Валентиновна закономерности хрупкого разрушения и их применение для анализа упрочняющих технологий, структурно-энергетического состояния закаленных сталей и пре

-На правах рукописи.

Нуждина Татьяна Валентиновна

Закономерности хрупкого разрушения и их применение

для анализа упрочняющих технологий,

структурно-энергетического состояния закаленных сталей и предотвращения поломок протяжек

Специальность 05.16.01 –Металловедение и термическая обработка металлов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Нижний Новгород - 2006

Работа выполнена в Нижегородском государственном техническом университете

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Вениамин Аркадьевич Скуднов

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Владимир Николаевич Перевезенцев
кандидат технических наук

Игорь Михайлович Питиримов

Ведущая организация: Инструментальное производство ОАО «ГАЗ»

Защита диссертации состоится 15 декабря 2006 года в 13.00 час

на заседании диссертационного совета Д 212.165.07 НГТУ по адресу:
603600, Н.Новгород, ГСП 41, ул. Минина 24, корп. 1, ауд.258

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НГТУ

Автореферат разослан «13» ноября 2006 года

Ученый секретарь диссертационного Совета,

доктор технических наук, профессор В.А. Ульянов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Хрупкое разрушение является сложным явлением и характерно для быстрорежущих (типа Р6М5, Р18 при HRC 62-64), штамповых сталей, чугунов и других материалов. Причинами хрупкого разрушения быстрорежущих сталей являются сложное структурно-энергетическое состояние, геометрия инструментов типа протяжек и динамические нагрузки при их работе. Сложная геометрия инструмента усиливает отрицательную роль напряженного состояния трехосного растяжения и снижает предельную деформацию закаленной стали практически до нуля. При удлинении 0 энергетическим условием разрушения является распространение острых трещин Гриффитса. При удлинении >0 распространению трещин предшествует пластическая деформация, обеспечивающая зарождение трещин. Следовательно, физические условия наступления хрупкого разрушения являются комплексными: энергетическими и деформационными. В работах В.И. Владимирова, В.И. Бетехтина, Е.М. Савицкого, В.Л. Колмогорова, А.С. Тихонова, М.А. Зайкова, М.Я. Дзугутова, Ю.Н., Работнова, В.А. Скуднова, В.В. Рыбина, В.А. Лихачева и других обсуждались закономерности предельной деформации металлов в зависимости от металлургических, физических, технологических факторов. При этом использованы представления о конкуренции процессов пластической деформации и разрушения, которые идут в нагруженном теле с момента приложения нагрузки до распада образца на части. В этих работах отчетливо представлена роль силовых, временных, энергетических, пространственно-геометрических факторов и повреждаемости. Однако закономерности предельной деформации хрупких материалов в интервале удлинений , совпадающих с относительным сужением в пределах от 0 до 10% (до момента образования сосредоточенной шейки в образце при растяжении), в литературе систематизированы недостаточно. При анализе хрупких разрушений представляет большие трудности выделение роли структурных, пространственно-геометрических, фрактальных, энергетических факторов в общей кинетике разрушения. Несмотря на многочисленные работы А. Гриффитса, Я.Б. Фридмана, Я.М. Потака, Н.Н. Давиденкова, Л.С. Кремнева, В.Н. Гриднева, Ю.М. Мешкова, В.М. Финкеля и многих других исследователей, посвященные анализу хрупкого разрушения высокотвердых, литых сталей и сплавов и прочих материалов, актуальной является проблема разработки уравнения связи предельных характеристик хрупких материалов с твердостью, морфологией и фрактальностью структуры, дефектностью, релаксацией напряжений, степенью разрыхления материала, поверхностной энергией, напряженно деформированным состоянием.

Цель работы. Комплексное изучение природы и закономерностей хрупкого разрушения и их применение для анализа технологий, структурно-энергетического состояния материалов (быстрорежущих сталей, чугунов, графитизированных и штамповых сталей и других) и разработка мероприятий по предотвращению разрушений инструментов сложной геометрической формы (типа протяжек).

