Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние вопроса 13
1.1 Характеристика и термическая обработка быстрорежущих сталей 13
1.1.1 Основные свойства и классификация быстрорежущих сталей 13
1.1.2 Формирование градиентных структурно-фазовых состояний 20
1.1.3 Оптимизация структуры и термической обработки быстрорежущих сталей с целью повышения их стоимостных свойств 22
1.2 Оценка работоспособности материала при циклическом нагружении 32
1.2.1 Концепции и модели механики разрушения 32
1.2.2 Усталостное разрушение. Характеристики трещиностойкости 37
1.3. Контроль качества составного сварного инструмента. Метод акустической эмиссии 41
1.3.1 Физические основы формирования сварных соединений 42
1.3.2 Формирование структуры при стыковой сварке 43
1.3.3 Оценка качества сварных соединений и применение метода яеразрушающего контроля для определения их дефектности 44
1.4 Постановка цели и задач исследования 48
2 Влияние термической обработки быстрорежущих, углеродистых и легированных сталей на трещиностойкость 50
2.1 Испытания на трещиностойкость углеродистых и быстрорежущих сталей - составных частей стыкового сварного инструмента 50
2.2 Испытания на трещиностойкость сварных соединений быстрорежущих сталей 57
2.3 Термическая обработка сталей сварных соединений как способ повышения их эксплуатационных свойств 61
2.4 Трещиностойкость и твердость сталей после различных видов термической обработки 70
2.5 Выводы 84
3 Микроскопические, электронномикроскопические исследования и рентгеноспектральный микроанализ 87
3.1 Металлографические исследования сварных соединений 87
3.2 Металлографические исследования сталей после различного вида упрочнения 93
3.3 Рентгеноспектральный микроанализ сварных соединений 104
3.4 Выводы и обоснование применения методов неразрушающего контроля качества изделий 110
4 Лабораторные испытания стыковых сварных соединений с применением метода акустической эмиссии 113
4.1 Методика испытаний стыковых сварных соединений с регистрацией сигналов акустической эмиссии 113
4.2 Приборное обеспечение проведения экспериментов с регистрацией сигналов акустической эмиссии 115
4.3 Испытания стыковых сварных соединений на изгиб с регистрацией сигналов акустической эмиссии 119
4. 4 Определение степени опасности дефектов стыковых сварных соединений при рихтовке изделий 124
4.5 Выводы и формулировка требований к промышленному регистратору сигналов акустической эмиссии 131
5 Производственные испытания 133
5.1 Методика регистрации сигналов акустической-эмиссии в процессе производства стыковых сварных соединений 133
5.2 Устройство и принцип действия промышленного прибора 136
5.3 Применение системы контроля для определения дефектности стыковых сварных соединений в производственных условиях 140
Выводы 143
Список использованной литературы 145
Приложение А
- Оценка работоспособности материала при циклическом нагружении
- Испытания на трещиностойкость сварных соединений быстрорежущих сталей
- Металлографические исследования сталей после различного вида упрочнения
- Приборное обеспечение проведения экспериментов с регистрацией сигналов акустической эмиссии
Введение к работе
Методы и средства оценки надежности изделий играют определенную роль, поскольку являясь одной из составляющих качества, она характеризует способность изделий выполнять заданные функции в условиях эксплуатации в течение заданного времени с сохранением определенных свойств. Одним из путей повышения надежности является изучение свойств материала и деформационных процессов, происходящих в нем в процессе эксплуатации и приводящих к разрушению вследствие появления и развития макротрещин. В связи с этим большое внимание уделяется теоретическим и экспериментальным вопросам механики разрушения, которые используют в качестве параметров состояние материала и наличие дефектов в его структуре.
К наиболее эффективным экспериментальным методам оценки уровня механических свойств сварных соединений с требуемыми техническими условиями относятся испытания на трещиностойкость и определение трещиноустойчивости, достаточность которых определяется из условий удовлетворения эксплуатационных свойств.
Наличие экстремальных температур и усталостных нагрузок, при которых работают изделия, полученные с использованием различных технологий, в том числе составной сварной инструмент, предъявляют высокие требования к системам диагностики и контролирующей аппаратуре, особенно при сварке разнородных сталей.
Процессы, обусловленные возникновением дефектов и их развитием, в свою очередь, связаны с перераспределением напряжений и излучением упругих волн. Измерение параметров этих волн позволяет обнаружить развивающиеся дефекты, определять их местонахождение, степень опасности и ресурс работоспособности изделий. Неразрушающий метод контроля, основанный на регистрации волы напряжений, - метод акустической эмиссии (АЭ) - получает в настоящее время все большее распространение.
