автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Повышение прочности и циклической трещиностойкости хладостойких высокопрочных чугунов



НАЦЮНАЛЬНА АКАДЕМЫ НАУК УКРАШИ Ф13ИКО-МЕХАШЧНИЙ1НСТИТУТ 5м. Г.В. КАРПЕНКА

Андренко 1гор Михайлович

УДК 539.43:620.178.38:669.13

ШДВИЩЕННЯ МЩНОСТ1 ТА ЦИКЛ1ЧН01 ТРПЦИНОСТ1ЙКОСТ1 ХОЛОДОСТ1ЙКИХ ВИСОКОМЩНИХЧАВУНГО ШЛЯХОМ ОПТИШЗАЦП IX СТРУКТУРИ

05.02.01 - матер1алознавство

Автореферат

дисертащ! на здобутгя наукового ступеня кандидата техшчних наук

Льв1в-1998

Дисертащоо е рукопис

Робота виконана в <1пзико-мехашчному шституп im. Г.В. Карпенка HAH УкраТни

доктор техшчних наук, старший науковий сшвробггник Осташ Орест Петрович,

<Кзико-мехашчний шститут ¡м. Г.В. Карпенка HAH УкраТни, м. JlbBiB,

пров'щний науковий ствробшгак вщцшу структурно! мехашки руйнування та оптишзаци властивостей MaTepianiB

член-кореспондент HAH УкраТни, доктор 4нзико-ма*гематичних наук, професор Красовський Арнольд Янович, 1нститут проблем мщносп, м. Кшв, зав. вщдшом ф1зичних основ мщносп та руйнування

доктор техшчних наук, старший науковий ствроб1тник Широков Володимир Володимирович, «Изико-мехашчний шститут ¡м. Г.В. Карпенка HAH Укра'ши, м. Льв1в,

зав. вщцшом зносостшких покритпв

Ф1зико-технолопчний ¡нститут меташв та croiaBiß HAH УкраТни, вцщш високомщних i спещальних чавушв, м. Кшв

Захист вщбудеться '¡¿0" Tf>ci ¡эн# 1998р. о /6 "годит на засщанш спещалЬованоТ ради Д 04.01.03 у Ф1зико-мехашчному iHCTiriyri iM. Г.В. Карпенка HAH УкраТни, за адресою: 290601, м. JlbBiB, МСП, вул. Наукова, 5.

3 дисертащею можна ознайомитись в 6i6nioTeqi ©¡зико-меха-шчного шституту iM. Г.В. Карпенка HAH УкраТни, м. JlbBiB, вул. Наукова, 5.

Автореферат розкланий "IS" icLifHH 1998 року

Науковий кер1вник:

Оф'щшш опоненти:

Провщна установа:

Вчений секретар ,

спец1ал13ованоТ ради ^iOX^^V---' Никифорчин Г.М.

У

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуалынсть теми. Серед основних вимог, яю висуваються до конструкцшних матер1ал1в е Тх мщшсть, довпшчшсть та економ1ч-шсть. Високомщний чавун з кулясхою формою графпу (ВЧ) мае ф!зико-механ1ЧН1, технолопчт та експлуатацпни властивост1, яи з точки зору цих вимог дають йому перевагу над С1рими та ковкими чавунами, деякими литими та деформованими сталями. Ця перевага може бути ще суттев!шою, коли використовують ВЧ з границею мщносп 500 - 800 МПа, тобто ВЧ перл!тно-феритного 1 перл!тного клаЫв. Однак шдвищення мщносп ВЧ супроводжуеться значним зменшенням пластичноси I посиленням IX схильносп до крихкого руйнування, особливо при низьких температурах. Тому необхщно вести пошук шлях!в створення холодостшких (до 213 К) ВЧ перлшю-феритного та перл!тного клаав з оптимальним поеднанням високо'Г мщносп1 трвдиностшкость

Перспективним е створення економнолегованих шкелем аустештних ВЧ криогенного призначення (робоч! температури нижче 213 К). Однак економнолегований аустешт пщ впливом деформац1\" та низьких температур перетворюеться в мартенсит деформаци, який може спричиняти крихке руйнування матер!атв. Ця проблема щодо ВЧ на даний час не вивчена.

Для втоначення параметр1в руйнування ВЧ використовують розрахунков1 формули та характеристики, яга апробоваш для структурно однорщних матер!ал1В \ не враховують структурну неоднорщшсть ВЧ. Тому ¡снуе проблема правом!рносп застосування цих ШДХОД1В та формул для ВЧ.

Мета 1 задач1 дослщжень. Розробити методику визначення цик-л1чно1 трщиностшкост! ВЧ як структурно неоднорщних матер!ал!в та сформулювати рекомендацц по технологи одержання ВЧ з оптимальним поеднанням високоТ мщносп5 циюпчноТ трщиностшкосп за нормально! та низьких температур.

У вщповцщосп з поставленою метою в робот! необхщно було виршити наступи! задач!:

1. Розробити методику визначення цшшчноТ тр1щиност!йкост! ВЧ як структурно неоднорщних матер!ашв.

2. Оцшити вплив граф!тових включень на мехашку втомного руйнування ВЧ.

3. Досл!дити вплив технолопчних фактор!в (легування, способу модиф!кування та режи;,«в термообробки) на ошр крихкому руйнуваншо ВЧ феритного, феритно-перл!тного та перл!тного клас!в.

4. Встановити зв'язок М1Ж мкроструктурою 1 низькотемператур-

ною цикгичною трщиностшюстю ВЧ феритного, феритно-перлгшого та перл1тного класлв.

5. Дошпдити вплив фазово! нестабшьноеп на низькотемпера-турну циюпчну трщиностшгасть ВЧ аустештного класу.

6. Видати рекомендацп для одержання ВЧ з оптимальним поед-нанням високоТ мщност! та тр1ЩИност1йкост1 при нормальних 1 низьких температурах.

