АНАЛОГОВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ УСТАЛОСТИ СТАЛЕЙ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ПРЕСС–ИНСТРУМЕНТА
Аннотация: Рассмотрены перспективы применения аналоговых исследований, позволяющих прогнозировать поведение материалов в процессе эксплуатации. Приведены аналоговые исследования термомеханической усталости сталей, применяемых для производства пресс- инструмента. Показано, что поверхностное упрочнение сталей различными методами (азотирование, цианирование, борирование, электроэрозионное поверхностное легирование и различные поверхностные наплавки), повышают ресурс работы пресс – инструмента при литье под давлением алюминиевых сплавов.
Ключевые слова: аналоговые исследования, сталь, трещины термомеханической усталости.
Правильный выбор критериев оценки прочностных свойств материала – важнейший элемент исследования и залог эффективной, длительной работоспособности машин и конструкций. В настоящее время не существует общих правил для выбора критериев, которые способны охарактеризовать конструктивную прочность материала, предназначенного для того или иного изделия. При выборе критериев необходимо учитывать вид и природу износа и эксплуатационных разрушений, систематические, статистически обработанные результаты относительного количества различных отказов изделий при эксплуатации [1, с. 235].
Аналоговые исследования позволяют воспроизводить в лабораторных условиях характерные типы разрушения при соблюдении:
– аналогии видов напряженного состояния в испытуемых образцах и изделиях, для которых предназначен данный материал;
– аналогии других условий испытания (температура, внешняя среда и т. д.);
– сходства характеров износа и разрушения, вида изломав в образцах и изделиях.
В данной работе приведены аналоговые исследования термомеханической усталости (ТМУ) поверхностно-упрочненных штамповых сталей, применяемых для производства пресс – инструмента, теплоконтактным методом. Методы поверхностного упрочнения пресс – инструмента, в частности пресс – форм литья под давлением получили ограниченное применение. Это обычно связывают с низким сопротивлением рабочих поверхностей пресс – инструмента к возникновению трещин термомеханической усталости, обусловленных повышенной хрупкостью и твердостью упрочненных слоев. Однако, в ряде работ отмечается повышенная работоспособность штампов горячего деформирования и пресс – форм литья под давлением алюминиевых сплавов в варианте с азотированием, несмотря на возникновение трещин на рабочих поверхностях на ранних этапах эксплуатации [2, с. 5]. Следовательно, работоспособность рассматриваемых групп инструмента в варианте с диффузионным упрочнением определяется не моментом возникновения трещин на начальных этапах эксплуатации, а кинетикой их развития.
В ходе исследований образцы из сталей размерами 2х12х85мм устанавливались в ванне и подвергались с нижней поверхности охлаждению водой, а в срединной верхней части поверхности контактированию с пластинчатым нагревателем, размерами 7х12мм в сечении из сплава ЭИ4 37Б (ХН77ТЮР), разогретого от сварочного трансформатора до температуры 1383К. Периодическое контактирование (3сек. – нагрев, 6сек. – пауза) обеспечивало в срединной части на поверхности исследуемого образца циклическую температуру (893К), отвечающую условиям эксплуатации рабочих поверхностей пресс – форм литья под давлением алюминиевых сплавов. Нижняя часть образца охлаждалась водой при температуре 293К.
Воспроизведение силовых условий нагружения материала образцов, характерных для пресс – форм литья под давлением алюминиевых сплавов обеспечивалось за счет сосредоточенного изгибного нагружения образца по типу балки. Практический интерес представляют этапы нагружения, в которых эквивалентные напряжения (от температуры и внешнего изгибного нагружения образца) достигают максимальных значений по абсолютной величине.
Напряженное состояние в произвольном малом элементе можно рассматривать как линейную суперпозицию напряженных состояний, обусловленных нестационарным тепловым полем и поперечным изгибом образца [3, с. 307].
Типовой режим аналоговых испытаний материалов теплоконтактным способом [4], определенный экспериментальными измерениями температуры по высоте образца и расчетами по методике [5, с. 157], составляет: напряжение, σ = - 750Мпа; температура поверхности, Тп = 953К; максимальный градиент температур по высоте образца на удалении от контактной поверхности с нагревателем на 1мм, grad T = 340К/мм.