Актуальность проблемы. Градиентные структуры формируются при термической и химико-термической обработке изделий, а также при обработке металлических материалов методами высокоинтенсивных технологий. Особое место в созданий градиентных структур занимают процессы сварки и наплавки, а при использовании разнородных сталей градиеитность выражается наиболее ярко.
Основным технологическим процессом, применяющимся при изготовлении конструкций, оснастки, инструмента и т.п., является сварка, от которой во многом зависит качество и надежность сварного изделия. Несмотря на прогресс в развитии сварочной техники и технологии, в сварных соединениях по ряду причин возникают дефекты различного вида и размеров, приводящие к снижению работоспособности и долговечности изготовленной продукции. Поэтому высокие требования к качеству сварного соединения и его контролю позволяют исключить поступление в эксплуатацию продукции с недопустимыми дефектами.
Качество сварных соединений определяется комплексом механических и специальных свойств, являющихся, как правило, структурно чувствительными характеристиками. Оценка градиентных структурно-фазовых состояний, возникающих при различных воздействиях на материал, позволяет определить пути управления структурными и фазовыми превращениями, например, посредством регулирования параметров сварочного процесса, режимов термической обработки и использованием новых ее технологий с целью получения изделий с заданными эксплуатационными свойствами, не содержащих дефектов. Эта задача решается с помощью методов металловедения с учетом специфических особенностей превращения при сварке (например, более высокие температуры нагрева, чем при термической обработке, иные условия кристаллизации и пр.), что особенно важно для сварных соединений разнородных сталей на основе быстрорежущих.
С другой стороны, контроль качества становится все более самостоятельной технологической операцией. Наряду с методами разрушающего контроля, который не всегда гарантирует пригодность продукции к применению, используются неразрушающие методы контроля, контролирующие, как правило, всю продукцию, что резко повышает ее эксплуатационную надежность. Это особенно важно для деталей и изделий, работающих в условиях циклических нагрузок и подверженных усталостному разрушению. Особенности усталостного разрушения (отсутствие заметных остаточных деформаций, внезапный характер заключительной стадии разрушения, разброс параметров и др.) чрезвычайно затрудняют предсказание момента разрушения конкретного объекта. Исходя из концепции живучести конструкции (значительную долго жизненного цикла материал конструкции работает с теми или иными дефектами, а срок службы определяется ростом дефектов до критических размеров) можно достичь большого технико-экономического эффекта, используя методы и средства обнаружения усталостных трещин на ранних стадиях их развития, непосредственно при эксплуатации или при плановых проверках объектов контроля. Особенно широкое практическое применение получил акустико-эмиссионный метод. Это связано с тем, что, во-первых, в данном методе используются физические процессы, сопровождающие развитие усталостной трещины и несущие информацию об источнике (трещине), что может быть зафиксировано специальной аппаратурой. Во-вторых, акустическая эмиссия может успешно применяться для обнаружения и оценки параметров усталостных трещин как в образцах простой геометрической формы, так и в элементах реальных конструкций при их испытаниях или эксплуатации. И, в-третьих, возможность дистанционного обнаружения усталостных трещин, так как генерируемые волны напряжений, связанные с локальной перестройкой структуры материала, распространяются на значительные расстояния.
Цель работы.
1) Повышение качества сварного соединения разнородных сталей на основе быстрорежущих путем изменения градиентных структурно-фазовых состояний.
2) Оценка надежности и долговечности стыкового сварного инструмента методом неразрушагощего контроля с применением акустической эмиссии.
Для реализации сформулированных целей в диссертации поставлены и решаются следующие задачи:
Отработать методику и исследовать трещиностойкость стыковых сварных соединений разнородных сталей на основе быстрорежущих.
Построить кинетические диаграммы усталостного разрушения и определить критические коэффициенты интенсивности напряжений сталей.
Исследовать влияние изменения градиентного структурно-фазового состояния на трещиностойкость и свойства сталей (температурное воздействие, химико-термическая и высокоэнергетическая обработки).
Исследовать влияние миграции химических элементов в околошовной зоне сварных соединений.
Исследовать возможность применения методов неразрушающего контроля в процессе производства сварного инструмента.
Научная новизна.
