24 февраля 2017г.
Одной из важнейших задач структурной перестройки отечественной промышленности является ускоренное формирование технологической базы по обеспечению конкурентоспособной продукции на внутреннем и внешнем рынках. Качество машиностроительных изделий характеризуется их эксплуатационными свойствами, в значительной степени определяемыми развитием технической и информационной сферы производства.
В процессе эксплуатации большинство машин и оборудования испытывают воздействие циклических нагрузок, поэтому наиболее распространенным видом эксплуатационных разрушений инженерных конструкций является усталостное разрушение, что часто приводит к серьезным материальным потерям, а порой и человеческим жертвам [1]. Отсюда вопросы долговечности (работоспособности) работы деталей, узлов, машин и технических устройств в целом являются приоритетными направлениями современной науки и важнейшей задачей промышленности.
В промышленном производстве широко используются металлические изделия, которые изготавливаются различными способами обработки. Как правило, все прочностные металлические детали машин изготавливаются из заготовок, полученных методом горячей или холодной обработки давлением [2]. Различные условия эксплуатации отличаются величиной, характером нагрузки, температурными условиями и средой, которые по-разному влияют на процессы упрочнения металла и его сопротивления усталостному разрушению [3]. Многие детали машин и конструкций, изготовленные из таких заготовок, должны выдерживать огромное количество знакопеременных воздействий нагрузок и напряжений.
В зависимости от ряда факторов изменение нагрузок могут происходить либо в пределах установленных деформаций, либо в пределах установленных напряжений. Постоянный интерес к проблеме усталостного разрушения из металлов и сплавов связано с проблемами усталостного разрушения ответственных деталей металлоконструкций [4,5], так как хрупкому разрушению таких деталей часто предшествует подрастание усталостной трещины, что снижает несущую способность. Использование подходов механики разрушения позволило оценить и спрогнозировать трещиностойкость и долговечность металлоконструкций [6]. Необходимо, чтобы методы испытаний металлических материалов на усталость и циклическую трещиностойкость оказались чувствительными к структурному состоянию материала. Кроме того, при проведении усталостных испытаний методически можно проследить кинетику накопления повреждений.
На сегодняшний день не просматривается единой схемы технологической подготовки при проектировании металлических изделий методами обработки давлением с позиции прогнозирования долговечности и взаимосвязи между деформируемым состояния метала или сплава и формируемой им структурой, которая определяет сопротивление усталости предполагаемого изделия [5,7]. При этом отмечается недостаточность эффективности средств информационной поддержки процесса конструкторско- технологического проектирования, которая касается с одной стороны процессов обработки давлением, с другой - циклической долговечности материала, полученной в результате технологического передела.
В объеме получаемых изделий в виде поковок и листовых заготовок формируется различная микроструктура, которая отличается величиной зерна, морфологией структуры и значением остаточных напряжений разных уровней [8,9]. В работе [6] указывается, что основным при усталостном разрушении являются не осредненные характеристики сопротивлению деформированию, а величины в конкретных местах (объемах) и элементах изделий, отвечающих в первую очередь за их эксплуатационную долговечность. Для взаимосвязи локальных деформированных объемов со структурным их изменением необходима количественная их оценка.
Важно предложить информационное обеспечение технологического проектирования изготовления пластически деформированных металлоизделий с заданными усталостными характеристиками. Существующая практика технологического проектирования не позволяет разрабатывать технологии изготовления металлоизделий, формообразованных процессами обработки давлением, исходя из требований, предъявляемых к их служебным свойствам, в частности циклической долговечности.
К числу факторов, влияющих на структурное состояние материала, относятся размер зерна, тип микроструктуры, вид термообработки и наличие остаточных напряжений на уровне микро и субструктуры. При этом многие отечественные и зарубежные исследователи отмечают, что важнейшим структурным параметром поликристаллических металлических материалов, влияющим на зарождение и распространение трещин, является размер зерна [6,10], поскольку границы зерен могут быть эффективными барьерами для развития процессов скольжения.
