автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Диагностика усталостного разрушения сталей и его подавление мощными импульсами электрического тока

РГ6

1 ч

од

АПР М

СОСПИН Олег Валерьевич

На правах рукописи

ДИАГПОСТНКЛ УСТАЛОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ СТАЛЕЙ И ЕГО ПОДАВЛЕНИЕ МОЩНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

специальность 05.16.01 - металловедение и термическая обработка металлов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новокузнецк - 1998

Работа выполнена в Сибирском государственном индустриальном университете.

Научные руководители: доктор физико-математических наук,

профессор Зуев Л.Б.,

доктор физико-математических наук, профессор Громов В.Е.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, старший

научный сотрудник Полетика И.М., кандидат технических наук, доцент Чинокалов В.51.

Ведущая организация: АО «Кузнецкий машиностроительный завод»

Защита состоится 13 мая ) 998 года в_часов на заседании диссертационного совета Д063.99.01 при Сибирском государствешом индустриальном ушгверситете по адресу: 654007, Новокузнецк, ул. Кирова, 42.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

'Николаев А.Л.

'сс-с^-

ОЛтап хара!ггсристнка работы

Проблема усталостного разрушения мет аллов и сплавов остается актуальной до настоящего времени, несмотря на многолетнюю исторгло исследований. Значительный экспериментальный материал, накопленный к настоящем}' времени, в большей степени подчеркивает ее сложность, чем указывает пути решения. Существует достаточно много неясностей как в объяснении природы повреждаемости при усталостном нагружегаш, так и при диагностировании усталости. Работы последних лет указывают на сложпуто природу явления усталости, связанную с самоорганизацией, накоплением и взаимодействием решеточных дефектов в процессе усталостного нагруже-ния.

Сказанное определяет актуальность выполненной работы. Действительно, следует считать, что наиболее часто встречающимся видом нагружения при эксплуатации конструкций, машин и механизмов является циклическое (знакопеременное или более сложное) па. гружение, при котором развиваются усталостные явления. Оно характерно для авиационной и ракетной техники, двигателестроения разного типа, транспорта и других отраслей техники. Неожиданное в большинстве случаев наступление заключительной стадии усталостного разрушения (хрупкий долом) может приводить к катастрофическим последствиям с трудно прогнозируемыми тяжелыми последствиями. Для диагностики усталостного разрушения используются различные методики. В частности, определенные перспективы имеет методика, основанная на измерении малых изменений скорости распространения ультразвука. Помимо надежного определения приближения усталостного разрушения желательной является возможность восстановления ресурса деталей за счет каких-либо внешних воздей-

ствий. Большие возможности в этом отношении представляет применение электроимпульсной обработки способствующей релаксации напряжений и залечиванию трещин.

На основе сформулированных выше положений определена общая задача исследования:'разработать методику подавления усталостных микротрещин с помощью обработки усталостно поврежденного материала импульсами электрического тока большой амплитуды. При этом необходимо достижение следующих частных целей выполняемого исследование;

1.Разработать способ простого и надежного определения стадии развития малоциклового усталостного разрушения, применимый для индивидуальных изделий.

2.Предложить методику восстановления ресурса деталей с помощью специального вида обработки, применимую для достаточно широкого класса практически важных конструкционных матери&тов.

3.Для повышения надежности и глубины понимания получаемых результатов провести металловедческую проработку проблемы усталостного нагружения и природы восстановления ресурса деталей при такой обработке.

Работа выполнена в соответствии с программой фундаментальных исследований «Повышение надежности систем «машина-человек-среда» РАН на 1989-2000гг. (раздел 3.3.1. Разработка аппа-ратурно-методического обеспечения диагностики и контроля надежности, дефектности и структуры конструкционных материалов и изделий из них с использованием волновой теории и методов лазерной голографии»), федеральной целевой научно-технической программой «Интеграция» (!997-2000гг.), едиными заказ-нарядами Министерства общего и профессионального образования РФ (1996-1998гг.),

грандами Министерства общего и профессионального образования РФ по направлению «фундаментальные проблемы металлургии» (1996- 1998гг.), региональной научно-технической программой «Кузбасс» (1997-2000ггЛ.