1) Исследована трещиностойкость сварных соединений на основе быстрорежущих сталей Р6М5 и Р6М5К5. В качестве объекта исследования выбрана заготовка стыкового сварного инструмента (причем быстрорежущая сталь являлась его рабочей частью, а стали 45 или У7 - хвостовой) после изотермического отжига: - построены кинетические диаграммы усталостного разрушения и определены критические коэффициенты интенсивности напряжений Кс (К]С); - исследовано влияние миграции химических элементов в околошовной зоне (вследствие диффузионных процессов при сварке) на сопротивление разрушению материала сварного соединения и установлены границы зоны термического влияния с применением метода рентгеноспектрального микроанализа.
2) Изучено влияние изменения градиентного структурно-фазового состояния инструментальных сталей на трещиностойкость посредством: - изменения температуры предварительного нагрева (вылеживания) перед закалкой и отпуском быстрорежущих сталей Р6М5, Р6М5К5; применения химико-термической обработки: азотирования, эпиламирования, иитроцементации (сталей Р6М5, Р6М5К5, 20Х); - химико-термической обработки с применением лазерного излучения (ЛХТО), а также совместно ЛХТО и азотирования (сталь 20); - лазерной поверхностной обработки стали У10.
Исследована трещиностойкость и свойства стали 20X13 и покрытий систем Fe-Cr-Mn~V-C~B-Si и Ni-Ti после электронно-лучевой обработки.
Исследована возможность применения неразрушающего метода контроля с использованием акустической эмиссии при рихтовке заготовок и в процессе сварки.
Практическая значимость.
1) Оценить сопротивление разрушению материала сварного соединения, в том числе сварного инструмента, возможно с помощью критических и кинетических параметров трещи но стойкости. Результаты проведенных исследований по повышению качества сварных соединений могут быть использованы: при разработке режимов термической обработки; при отработке параметров сварочного процесса; при применении новых технологий упрочнения поверхности; - при выборе материалов с учетом их трещнностойкости и трещиноустойчивости.
2) Для расчета параметров трещиностойкости и вывода зависимости Пэриса разработана программа на языке Т1ЖВО PASCAL V 6.0 с применением корреляционного анализа.
3) Дефекты сварного соединения, являющиеся источником акустической эмиссии, могут быть обнаружены уже в период сварки, что создало возможность внедрения непрерывного контроля продукции в процессе производства, позволяющего корректировать параметры сварки.
Реализация результатов. Внедрен неразрушающий контроль стыкового сварного инструмента, основанный на фиксировании волн напряжений, создаваемых дефектами сварки. Отбраковка осуществлялась по принципу "годен - негоден" в процессе сварки. Ежегодный экономический эффект в связи с экономией быстрорежущей стали составил 15000 руб. (цена до 1991 г.).
Исследована трешиностойкость поверхностно упрочненных углеродистых и легированных сталей и покрытий двух систем с целью повышения работоспособности комбинированного инструмента, а также изыскания возможности применения сталей, альтернативных высокопрочным с точки зрения сопротивления усталостному разрушению.
Предмет защиты и личный вклад автора. На защиту выносятся: результаты исследования влияния режимов термической обработки быстрорежущих сталей сварного инструмента на твердость, трещиностойкость; результаты исследования влияния химического состава сталей на трещиностойкость сварного соединения; результаты исследования влияния различных видов химико-термической обработки, упрочняющих обработок посредством лазерного и электронно-лучевого воздействия и покрытий разных систем на трещиностойкость; результаты исследования, разработка методики и аппаратурное обеспечение экспресс - метода на основе регистрации сигналов акустической эмиссии для определения дефектности заготовок составного инструмента при рихтовке;
5) результаты исследования, разработка методики, составление технической документации, изготовление и внедрение системы неразрушающего контроля на основе метода акустической эмиссии по определению дефектности сварных швов в процессе сварки.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих конференциях, симпозиумах и семинарах: Научно-техническая конференция "Использование современных физических методов в неразрушающих исследованиях и контроле" (г. Хабаровск, сентябрь 1987 г.); Всесоюзный семинар "Пластическая деформация материалов в условиях внешних энергетических воздействий" (г. Новокузнецк, март 1988 г.; февраль 1991 г.); III зональная научно- техническая конференция "Пути повышения качества и надежности инструмента" (г. Барнаул, апрель 1989 г.); Научно-техническая конференция "Ресурсосберегающие методы и средства экспресс-контроля структурно- механического состояния материалов" (г. Пенза, декабрь 1990 г.); III и IV Международная конференция "Прочность и пластичность материалов в условиях внешних энергетических воздействий" (г. Новокузнецк, 1993 г,; сентябрь 1995 г.); II Российско-Китайский симпозиум "Актуальные проблемы современного материаловедения" (г. Калуга, май 1995 г.); IV Всероссийская конференция "Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц" (г. Томск, 1996 г.); Межгосударственная научно-техническая конференция "Развитие теории, технологии и совершенствование оборудования процессов ОМД" (г. Магнитогорск, 1996 г.); Международная конференция "Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений" (г. Тамбов, 1996 г.); Международная научно-техническая конференция "Структурная перестройка металлургии, экономика, экология, управление, технология" (г. Новокузнецк, 1996 г.); V Международная конференция "Актуальные проблемы материаловедения в металлургии" (г. Новокузнецк, февраль 1997 г.); Международная научно-техническая конференция "Проблемы железнодорожного транспорта и транспортного строительства Сибири" (г.