Программа работы включала решение следующих задач:

1. Составление уравнения и выявление закономерностей связи предельной деформации стали (в пределах от 0 до 10%) с внутренними факторами (размер, концентрация, форма, фрактальная размерность карбидов, плотность металла) и внешними факторами (геометрия инструмента и нагрузка) быстрорежущих сталей.
2. Использование полученных закономерностей поведения предельной деформации для анализа упрочняющих технологий, обеспечивающих получение оптимальных структур и повышение норм стойкости и надежности инструмента.
3. Изучение структурно-энергетических состояний быстрорежущих сталей в зависимости от:

а) формы, количества (концентрации) карбидов после термической обработки;

б) напряженно-деформированного состояния инструмента сложной геометрии, включающей расчеты:

- коэффициентов сложности геометрической формы протяжек;

-общего показателя напряженного состояния, зависящего от твердости, концентрации напряжений, прилагаемых нагрузок в различных участках протяжек и сравнение с уровнем механических свойств стали;

4. Изучение методики и расчет фрактальной размерности границ карбидов.

5. Выявление значимости внутренних и внешних факторов по влиянию на предельную деформацию до разрушения методом дисперсионного анализа.

6. Определение физических (плотность), механических (твердость) свойств и структуры (макроанализ изломов, микроанализ, рентгеноструктурный анализ) стали S700 подвергнутой различным видам термической обработки.

7. Расчеты величин энергоемкости, критерия зарождения трещин (для чугунов, инструментальных и графитизированных сталей) и установление их взаимосвязи с величиной предельных деформаций в пределах закона сохранения постоянства деформированного объема, выражающегося уравнением (1+)(1-)=1, т.е. когда =.

8. Разработка мероприятий по предотвращению разрушения протяжек и разработки перспективных технологий.

Объекты исследований:

Инструментальные быстрорежущие стали Р6М5, S700 фирмы ВНLER (по химическому составу Р9М4К10); чугун (ковкий, высокопрочный); графитизированные стали с различной дисперсностью графита Г1 (средний размер частиц 1,3 мкм), Г4 (размер частиц 4,99 мкм), Г6 (размер частиц 9,24 мкм); сталь Гадфильда 110Г13Л, штамповые стали марок 5ХНМ, 3Х3М3Ф, 4Х5МФ1С, 4ХМФС.

Методы исследования: оптическая микроскопия (макро- и микроанализ) на микроскопах типа МБС-10 и МИМ-7 с применением цифрового фотографирования; механические испытания на растяжение (УМЭ-10Т), твердость по Роквеллу (ТК-2), Виккерсу (Zwick), рентгенофазовый анализ (ДРОН-2); гидростатическое взвешивание (весы аналитические ВЛА-200г-М) для определения плотности; аналитические методы: статистическая обработка данных (оценка точности измерений, дисперсионный анализ) с использованием Excel 2004, анализ сложности геометрической формы с применением программы AutoCAD Mechanical 6 Power Pack.

Научная новизна.

1. Составление уравнения и выявление общих закономерностей поведения предельной деформации до разрушения хрупких материалов при удлинениях от 0% до 10% в зависимости от внутренних (параметры структуры) и внешних факторов (геометрия, нагрузка, напряженное состояние и других).

2. Комплексное изучение структурно-энергетических состояний быстрорежущей стали с учетом фрактальной размерности границ карбидов.

3. Общая оценка напряженно-деформированного состояния сталей, включающая: расчеты напряженного состояния по твердости в деталях, подвергнутых объемной и поверхностной термической обработке; коэффициентов сложности формы различных деталей; коэффициента концентрации напряжений от нагрузок в различных участках протяжки.

4. Установление значимости факторов (твердости, общего коэффициента концентрации напряженного состояния по геометрии изделия, коэффициентов сложности формы по площади поверхности и по соотношению площадей поперечного сечения по зубу и по впадине) по влиянию на предельную деформацию до разрушения методом дисперсионного анализа.

5. Установление общей для всех металлов связи критерия зарождения трещин с величиной удлинения на основе комплексности условий хрупкого разрушения.

6. Установление влияния различных режимов отпуска на плотность быстрорежущей стали.

