CC BY
32
УДК 620.186: 620.17 Агрызков Леоднид Емельянович,
к.т.н., главный металлург, ОАО ПО «ИЗТМ», тел.: (3952) 288-121, e-mail: [email protected] Ивакин Валентин Леонидович, к.т.н., генеральный директор 292 центральной лаборатории, ОАО ПО «ИЗТМ», тел.: (3952) 288-133, e-mail: [email protected]
Мусихин Ллексей Mихайлович, инженер-технолог отдела главного металлурга, ОАО ПО «ИЗТМ», тел.: (3952) 253-377 (добавочный 2-95), e-mail: [email protected]
Черняк Саул Самуилович, д.т.н., профессор, ИрГУПС, тел.: (3952)297-266
СТРУКТУРА И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НИЗКОФОСФОРНОЙ ВЫСОКОМАРГАНЦЕВОЙ
СТАЛИ
L.E. Agryzkov, V.L. Ivakin, A.M. Musikhin, S.S. Chernyak
STRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTIES OF LOW-PHOSPHORUS HIGH-MANGANESE STEEL
Аннотация. Представлены результаты исследований по улучшению механических свойств низкофосфорной высокомарганцевой стали. Приведены результаты испытаний образцов стали 110Г13Л по различным методикам (методы Лившица - Рахманова, Гуляева, Отани, осцилло-графический, скоростной киносъемки).
Ключевые слова: хладостойкость, ударная вязкость, зарождение трещины, разрушение, высокомарганцевая сталь.
Abstract. In the paper the results of researches on improvement of mechanical properties of low-phosphorus high-manganese steel are presented. The results of tests of steel 110G13L samples by various techniques (Livshits - Rakhmanov, Guljaev's methods, Otani, oscillographic, high-speed filming) are shown.
Keywords: cold resistance, impact strength, origin of a crack, destruction, high-manganese steel.
Исследование влияния фосфора на хладостойкость было проведено на высокомарганцевой стали с различным его содержанием. Избирались образцы от специально проведенных промышленных плавок с фосфором 0,020; 0,072; 0,108 %.
Высокомарганцевая сталь с 0,108 % фосфора имеет низкую ударную вязкость при обычной температуре (рис. 1, кривая 2). Она разрушается по границам зерен, на которых видны следы деформации. Сталь с 0,023 % Р характеризуется весьма высокими показателями ударной вязкости
(рис. 1, кривая 1) в широком интервале температур (от +20 до -180 оС). Абсолютная величина ударной вязкости не может характеризовать поведение металла в конструкции машины в сложных условиях эксплуатации. Важно знать ее составляющие - работу зарождения и распространения трещины, особенно их соотношение.
«ас» г-р г
г°с
Рис. 1. Зависимость ударной вязкости (2), угла загиба (1) от температуры испытаний стали с 0,108 % фосфора
Было проведено сравнение результатов по имеющимся методикам с экспериментальными данными разрушения образцов при испытании образцов на ударную вязкость с регистрацией процесса скоростной киносъемкой и синхронной фоторегистрацией осциллограмм на копре ПСВО-30.
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
Определение составляющих ударной вязкости проводили по методикам Гуляева, Отани, Лившица - Рахманова, а также осциллографией и скоростной киносъемкой. Методика Гуляева по разделению ударной вязкости
КСин = КСИз + КСир основана на предположении, что величина КСин прямо пропорциональна величине надреза. Это предположение допускает экстраполяцию функции КСи = ф(г) на нулевое значение г. Отрезок на оси координат КСИ = 0; КСИ = КСИг [1].
На рис. 2 представлены результаты испытаний стали Гадфильда на образцах с различными надрезами.
составит работу разрушения. Полученные результаты показаны на рис. 3.
Рис. 2. Зависимость угла загиба (а) и ударной вязкости (б) от температуры испытания низкофосфористой стали Гадфильда на образцах с различными надрезами: нормальный, тип I (1); острый, тип IV (2) По методу Отани каждый образец из серии испытывали при различном запасе работы маятника, достаточном для образования трещины в основании надреза. Ее глубину выявляли путем окрашивания. Затем образцы подвергали вторичному испытанию при той же температуре, но уже с полным запасом энергии маятника. После окончательного разрушения образца определяли глубину трещины по величине работы второго удара при наличии в образце трещины глубиной 1 мм, образовавшейся при первом ударе.