Закономерности возникновения и развития трещин в исследуемой части образца на участке 12мм исследовались с помощью магнитной дефектоскопии и люминесцентным способом. Размер трещин по глубине определялся на боковой поверхности образца металлографическим методом на микроскопе при увеличении х50.
На рис. 1 представлены результаты термомеханической усталости сталей 3Х2В8Ф, 4Х4ВМФС и 4Х3ВМФ после азотирования и без диффузионного упрочнения.
В азотированных слоях механизм ускоренного возникновения трещин связывается с флуктуационным разрывом межатомных связей за счет термомеханического «удара». Условно эти трещины названы трещинами I рода, ко II роду отнесены собственно разгарные трещины, обусловленные накоплением необратимых структурно-фазовых превращений, изменением свойств материала и т. п. вследствие многоциклового температурно-силового нагружения.
Рис. 1. Закономерности возникновения и развития трещин ТМУ при испытании штамповых сталей (синий цвет – сталь 3Х2В8Ф, красный цвет – сталь 4Х4ВМФ, зелёный цвет – сталь 4Х3ВМФ) телеконтактным способом: а) после азотирования, б) без диффузионного упрочнения;  ,  – трещины I рода;  ,  – трещины II рода
С учетом изложенного, в качестве оценочных критериев сопротивления термомеханической усталости поверхностно-упрочненных сталей предложено определять момент зарождения трещин I и II рода ( циклов), их количество ( ) и глубину распространения (, , мм).
Анализ результатов, приведенных на рис. 1, свидетельствует о том, что на неазотированных образцах трещины I рода не возникают. Трещины II рода в неазотированных образцах появляются после продолжительного этапа нагружения ( для сталей 4Х3ВМФ, 3Х2В8Ф, 4Х4ВМФС составляет соответственно 482, 453 и 500 циклов). При этом одновременно возникает большое число трещин ( = 22 – 28), проникающих на сравнительно малую глубину ( = 0,05 – 0,07мм). Дальнейшее накопление количества циклов нагружения характеризуется незначительным увеличением количества трещин, а при m > 2000 отмечается интенсивное избирательное развитие единичных трещин по глубине (рис. 1, штрих-пунктирные линии), которое и приводит в конечном итоге к разрушению образца.
Азотирование, как следует из приведенных данных (рис. 1), существенно изменяют кинетические закономерности возникновения и развития трещин термомеханической усталости. Глубина распространения трещин I рода, первоначальный размер которых соизмерим с толщиной азотированного слоя (Нср = 0,18 – 0,20мм), с увеличением количества циклов нагружения изменяется незначительно. При m > 1500 глубина трещин несколько выходит за пределы диффузионной зоны. При этом вплоть до m = 2500 трещины II рода не возникают.
Сопоставление кинетики трещинообразования на образцах различных сталей показывает, что химический состав матричной основы мало влияет на показатели и азотированных слоев. Однако преимущество сохраняется за многокомпонентными композициями типа 4Х4ВМФС и 4Х3ВМФ.
Таким образом, поверхностное упрочнение инструментальных сталей азотированием способствует раннему появлению трещин I рода. Однако, благодаря релаксирующего влияния образовавшихся в слое трещин I рода на характер напряженного состояния, последующее увеличение количества циклов нагружения сопровождается замедлением их развития. При этом высокая теплоустойчивость диффузионного слоя затормаживает структурно-фазовые превращения и обусловливает увеличение работоспособности пресс – форм литья под давлением алюминиевых сплавов.
В таблице приведены результаты исследования сопротивления термомеханической усталости стали 4Х3ВМФ и 4Х4ВМФС после различных видов поверхностной обработки.
