Increased fatigue life of steel 12CrMoV by ultrasonic treatment. We researched the structure using an optical microscope. We tested at static tension and fatigue life of steel 12CrMoV

Власов, Илья Викторович

Мухорьянов, Р. Б.

Electronic archive of Tomsk Polytechnic University

Секция 1. Проблемы прочности современных конструкционных материалов ________________________________________________________________________  57   ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ НА СТРУКТУРУ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТАЛИ 12Х1МФ И.В. ВЛАСОВ1, Р.Б. МУХОРЬЯНОВ1,2 1 Томский политехнический университет 2Институт физики прочности и материаловедения СО РАН E-mail: muhoryanov@gmail.com  INCREASED FATIGUE LIFE OF STEEL 12CRMOV BY ULTRASONIC TREATMENT  I.V. VLASOV, R.B. MUKHORYANOV 1Tomsk Polytechnic University 2Institute of Strength Physics and Materials Science E-mail: muhoryanov@gmail.com Annotation. Increased fatigue life of steel 12CrMoV by ultrasonic treatment. We researched the struc-ture using an optical microscope. We tested at static tension and fatigue life of steel 12CrMoV.  Введение  Одним из наиболее эффективных способов повышения срока службы деталей является поверхностное пластическое деформирование. Ультразвуковая обработка повышает твердость поверхности стальных изделий, снижает шероховатость по-верхности и создает остаточные сжимающие напряжения, обеспечивает повышение износостойкости стали, ее циклической прочности, а также повышает рабочий ре-сурс различных изделий машиностроения. В качестве объекта исследований использована теплостойкая сталь 12Х1МФ. Она применяется для изготовления изделий энергетического оборудования, эксплу-атируемых при температурах 540-580 °С. Основной причиной выхода её из строя является разрушение вследствие термомеханической усталости. Таким образом, разработка методов повышения усталостной долговечности стали 12Х1МФ является актуальной задачей. Целью работы являлось исследование влияния ультразвуковой обработки на структуру и механические свойства стали 12Х1МФ [1, 2].  Материал и методика исследований В качестве материала исследований была выбрана теплостойкая сталь 12Х1МФ изделия из этой стали  предназначены для эксплуатации при высоких тем-пературах (570…585°С) [5]. Из фрагмента трубы паропровода электроискровым ме-тодом вырезали плоские образцы размером 70×10×1 мм. Для проведения статиче-ского растяжения и усталостных испытаний в качестве концентратора напряжений в образцах изготавливали (высверливали) отверстие диаметром 2 мм на расстоянии 50 мм от одного из краев. Микроструктуру исследовали путем химического травления с использовани-ем 2 % раствора азотной кислоты. Изображения поверхности образцов получали с помощью оптического микроскопа EPIQUANT.  Испытания на статическое растяжение проводили на электромеханической испытательной машине Instron 5582, а на циклическое растяжение с помощью сер-вогидравлической испытательной машины Biss UTM 150. В процессе усталостных испытаний для получения оценки деформации оптическим методом и характериза-  58    ции деформационного рельефа на поверхности проводили ее фотосъемку с помо-щью фотоаппарата Canon EOS 550D. Микротвёрдость измеряли с помощью прибора ПМТ-3 с нагрузкой 100 г на плоской поверхности и по поперечному сечению образцов до и после ионно-лучевой обработки. Значения микротвердости получены на основе статистической обработки не менее 20 уколов.  Испытания на усталостную долговечность проводили при циклическом рас-тяжении в режиме многоцикловой усталости (МнЦУ) с параметрами: Асимметрия цикла R= 0,1, Fmax=320 МПа, Fmin=32 МПа, частота 20 Гц.  