Новизна полученных в работе результатов определяется тем обстоятельством, что в отличие от традиционных подходов все полученные результаты по диагностике и восстановлению ресурса относятся к индивидуальным изделиям, подвергаемым усталостном)' воздействию. Анализ их состояния не требует привлечения статистических понятий, обычных для традиционного подхода к проблеме усталостного разрушения и затрудняющих точное определение состояния реального изделия. Это порождает принципиально новый подход к прогнозированию ресурса ответственных изделий и позволяет повысить надежность современной техники.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Акустическая методика определения критической стадии усталостного разрушения по изменению скорости распространения ультразвука.

2.Способ подавления усталостного разрушения и частичного восстановления ресурса деталей с помощью обработки импульсами электрического тока большой амплитуды.

Научная и практическая значимость выполненных в диссертационной работе исследований определяется тем, что предложен методически простой и надежный способ определения наступления критической стадии эксплуатации индивидуального изделия и доказана принципиальная возможность частичного восстановления ресурса такого изделия путем его электроимпульсной обработки. Подобные методики могут быть использованы при диагностике состоя-

пия ответственной техники в различных промышленных отраслях. Они не требуют специального дорогостоящего оборудования, достаточно надежны и Moryi быть использованы практически в любых условиях.

Результаты работы докладывались и обсуждались на: V-й Международной конференции «Актуальные проблемы материаловедения в металлургии», Новокузнецк, 1997 г.; XI11 Гагаринских чтениях, Москва, 1997 г.; Международной научно-технической конференции «Высокие технологии в современном материаловедении», С.-Петербург, 1997г.; lV-м Межгосударственном семинаре «Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий», Обнинск, 1997 г.; Научно-технической конференции «Физика и техника ультразвука», С.-Петербург, 1997 г.; 1-м Международном семинаре «Актуальные проблемы прочности», Новгород, 1997 г.; lV-м Китайско-российском симпозиуме «Advanced materials and processes»,-Пекин, КНР, 1997 т.; Научно-технической конференции «Новые технологии в машшюстроешш и приборостроении». Пенза, 1997 г.; XlV-й Уральской школе металловедов-термистов «Фундаментальные проблемы физического материаловедения перспективных материалов», Ижевск, 1998г., а также на научных семинарах Сибирского государственного индустриального университета.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из Введения, шести глав, из которых 1-я является литературным обзором, и Заключения. Она состоит из 109 страниц, содержит 32 рисунка, 4 таблицы и Приложение. Список цитированной литературы насчитывает 113 наименований.

Диагностика усталостного разрушения

Усталостные испытания были проведены по схеме отнулевого изгиба на образцах, изготовленных из конструкционных сталей 35, 40 н 40Х, рельсовой стали М76, нержавеющей стали 1Х18Н9Т и композиции «быстрорежущая сталь Р6М5 - сталь 40», изготовленной методом сварки. Параллельно с усталостными испытаниями производилось измерение скорости распространения ультразвуковых волн (СУЗ) с помощью измерителя структурных превращений ИСП-12 с точностью до КГ1. Прибор работает на несущей частоте 2,5 МГц и генерирует поверхностные (релеевские) упругие волны, распространяющиеся со скоростью V р.

Проведенные эксперименты позволили установить, что во время усталостных испытаний СУЗ непрерывно падает, и зависимость СУЗ от числа циклов нагружения имеет вид трехстадийной кривой. Типичная зависимость такого типа показана на рисунке.

у- ^

5 ш 2,90

Сч ■"С •

<1

оЧ 0,58

х "1,74

I

£ сП 3

Число циклов, АМО3

Зависимость скорости распространения ультразвука от числа циклов нагружения при усталостном испытании для образцов из стали 35.

