой зависимости представлен на рис.2. Тогда предел выносливости σ-1 можно рассчитать, если известны σ0,2 и доля феррита Ф в структуре металла
Сравнительные расчетные по формулам (1-4) и экспериментальные результаты для сталей с различным исходным структурным составом приведены в таблице 3.
Как следует из приведенных данных, предложенная формула (4) дает наиболее сходимые результаты расчета σ-1 в сравнении с известными ранее формулами (1-3) для всех приведенных исходных структурно-фазовых составов сталей.
ПРИМЕР ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СПОСОБА
Для низкоуглеродистой низколегированной стали 17 ГС с долей ферритной фазы в структуре металла Ф=0,58 по графику (рис.2) находим σ-1/σ0,2=0,62 (тот же результат получим расчетным путем по формуле (*)). На стандартном образце при статическом испытании на разрыв определено значение σ0,2=428 МПа. Тогда σ-1=428·0,62=266 МПа. Стандартные испытания образцов той же группы стали по методу Локати на 5 образцах дали предел выносливости σ-1=253±28 МПа.
ЛИТЕРАТУРА
1. Иванова B.C. Природа усталости металлов [Текст] / B.C.Иванова, В.Ф.Терентьев - М.: Металлургия, 1975 - 456 с.
2. Шаповалова Ю.Д. Ускоренное определение усталостных свойств сталей вихретоковым методом [Текст] / Ю.Д.Шаповалова, С.Г.Емельянов, Д.И.Якиревич - Курск, Изд. КГТУ, 2009. - 134 с.
3. Терентьев В.Ф. Усталостная прочность металлов и сплавов [Текст]: Интернет- Инжиниринг, 2002. - 228 с.
| Таблица 2 | ||||||
| Марка стали | Вариант термич. обработки | Механические свойства | ||||
| σВ, МПа | σТ, МПа | δ5, % | ψ, % | HV, МПа | ||
| 09Г2С | 1 | 1023 | 660 | 11,1 | 61,6 | 3100 |
| 2 | 611 | 435 | 24,0 | 65,2 | 1850 | |
| 3 | 546 | 320 | 26,8 | 70,9 | 1650 | |
| 4 | 486 | 239 | 29,5 | 71,6 | 1470 | |
| 10Х2ГНМ | 1 | 594 | 446 | 19,0 | - | 1800 |
| 2 | 858 | 644 | 18,0 | - | 2600 |
Способ определения предела выносливости низкоуглеродистых низколегированных сталей, включающий определение предела текучести образца, отличающийся тем, что дополнительно определяют его структурно-фазовый состав и рассчитывают предел выносливости по формуле
σ-1=σ0,2[1+exp(-1/NФ)],
где σ0,2 - предел текучести образца;
Nф - доля ферритной фазы в структуре металла.