В высокопрочных металлических материалах определяющим структурным фактором может являться размер субзерна или одной из структурных составляющих. Чаще всего с уменьшением размера зерна предел выносливости гладких образцов возрастает, хотя измельчение структуры не всегда приводит к изменению долговечности.
Пластическая деформация в холодном или горячем состоянии влияет на структуру металла на всех ее уровнях, при этом она одновременно может сочетаться с термической обработкой [11-13]. На уровне тонкой структуры она изменяет плотность и структуру дефектов кристаллической решетки, на микроуровне – величину зерна, морфологию, величину остаточных напряжений, на макроуровне является причиной возникновения остаточных макронапряжений в силу неравномерности деформации в объеме формоизменяемой заготовки и текстуры деформации. К числу основных технологических факторов относятся: степень деформации, ее механическая схема и температурно-скоростные условия обработки. Для всего изделия в целом на служебные свойства также влияет неоднородность структуры по всему объему детали [8,10]. Она определяется размерами детали, а также геометрией конструктивных элементов или отдельных объемов детали (заготовки), наиболее нагруженных и отвечающих за циклическую долговечность изделия. Последний фактор, в частности, имеет большое влияние, так как в изделиях, работающих в реальных условиях эксплуатации, как правило, основную нагрузку принимают конкретные элементы: в крепежных изделиях (гайки, болты) - резьба; в упругих элементах (рессоры) – внутренняя плоская поверхность; в листовых жесткостях - рифты; в режущих изделиях (топорно-ножевая группа) – лезвие и т.д.
Вопросам усталости конструкционных материалов посвящено достаточно большое количество как зарубежных, так и отечественных исследований, обзор которых представлен в работах [1,6]. В них приведены сведения по сопротивлению усталости металлов и сплавов, деформированных при комнатной температуре и равномерном нагружении.
В условиях технологического передела исходного материала процессами давления механические свойства металлов и сплавов зависят от структуры, определяемой условиями их обработки [4,5]. Имеется четкая связь между параметрами структуры, в частности размером зерна, и механическими и служебными характеристиками металла. По мнению [14] «размер зерна представляет тот структурный параметр, который легче всего выделить, и который может установить аналитические соотношения между структурой и свойствами». Это позволяет косвенным образом оценить механические характеристики и служебные свойства материала, и как следствие, в технических требованиях ответственных изделий задается балл зерна.
Обработка металлов и сплавов давлением в горячем состоянии имеет огромное применение в производстве во всех ее видах. В условиях горячей деформации при температурах свыше 0,4Тпл происходит процесс рекристаллизации, которая сводится к образованию новых зерен взамен деформированных.
В качестве основного параметра, влияющего на сопротивление усталости пластически деформированных металлов и сплавов в условиях горячей обработки предлагается рассматривать величину размера рекристаллизационного зерна, т.к. с увеличением степени рекристаллизации снижается циклическая долговечность материала.
Известен способ [15] определения параметров кривой усталостного разрушения металлических изделий, заключающийся в их циклической нагруженности до разрушения, определением числа циклов нагружения до разрушения при фиксированном уровне нагружения и установлении корреляции между уровнем цикличного нагружения и числом циклов до разрушения.
Однако, для реализации данного метода необходимо осуществить длительные и трудоемкие циклические (усталостные) испытания. Их проводят с записью информативных параметров сигналов акустической эмиссии, по которым регистрируется момент возникновения трещины, и осуществляется последующее монотонное растяжение испытываемого материала до разрушения, чтобы вскрыть поверхность трещины с целью анализа очага разрушения на поверхности излома с использованием электронного микроскопа.
