СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЕДЕЛА ВЫНОСЛИВОСТИ НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ Российский патент 2013 года по МПК G01N3/32 

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 σ_R (R - коэффициент асимметрии цикла) делать по взаимосвязи σ_R с другими характеристиками сталей, прежде всего пределами текучести σ_0,2 и прочности σ_B. 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 σ_R по соотношениям (1-3) достигает 30-35%. Влияние фазового состава сталей на взаимосвязь σ_R и механических характеристик не может быть выявлена достаточно уверенно существующими методами усталостных испытаний.

Действительно, σ_R определяется испытанием до разрушения одной группы образцов стали, а σ_0,2, σ_B, 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 σ_0,2 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 Т_max=1350°С и охлаждением с различной скоростью W_8-5 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 σ_0,2 и его структурно-фазовый состав на том же образце, что исключает влияние мешающих факторов. Результаты измерений σ_-1 и σ_0,2 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-П_з; 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/σ_0,2 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/σ_0,2 с долей ферритной Ф фазы в структуре металла

где N_Ф - доля ферритной фазы.

График этой зависимости представлен на рис.2. Тогда предел выносливости σ_-1 можно рассчитать, если известны σ_0,2 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/σ_0,2=0,62 (тот же результат получим расчетным путем по формуле (*)). На стандартном образце при статическом испытании на разрыв определено значение σ_0,2=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 σ_В, МПа σ_Т, 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

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.

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=σ_0,2[1+exp(-1/N_Ф)],
где σ_0,2 - предел текучести образца;
N_ф - доля ферритной фазы в структуре металла.