На захист ввноситься:

1. Методика визначення цикл!чно1 трпциностшкост! ВЧ на сладях зародження та росту трпцини.

2. Встановлеш законом]рност1 мехашки втомного руйнування ВЧ.

3. Одержан! залежносп цикл!чно1 трициностшкосп ВЧ вщ фазового складу та мжроструетури.

4. Рекомендацп по технологи отримання холодостшких ВЧ з оптимальним р'шнем мщносп 1 циюнчноТ трщиностшкоеп за нормально? та низьких температур.

Наукова новизна одержаних результате. Запропоновано нов! параметри для визначення характеристик циюпчноГ трвдшюстшкоси високомщних чавушв. Показано, що процес втомного руйнування на стад11 зародження та росту трццини визначаеться розкриттям характеристично! зони передруйнування бшя вершини вир1зу або трвдини, зумовленим локальною пружно-пластичною деформащею та локальним мкророзтрккуванням в окол! графгавих включень. В пор!внянш з вщомими силовими параметрами, запропоноваш параметри в 1,5 - 2,0 рази чутливши до позитивного 1 негативного впливу графпхших включень вщповщно при низьких та високих амплпудах навантаження.

Показано, що законом1рност! зародження макротр1щини у високомщних чавунах обумовлеш характеристичною зоною передруйнування с!, п початковий розм!р а,, визначаеться за критер1ем: а0 = с1 , а р1ст макротрщини можна представити як пооидовшсть аюпв и зародження, тому кшетичну Д1аграму росту втомнох макротрвдини (и - АКабо и - Ае*криву) можна отримати на шдстав! кшыасних залежностей, встановлених на стадп зародження макротр1щини.

Встановлено, що для ВЧ феритно-перлгоюго та перлтюго клаав легування ткелем (до 1 %) шдвшцуе 1х мщтсть 1 холодостш-исть; легування мцщю (до 1 %), а також сумкно шкелем та м1ддю дае негативний результат.

Вперше отримаш д!аграми циюичноТ трщиностшкост! (и - АК крив!) при низьких (до 77 К) температурах для ВЧ феритного, ферит-

но-перлшюго та перлйного miaciß. В результата встановлено зв'язок м'ш структурою, м!кромехашзмами руйнування та характеристиками ЦИКШЧН01 тр!щиностшкост1 ВЧ.

Виявлено, що негативний вплив деформацшного мартенситного перетворення на циюичну тр^щиноспйюсть економнолегованих шке-лем, марганцем i мщдю ВЧ з аустештною структурою матриц! прояв-ляеться, коли стушнь цього перетворення перевищуе 40 %. Понижения циюнчноТ трщиностшкосп при цьому обумовлюеться м1жзеренним м!кромехашзмом росту тр1щнни, що пов'язано 13 зернограничною сегрегащею марганцю.

Практичне значения одержаних результате. Розроблеш рекомендацй" по технологй' отримання (система легування, споа'б модифжування та режими терм1чнох обробки) холодоспйких (до - 60 °С) ВЧ з пщвшценим равнем мщносп (700 - 800 МПа) та циктчноТ в'язкосп руйнування (50 - 60 МПа'-Ум ). На цш лщстав! розроблена технолопчна шструкщя для одержання холодостшкого ВЧ, яка пройшла апробащю на ВО "АвтоКРАЗ" та Бориславському експериментальному ливарно-мехашчному завод!.

Обгрунтована працездатшсть метастабшьних аустештних ВЧ крюгенного призначення, коли стушнь аустештного мартенситного перетворення не перевищуе 30...40 %, що забезпечуе економ!ю шкелю та шших аустештостабшзуючих легуючих елемент!в. Запропонований метод визначення локальних деформацш бшя конструктивних концентратор1в наиружень в зразках з високомщних чавушв.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконувалась у Ф'юико-мехатчному ш статут! HAH УкраТни в рамках науково-техшчноГ програми "Ф1зико-Х1м!чна • механ!ка руйнування конструкцшних матер!ал1в", зокрема по тем! НД-10/141 "Розробка високопластичних холодоспйких високомщних чавушв Ь застосуванням пщход!в мехашки руйнування" та тем! НД-17/175 "Розробка метод! в визначення характеристик циюпчноУ трщиностшкосп структурно неоднор!дних матер1ал!в типу керам!к та високом!цних чавун!в".

Особистнй внесок здобувача. На п!дстав! проведеного огляду лггератури показана актуальн!сть та можлив! шляхи створення холодоспйких ВЧ; аргументовано застосовшсгь деформацшного гпдходу для визначення циктчноТ тр!щиност!йкосп ВЧ на стад!ях зародження та росту втомних тр!щин; дослщжено вплив м!кроструктури та техно-лопчних фактор!в на характеристики опору крихкому руйнувацню ВЧ при нормальшй та низьких. температурах; проведено анал!з та уза-гальнення результатов дослщжень; видано рекомендацп по технологи

одержання холодостшких ВЧ з р1знок> структурою матриц!.

Апробац1я результате дисертацп. Результата робота доповщалися на XIV конференци молодих науковщв ФМ1 АН УРСР (29 - 30 листопада 1989, м. Льв1в), XI науково-техшчнш конференци "Кристаллизация и свойства высокопрочного чугуна в отливках" (21 -23 листопада, 1989, Кшв), II МЬкнароднш конференци "High Strenth and Alloyed Cast Irons"( 27-31 жовтня, 1991, Кшв), наукових ceMi-нарах "Структурна мехашка руйнування металгв" та "Проблеми механики крихкого руйнування" ФМ1 HAH УкраТни, а також на семшарах Ф1зико-технолопчного шституту метал1в та сплав1в HAH Укра'ши i 1нституту проблем MiuHOCTi HAH Украши.