По методу Лившица - Рахманова [2] дифференцирование ударной вязкости на составляющие производили испытанием серии образцов при данной температуре с различным запасом энергии без разрушения. Затем по трем другим образцам определяли ударную вязкость - как на разрушенных, так и на неразрушенных образцах. Замеряли величину прогиба от величины поглощенной энергии, при этом предполагается линейная зависимость угла загиба от величины поглощенной энергии. Величина прогиба образца определялась при разделении ударной вязкости на ее составляющие по
методу Лившица - Рахманова по формуле ф
ф = 2—1, где ф1 - длина развертки диаграммы, фо
полученной на осциллографе; ф0 - длина масштабной линии, соответствующая прогибу в 2 мм. Разность между поглощенной энергией работы разрушившихся образцов и работой деформации
Рис. 3. Разделение ударной работы высокомарганцевой стали на составляющие по методам Лившица - Рахманова (а); Отани (б); Гуляева (в)
У сталей с различным содержанием фосфора при одной и той же величине ударной вязкости соответствует различный угол загиба. В этом случае при сравнительной оценке вязкости стали, казалось бы, может приобрести смысл величина отношения ударной вязкости к углу загиба (КСИ МДж/м2/град.). Для одной и той же стали эта величина должна была мало зависеть от температуры или несколько возрастать с понижением температуры вследствие низкотемпературного упрочнения за счет затруднения пластической деформации. Однако такой закономерности не наблюдается (рис. 4).
020
сх £ 0 ,6
х
^ 0.12 %
О
* оое
з/
Г
\) /
/! / 1 1
/ | /
—
■ 100 -«О
г "с
Рис. 4. Зависимость температурного изменения величины ударной вязкости, отнесенной к углу загиба, от содержания фосфора 0,108 % (1); 0,35 % (2); 0,030 % (3) в высокомарганцевой стали
Современные технологии. Механика и машиностроение
ш
С понижением температуры доля ударной вязкости, приходящаяся на загиб образца на угол в 1 %, падала. При высокой температуре эта величина больше, чем при низкой. Это можно объяснить только дополнительным вкладом той доли ударной вязкости, которая составляет работу распространения трещины, изменяющуюся с изменением температуры. Доля этой работы тем больше, чем больше разница минимальной и максимальной величин отношения КСи к углу загиба. Сама величина этого отношения не может быть критерием в оценке вязкости различных сталей, т.к. изменение может происходить как за счет величины ударной вязкости, так и угла загиба, соотношения которых у различных сталей не совпадают.
Работа зарождения трещины даже при температуре испытания +20 оС составляет незначительную долю от общей работы разрушения. При испытании в интервале температур от +20 до -20о ударная вязкость металла около 1,9 МДж/м2. При этом работа распространения равна 1,5 МДж/м2. С понижением температуры уменьшаются обе составляющие работы разрушения.
Таким образом, порог хладноломкости сталей типа 110Г13Л по каким-либо визуальным признакам определен быть не может. За условный порог хладноломкости может быть принята температура, соответствующая определенной величине ударной вязкости, например 0,4 МДж/м2. Так как подавляющая доля этой работы затрачивается на работу распространения трещины, то такой металл может быть гарантирован от внезапных разрушений в процессе эксплуатации при температурах выше критических.
При изучении способности металла к сопротивлению хрупким разрушениям использован метод осциллографической записи результатов ударных испытаний образцов на копре ПСВО-30. Предварительно проводили испытания серии образцов, деформированных на различный угол загиба. Деформированные образцы подвергались металлографическому анализу, посредством которого фиксировалось появление трещин и дальнейший их рост в зависимости от угла загиба.
Трещина возникает на малой глубине под дном надреза в области с напряженным состоянием, близким к объемному. Появляющаяся под надрезом зародышевая трещина пробивает тоннель вдоль образца и только после этого за счет разрыва тонкой перемычки проявляется на поверхности надреза [3]. В.М. Финкель [4], рассматривая процесс роста трещины, установил, что перед этим вдоль образца распространяется волна пластической деформации, приводящая к созданию мелкой сетки трещин и пронизывающая все его сечения.
Внутри образца разрыхление протекает более интенсивно, чем на поверхности надреза. Последующий рост магистральной трещины идет путем объединения мелких трещин. Такая же картина наблюдалась при изучении наших образцов (рис. 5).
Рис. 5. Зарождение и распространение трещины на образцах при различном угле подъема магнита копра ПСВО-ЗО: 20о (а); 30о (б), структура с деформированными зернами; 50о (в), зарождение трещины; 60о (г); 70о (д), распространение трещины
При рассмотрении характера осциллограммы на площадке текучести наблюдается большое число «всплесков», характеризующих местную релаксацию упругих напряжений в отдельных микрообъемах металла. Г.И. Погодин-Алексеев [5] отмечает, что на осциллограммах образцов конструкционных сталей, имевших концентраторы напряжений (надрезы), «всплеска» предела текучести не происходит. Эти «всплески» являются характерными для аустенитной стали Гадфильда. В полученной осциллограмме просматривается большое количество «всплесков» в области интенсивного течения металла, при зарождении трещины. В последующих осциллограммах, несмотря на увеличение упругих напряжений в микрообъемах, наблюдается распространение трещины. Такое протекание процесса пластического течения обусловлено генерированием и перемещением дислокаций, что возможно после отрыва их от сдерживающего влияния «атмосферы» чужеродных атомов. Это сопряжено с приложением внешнего усилия, превышающего тормозящую силу связи дислокации с «атмосферой», т.к. данная сила является мерой «инерционности» поликристаллического тела и определяет длительность «задержки» пластической деформации, а также величину «всплеска» текучести [5].