Новосибирск, 1997 г.); XIV Уральская школа металловедов-термистов "Фундаментальные проблемы физического металловедения перспективных материалов" (г.г. Ижевск - Екатеринбург, 1998 г); Всероссийская научно-практическая конференция "Металлургия на пороге XXI века: достижения и прогнозы" (г. Новокузнецк, октябрь 2000 г.); Международная конференция "Физико-химические процессы в неорганических материалах" (г. Кемерово, октябрь 2001г.); Международная научно-практическая конференция "Проблемы и перспективы развития транспортных систем и строительного комплекса" (г. Витебск, 2003 г.); Дальневосточный инновационный форум с международным участием "Роль науки, новой техники и технологий в экономическом развитии регионов" (г. Хабаровск, сентябрь 2003 г.); VI Международная научно-практическая конференция "Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права (г. Сочи, октябрь 2003 г.); П-я Евразийская научно-практическая конференция "Прочность неоднородных структур" (г. Москва, апрель 2004 г.); Научно-практическая конференция " Электрификация металлургических предприятий Сибири" (г. Новокузнецк, сентябрь 2004 г.)
Публикации. Результаты, изложенные в диссертации, опубликованы в 52 печатных работах в центральных журналах и сборниках, из них 13 статей.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, выводов и приложений. Изложена на 187 страницах, содержит 51 рисунок, 11 таблиц, список литературы из 132 наименований.
Оценка работоспособности материала при циклическом нагружении
Разрушение - это процесс ослабления и разрыва межатомных связей. В обычном металле она осуществляется коллективизированными электронами (металлическая связь), но при этом существует некоторая доля ковалентной (индивидуальной) связи. Для любого металла характерны вязкое и хрупкое разрушение, границей которых может быть температурный порог хладноломкости, зависящий от состава, структуры, напряженного состояния и условий деформации [57]. При снижении температуры ковалентная компонента межатомной связи возрастает и достигает критического значения при определенной температуре, при которой происходит хрупкое разрушение.
В механике разрушения нашли широкое распространение два подхода к оценке сопротивления разрушению сплавов: 1) энергетический, базирующийся на оценке работы разрушения; 2) силовой, связанный с оценкой экстремальных компонент поля напряжений в условиях разрушения. В последнее время получает развитие третий - деформационный - подход, согласно которому оценивают остаточные критические деформации при разрушении [58].
Первая физическая модель, объясняющая низкую реальную прочность твердых тел по сравнению с теоретической, принадлежит Гриффитсу. На основании энергетического подхода он показал, что такое несоответствие связано с наличием в теле малых дефектов (трещин), способствующих возникновению концентрации напряжений, достигающих в локальных объемах теоретической прочности. При размере трещины h 1іГр (критический размер Гриффитса) рост трещины энергетически выгоден, при h пГр - выгодно ее захлопывание [59]. Такой подход применим только к абсолютно хрупкому телу. В пластическом материале необходимо учитывать пластическую зону, появление которой связано с касательными напряжениями вблизи вершины трещины. По мере продвижения трещины некоторый слой тела, прилегающий к ее поверхности, оказывается сильно продеформированным, а сама пластическая зона смещается вперед, все время обгоняя вершину трещины. С учетом критического размера Орованом получено условие для роста трещины h h0p = (у + уПл.Уу ЬГр, где у -удельная поверхностная энергия, уп.л — энергия за счет работы локальной пластической деформации.