Публ1кацн. Основн1 результата дисертацп викладсш в 7 пуб-лшащях, як! вщображен! в автореферат! дисертацй".

Структура та обсяг роботи. Дисертац1йна робота складаеться 3i вступу, чотирьох роздЫв, основних результат робота та коротких висновмв, списку використаних джерел (265 найменувань) та додатк1в. Загальний обсяг становить 134 сторшки друкованого тексту, в тому числ*1 33 рисунки, 17 таблиць.

ОСНОВНИЙ 3MICT РОБОТИ

У встут обгрунтована аюуальн!сть вибрано1 теми, сформуль-ована мета робота, викладен! наукова новизна та практична цшн!сть, а також положения, що виносяться автором на захист.

В першому роздш проведено огляд вщомих теоретичних та екс-периментальних досл!джень втомного руйнування матер!ал!в з позицш мехаьпки руйнування. Втомне руйнування розглядаеться як процес зародження та росту тр!щини. Розглядаються ¡снуюч! методики ктыасноТ оц!нки опору матер!ал1в зародженню та поширенню BTOMHOI макротр!щини та законом!рност! його зм!ни за низысих температур випробування. Проводиться огляд робгг по впливу легування н!келем, М1дцю та сулпсно шкелем та м!ддю а також способу модиф!кування i режим!в термообробки на холодостшысть ВЧ. Анал!зуються дан! про вплив деформащйного мартенситного перетворення на мщнють та тр!щиност!йк!сть матер!ал!в кр!огенного призначення.

У другому роздш1 розглянуп особливост! напружено-деформованого стану та руйнування чавушв. Показано роль включень графиту у формуванн! piewi циклгчноТ тр1щиност1йкост1 ВЧ в залежност! вщ амшитуди навантаження. Запропоновано пщхщ для визначення характеристик цикл!чно'1 тр!щиност!йкост! ВЧ як структурно неоднорщних матер1ал1в на стад11 зародження та росту тр!щини. Проведено пор!вняння традиц!йного силового та

запропонованого тдход1в до вивчення втоми ВЧ (рис. 1).

Рис 1. Схеми руйнування ВЧ при силовому (а) 1 деформацшному (б) пщхоЯах.

В робот! приймаеться запропонована ранше для структурно од-нор]'дних матер ¡ал! в концепщя, що зародження (стад!я 1 р!ст (стад!я N2) втомно1 макротрвдини обумовлюеться зоною передруйнування, характеристичний розмхр (1 якоТ е константою матер1агпв. Вважаеться, що наявшсть ще!" зони обумовлена зниженням границ! текучосп приповерхневих шар1в матер!алу, пор!вняно з його об'емом.

При силовому шдход! ефективний коефщкнт концентрацн напружень К„ ! розмах коеф!д!ента !нтенсивност! напружень АКА не враховують вплив множинного м!кророзтр!скування б!ля граф!тових включень (рис. 1а) на напружено-деформований стан в окол1 вершини вир1зу або мапстральноТ макротр!щини (точка А). В данш робот! запропоновано, що вплив розтрккування граф!тових включень штегруеться у величину розмаху розкритгя Д5 зони передруйнування (1 (рис. 16). Локальш пружно-пластичн! деформацп (Ае*) вста-новлюються за формулою (1) через розмахи пружно!" 1 пластично'!

Д8* складових розкритгя, вим!ряного по лиш центра рад!уса вир1зу, а

також величину рад!уса вир!зу р \ розм!р характеристично!' зони передруйнування (1:

Г А5' +А5„1

Ав = 1п 1+ / . (1)

Щоб оцшити вплив граф!тових включень на механ!ку втомного руйнування ВЧ, було тдобрано чавун ! сталь з однаковою структурою матрищ. На тдстав! побудованих д!аграм встановлено характеристи-

ки циюичноТ трвдиностшкосп ВЧ 1 в параметрах напружень (рис. 2 а, б) I деформацш (рис. 2 в, г), яxi ствставлено з аналопчними характеристиками феритноТ стал! 08 (табл. 1).

и/ Р.М" л£*е лЕ

■ч ■ 0.1 Л д

. а, 0.75 а ■

л. о •

1,5

1,0

0,5

10 Л^, цикли

20 ЛКЖ^, МПа

10

10-

101 Л), цикли

0,5

1,0 1,5 Де* %

Рис. 2. Д1ахрами цшапчно!' тр;щиност1Йкос-п ВЧ на стадЬгх зародження (а, в) 1 росту (б, г) втомно1 макротртини: символа - експерименталын даш; крив11 - прогнозоваш залежносп.

Встановлено, що у високоамшптуднш облает! дшено проявля-сться негативний вплив графп:ових включень. Характеристики опору втомного руйнувания ВЧ на 20...50 % мешш, шж стал! (див. табл. 1). Це е наслщком сутгевого впливу локального мкророзтрккування бшя включень, оскшьки при високих амплитудах навантаження фронт

трщини перетинае багато включень, що зафжсовано в злам!.

Таблица 1. Пор1вняння характеристик цшипчноГ тршданостйкосп ВЧ 40! стал! 08.