Таблица 1
Влияние режимов поверхностного упрочнения на сопротивление ТМУ стали 4Х3ВМФ
№
п/п
|
Режим термической обработки,
|
Твердость, HRC, HV
|
Твердость слоя, HV
|
Количество циклов,
Nσ
|
База
циклирования,
m, циклов
|
Количество трещин, шт
|
Глубина трещин,
Нср, мм
|
Глубина слоя, мм
|
Тзак, К
|
Тотп, К
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
10
|
Азотирование, 803К, 20час.
|
1
|
1323
|
873
|
50 – 53
HRC
|
860 - 880
|
16
|
16
250
500
750
1000
1500
2000
2500
|
7
8
9
9
9
10
10
10
|
0,07
0,07
0,08
0,08
0,14
0,19
0,28
0,32
|
0,18 – 0,21
|
Электроэрозионное легирование (ЭЭЛ) на установке ЭФИ 46А при энергии единичного разряда 0,042Дж и общем времени легирования 5мин/см2 электродом, мас. %: С и В 0,14 – 0,15; Мо – 0,30, W – остальное [6]
|
2
|
1323
|
873
|
50 – 53
HRC
|
Микротвердость, ГПа,
12,5±0,3
|
520
|
520
1000
1500
2000
2500
|
26
41
41
42
44
|
0,02
0,08
0,14
0,15
0,26
|
0,02
|
Цианирование, 873К, 1 час.
|
3
|
1323
|
873
|
50 – 53HRC
|
720 - 740HV
|
122
|
122
250
500
750
1000
1500
2000
|
30
37
40
40
43
46
46
|
0,01
0,03
0,04
0,10
0,12
0,25
0,26
|
0,05
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
10
|
Наплавка электродами ОЗИ – 3 (7Х3М4В2Ф)
|
4
|
1323
|
893
|
520HV
|
575
|
450
|
450
750
1000
1500
2000
|
6
6
10
15
17
|
0,005
0,04
0,05
0,15
0,16
|
0,2
|
Наплавка электродами Ж – 11 (В6М6К12)
|
5
|
1373
|
903
|
496HV
|
530
|
238
|
238
500
750
1000
1500
2000
2500
|
14
16
20
22
28
30
30
|
0,06
0,065
0,083
0,13
0,18
0,22
0,26
|
3,0
|
6
|
1373
|
923
|
457HV
|
452
|
258
|
258
500
750
1000
1500
2000
|
12
13
18
19
26
26
|
0,06
0,062
0,10
0,12
0,17
0,20
|
0,02
|
Наплавка электродами ЖЗ – 11 (В6М6К15)
|
7
|
1373
|
903
|
500HV
|
490
|
400
|
400
750
1000
1500
2000
2500
|
16
20
24
27
27
27
|
0,01
0,05
0,07
0,17
0,16
0,18
|
3,0
|
8
|
1373
|
923
|
452HV
|
415
|
500
|
500
750
1000
1500
2000
2500
|
20
24
32
38
39
39
|
0,01
0,055
0,10
0,14
0,15
0,16
|
3,0
|
Плазменное напыление с последующей наплавкой сплава Н80С4Р3
|
9
|
1123
|
523
|
455HV
|
500
|
866
|
866
1000
1500
2000
2500
|
4
5
7
7
8
|
0,26
0,32
0,56
0,60
0,63
|
0,35
|
Борирование 30% В4С, 70% Na2B4O7
|
10
|
1333
|
873
|
-
|
1800
|
5
|
5
250
500
750
1000
2000
2500
|
12
12
13
15
17
17
18
|
0,01
0,01
0,04
0,07
0,08
0,10
0,12
|
0,01
|
Процесс разрушения цианированного слоя в условиях циклического температурно-силового воздействия характеризуется некоторыми отличительными особенностями. Так, возникновение трещин ТМУ в цианированном слое наблюдается на более позднем этапе циклирования (Nσ = 122цикла). При этом одновременно возникает большее количество трещин I рода (, = 30шт.) относительно небольших размеров (Нср = 0,01 – 0,03мм). Отмеченное связывается, главным образом, с малой глубиной цианированного слоя (~ 0,05мм). Дальнейшее увеличение количества циклов (~ 250) приводит к преимущественному развитию единичных (2 – 5) трещин, выходящих за пределы цианированного слоя.
Начиная с m > 1000 циклов на контактной поверхности цианированных образцов появляются вмятины, свидетельствующие о пластическом формоизменении наиболее нагруженных зон. Результаты измерения микротвердости в рассматриваемом участке образцов свидетельствуют об интенсивном разупрочнении цианированного слоя. Аналогичные закономерности установлены для электроэрозионного легированных слоев.