Для других сталей зависимость полностью аналогична показанной на рисунке. Отличия могут касаться только длительности отдельных стадий. Так, например, общая продолжительность такого рода процесса для рельсовой стали М76 значительно меньше и составляет всего около 3,5»10^ циклов нагружешш. В пределах серии образцов, изготовленных из стали одной марки, кривые также могут отличаться по длительности, сохраняя трехстадийный характер, как это можно видеть на рисунке. Для среднеуглеродистых сталей при амплитуде напряжения 160 МПа длительность первого этапа составляет ~103 циклов, второго около 104 циклов. Наконец, длительность - заключительного спада-1,5« 10" циклов нагружения. Таким образом, зависимость СУЗ от числа циклов нагружения Уи(п) или АУ/Ук(п) может служить характеристикой поведения индивидуального объекта в условиях усталостного нагружения., указывая насколько близко подошел исследуемый объект к разрушению.

Металлографические исследования структуры материала па разных стадиях кривой АУ/\'к(п) позволили установить следующее:

1. На первой и второй стадиях спада СУЗ при усталостных испытаниях в структуре материала практически не возникает заметных изменений, которые были бы разрешимы при использовании металлографического микроскопа.

2. К началу заключительной стадии формируются усталостные микротрещины длиной до 0,015 мм, служащие в дальнейшем очагами разрушения (долом).

3. Между моментом появлением микротрещин и началом резкого спада СУЗ существует однозначная связь.

Таким образом, можно полагать установленным, что резкий спад СУЗ при усталостных испытаниях связан с появлением устало-

стных трещин и сигнализирует о приближении заключительного этапа процесса - перехода к хрупкому долому и разрушению образца или изделия. Такой признак является информативным для конкретного образца и с достаточной степенью точности предупреждает о начале разрушения. Полученные результаты можно рассматривать как предложение и обоснование нового информативного признака усталостного разрушения сталей. В работе предложена и проанализирована геометрическая модель, объясняющая уменьшения СУЗ при усталостном испытании. Она основана на оценке геометрического увеличения длины пути распространения ультразвукового сигнала при образовании несплошностей ir трешин в металле и учете концентрации напряжений вблизи концов трещин. Модель качественно верно описывает кинетику спада СУЗ при росте числа циклов нагру-жения.

Восстановление ресурса усталостно нагруженных образцов

Поскольку измерения СУЗ позволяют с достаточной степенью достоверности предсказать приближение критической стадии разрушения, возникает возможность предотвращения разрушения за счет своевременно использовашюго воздействия на нагружаемый материал. В качестве такого воздействия предложено использовать обработку с помощью электрических токовых импульсов одной полярности с амплитудой до I ГА/м2и длительностью 100...500 мс. Из многочисленных исследований, выполненных ранее, известно, что подобная обработка приводит к заметной пластификации сталей и сплавов без существенного изменения микроструктуры.

Схема эксперимента была следующей. Образцы после перехода к заключительной стадии усталостного испытания, выявляемой с

1и

помощью ультразвуковых исследований, обрабатывались серией электрических импульсов, после чего усталостное нагружеиие и измерение СУЗ продолжааись. Результат обработки состоял в возрастании СУЗ до первоначального значения и увеличении числа циклов, выдерживаемых образцом при продолжении испытаний. Пример таких даииых, полученных при усталостном испытании рельсовой стали М76, приведен в Таблице 1.