Приведенные выше критерии линейной механики разрушения просты в расчетах трещин несложной формы в очень больших телах. Поэтому в последнее время получил распространение более общий критерий Кс — критический коэффициент интенсивности напряжений. При создании критериев трещиностойкости Ирвин установил пропорциональность локальных напряжений в случае отрывного нагружения тела с трещиной коэффициенту интенсивности напряжений К = а л/шг, где о - номинальное напряжение, — длина трещины, а - параметр, зависящий от формы тела и геометрии трещины.5к-модель представляет собой линейно-упругое тело со следующими дополнительными свойствами [60]; 1) максимальные растягивающие напряжения в теле не превосходят предела хрупкой прочности (с0), при этом связь между напряжениями и деформациями определяется законом Гука; 2) если максимальные растягивающие напряжения превосходят ст0, то в теле возникает зона предразрушеиия с областями, рассматриваемыми как трещины-разрезы, противоположные берега которых притягиваются с напряжением GW если расстояние между ними не превосходит некоторой величины 5К, и не взаимодействуют, если расстояние между берегами больше, чем 5К.
Размеры зоны предразрушения учтены в аналоге 6к-модели для упруго-пластического тела. Решение этой задачи осуществлялось в рамках расчетной схемы, представленной в работах [61, 62]. Зона предразрушения представлена следующим образом. Под углом 45 - 72 к плоскости расположения трещины (как и в случае локализации пластических зон при плоской деформации) размещены узкие зоны пластического скольжения длиной 1 - трещины-разрезы, к поверхности которых приложены касательные напряжения т = 1/2 сг (о - предел текучести), а скачок нормальных перемещений равен нулю. При критической длине пластической зоны (1 = 1) Кіс рассчитывается по формуле К1с = 2,331 ат V 1 .
Концепция квазихрупкого разрушения рассмотрена в работе [63]. Если пластическая область, возникшая при монотонном нагружении, растет с увеличением напряжения, то возможны два варианта. Разрушение произойдет в связи с тем, что все сечение перед трещиной перейдет в пластическое состояние (исчерпается способность тела к пластическому деформированию), или же пластическая область будет расти до некоторого предельного размера d, после чего произойдет локальное разрушение в конце трещины, и она будет развиваться. Указанная концепция позволяет объяснить хрупкое и вязкое разрушение как предельные случаи квазихрупкого: при d — 0 и d — ю соответственно. Разрушение будет тем ближе к вязкому, чем больше Кс, и, наоборот, чем меньше К 1с, тем ближе разрушение к хрупкому.
Испытания на трещиностойкость сварных соединений быстрорежущих сталей
Приведенный выше метод применен к образцам составного инструмента, изготовленного стыковой контактной сваркой стали Р6М5 со сталями 45 и У7 и стали Р6М5К5 со сталью У7. Сварные соединения разделяют на несколько зон, отличающихся рядом признаков (макро- и микроструктурой, химическим составом, механическими свойствами и др.), а именно: сварной шов, зону сплавления, зону термического влияния (ЗТВ) и основной металл. Природа и причины образования трещин в сварном соединении, как и его хрупкого разрушения, связаны с определенными участками. Так, в соединениях низкоуглеродистых сталей наиболее склонны к хрупкому разрушению участки ЗТВ, нагреваемые до 200 - 500 С. Их охрупчивание связано с деформационным старением. В соединениях легированных сталей наибольшей степени охрупчивания подвержены участки околошовной зоны на расстоянии - 0,1 мм от линии сплавления вследствие укрупнения зерна и образования твердых и малопластичных составляющих структуры в результате превращения аустенита (так называемое "трансформационное охрупчивание"). Одной из причин может быть сегрегация примесей на границах зерен, обусловливающая межкристаллитное (межзеренное) хрупкое разрушение [22].
Так как точное изготовление надреза в месте стыка сталей затруднено (т.е. четко нанести его вдоль определенной зоны практически невозможно), то при исследовании трещиностойкости сварного соединения допускался уход трещины из зоны шва в ЗТВ (как наиболее широкой) вплоть до границы с основным металлом. Поэтому испытывалось достаточное количество образцов, чтобы оценить сопротивление хрупкому разрушению материала с наибольшей достоверностью.
Зависимости Пэриса сварных соединений и критические коэффициенты интенсивности напряжений приведены в работе [109] и в таблице 2.3.