На основании описанного эксперимента произведено разделение ударной вязкости на ее
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
составляющие KCU = КСЦ, + KCUp по данным испытаний на копре ПСВО-ЗО (рис. 6).
5 >е
0.8
МГЦ у
. ... /1
/ V г 1
—У | 1
-140
•60 °С
-го
туре -40 оС, работа зарождения трещины (КСЩ - 0,5 МДж/м2. В табл. 1 показаны результаты разделения ударной вязкости на составляющие по указанным методам в интервале температур от +20 до -120 оС в сопоставлении с данными, полученными методами осциллографии и скоростной киносъемки. Эти данные позволяют сопоставить работу зарождения и распространения трещины в высокомарганцевой стали, полученную различными методами.
Рис. 6. Разделение ударной вязкости низкофосфористой стали на ее составляющие (КСиз и КСир) по данным осциллограмм, полученным при разрушении образцов на копре ПСВО-ЗО
Работа зарождения трещины составляет 0,6 МДж/м2. С понижением температуры одновременно уменьшаются ударная вязкость стали и величина работы распространения трещины
(KCUp).
В целях повышения точности определения границ раздела работы зарождения и распространения трещины изучен процесс разрушения стали Гадфильда методом скоростной киносъемки (6 тыс. кадр/с) с синхронной фоторегистрацией осциллограмм на копре ПСВО-ЗО с маятником специальной конструкции. Двухканальный осциллограф позволяет получать диаграмму разрушения с метками времени (интервал 100 мк/с). Простым подсчетом числа кадров установлено, что длительность периода от начала нагружения до появления трещины при температуре испытания -40 оС, составляет 1 тыс. мк/с. Методом подобия определяли составляющие ударной вязкости работы зарождения и распространения трещины.
На рис. 7 показана кинетика процесса разрушения образца из стали Гадфильда при -40 оС. Первый кадр соответствует начальному моменту нагружения, затем наблюдаются упругая и пластическая деформации, сопровождающиеся зарождением и распространением трещины до разрушения образца.
По количеству отметок времени на осциллограмме, соответствующей работе разрушения, было определено время прохождения одного кадра (съемка проводилась с постоянной скоростью), что позволило определить время зарождения трещины и найти этот участок на осциллограмме. Таким образом были определены составляющие ударной вязкости стали Гадфильда при темпера-
Рис. 7. Процесс разрушения образца из стали Гадфильда при -40 оС - скоростная киносъемка (6 тыс. кадров/с): кадры киноленты (а, б, в)
Таблица 1 Результаты определения работы зарождения
Температура испытания, оС Метод
Гуляева Отани Лившица Рахманова Осцилло-графический Скоростной съемки
кс Из КС Ир КС Из КС Ир КС Из КС Ир КС Из КС Ир КС Из КС Ир
+20 0,45 2,30 1,50 7,70 1,05 5,20 0,96 4,8 1,06 5,15 1,00 4,85 0,57 2,86 1,37 7,14 0,61 3,07 1,38 6,93
-40 0,40 2,76 1,10 7,24 0,53 4,00 0,77 6,00 0,70 5,17 0,65 4,83 0,37 2,64 1,00 7,36 0,51 3,52 0,84 6,48
-120 0,30 3,34 0,60 6,66 0,35 4,03 0,52 5,97 0,35 4,13 0,50 5,87 0,27 3,10 0,60 6,90 - -
Примечание: числитель - составляющая ударной вязкости, МДж/м2; знаменатель - составляющие ударной вязкости в % к показателю ударной вязкости.
Принимая за основу результаты скоростной киносъемки, позволяющие объективно определить границу раздела между KCUз и KCUp, можно судить о применимости той или иной методики по разделению ударной вязкости на ее составляющие для стали Гадфильда. В рассмотренных ранее методах по разделению ударной вязкости на ее составляющие условия эксперимента в каждом отдельном случае отличаются друг от друга и стандартных условий испытания. При испытании методами Отани, Лившица - Рахманова и осцилло-графическим изменяются для каждого образца за-
пас энергии и скорость нагружения. При осцилло-графическом методе с синхронной съемкой скоростной кинокамерой получаемая информация соответствует стандартным условиям испытаний. В температурных условиях работы черпающего аппарата драг высокомарганцевая сталь отличается высокой величиной КСИр, характеризующей сопротивление вязкому разрушению. Это подтверждают практические наблюдения за состоянием дражных черпаков, особенно емкостью 600 л, работающих в чрезвычайно тяжелых условиях на грунтах 4 категории с большой валунистостью.