Таблица 1

Изменение скорости распространения ультразвука в рельсовой стали М76 поем усталостных испытаний и обработки электрическими импульсами с амплитудой 30 А/мм2

образца число циклов эл. стимуляция м/с

контрольный 1 0 •• .- нет 2910

контрольный 2 0 нет 2910

3.30 1500 нет 2889

3.24 1500 нет 2876

3.16 2500 • нет 2898

3.11 2500 нет 2898

3.30 3000 20 Гц, 30 мин. 2894

3.24 3000 20 Гц, 30 мин. 2890

3.16 3000 20 Гц, 30 мин. 2901

3.11 3000 20 Гп, 30 мин. 2902

Если необработанные образцы после достижения критическою состояния, как правило, выдерживали не более 1000 циклов нагру-жения, после чего следовало разрушение, то после обработки они были способны выдержать 2500...3000 циклов приложения нагрузки. Таким образом, было отмечено существенное возрастание ресурса образца.

Таблица _2

Увеличение ресурса образцов электростимулированием.

марка стали увеличение ресурса, %

40 ~ 35,7

40Х (термообработанная) 20,1 -20,9

М76 26,3 -29,3

Х18Н10Т 22.9-24,3 ■

сварное соединение 40Х+Р6М5 13,4-15,2

Микроскопические исследования позволили установить, что после обработки электрическими импульсами в структуре металла происходят кардинальные изменения. Наиболее существенным образом меняется состояние усталостных микрогрешин, возникших к началу третьей стадии процесса. В трещинах такого сорта появляется новая структурная составляющая, микроструктура которой не разрешается на уровне оптического и электронного растрового микроскопа. В трещине она. как правило, располагается на той стороне, которая при обработке была направлена к «плюсу» генератора импульсов. Однако были отмечены случаи сплошного заполнения объема трещины такой структурной составляющей. Она представляет собой «белый слой», возникновение которого неоднократно отмечалось ранее в случае концентрированного и локализованного подвода внешней энергии, например, при трении пли обработке лучами лазера. Удалось проследить за процессом возникновения белого слоя в таких условиях на специально маркированных отпечатками микроинденто-ра усталостных трещинах. Кроме того была проведена специальная

и

сери я модельных экспериментов с поверхностными закалочными микротрещинами, возникающими при закалке образцов из рельсовой стали М76 в воду. В этом случае возникающие микротрещины длиной до 0,15 мм после обработки импульсами электрическою тока также заполнялись белым слоем. Данные по микротвердости (3000 МПа для стали 40, -10000 МПа для стали М76) позволяют думать, что такой слой состоит из мелкодисперсных продуктов распада мартенсита. Микрорентгеноспектральный анализ слоя в стали 40, выполненный на растровом электронном микроскопе с микроанализатором ^М-Т200 фирмы «,1ео1», указывает на некоторое повышение содержания легирующих элементов (Мл и 81) по сравнению с матрицей. Само же происхождение «белого слоя» представляется следующим. Известно, что вблизи концов трещин возникает концентрация линий электрического тока и соответственно растет выделение тепла, приводящее к появлению локального очага плавления в течение одного импульса. После прерывания тока происходит охлаждешге за счет быстрого теплообмена с окружающим расплавленную зону твердым металлом. Движущийся в сторону микротрещины фронт кристаллизации оттесняет к последней примеси, понижающие температуру плавления железа (Мп и Б]), так что последние кристаллизующиеся объемы, га которых формируется «бельга слой», оказываются обогащенными этими элементами. При дальнейшем охлаждении появляются дисперсные продукты превращения аустенита с указанной выше твердостью. Этог эффект приводит к снижению уровня концентрации напряжений вблизи концов микротрещин и таким образом тормозит развитие разрушения. В общем в структуре усталостно деформированной стали происходит снижение уровня внутренних напряжений 1-го и 2-го родов и рост размеров областей коге-

рентного рассеяния рентгеновских лучей, о чем свидетельствуют данные Таблицы 3.