Как следует из таблицы, трещиностойкость сварного соединения стали Р6М5 выше, на что указывает меньшая скорость роста трещины, и переход ее в стадию нестабильного развития происходит при более высоком значении вязкости разрушения К]С, хотя Ктак сварного соединения кобальтовой стали несколько выше. Что касается диаграмм нагрузка - раскрытие берегов трещины сварных соединений быстрорежущих сталей, приведенных на рисунках 4, 5 приложения Б, то они отличаются своей протяженностью за счет значительного периода развития трещины в закритической области, если разрушение происходит в околошовной зоне, в других случаях на вид диаграммы оказывает влияние какая-либо из составляющих сталей сварного соединения. Для разрушения в случае вязкого роста макротрещины ее скорость определяется микропроцессами в пластической зоне, т. е. накоплением микротрещин на включениях и в матрице [59]. Вероятно, существенную роль в переходе к хрупкому разрушению играет эффект задержки пластической деформации по отношению к напряжению. Кроме того, может сказаться влияние границ зерен. Если материал подвергался высокотемпературной пластической деформации (для составного инструмента - сварка, рихтовка), то около границ зерен создаются слои с повышенной плотностью дислокаций. Через такие сильно искаженные слои трещина тоже проходит с добавочным сопротивлением. В предельном случае трещина может вообще затормозиться на границе зерна, а вызванные ею перенапряжения релаксировать благодаря пластической деформации в соседнем зерне (межзеренная хрупкость).
По данным таблиц 2.2 и 2.3 построены кинетические диаграммы усталостного разрушения (КДУР) сварных соединений и составляющих их сталей, представленные на рисунке 2.4.положение между диаграммами свариваемых сталей. Причем зарождение трещины и дальнейшее ее движение при низких значений ДК происходило в приграничных со сталью У7 областях (рисунок 2.4,а), хотя подобие их КДУР прослеживается в течение всего периода развития трещины. При сравнении зависимостей Пэриса для сварного соединения сталь Р6М5-сталь 45 и стали Р6М5 (рисунок 2.4,6) наблюдается тенденция развития трещины в направлении быстрорежущей стали особенно при высоких ДК. Таким образом, можно предположить, что разрушение происходит в области зоны термического влияния, граничащей с углеродистой сталью, или по основному металлу, в первом случае, и в околошовной зоне или по участку ЗТВ, граничащем с быстрорежущей сталью, - во втором. На это указывают и более близкие значения показателя степени размаха коэффициента интенсивности напряжений ДК сварных соединений и соответствующих сталей (который и определяет наклон прямолинейного участка зависимости Пэриса). Анализ излома и рисунок 2.4,6 показывают, что зарождение трещины произошло практически в зоне сварки (середина участка).
Исследования позволили выявить различный характер распространения трещины в исследуемых сварных соединениях. Если трещина распространяется в зоне термического влияния, граничащей с углеродистой сталью, то сварное соединение по сравнению с этой сталью имеет лучшую трещиностойкость (сварное соединение стали Р6М5К5). И, наоборот, ухудшается, если движение трещины происходит по сварному шву или участку зоны термического влияния, прилегающему к быстрорежущей стали (сварное соединение стали Р6М5).
Изучалось также влияние содержания углерода одной из свариваемых сталей на трещиностойкость сварного инструмента. По результатам испытаний построены КДУР сварных соединений быстрорежущей стали Р6М5 со сталями 45 и У7 после изотермического отжига по режиму, описанному ниже. Диаграммы представлены на рисунке 2.5. Наибольшим сопротивлением разрушению обладает сварное соединение сталь Р6М5-сталь
Металлографические исследования сталей после различного вида упрочнения
Влияние разного вида упрочнения составляющих сварного соединения на характер разрушения изучалось по фрактограммам, полученным с изломов образцов быстрорежущей стали после закалки и отпуска (рисунок 3.4) и поверхностно упрочненной инструментальной стали У10 (рисунок 3.5).
Усталостное разрушение стали Р6М5 сварного соединения со структурой мартенсита и остаточных карбидов, происходящее при высоких скоростях движения трещины, осуществлялось квазисколом (рисунок 3.4, а) и сколом по хрупким вторым фазам (рисунок 3.4, б). В отличие от отожженной быстрорежущей стали здесь не наблюдалось ярко выраженных усталостных бороздок, что возможно в высокопрочных сталях [121]. Как видно на рисунке 3.4 квазискол представляет собой сочетание слияния пор, приводящего к образованию ямок (показано стрелкой А), и скола, происходящего по пакетам мартенсита (показано стрелкой Б).
Упрочнение поверхности заэвтектоидной стали У10 посредством лазерного излучения значительно изменяет характер разрушения, как это видно на фрактограммах рисунка 3.5.
Если усталостное разрушение в основном металле (рисунок 3.5, а) сопровождается характерными бороздками, а хрупкое происходит только по второй фазе (указано стрелкой), переходная зона металл - слой имеет признаки обоих механизмов: усталость и межзеренное разрушение (рисунок 3.5, б), то при распространении трещины в начальной стадии по упрочненной зоне имеет место межзеренное разрушение, доля которого увеличивается при движении ее от границы слой - металл к упрочненной поверхности (рисунок 3.5, в), т.е. участки со структурой мартенсита разрушаются путем катастрофического хрупкого расщепления границ зерен. Различные механизмы разрушения действуют и при доломе. В основном металле и в пограничных участках - это квазискол (рисунок 3.5, г). Излом слоя образуется в результате хрупкого межзеренного разрушения и имеет "камневидный" характер (рисунок 3.5, д).