Навантаження Характеристики Материал В1дно-шення характеристик

Чавун Сталь

Короткочасове статичне <тв, МПа 385 350 1,10

стол, МПа 262 240 1,09

5,% 20,2 48 0,42

Тривале цикл1ч-не Високо-амплпуд-на область Стад1я Л'ь А'=103 цшопв До\, МПа 1200 1460 0,82

Де*, % 1,87 2,90 0,65

Стадгя N2, 3=10"5м/цикл ДЛГ, МПал/м 62 72 0,86

Де", % 2,41 5,0 0,48

Низько-амшптуд-на область Стадия N1, N=10* цикл1в Дст", МПа 340 270 1,26

Де\ % 0,4 0,2 2,0

Стали N2, Э=10"'°м/цикл Д/СМПал/м 8,9 6,7 1,33

ДКеЛМПа7м 4,1 3,5 1,17

Де*, % 0,39 0,27 1,44

При низьких амшитудах навантаження, навпаки, характеристики опору втомному руйнуванню ВЧ на 25... 100 % бшыш, шж стал! (див. табл. 1). Таким чином, у низькоамшптуднш облает! граф!тов! включения ввдграють позитив'ну роль з точки зору опору руйнуванню. Можна назвати принайми! дв! причини такого Тх впливу. По-перше, графитов! включения при низьких ампл!тудах навантаження е, очевидно, структурними бар'ерами на шляху росту тр!щини, тому вона часто проходить повз них, а в злам! спостер!гаеться Тх невелика кшьюсть. По-друге, граф!тов! включения обумовлюють значний ефект закриття втомноТ трпцини.

Загалом застосування силового ! деформацшного П1дх0д!в меха-н!ки руйнування для чавуну з кулястим граф!том дозволило побудува-ти типов! д!аграми опору втомному руйнуванню, властив! для одно-рщних матер)ал!в (див. рис. 2). Однак наведений анал1з даних демон-струе перевагу деформацшного п!дходу. Деформацшн! параметри б'шып чутлив! до негативного чи позитивного впливу граф!тових включень (див. табл. 1). Зокрема, при силовому шдход! характеристики тр!щиност!йкост! зм!нюються на 20 - 25 %, а при деформацш-ному на 50 - 100 %. Пояснюеться це тим, що деформацшш параметри, встановлет безпосередн!м вим!рюванням, точн!ше враховують збурення напружено-деформованого стану п!д впливом системи

включень у зош передруйнування, шж формально розраховащ силов! параметри.

Одержан! даш пщтвердили принципову модель зародження втомно1 макротр!щини б!ля концентратора напружень (вир!зу чи тр!щини), запропоновану на шдстав1 результата дослщжень структурно однор!дних матер!ал!в. Зпдно з нею, в характеристичнш зош передруйнування (1, величина якоТ е константа матер!алу, вщбуваються множинне зародження м1кротрццин як на поверхш, так! на в^ддагн В1Д контуру концентратора, подалыиий IX ркт, злитгя або гальмування. Переважно т!льки одна з них, перетинаючи межу зони с!, поширюеться як мапстральна макротрвдшга ! в и вершин! формуеться власна пластична зона (див. рис. 16). Таким чином, межа характеристично! зони обумовлюе перехщ мжро- в макротр!щину, а сп!вв!дношення Эо = й е к!льк!сним критер!ем початкового розм1ру а0 втомноУ макротр!щини. Дал!, зпдно з моделлю, макротр!щина пред-ставляеться гострим вир130м з певним рад1усом заокруглен-ня ре(г= ро + <1* (див. рис. 1 б), а ршт тр!щини розглядаеться як посл!-довшсть актив и зародження. Внаслщок цього д!аграми опору матер!ал!в зародженню макротрнцини (рис. 2 а, в) шсля певноТ пере-будови повинш зображати д!аграми опору матер'ишв росту макро-тр!щини (рис. 2 б, г). Розрахунок-прогноз (л'шЫ 1 на рис. 2 б, г) для структурно неоднородного ВЧ виявився аналопчним для структурно однорщних матер!ал!в: у раз! силового пщходу (рис. 2 б) розраху-нкова крива може узгоджуватися лише з експериментально отриманою за високоТ (К = 0,5...0,7) асиметрн циклу навантаження, при деформацшному пщход! (рис. 2 г) спостер!гаеться добре сшв-падшня за одше!' й т^еТ ж асиметрц циклу (В. = 0,05).

Як1сно д1аграми ВЧ на стада зародження трщйни при силовому та деформацшному шдходах не в!др!зняються, але на стада росту тр!щини спостер!гаються в!дм!нност!. Так при деформацшному шдхо-д! на Д1аграмах не проявляешься ефект закриття тр!щини (рис. 2 г), тобто номшальна та ефективна крив! сп!впадають ! мало зм!нюютьс'я вщ структури матер!алу. При силовому шдзощ ф1ксусться значний ефект закриття, величина якого залежить вщ структури ВЧ та умов випробування (рис. 2 б). Тому в подальшому при визначенш шлях!в оптишзаци технолоп! одержання ВЧ використовували д1аграми цшиично! тр!щиност!йкост! у вигляд! (и - АК) кривих, одержаних при силовому подход! (рис. 2 б).

У третьому роздш викладено результата досл!джень про вплив ряду технолопчних фактор!в на м!цн!сть ! схильшсть до крихкого руйнування ВЧ феритного, феритно-перл!тного та перлитного клас'т. Видаш рекомендацп по 1х оптимальному поеднанню для р!зних

структур матриць ВЧ.

Ошр руйнуванню ВЧ визначаеться не тшьки формою та розподь лом граф!ту, а й мшроструктурою метал!чноГ матрищ. Тому досл!д-жували ряд фактор! в (система легування, спос!б модиф!кування, режими терм!чноТ обробки), яга одночасно впливають на графпжащю та структуру матрищ. Дослщжуват вар!анти чавуну позначено двома цифрами (вад 1 - 1 до 10 - 9), перша з яких вщповдае номеру плавки (див. табл. 2), друга - номеру режиму термообробки (рис. 3). Легування проводили шкелем (до 0,8 %), м!ддго (до 0,8 %) та сумкно н!келем (0,85 %)! М1ддю (0,82 %); модиф!кування велось мо-диф!катором ЖКМК-4 \ в ковш!, 1 внутр!формово з застосуванням

Таблиця 2. Номери плавок ВЧ в залеж-ностз В1Д способу модифшування та ВМ1С-ту легуючих елемен-пв.