Таблица^

Изменение характеристик структурного состояния стали 40 после электрической обработки (£> - размер области когерентного

рассеяния)

Состояние 1 Состояние доОЭИ 1 после ОЭИ Отношение показателей

Число циклов до разрушения N 2800 (2000+800) 3800 (2000+1800) 1,36

V*, м/с 2604 ± 1,4 2606 ±1,0 1,0008

а,,МПа(1-йрод) 296 235 0,8

сгц, МПа(2-йрод) 506 253 0,5

0, им —333 —196 0,6

Отмстим, что различие СУЗ до и после электрической обработки является статистически значимых!. Обращает па себя внимание очень существенное снижение уровня внутренних напряжений 2-го рода и размера ОКР. Обе эти величины связаны с характеристиками дислокационной структуры, и их поведение после обработки электрическими импульсами свидетельствует о выравнивании плотности дислокаций по объему металла, что естественно приводит к уменьшению вероятности зарождения трещин. Все эти данные указывают на облегчение хода релаксационных процессов при обработке электрическими импульсами.

Следующий эффект, связанный с электрическим воздействием, характерен для закаленных и отпущенных сталей и состоит в дополнительном отпуске продуктов распада мартенсита. При обработке закаленной стали отмечено некоторое снижение степени тетраго-налыюсти мартенсита, что также можно рассматривать как некоторое умягчение структуры стали.

Наконец, в серии экспериментов, выполненных с помощью анализа температурной зависимости внутреннего трения в проволоке, изготовленной методом волочения при действии электрических импульсов показано, что состояние границ зерен также меняется после электрической обработки. Причиной такого изменения является снижение концентрации примесей внедрения на границах зерен после электростмулированного волочения. Подобный эффект приводит в повышению вероятности релаксационных, процессов за счет зерно-граничных сдвигов в стали.

Таким образом, существует иерархия механизмов, приводящих к восстановлению ресурса образцов при усталостных испытаниях. Наибольшее влияние оказывает появление «белого слоя», заполняющего трещины. Два других эффекта дают метший вклад, но могут быть существенны в других условиях нагружения.

Установленные закономерности позволили предложит}, способ восстановления усталостного ресурса, пригодный для ответственных стальных деталей машин и механизмов. При установлении приближения критической стадии усталостного разрушения по резкому спаду скорости распространения ультразвука или по другому информативном}' параметру, деталь подвергается обработке серией импульсов электрического тока. Подобная обработка может проводиться, например, при техническом обслуживании или ремонте оборудова-

пня. Для этих целей данные о первоначальном значении информативного параметра - скорости распространения ультразвука могуг быть заранее внесены в паспорт изделия. Последующие измерения этой величины дают возможность текущего контроля ее состояния, что делает возможным своевременную замену или ремонт изделия, приближающегося к опасному этапу службы. В свою очередь электрическая обработка позволяет, восстановив ресурс изделия, получить дополнительное время, необходимое для операции замены.

В заключительной главе прослежена связь между трехстадий-ной кривой зависимости СУЗ от числа циклов нагружения при усталостном испытании и и-образной кривой интенсивности отказов, хорошо известной в теории надежности. Показано, что три стадии спада СУЗ отвечают реализации трех видов отказов - приработочных (первая стадия), случайных - (вторая) и износош>гх (третья). Такой анализ объясняет принципиальное отличие между традиционными способами определения ресурса, основанными на статистическом анализе даш!ых испытании по многим образцам, и предложенным, позволяющим определять приближение критической стадии на ин-дивидуатыюм образце или изделии. Это представляется важным в случае дорогих деталей ответственного оборудования, для которых набор большой статистики при испытаниях затруднителен. Переход к измерению и анализу усталостных характеристик отдельных деталей или изделий может привести к существенному удешевлению контрольных мероприятий и повышению надежности техники.

Основные выводы:

1.Доказана применимость методики измерения скорости распространения ультразвука для обнаружения критической стадии усталостного разрушения. Наступление критической стадии обнаруживается по резкому снижению скорости распространения ультразвука после длительного этапа постоянства или медленного падения скорости ультразвука.