Фрактографические исследования поверхности излома образцов позволяют дать качественную оценку влияния вида термической обработки на процесс разрушения, происходящий в зонах усталостной трещины, вытяжки и долома.
Применение эффективного способа легирования - ЛХТО с последующим азотированием стали, как было показано ранее, значительно повышало вязкость разрушения по сравнению с этими видами термообработки, проведенными отдельно. На рисунке 3.6 представлены
микроструктуры стали 20Х после обычной химико-термической обработки (азотирования) и полученные с применением лазерного нагрева (ЛХТО). Для сравнения использовали нормализованную сталь данной марки. Наблюдалось значительное различие представленных структур.
Так как азотирование проводилось при температуре ниже эвтектоидной (590 С), то в системе Fe - N имело место образование следующих фаз: а раствор (азотистый феррит), у (фаза внедрения нитрид Fe4N) и є (фаза внедрения нитрид Fe2N). При медленном охлаждении с температуры азотирования в а- и є-слоях появляются вторичные выделения у . С удалением от поверхности при комнатной температуре слои чередуются в следующем порядке: є —» є+у т. —» у — а+у ВТ a- В легированной хромом стали азот также образует химические соединения - нитриды (CrN, Cr2N) в очень дисперсной форме, вследствие чего азотированный слой приобретает твердость, намного превышающую твердость цементованных сталей. Его толщина составляет 0,25 - 0,3 мм (рисунок 3.6,6). А возникшие остаточные напряжения сжатия (до 600 - 800 МПа) у поверхности слоя повышают предел выносливости азотированных изделий.
Обработка поверхности с использованием лазерного нагрева обеспечивает равномерно распределенную мелкодисперсную структуру на большую глубину изделия. В случае ЛХТО она составляла около 1,2 мм, при этом твердость по слою в глубь металла распределялась следующим образом: 7160 МПа (светлая нетравящаяся полоска), 2010 МПа (переходный слой), 1170 МПа (основной металл — феррито-перлишая смесь).
В области поверхностно упрочненного слоя разрушение развивается по механизмам, зависящим как от скорости роста трещины, так и от технологии обработки. В зоне ЛХТО в основном разрушение происходит по хрупкому механизму, причем с увеличением скорости роста трещины и в области разрушения вблизи долома хрупкой составляющей в изломе становится больше, вплоть до четкого отображения дендритного строения зон легирования.
Приборное обеспечение проведения экспериментов с регистрацией сигналов акустической эмиссии
Для проведения исследований с регистрацией сигналов акустической эмиссии разработан ряд приборов [125], Для лабораторных экспериментов используется регистратор сигналов АЭ с полосой пропускания 0,1-1,5 МГц и уровнем шумов, приведенных ко входу, менее 5 мкВ, блоком фильтров предназначен для измерения активности, интенсивности и суммарного счета сигналов АЭ по трем уровням дискриминации.
Контроль и эксперименты как в лабораторных, так и производственных условиях осуществляются с помощью регистратора сигналов АЭ с переменной полосой пропускания в двух диапазонах 0,1 - 0,6 и 0,6 - 1,2 МГц при уровне шумов, приведенных ко входу, менее 1,5 мкВ и ширине полосы пропускания 8 кГц. Причем прибор может работать в двух режимах: Рисунок 4.3 - Блок-схема широкополосного регистратора сигналов АЭ
Применение как широкополосных, так и приборов с переменной полосой пропускания требует разработки широкополосных пьезопреобразователей сигналов акустической эмиссии [126], Наряду с ними в некоторых экспериментах используются резонансные преобразователи с целью повышения чувствительности регистрирующей системы в целом, а также как меры дополнительного уменьшения механических и производственных шумов, поскольку резонанс, как правило, находится в более высоком частотном диапазоне.
Кроме этого, приборы с фиксированной частотой пропускания построены по принципу датчик - предварительный усилитель, то есть соответствующим образом подбирается резонансная частота преобразователя (как правило в выбранном частотном диапазоне при промышленных испытаниях) и на эту частоту настраивается предварительный резонансный усилитель. Это позволяет производить отстройку от технологических шумов, уменьшить уровень собственных шумов, приведенных ко входу, и значительно увеличить чувствительность прибора.