При этом если для ускорения процесса испытания проводят высокочастотные циклические нагружения, то в металле будут протекать процессы отличные от условий эксплуатации конкретных деталей (например, разогрев металла), что может оказывать существенное влияние на процессы его упрочнения – разупрочнения, а, следовательно, и на величину циклической долговечности. Кроме того, предложенная авторами схема нагружения не всегда соответствует реальному условию эксплуатации металлоизделий (например, рессор и других высоконагруженных деталей).
В работе представлены результаты изучения взаимосвязи между формируемой технологией изготовления структурой и сопротивлением усталости металлоизделия.
Микроструктурные исследования [16] в рессорной стали 50ХГФА проводились с целью определения размера зерна для образцов с разными степенями технологической деформации (степенями обжатия). Для этого плоские образцы вырезались методом проволочной электроэрозионной резки из раскатанных на клин и термически обработанных металлов.
По длине прокатанного листа определялся размер зерна. С этой целью, на основании применения оптической цифровой микроскопии, был разработан специализированный программный пакет с использованием программного обеспечения NI Vision и среды разработки LabVIEW фирмы National Instruments [17]. В состав пакета входят две программы. Первая обеспечивает количественные измерения и обсчет микроструктуры металла. Для этого производится бинаризация цифровых фотографий микроструктуры, в результате которой элементы изображения разделяются на объекты – зерна и фон.
Полученные образцы испытывались на усталость (консольно-симметричный изгиб) при одинаковом напряжении [5,18], обеспечивающими уровень циклической долговечности в области 105-106 циклов. Результаты испытаний на усталость сравнивали с размерами зерен образцов. В результате получили уравнение зависимости количества циклов до разрушения (циклическая долговечность) образцов стали 50ХГФА. Полученное уравнение зависимости количества циклов до разрушения стали 50ХГФА от величины зерна представляет собой формулу:
Y = - 237125,08 Ln(x) + 1336448,22
R2 = 0,93, (1)
где Y – число циклов до разрушения;
х – размер зерна, мкм;
R – коэффициент корреляции.
Для реализации способа достаточно определить величину размера зерна стали и по уравнению 1 вычислить ожидаемую циклическую долговечность. Способ позволяет прогнозировать циклическую долговечность и существенно сократить время оценки для стали типа 50ГГФА, для чего достаточно определить размер зерна и по уравнению 1 вычислить ожидаемую циклическую долговечность. Кроме того, данный способ позволяет выбрать оптимальный режим из конкурирующих технологических обработок по параметру цикличной долговечности методом сравнения по величине зерна: где меньше зерно, там и выше будет циклическая долговечность.
Экспериментальное подтверждение способа проводилось также на сталях марки 51ХГФА и 60С2А. Результаты подтвердили достоверность данного способа. Отклонения циклической долговечности в экспериментах от данных, полученных по уравнению 1, не превышали 6%. Это дает основание в данном случае полагать в качестве основного контролирующего параметра, характеризующего сопротивление усталости, размер зерна.
Выводы
1. Показана принципиальная возможность прогнозирования циклической долговечности рессорно- пружинных сталей типа 50ХГФА по параметру величины зерна, при существенном сокращении времени ее оценки за счет исключения длительных, дорогостоящих, энерго- и трудоемких усталостных испытаний.
2. Выявленная зависимость позволяет также без проведения длительных трудоемких усталостных испытаний выбрать оптимальный режим из конкурирующих технологических обработок по параметру цикличной долговечности сравнив величину зерна сталей после этих режимов: где меньше размер зерна, там и выше будет циклическая долговечность.
Список литературы
1. Пачурин Г.В., Галкин В.В., Пачурин В.Г. Долговечность упрочненных металлов и сплавов: учебное пособие / Г.В. Пачурин, В.В. Галкин, В.Г. Пачурин. – Старый Оскол: ТНТ, 2017. - 228 с.
2. Галкин В.В., Пачурин В.Г., Пачурин Г.В. Эксплуатационная долговечность листовых гофрированных заготовок из некоторых титановых сплавов // Фундаментальные исследования. –2014. – № 12-3. – С. 476-482.