Результаты экспериментов Исследования структуры Структура образца без в состоянии поставки (Рисунок 1. а), поверхность об-разца после ультразвуковой обработки (Рисунок 1. б), поперечный шлиф образцов после ультразвуковой обработки (Рисунок 1. в,г)      Рисунок 1 - Фотографии структуры образцов (вид сверху) в исходном состоянии (а,в) и после ультразвуковой обработки(б,г), полученные с поверхности Микротвёрдость  Микротвёрдость с поверхности образцов без обработки составляет 1,7±0,2 ГПа. Микротвердость с поверхности образцов после ультразвуковой обра-ботки составляет 2,7±0,14 ГПа. Измерение микротвёрдости по глубине образцов по-сле обработки показало ее увеличение на глубине 40…50 мкм от поверхности до значения 2,2±0,16 ГПа, последующее уменьшение (50…100 мкм) до значений по- а  б  в  г Секция 1. Проблемы прочности современных конструкционных материалов ________________________________________________________________________  59   рядка 2±0,30 ГПа и постоянство на уровне, который превышает микротвердость об-разцов в состоянии поставки. Результаты измерений (табл. № 1).  1,61,822,22,41,4100 200 300 400 500Расстояние от края образца, мкмТвердость, ГПа122,62,8 Рисунок 2 - Изменение микротвёрдости по глубине, как функции расстояния от края образца стали 12Х1МФ без (кривая 1) и после ультразвуковой обработки (кривая 2) Таблица 1 – Значение микротвёрдости Тип образца Твёрдость, ГПа Изменения твёрдости отно-сительно исходного образ-ца, % Исходный 1,7±0,2 - После обработки (с поверхности) 2,7±0,14 ↑58,8 После обработки (поперечный шлиф, середина образца) 1,84±0,17 - Статическое растяжение, испытания на усталость Проведены испытания по статическому растяжению образцов с отверстием, имеющих такую же форму, как образцы для циклического растяжения (Рисунок 3). Показано, что образец без обработки имеет предел прочности σв=426 МПа, относи-тельное удлинение ε = 15%; образец, подвергнутый ультразвуковой обработке, имеет предел прочности σв=483 МПа, относительное удлинение ε = 14%. Таким образом, в результате ультразвуковой обработки образцов стали 12Х1МФ предел прочности повысился на 13 %, относительное удлинение снизилось на 7 %. Таблица 2 - Результаты испытаний образцов с двойной рабочей областью на растя-жения Тип образца Относительное удлинение, % Предел прочности, МПа В состоянии поставки 14,9  426 После обработки 14,1(↓7%) 483 (↑14%)   60    σ, МПаε, %21 L, мкмN21 Рисунок 3 - Диаграммы нагружения об-разцов (кривая 1) при растяжении образов в состоянии поставки и (кривая 2) образцы после ультразвуковой обработки Рисунок 4 - График роста трещины от коли-чества циклов; 1) образец без обработки; 2) после УЗО  В ходе усталостных испытаний (Рисунок 4) были определены средние значе-ния количества циклов до разрушения. Для образцов «без обработки» среднее значе-ние количества циклов до разрушения Nр составляет порядка 70 000±15 000 циклов, для образцов после ультразвуковой обработки 110 000±20 000. Таблица 3 - Результаты усталостных испытаний Тип образца Количество цик-лов, х103 Количество циклов до зарождения трещины, х103 Скорость роста усталостной тре-щины, мкм/цикл Без обработки 70±15 55 ± 3,5 0,027 После ультразву-ковой обработки 110±20 (↑ 40%) 74 ± 4,4 (↑ 30%) 0,012 (в 2 раза) Заключение Ультразвуковая обработка привела к заметному повышению микротвердости в поверхностном слое на глубине 50-100 мкм при сохранении ее величины в сердце-вине. Произошедшее поверхностное упрочнение привело к повышению напряжения течения, предела прочности и незначительному снижению величины удлинения до разрушения. Реализованная структурная модификация обеспечила сдерживание за-рождения и развития усталостной трещины, что позволило повысить значение уста-лостной долговечности на 40% по сравнению с образцами в исходном состоянии Список литературы 1. С.В. Панин, И.В. Власов, В.П. Сергеев, А.Р. Сунгатулин, М.П. Калашников, М.А. Полтаранин, Б.Б. Овечкин  Повышение усталостной долговечности ста-ли 12Х1МФ наноструктурированием поверхности ионным пучком Zr+. Структура, свойства и характер разрушения // Физ. мезомех. - 2012. - Т. 15. - № 6. - С. 93-106.      

Исследование влияния ультразвуковой обработки на структуру и механические свойства стали 12Х1МФ

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Electronic archive of Tomsk Polytechnic University