Конструкции резонансного и широкополосного преобразователей приведены соответственно на рисунках 4.5 и 4.6. При нагружении образцов осуществлялась запись следующих параметров: нагрузка - время графопостроителем "Endim 620.02"; суммарная акустическая эмиссия (Ns); активность сигналов АЭ (Na); амплитуда сигналов АЭ (запись осуществлялась одним из каналов самописца Н338-4); "пила" от генератора пилообразного напряжения осциллографа CI-42 (второй канал Н338-4).запись диаграммы нагружения для сопоставления и с экрана осциллографа производилась съемка сигнала АЭ и его огибающей.
Развертка осциллографа синхронизирована во времени с "пилой" генератора пилообразного напряжения так, что появление сигнала АЭ на экране электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) соответствовало, во-первых, определенной частоте регистрации, на которую рассчитана полоса пропускания прибора в данный момент времени; во-вторых - механизму деформации, соответствующему месту нахождения на кривой нагружения.
Для отработки методики испытаний стыковых сварных соединений с записью сигналов акустической эмиссии [127, 128] использовались стали, химический состав которых приведен в таблице 4.1. Таблица 4.1 - Химический состав свариваемых сталейКак правило, бездефектные образцы при нагрузках 0,7 СУЕ не разрушались в отличие от образцов с дефектами, однако в отдельных случаях для изучении фрактограмм изломов они доводились до разрушения. Кривые нагружения Р(т), суммарной акустической эмиссии для образцов без дефектов, активность сигналов АЭ и фрактограммы изломов опубликованы в работе [129],приведены на рисунках 4.7 - 4.9 соответственно.
Образцы с задаваемыми при сварке дефектами разрушались при нагрузках, гораздо меньших 0,7аБ, при этом суммарная АЭ практически на порядок выше и активность сигналов акустической эмиссии значительно превышала активность сигналов АЭ от бездефектного образца. Результаты одного из опытов приведены на рисунках 4.10- 4.12.Рисунок 4.9 - Фрактограмма излома образца без дефекта
Кроме вышеперечисленных, встречаются случаи, когда сигналы акустической эмиссии свидетельствуют о дефектности сварного шва, прочность его при этом невысока (разрушение происходит при нагрузках ниже 0,7ов), однако при анализе изломов визуально дефектов не обнаружено. С целью определения причин повышенной активности сигналов АЭ в этих случаях образцы, вырезанные из зоны сварного шва, подвергались металлографическому анализу.
Структура сварного соединения (рисунок 4.13) имеет явно выраженную неоднородность, представленную пятью участками. Участок / -основной металл; углеродистая сталь У7 имеет феррито-перлитную структуру с микротвердостью примерно 1660 МПа. Участок 2 - светлая нетравящаяся полоска со структурой феррита, образовавшаяся вследствие направленной диффузии углерода; этот участок, соприкасаясь с жидкой фазой, получает энергию, достаточную для диффузионных процессов, направленных в сторону быстрорежущей стали (рисунок 4.13, а).
Микроструктура участка 3 представляет собой перлит с игольчатыми включениями феррита; имея высокую температуру (жидкая фаза) и соприкасаясь с более холодными слоями, участок охлаждается ускоренно, что является причиной образования игольчатого строения структуры. Околошовная зона 4 имеет структуру сорбитообразного перлита, образовавшегося в результате ускоренного охлаждения металла в этой области. Участок 5 - основной металл - быстрорежущая сталь Р6М5 со структурой сорбита, первичных и вторичных карбидов.
В структуре быстрорежущей стали на некотором расстоянии от сварного шва прослеживается вытянутый светлый участок с Ям = 21,2, показанный на рисунке 4.13, представляющий собой карбидную неоднородность. При последующем полировании образца послойно (примерно 0,2 мкм) на расстоянии около 4,75 мм от поверхности обнаружена несплошность сварного шва в виде непровара (рисунок 4.14), имеющего длину приблизительно 30 мкм, который удалялся при дальнейшем снятии металла.
Исследование структуры по сечению сварного образца показало, что для углеродистой стали она неоднородна: феррито-перлитная с твердостью 1660 МПа переходит в структуру перлита зернистого с твердостью 1850 Мпа, что объясняется различной скоростью аустенитного превращения, протекающего более медленно в поверхностных слоях металла по сравнению с внутренними за счет повышенной тепловой зоны, созданной выдавленным гратом. Быстрорежущая сталь к такому распределению менее чувствительна, поэтому подобных изменений в структуре не наблюдается.