3. Пачурин Г.В. Роль структуры поверхности в коррозионной усталости деформированных металлических материалов // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 1.; URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=11907 (дата обращения: 15.01.2017).
4. Галкин В.В., Пачурин В.Г., Пачурин Г.В. Структурно-механические и усталостные свойства штампованных на молоте и прессе листовых гофрированных панелей из сплава ЭИ 878 // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 10-15. – С. 3294-3298.
5. Пачурин В.Г., Галкин В.В., Пачурин Г.В., Дербенев А.А. Оценка влияния структурного состояния на циклическую долговечность деформированных материалов // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. - 2015. - № 4 (111). - С. 177-185.
6. Терентьев В.Ф. Усталостная прочность металла и сплавов. – М.: Интермет Инжиниринг, 2002. – 288 с.
7. Пачурин Г.В., Филиппов А.А., Кузьмин Н.А. Влияние химического состава и структуры стали на качество проката для изготовления болтов // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2014. – № 8-2. – С. 87-92.
8. Пачурин В.Г., Галкин В.В., Пачурин Г.В. Оценка деформационной неоднородности в раскатанных изделиях с клиновым профилем // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 11-4. – С. 765-773.
9. Пачурин В.Г. Закономерности изменения структурно-механических свойств металла в изделиях с клиновым профилем, получаемого операцией раскатки / В.Г. Пачурин, В.В. Галкин, Г.В. Пачурин, А.А. Дербенев: Перспективные технологии XXI веке. В 2-х книгах. К 2: монография / под общ. ред. С.В. Куприенко; SWorld. – Одесса: Куприенко С.В., 2013. – 155 с. ISBN978-966-2769-20-3 (С. 59-78; 148-149).
10. Пачурин В.Г., Филиппов А.А., Пачурин Г.В. Формирование структуры хромистых сталей под высадку болтов // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2011. –№ 9. – С. 55-56.
11. Филиппов А.А., Пачурин Г.В., Кузьмин Н.А. Упрочняющая обработка проката для крепежа с целью снижения его стоимости // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2014. – № 8 (2). – С. 107-110.
12. Филиппов А.А., Пачурин Г.В., Кузьмин Н.А. Анализ качества проката для холодной высадки крепежных изделий // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2014. – № 8 (2). – С. 111-115.
13. Филиппов А.А., Пачурин Г.В. Подготовка проката для высокопрочных болтов: Учебное пособие/ А.А. Филиппов, Г.В. Пачурин; под общ. ред. Г.В. Пачурина. – Старый Оскол: ТНТ, 2015. – 176 с.
14. Бэкофен В. Процессы деформации / В. Бекофен. - Массачусетс, Калифорния, 1972. Пер. с англ. – М.: Металлургия, 1977. - 288 с.
15. Бюл. № 26, Патент RU 2 461 808 С2 G01N 3/32 (2006/01). Опубликовано 20.09.2012 года.
16. Пачурин, В.Г., Галкин, В.В., Пачурин, Г.В. Проектирование штампованных изделий с высокими усталостными свойствами: Монография. – Издатель LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG, Germany. 2016. – 117 с. (№ ISBN: 978-3-659-90930-6).
17. Манцеров С.А., Галкин В.В., Терещенко Е.Г., Дербенев А.А., Хадаев Р.Г., Пачурин В.Г. Определение величины зерна для оценки степени рекристаллизации горячедеформированных сталей и сплавов. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2105611190. Заявка 20146663 от 09.12.2014 г. Дата гос. регистр. в реестре программ для ЭВМ 26.01.2015 г.
18. Власов О.В., Галкин В.В., Терещенко Е.Г., Пачурин Г.В. Исследование закономерностей структурно-механических изменений раскатанной на клин стали 50ХГФА с целью повышения ресурса малолистовых рессор // Ремонт. Восстановление. Модернизация. - 2013. - № 10. - С. 04-10.