Наилучшие показатели сопротивления развитию трещины ТМУ достигнуты на стали 4Х3ВМФ после борирования (табл.).
Закономерности развития трещин в образцах в вариантах с наплавкой электродами ОЗИ – 3, Ж – 11, ЖЗ – 11 из дисперсионно – твердеющих сплавов (табл.) в первом приближении занимают промежуточное положение для рассмотренных выше вариантов азотирования и цианирования. Однако, показатель сопротивления термомеханической усталости наплавленных слоев до возникновения первых трещин ТМУ существенно выше, чем диффузионно-упрочненных покрытий. При этом как глубина развития первоначально образовавшихся трещин, так и скорость распространения единичных трещин с накоплением количества циклов до m ≈ 1000 циклов значительно ниже в наплавленных слоях, чем для образцов после азотирования, цианирования и электроэрозионного легирования. Из числа исследованных наплавленных композиций предпочтение по наименьшей скорости развития трещин ТМУ следует отдать образцам после наплавки электродами ОЗИ – 3 (табл.).
Переходя к оценке кинетических особенностей трещинообразования в слоях, полученных наплавкой сплавами ОЗИ – 3 и В6М6К12, следует подчеркнуть их относительно высокий показатель возникновения начальных трещин  – 450 и 238 циклов соответственно и малую глубину их проникновения. Экспериментальные данные показывают, что кинетические закономерности развития трещин в наплавленных слоях мало зависит от колебаний твердости (в исследованном диапазоне) наплавленного слоя.
Приведенный анализ сопротивления термомеханической усталости штамповых сталей 3Х2В8Ф, 4Х4ВМФС 4Х3ВМФ после поверхностного упрочнения различными методами свидетельствует о перспективности рассматриваемого направления для повышения ресурса работы пресс – форм литья под давлением алюминиевых сплавов.
Литература
1. Металловедение и термическая обработка стали, справочник: в 3 т., под ред.: М. Л. Бернштейна и А. Г. Рахштадта, Т. 1, Методы испытаний и исследования Москва: Металлургия, 1983. – 351с.
2. Геллер Ю.А. Об основных направлениях исследований в области штамповых сталей. В сб.: Стали для штампов и пресс-форм и их термическая обработка. – М., 1975. - С.3-7.
3. Ильюшин А.А., Ленский В.С. Сопротивление материалов. – М.: ФИЗМАТГИЗ, 1956. – 476с.
4. АС № 823779 СССР Метод и установки для исследования термической усталости штамповых сталей / Г.А. Котельников, Б.Ф. Трахтенберг // БИ. – 1963. - №21.
5. Новицкий В.И. Вопросы термоупругости. – М.: АНСССР, 1962. – 414с.
6. АС № 1415580 СССР Материал электрода – инструмента для электроэррозионного легирования / В.Е. Бочков, Ю.Н. Дёмин, М.С. Колесников, Л.А. Алабин, Л.Н. Бочкова // Для служебного использования, 1988.
__________________________________________________________________
Mukhametzyanova G.F. candidate of technical Sciences, assistant professor, Naberezhnye Chelny Institute of Kazan (Volga region) Federal University
ANALOG INVESTIGATION OF THERMOMECHANICAL FATIGUE STEELS USED FOR PRESS - TOOL
Abstract: The prospects of the use of analogue studies to predict the behavior of materials during operation is considered. Analog studies shows thermomechanical fatigue steels used for the production of a press tool. It is shown that the surface hardening of steels by various methods (nitriding, cyanidation, borating, EDM surface alloying and various surface cladding), increase the service life of the press - a tool during injection molding of aluminum alloys.
Key words: analogue researches, steel, cracked thermomechanical fatigue.
УДК 533.9.072
Ахметсагиров Р.И., кандидат технических наук, доцент, Набережночелнинский институт ФГАОУ ВО «Казанский (Приволжский) федеральный университет».
Насибуллин Р.Т. , кандидат технических наук, Набережночелнинский институт ФГАОУ ВО «Казанский (Приволжский) федеральный университет».
|