Вм!ст

Номер Спос!б легуючих

плавки моди- елемента, %

ВЧ ф1кува- М Си

ння

1 К 0,08 0,10

2 -//- 0,06 0,76

3 -//- 0,70 0,07

4 ВФ 0,10 0,06

5 -II- 0,11 0,71

6 -II- 0,76 0,07

7 0,85 0,82

8 -II- 0,10 0,07

9 0,06 0,84

10 -II- 0,73 0,10

час, год.

380'С

1 615'С то-5

/ \ 7ва'с то-а

/ \ 7»5'С та-з

/ 710'С \ то-г

/ . 3,5

'М

*К - модиф1кування внутр1формове

в ковш1, ВФ -модифшування.

час, год.

Рис. 3. Режими терм1ЧноТобробки ВЧ.

специально розробленого проливного пристрою. Структурна опти-м!зац!я чавушв проводилась на п!дстав! даних ударно!" в'язкосп (КС) за нормально!' та низьких температур.

Виявилося, що легування шкелем шдвищуе КС при - 60 °С в середньому в 2,7 рази для феритно-перлггних та перлггних _ВЧ. Феритн! ВЧ недоцшьно легувати н!келем, оск!льки це не впливае на Ы холодост!йюсть. Легуючи м!ддю, та одночасно м!ддю ! н!келем, можна збшьшити тшьки мщшсть ВЧ на 20...50 % (рис. 4).

Рис.4. Вплив легування шке-лем, мщдю та сушсно нкелем 1 мшоо на мщ-шсть 1 ошр крихкому руйнуванню ВЧ ферит-ного (Ф), феритно-пер-лйного (Ф+-П) 1 перлгг-ного (П) клас1в.

мпа

Таким чином, тшьки легування шкелем дозволяе оптимально поеднати високу мщшсть 1 холодостшюсть ВЧ.

Встановлено, що за внутр!формового модиф^кування зростае 1 кшьюсть вкраплень на одиницю площ! 1 IX сферизацш, при цьому значения КС зростають в 1,2 рази для нелегованого та легованого шкелем ВЧ; в 2 рази - для легованого м1ддю ВЧ. Виявлено, що змша ступеня сферизацй" графггу (ССГ) в д1апазош 90...96 % зб1лыиуе удар-ну в'язюсть пльки перлиних ВЧ у 2 - 3 рази (рис. 5).

1-ра тдстркуоання, 'С s в в

SéÇCr,7.

Рис. 5. Залежшсть схилыюсп до крих-кого руйнування ВЧ феритного (Ф) i пер-лггного (П) клаыв вщ ступеня сферизацп графггу (ССГ)-

ю v m sis tan Т-ра гаршубання, 'С

Рис. 6. Вплив температуры гаргу-вання i пшстужування на структуру та мехашчш вдастивост легованого шкелем ВЧ.

Що стосуеться термообробки, то для того, щоб забезпечити ви-соку мщшсть, збер^гагочи достатнш onip крихкому руйнуванню для легованих никелем ВЧ, можна рекомендувати (рис. 6) невелике шдстужування (65...85 °С) в!д температури початкового Harpißy 880 °С, витримку 3,5...4 год при температур! 800...815 °С з подальшим гар-туванням i високим вщпуском. Подвшне гартування (ТО - 6...ТО - 9) недоцшьне, бо шсля иього падае onip крихкому руйнуванню, особливо мщшсть ВЧ. Встановлено також, що для оптимального поеднання високоГ мщносп i холодостшкост! ВЧ, коливання температури в м!жкритичному штерват, на вщмшу вщ сталей, е у досить вузькому д!апазош (± 10... 15 °С).

У четвертому роздЫ дослщжено вплив низьких температур (до 77 К) на цикгпчну трициностшмсть ВЧ з р1зними структурами матрица Проаналповано законом!рност! змши характеристик цикл1чно1 тр1щиност1йкост1 ВЧ, в тому числ1 з врахуванням ефекту закритгя вершини втомно!" тр!щини. Встановлено зв'язок М1ж ¡нтенсившспо деформацшного мартенситного перетворення та характеристиками низькотемпературноТ щдапчно! тр1Щиностшкост1 економнолегованих аустештних ВЧ. Проведено пор1вняння циюично!" тршщностшкост! розроблених ВЧ та вщомих холодостшких сталей. Побудовано диаграмм Yx конструкцшно!" мщност1, на пщстав1 яких сформульоваш рекомендацй" для одержання ВЧ з оптимальним поеднанням bhcokoi мщносп i циюичноТ трщиностшкост! за нормально!" та низьких температур.

Структурну оптим1зац1Ю ВЧ здшснювали на шдстав! даних цикхнчноУ тр1Щииост1Йкост1. Дослщжували структури чавун!в теля вщпалу (ферит), шсля нормал!заци (пластинчастий перли1) та шсля гартування з високим вщпуском (зернистий перл1т). В poöoTi вперше отримаш д!аграми циклично!" трщиностшкост! чавушв при 213 К i 77 К. Виявилося, що в цьому д1апазон! температур для чавушв характер!» два типи змщень (и -ДК) кривих, що встановлюеться коефвдентом ß:

ДКт s

ß = T(2)

де АК*, i АК™, - розмахи коефвдента штенсивносп напружень при

швидкост1 росту трицинио = 10"5 м/цикл, вщповщно за низькоТ та . нормально!'температури.

При температур! 213 К для фериту (Bapiamy № 1) та зернистого перлпу (sapianTH № 3, № 5) отримано I тип зм'ицення низько-

температурно! и -ДК кривоТ (3 > 1), коли швидюсть росту втомно! трщини в усьому д!апазош АК е меншою при низыай температур!, шж при нормальшй (табл. 3). Саме таю и - АК крив! повишп мати конструкцшн! матер1али, яю пропонуються для роботи при низьких температурах. У структур! пластинчастого перл ¡ту (вар1анти № 2, № 4) швидюсть росту втомно1 трщини в межах середньо- та високоампл¡тудно! дшшок и - АК криво! е бшьшою при низыай температур!, шж при нормальшй 1 таке перевшцення наростас з амплпудою навантаження - II тип змнцення (Р < 1). Це властиво матер1алам, схильним до крихкого руйнування.