2. Предложен способ предотвращения усталостного разрушения путем обработки деталей, вступивших в третью стадию разрушения, электрическими токовыми импульсами большой амплитуды. Такая обработка сопровождается возрастанием ресурса на 15... 3 0%.

3.Показано, что восстанавливающее ресурс действие, электрических импульсов определяется релаксацией напряжений и в некоторых случаях перекристаллизацией материала вблизи микродефектов типа усталостных микротрещин.

^Проанализирован и оценен, как малый, вклад в общий эффект таких механизмов, как дополнительный отпуск закаленной стали или изменение состояния границ зерен при электрической обработке усталостно нагруженных образцов.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих статьях:

1.3уев Л.Б., Чиракадзе Д.З., Соснин О.В., Громов В.Н., Трусова Г.В. О возможности залечивания усталостных повреждений. //Металлофизика и новейшие технологии. 1997. Т. 19. №8. С.80-82. 2.3уев Л.Б., Соснин О.В., Чиракадзе Д.З., Громов В.Е., Муравьев В.В. Акустический контроль долговечности стальных образцов и

восстановление их ресурса.//'Ж-л прикладн. механ. н техн. физ. 1998. №4.

З.Зуев Л.Б., Сосшш О.В., Поляков В.В., Громов В.Е. Электропластический эффект и внутреннее трение в стали 08Г2С.//Металлофизика и новейшие технолопш. 1998. Т.20. №1, С.69-71.

4. Иванов Ю.Ф., Громов В.Е., Козлов Э.В., Сосшш О.В. Эволюция каналов локализованной деформации в процессе электростмулиро-ванного волочения низкоуглеродистой стали.//Известия Вузов. Черная металлургия. 1997. №6. С.42-45.

5.Петрушш В.А., Чиракадзе Д.З., Целлермаер В Я., Громов В.Е. Со-снин О.В. Синергетика элетстростмулироватгого усталостного разрушениям/Известия Вузов. Черная металлургия. 1997. №6. С.46-48

6.Семакин В.Е., Чиракадзе Д.З., Целлермаер В.Я., Громов В.Е., Со-снин О.В.//Известия Вузов. Черная металлургия. 1997. №6. С.48-51.

7. Громов В.Е„ Чиракадзе Д.З., Семакин Е.В., Целлермаер В .Я., Со-снин О.В. Элек'фостимулнровашюе восстановление ресурса выносливости сварных соед1шений.//Известия РАН. Серия физическая. 1997. №5. С. 10 ¡9-! 023.

8.Gromov V.E., Zuev L.B., Tsellermaer V.Ya.. Trusova G.V., Sosnin O.V. Electrostimulated recovery of steels hardness in fatigue test.//Adv. materials and processes. Abst. Fourth Sino-Russian Symposium. Beijing, China, Oct. 12-15. 1997. P.38.

9.1vanov Yu. F., Gromov V.E., Kozlov E.V., Sosnin O.V. Formation and evolution of channels of localized defonnation in process of electrostimulated drawing.//Adv. materials and processes. Abst. Fourth Sino-Russian Symposium. Beijing, China, Oct. 12-15. 1997. P.40. Ю.Кузнецов И.В., Громов В.Е., Состшн О.В., Аппаратурное обеспечение процесса элеклростимулированого восстновления ресурса ме-

таллических деталей при усталостном нагружешш.//Тезисы докладов XlV-й Уральской школы металловедов-термистов «Фундамен-тальныс проблемы физического металловедения перспективных материалов»., Ижевск, 1998г., с. 276.

11. Зуев Л.Б., Соснин О.В., Горлова С.Н., Громова A.B. и др. Эле-ктростимулированное восстановление ресурса при малоцикловых испытаниях нержавеющей стали Х18Н10Т.//Тезисы докладов XIV-й Уральской школы металловедов-термистов «Фундаментальные проблемы физического металловедения перспективных материалов., Ижевск, 1998г., с. 277.