Несмотря на образование трещин в кузове (рис. 8), черпак еще долгое время работал, хотя в области разрушения заметна магистральная трещина и значительное количество направленных к ней сопутствующих мелких трещин.
Рис. 8. Магистральная трещина, сопровождающаяся мелкими трещинами (кузов дражного черпака емкостью 600 л)
Исследовательские данные показывают, что низкофосфористая сталь обладает более высокой ударной вязкостью и повышенным сопротивлением распространению трещин при низких температурах, хотя разрушение во всех случаях проходит по границам зерен.
Вредное влияние фосфора на свойства стали связывают с образованием соединений - фосфидов и фосфидной эвтектики, выделяющихся по границам зерен и в межосных пространствах ден-дритов. В связи с этим изучена микроликвация фосфора и стали, выявляющаяся посредством специального травления. На рис. 9 показано распределение фосфора в центральных частях толстостенных отливок с содержанием фосфора 0,108 % и 0,070 %.
Отчетливо видно, что фосфор распределяется в виде скоплений по границам зерен, причем с его уменьшением пропорционально уменьшается количество включений. В стали с 0,015-0,023 % фосфора включения такого типа отсутствуют. Это же подтверждается специальным исследованием с помощью метода локального рентгеноспек-трального анализа, осуществленного на электронном заводе «Сатеса» М8-46.
Г':. ' '
т
9" - .4 .
б
в
Рис. 9. Характер распределения фосфидных включений в стали Гадфильда 0,108 % (а, б); 0,070 % (в) (х300)
В высокомарганцевой стали с 0,07 % Р обнаружены крупные фосфидные включения, располагающиеся на стыке границ зерен (рис. 10), а в стали с 0,023 % Р подобного типа включения не наблюдаются, фосфор равномерно распределяется по зерну, так же как и сера (рис. 11).
Рис. 10. Фосфидные включения на стыке границ в высокомарганцевой стали по данным рентгеноспектрального исследования на установке «Сатеса» М8-46: в лучах отраженных электронов (а); в рентгеновских характеристических лучах (б); в лучах отраженных электронов (в); в рентгеновских характеристических лучах (г, д); (х300)
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
Рис. 11. Данные рентгеноспектрального исследования характера распределения элементов в низкофосфористой высокомарганцевой стали (микрозонд «Сатеса» М8-46): фосфор (а); сера (б)
На сталях, различающихся содержанием фосфора, изучали тонкую структуру изломов образцов, разрушенных при различных температурах. Изломы образцов независимо от температуры испытания от -20 до -196 оС характеризуются вязким «чашечным» строением. В стали стандартного состава (Р = 0,07 %) в изломе обнаружены пленочные выделения фосфидов, а в низкофосфористой стали (Р = 0,02 %) таких включений нет, даже при температуре испытаний -196 оС «чашечки» имеют вытянутую форму, что говорит о большой пластической деформации.
Сопоставление микрофрактограмм поверхностей изломов показывает их идентичность; в исследуемом интервале температур они вязкие, хрупких участков не обнаружено даже при температуре испытания -196 оС (рис. 12).
Таким образом, изучены возможности улучшения механических и эксплуатационных свойств высокомарганцевых сталей для толстостенных отливок, работающих при больших нагрузках и ударно-гидроабразивном износе, в связи с необходимостью существенного повышения надежности и долговечности ответственных деталей оборудования, используемого в условиях сурового климата Крайнего Севера и Сибири.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Гуляев А.А. Тонкая структура стали Гадфильда - МиТОМ. - 1985. - № 6. - С. 14-18.
2. Лившиц Л.С. Об определении ударной вязкости при низких температурах и склонности металла к зарождению и развитию трещин // Заводская лаборатория. - 1959. - № 2.
3. Дроздовский Б.А. Влияние трещин на механические свойства конструкционных сталей. - М., 1960.
4. Финкель В.М. Влияние температуры испытания и термообработки на рост трещин в некоторых сталях. - ФМиМ, 1961.
5. Погодин-Алексеев Г.И. Динамическая прочность и хрупкость металлов. - М., 1966.
6. Черняк С.С., Ромен Б.М. Высокомарганцевая сталь в драгостроении. - Иркутск : Издательство Иркут. ун-та, 1995. - 384 с.
Рис. 12. Микрофрактограммы поверхностей изломов сталей, различающиеся содержанием фосфора: а, б - (-20 оС); в - (-196 оС) при содержании 0,02 %; г, д, е - (-196 оС) 0,07 %