Таблиця 3. Мехашчт властивосп та характеристики цикжчноТ трйцино-

спйкосп ВЧ феритного, феритно-перлгёного ! перлтюго клаав.

Вар1ант! Т-ра, ов, 5, КС, НВ дКь, Д-Кшсгг, ЛАГгс,

структура

чавуну К МПа % МДж/м2 МПа"-Ум

№1 293 415 277 22,0 1,30 170 7,5 4,8 44,7

Ф(93)+Ппл(7) 213 460 335 18,5 1,20 11,0 6,8 44,7

77 - - - - П,9 6,8 25,1

№2 293 583 406 7,2 0,50 196 7,8 5,2 50,6

Ф(55)+Ппл(45) 213 618 436 6,9 0,12 10,4 7,3 36,8

№3 293 566 440 9,2 0,75 192 7,9 4,5 46,4

Ф(50)+ П3(50) 213 630 486 8,3 0,60 12,1 9,6 47,3

77 - - - — 9,4 - 27,6

№4 293 829 527 5,0 0,38 — 8,4 4,4 49,1

Ф(15)+Ппл(85) 213 844 615 2,5 0,24 12,1 6,4 32,2

№5 293 768 609 5,7 0,65 — 6,0 3,3 56,6

Ф(7)+ Пз (93) 213 951 826 4,2 0,58 7,9 5,6 56,6

77 - - -- - 8,5 4,3 22,8

Прим1тка : Ф - ферит (%), Пол- пластинчастий перлгг(%); Пз- зернистий перлгг (%), КС - ударна в'язюсть зразгав без надр1зу; НВ -твердгсть по Бршеллю; АК,1„, ДКр - розмахи порогового та критичного коефщента штенсивносп напружеиь вщповшю.

При температур! 77 К незалежно вщ структури матриц! маемо II тип змпцення низькотемпературно! и - АК криво!. Проте навгсь тод! феритно-перл!тний ВЧ з! структурою зернистого перл!ту (вар1анту № 3) умовно працездатний, бо його циюпчна в'язисть руйнування ДКсс = 27,6 МПа'л/м при температур! 77 К, що приблизно дор!внюе значению ДКГс сфих чавун!в при нормальн!й температур!.

. Результата м!крофрактограф!чних досл!джень також пщтвердили перевагу термообробки на зернистий перлгг.

Таким чином, тдвищення мщносп, тр!щиност!йкост! ! холо-достшкосп ВЧ досягаеться легуванням н!келем (до 1 %), внутрь формовим модифисуванням комплексним модифпсатором типу

ЖКМК-4 та термообробкою на зернистий перлгг.

Оптималып вар1анти ВЧ за цикгпчною трпциностшистго пор1Бнювали з поширеними в машинобудуванн! холодостшкими низьколегованими катаними сталями 09Г2С 1 10ХСНД. Виявилося, що при температурах випробування + 20 °С ! - 60 °С феритно-перлтшй за вар!антом № 3 \ перлггний за вар!антом № 5 ВЧ е на р1ВН1 сталей.

Чавуни з феритно-перлкною та перл!тною структурами е прац-ездатними до 213 К. Для робота при нижних температурах (до 77 К) по аналоги 31 сталями слщ використовувати аустеншп ВЧ. Причому з економ1чних м!ркувань доцшьно вибирати матер1али з низысим вмютом шкелю. Проте економнолегований аустешт с нестабшьним в умовах низькотемпературноТ деформацн. В лггератур! вщсутш даш про вплив фазовоТ нестабшыгост! на трщиноспГшсть ВЧ. Дослщжували 4 вар1анти ВЧ з р1зним вмютом шкелю, марганцю 1 мш (табл. 4). Встановлено, що деформацшне мартенситне перетворення в аустештних чавунах проходить за схемою у—> Е-мартенсит-> а- мартенсит до инця ! найбшып пов-

Таблиця 4. Х1мхчний склад ВЧ аустештного класу.

Вариа- Масова доля, %

нт

чавун- С Мп № Си

У

1 3,0 2,50 6,00 8,90 —

2 м 2,54 5,80 9,12 2,79

3 » ) 2,24 5,65 11,64 1,66

4 I1 2,57 6,86 9,64 2,24

ДА

1,4 1.2 1.0 0.8

0.6

0,4

0вХ16Н10Т-

03Х13АП9

/ <*м • \ \ /

/ '

у^ытгллшз

_I_I_г_I_!__1_1_' I I

20 ¡о 60 ео

Мартенсит Згформони , %

100

но проявляеться в чавунах за вариантом 1 при 77 К, коли спостер^гаеться сутгеве падш-ня цикл!чноТ трщиноспйкост! (табл. 5), а в злам! е найбшьша кшьысть М1жзеренних сколь-них фасеток, як! появляються нав!ть за нормально'/ темпера-тури. Найменше воно проходить у чавуш за вар!антом 4. Показано, що зр!ст мартенситу деформацн веде до окрих-чення аустештних ВЧ (рис. 7).

Рис.7. Залежтсть схильносп до низькотемпературного окрихчення вщ кшькостг мартенситу деформаци в аустештних чавунах (•) 1 в хромо-марганцевш та хромошкелевих сталях.

Таблиця 5. Фазовий склад в зламах та характеристики цикл1чно1

трпдиностшкост! ВЧ аустештного класу.