Практическая ценность данной работы заключается в следующем:

• установлены критерии оценки качества инструментальных сталей по величине предельной деформации и критерию зарождения трещин после упрочняющих технологий;
• рассчитаны коэффициенты сложности геометрической формы протяжек и установлено их влияние на концентрацию напряжений по опасным (слабым) сечениям протяжек, на показатель напряженного состояния изделия, на снижение предельной деформации и критерий зарождения трещин;
• на основе установленных закономерностей хрупкого разрушения материалов разработан алгоритм анализа упрочняющих технологий, обеспечивающий нахождение путей повышения качества изделий;
• проведено и проанализировано 15 упрочняющих технологий термической и комбинированной термической и импульсно-магнитной обработок стали S700, для которой установлены оптимальные режимы обработки, обеспечивающие повышенные плотность металла, предельную деформацию до разрушения, критерий зарождения трещин и меньший уровень микронапряжений;
• апробирована методика количественной оценки зубчатости границ карбидов с помощью фрактальной размерности и показано, что с увеличением зубчатости концентрация напряжений снижается, пластичность сталей повышается, следовательно, надежность работы инструмента повышается;

Апробация работы. Отдельные этапы и основное содержание работы докладывались на II Региональной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки Нижегородского региона» 16 мая 2003г; 9-й Нижегородской сессия молодых ученых (Технические науки) 10-14 февраля 2004г; Научно-технической конференции молодых ученых и студентов, ННИИРТ 5-6 мая 2004г.; IV Международном междисциплинарном симпозиуме «Фракталы и прикладная синергетика», Москва 14-17 ноября 2005 г.; 10-й Нижегородской сессии молодых ученых (Технические науки) 27–3 февраля 2005г.; IV Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки Нижегородского региона» 26-27 мая 2005г; 11-й Нижегородской сессии молодых ученых (Технические науки), 12–16 февраля 2006г; V Международной научно-технической конференции «Будущее технической науки Нижегородского региона» 19 мая 2006г.

Работа поддержана ФЦП «Интеграция» в рамках УНЦ НГТУ «Физические технологии в машиностроении» по направлению «Разработка научных основ низко- и высокоупрочняющих технологий на основе исследований закономерностей поведения структур, строения изломов и предельных характеристик металлов» в период с 2003 по 2005 годы.

Публикации: основное содержание диссертации опубликовано в 13 печатных работах.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе, списка литературы и пяти приложений. Содержит текст на 193 страницах, 57 таблиц, 55 рисунков (включая фотографии микро- и макроструктур), список литературы из 100 наименований, приложения в виде таблиц и рисунков и двух актов внедрения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность проблемы, определена цель работы и программа исследований.

В первой главе приводятся литературные и производственные данные ОАО «ГАЗ» по исследованию новых марок инструментальной быстрорежущей стали, режимов термической обработки и технологий по упрочнению поверхности инструмента, химический состав некоторых быстрорежущих сталей, режимы термообработки, виды напряженного состояния и классификация трещин, виды поломок и разрушений инструмента, влияние прокаливаемости и закаливаемости на образование трещин. Приводится анализ теорий А. Гриффитса, Л.С. Кремнева, Ю.М. Мешкова, И.А. Одинга, В.С. Ивановой, А.П. Гуляева о хрупком разрушении материалов. Показано отсутствие сведений о влиянии структурных факторов (повреждаемости, формы и количества карбидов) и внешних факторов (концентраторов напряжений, связанных со сложной геометрией изделий, нагрузки) на предельную деформацию; расчетов оценки сложности формы инструмента (геометрии изделия). Отмечено, что контроль качества инструмента, проводимый металлографическим способом и по значениям твердости, недостаточен.

На основании выявленных недостатков сформулирована программа работы.

Во второй главе составлено уравнение для получения закономерностей хрупкого разрушения металлических сплавов с относительным удлинением от 1 до 10%.

Условие распространения острых трещин Гриффитса для стекла с 0 в условиях самого опасного плоско-деформированного состояния имеет вид

, (1)

где с-концентратор напряжений от трещины с критическим размером 2с; s-поверхностная энергия, - упругая энергия, Е- модуль упругости, -коэффициент Пуассона, – критическое напряжение, зависящее от напряженного состояния.