Вар!ант чавуиу Т-ра, К Фазовий склад, % Характеристики трвдиностшкосп

Почат-ковий В злам! при о= 1 С6 м/цикл ЛКа, ДК/с, АК?* ~ дк£* АК2К п 1 12 ~ лк™

МПа' л/м

1 293 100 А 90 А + ЮМ 6.8 43,8 0,70 0,66

203 100 А 43А+57М 8,7 31,0

77 100 А 27А + 73М 8,7 28,7

2 293 100 А 90А+10М 6,8 42,9 1.10 0,75

203 100 А 68А + 32М 8,7 46,4

77 100 А 50А + 50М 8,7 32,2

3 293 100 А 95А + 5М 7,4 54,1 1,00 0,71

203 100 А 85А+ 15М 8,7 54,1

77 100 А 50А + 50М 8,7 38,3

4 .293 100 А 100А 7,9 60,7 1,00 0,84

203 100 А 71А + 29М 10,2 60,7

77 100 А 60А + 40М 10,2 51,1

Примака: А - аустешт, М - мартенсит деформацп

За СВ01М характером ця залежшсть вщповщае одержанш для хромомарганцевог аустештноТ стал1 1 е протилежною до одержаних для хромоншелевих сталей. Таке сшвпадшня для ВЧ 1 стал! 03Х13АГ19 також свщчить, що негативный вплив фазовоГ нестабшьноеп пов'язаний з легуванням марганцем. Тому при створент економнолегованих аустештних ВЧ призначених для робота при крюгенних температурах замша шкелю на марганець в кожному конкретному випадку потребуе обгрунтування. В першу чергу це стосуеться обмеження фазовоУ нестабшьносп пщ впливом низькотемпературно'У деформацп, при цьому дещо жорстшШою, шж в сталях. Якщо в хромомарганцевих сталях з точки зору достатньо! низькотемпературноУ циюпчноУ трщиностшкосп в структур! допускаеться до 50 % мартенситу деформацп, то в шкельмарганцевих аустештних ВЧ - не бшыне 35...40 % (рис. 7).

ГКдсумовуючи, можна сказати, що за економ!чн!стю, технолопч-н!стю та службовими характеристиками досл!джеш високомщн! чавуни с конкурентноздатними з! сталями. Розроблений ВЧ феритного класу за пластичшстю та холодостшкктю переважае стандартний ВЧ, передбачений ГОСТом 7293-85. Що стосуеться ВЧ феритно-перлкного ! перлкного клас!в, то кнуючий ГОСТ взагал! не передбачае Ух холодостшк!сть. Розроблен! ВЧ цих клаав е працездатними при низьких (до 213 К) температурах.

На пщстав1 встановлених законом1рностей була розроблена технологична шструкщя для одержання холодостшких ВЧ феритно-перл!тного I перл!Тного клас!в, яка пройшла дослщно-промислову переварку.

ВИСНОВКИ

1. Процес втомного руйнування ВЧ на стад!ях зародження та росту трщини можна розглядати з единих позицш. В рамках такого шдходу р1ст втомно1 макротрщини моделюеться як повторюваш акти п зародження у вщповщноси з залежностями, встановленими для концентраторт напружень. Закономфносп зародження макротр1щи-ни бшя концентратора напружень та и початковпй розм1р визна-чаються величиною характеристично'! зони передруйнування ё .

2. Граф!тов! включения у високомщних чавунах при низьких амшптудах навантаження мають позитивний вплив, у високоамплпуднш обласп в'ш, навпаки, негативний 1 пов'язаний з мкророзтршкуванням в окол1 графггових включень. Для врахування цього впливу запропоновано пщхГд, зпдно якого процес втомного руйнування визначаеться розкриттям характеристично! зони передруйнування бшя вершини конструктивного концентратора напружень, зумовленим локальною пружно-пластичною деформащею та локальним м^кророзтршкуванням в зош передруйнування.- У пор1Внянн1 з В1 дом ими силовими параметрами запропонований параметр в 1,5 - 2 рази чутшшший до позитивного чи негативного впливу графггових включень.

3. Стушнь сферизацп графггу (ССГ) визначае ога'р руйнуванню ВЧ у залежноеп вщ структур« *{х метал1чно'{ матриц!: ССГ слабо впли-вае на схильшсть до крихкого руйнування ВЧ феритного класу; для ВЧ перлггного класу тдвшцення ССГ суггево збшыцуе ошр руйнуванио у випадку матрищ зернистого перлпу.

4. Щдвшцення м1цност1 ! опору крихкому руйнуванню нелегованого ВЧ досягаеться легуванням шкелем (0,8—0,9 %), внутр1формовим модиф!куванням комплексним модификатором типу ЖКМК-4 та термообробкою на зернистой перлп\ Легування м!дцю (до 1 %), а також сум юно шкелем (до 1 %) \ мщдю (до 1 %) негативно впливае на холодостшюсть ВЧ феритно-перлггаого 1 перлггного клаав.

5. Законом!рносп впливу низьких температур на д!аграми циюичноТ трш;иностшкост1 ВЧ (о -ДК крив1) аналопчш спосте-режуваним для структурно однорщних матер1ал1в. На тдстав! встановленого зв'язку м1ж структурою, м1кромехашзмом руйнування та характеристиками циюпчно! трпциноспйкосп ВЧ при нормальнш

та низьких (до 77 К) температурах обгрунтувано рекомендацп по технологи отримання холодостШких ВЧ.

6. Деформацшне мартенситне перетворення в економнолего-ваних ВЧ з аустештною структурою матриц! зумовлюе падшня цик-Л1чноТ тр'пциностшкосп ВЧ, коли його штенсившсть перевищуе 40 %; коли cTynim аустештного мартенситного перетворення е в межах 0...35 %, то застосування метастабшьних аустештних ВЧ крюгенного призначення е допустимим, що забезпечуе економио ткелю та ihuihx аустештостабтзуючих легуючих елеменпв.

7. В елементах конструкций, котр1 працюють при цшшчних навантаженнях в умовах низьких температур, можлива замша сталей на ВЧ.

Розроблена технолопчна шструкщя для одержання холодостойкого ВЧ пройшла досл1ДНо-промислову перев'фку на ВО "АвтоКРАЗ" та Бориславському експериментальному ливарно-меха-шчному заводь

ПУБЛПСАДП ПО ДИСЕРТАЦ1ЙН1Й РОБОТ1

1. Осташ О.П., Дронюк М.М., Андрейко I.M., Костик €.М. П1дви-щення опору крихкому руйнуванню холодостШких високомщних чавушв // Ф1з. - xiM. механика MaTepianiß. - 1996. - N 6. - С. 60-66.

2. Осташ О.П., Костик G.M., Андрейко I.M., Дронюк М.М. Вплив мжроструктури на низькотемпературну циюнчну тр5щинотривюсть високомщних чавушв // Oi3. - xiM. мехашка матер1ал1в. - 1997. - N 1. -С. 57-69.

3. Осташ О.П., Костик G.M., Чепшь Р.В., Андрейко I.M., Мако-вшчук I.P. Визначення циюпчних пружно-пластичних деформацщ бшя BHpi3iB Н Ф13. - xiM. MexaHiKa MarepianiB. - 1997. - N 2. - С. 62-72.

4. Осташ О.П., Костик Е.М., Андрейко I.M. Вплив структурно1 неоднородное« на механпеу втомного руйнування чавушв i3 кулястим графком // Ф1з. - xiM. MexaHixa MaTepiafliß. - 1997. - N 3. - С. 57-64.

5. Осташ О.П., Андрейко И.М., Шейко A.A., Зеленый Б.Г. Влияние фазовой нестабильности на низкотемпературную циклическую трещиностойкость аустенитных высокопрочных чугунов // Процессы литья. - 1997. - N 2. - С. 76-84.

6. Андрейко И.М. Низкотемпературная циклическая трещиностойкость высокопрочных хладостойких чугунов ВЧ-50 II Материалы 14 конф. молодых ученых ФМИ АН УССР. Секция ФХММ. - Львов, 29 - 30 ноября 1989. - Деп. в ВИНИТИ, N 1890 - 90, С. 7-10.

7. Осташ О.П., Дронюк М.М., Андрейко И.М., Костык Е.М. Циклическая трещиностойкость хладостойких чугунов // Тез. докл. III

Всес. конф. "Прочность материалов и конструкций при низких температурах", Винница, 17 -19 сент. 1991 г. - Киев. -1991. - С. 56-57.

SUMMARY

Andreyko I. М. Improvement of strength and cyclic crack resistance of cold-resistant nodular cast irons by means of structural optimization. -Manuscript.

Dissertation for a degree of Kandidat of Sciences (Engineering) in speciality 05.02.01 - materials science.

Karpenko Physico-Mechanical Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine, Lviv, 1998.

Results of investigation published in 7 scientific papers have been -presented. Within its frames it was proposed the deformation parameter and methodology for estimation of resistance characteristics to fatigue crack initiation and propagation for nodular cast iron. It was shown that resistance to brittle fracture of nodular cast iron with ferrite-pearlite and pearlitic matrices significantly depends on the graphite spheroidizing rate and the structure of the metal base. It was established that the possible increase in strength properties, crack resistance and cold resistance can be attained by alloying of Ni (less that 1 %), modification of complex inoculant and heat treatment resulting in grained pearlite matrix formation. It was revealed that martensite transformation caused by deformation stipulates the decrease of cyclic crack resistance of austenitic nodular cast irons (Fe-C-Mn-Cu system), in case when transformation intensity exceeds 40 %. Relationships between microstructural parameters and strength as well as cyclic crack resistence of ferritic, ferrite-pearlite and pearlitic nodular cast irons at normal and low temperatures have been determined. Recommendations concerning the manufacturing technology for high strength and crack resistant nodular cast irons have been developed.

АННОТАЦИЯ

Андрейко И. М. Повышение прочности и циклической трещинос-тойкости хладостойких высокопрочных чугунов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01 - материаловедение.

Физико-механический институт им. Г. В. Карпенко HAH Украины, Львов, 1998.

Защищается 7 научных работ, в которых предложены деформационный параметр и методика определения характеристик сопротив-

ления высокопрочных чугунов (ВЧ) зарождению и росту усталостных макротрещин. Показано, что сопротивление хрупкому разрушению ВЧ ферритно-перлитного и перлитного классов существенно зависит от степени сферидизации графита и структуры матрици. Установлено, что повышение прчности, трегциностойкости и хладостойкости ВЧ достигается легированием никелем (до 1 %), внутриформенным модифицированием комплексным модификатором типа ЖКМК-4 и термообработкой на зернистый перлит. Выявлено, что деформационное мартенситное превращение обуславливает падение циклической тре-щиностойкости аустенитных ВЧ системы Бе - С - N 1- Мл - Си, когда его интенсивность превышает 40 %. Установлены корреляционные зависимости между параметрами микроструктуры, прочностью и циклической трещиностойкостью ВЧ ферритного, ферритно-перлитного и перлитного классов при нормальной и низких температурах. Разработаны рекомендации по технологии получения высокопрочных и трещиностойких чугунов.

Ключов1 слова: високомщний чавун, втома, мщшсть, пластичшсть, ударна в'язисть, цшшчна тр1щин0стшк!сть, низька температура, мжроструктура, деформацшне мартенситне перетворення.

Пщписано до друку 8.04.98 Формат 60 x90 1/16 Патр друкарський № 1 Умовш друковаш аркувп 1,5 Замовлення № 11 тираж 100

Видано : ПП «Каашя» м. Льв1в , вул.Конотопська , 6