В работе Ю.Я. Мешкова показано, что в макромеханике разрушения металлов, где пластические эффекты нарушают строгость решения Гриффитса, этот критерий не применим. На этом основании энергетическое условие для материалов с >0, учитывая (1)

, (2)

где – предельная удельная энергия деформации, определяется на стадии пластической деформации как площадь под диаграммой растяжения образца; П – показатель напряженного состояния; – поверхностная энергия металла

, (3)

где – модуль сдвига, МПа.

Из анализа (1) и (2) видно, что относится к периметру имеющейся трещины с размером 2с. Поверхностную энергию металла следует относить к самому опасному компоненту структуры, являющимся концентратором напряжений. В структуре стали концентрация напряжений возможна от границ зерен, полос скольжения, вредных примесей, карбидов. Если считать, что кроме карбидов остальные параметры структуры создают незначительные концентрации напряжений, то поверхностную энергию следует относить к карбиду, имеющему ряд параметров: (периметр карбида), D (фрактальная размерность), (коэффициент сложности формы карбида), (микронапряжения, определяемые как искажения решетки), N (концентрация карбидов). Представим (2), с учетом существования внутренних и внешних факторов, в виде

(4)

Выразим предельную деформацию до разрушения для материала с >0-10% из (4)

(5).

Решение уравнения (5) при первом приближении дает выражение

, (6)

где КТ – коэффициент, равный соотношению прочностных характеристик и твердости НВ.

Условием разрушения материала будет достижение величины предельной деформации некоторого критического значения . Полученные теоретические закономерности предельной деформации представлены на рис.1.

а) б) в) г)

Рис.1 Теоретические зависимости предельной деформации от:

а– твердости и микронапряжений, б – размера, концентрации и сложности формы карбидов, в – поверхностных энергий хрупкого и пластичного металла, фрактальности границ карбидов, г – показателя напряженного состояния при переходе от объемного сжатия к растяжению

Формула (6) отражает особенности хрупкого разрушения материалов, при которых изменения факторов плотности и релаксации напряжений незначительны. Эти факторы имеют превалирующее значение для средне- и высокопластичных материалов, имеющих >15 и от 10 до 95%. В этом случае уравнение, учитывающее конкуренцию между процессами пластической деформации и разрушения, идущими в теле с момента приложения нагрузки до распада образца на части, полученное В.А. Скудновым имеет вид

, (7)

где Е–модуль Юнга; и – плотность металла начальная и конечная (=1); – скорость релаксации, – скорость нагружения.

Из уравнения (6) выводятся новые закономерности поведения предельной деформации хрупких материалов от параметров структуры:

–предельная деформация, при прочих равных условиях, контролируется: твердостью (чем выше твердость, тем меньше), поверхностной энергией (чем выше эфф, тем больше ), размером карбидов (чем больше , тем меньше ), концентрацией карбидов (чем больше концентрация карбидов, тем меньше ), формой карбидов (чем выше коэффициент сложности формы карбидов, тем меньше ), фрактальной размерностью искажений границ (чем больше фрактальная размерность искажений на границе карбид-матрица, тем выше ), микронапряжением (чем выше , тем ниже );

– чем больше объемность (жесткость) напряженного состояния в зависимости от нагрузки и геометрии изделия, тем ниже и меньше доля упругой деформации. Таким образом, критерием работоспособности хрупких материалов может служить величина предельной деформации до разрушения. Ниже приведены результаты исследований сталей и чугунов, подтверждающих справедливость полученных закономерностей.

В третьей главе перечислены методики экспериментальных исследований. Обоснован выбор материалов, размеров образцов и состояний (режимов обработки). Описаны экспериментальные методы исследований: макро- и микроструктурный анализ, измерение твердости, оценка пластичности упрочненного материала методом вдавливания индентора на приборе Виккерса, рентгеноструктурный анализ для определения фазового состава и уровня макро- и микронапряжений стали в различных состояниях, измерение плотности методом гидростатического взвешивания; расчетные и аналитические методы исследований: расчет критериев структурно-энергетического состояния, дисперсионный анализ, оценка точности измерений.

В четвертой главе проведено исследование факторов, влияющих на .

1. Значение упругой энергии.