Способ определения предела выносливости стали аустенитного класса

Способ определения предела выносливости стали аустенитного класса

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения предела выносливости стали аустенитного класса, подвергаемой предварительной пластической деформации.

Многие детали в пищевом, химическом и нефтехимическом машиностроении изготовляются из сталей аустенитного класса. В процессе изготовления этих деталей часто находит применение пластическое деформирование.

Пластическое деформирование активно влияет на физические и механические свойства металлов. У аустенитных сталей значительно повышаются прочностные характеристики (σ_Т, σ_В, НВ) и мягко, незначительно снижаются показатели пластичности (δ_%; ψ_%).

Одной из основных причин потери работоспособности деталей машиностроительных конструкций, работающих в условиях циклически изменяющихся напряжений, является разрушение их от усталости. Для обеспечения требуемого ресурса работы конструкции при минимальной материалоемкости и необходимом уровне технологичности деталей нужна исчерпывающая информация об условиях нагружения и характеристике усталостной прочности материала - пределе выносливости σ_-1.

Известен способ определения предела выносливости по твердости для двух групп сталей - низколегированных сталей перлитного класса и для углеродистых сталей (Марковец М.П. Определение механических свойств металлов по твердости. - М.: Машиностроение, 1979 - с.145-146).

Способ заключается в том, что проводится испытание на усталость, в результате чего определяется предел выносливости конкретной стали. Определяется твердость этой же стали и затем строится график зависимости между твердостью НВ и пределом выносливости σ_-1. Средние линии на графиках могут быть описаны уравнениями: σ_-1=0,1 НВ+150 (МПа) для низколегированных сталей перлитного класса и σ_-1=0,1 НВ+100 (МПа) - для углеродистых сталей (там же, с.146).

Недостатком указанного способа является его малая информативность и недостаточно высокая точность определения σ_-1 в зависимости от НВ.

Известен способ определения предела выносливости материала при растяжении-сжатии в случае симметричного цикла.

Способ заключается в том, что партию стальных образцов подвергают осевым усилиям при симметричном цикле (попеременному растяжению и сжатию) и доводят до разрушения.

Реализуется способ на установке, указанной в источнике (Сопротивление материалов. Под общ. ред. Г.С.Писаренко-4-е изд. - Киев: Вища школа, 1979. С.594). Для осуществления способа требуется сложная установка, испытания проводятся длительное время, приводящие к большим энергетическим затратам, необходимо большое количество опытных образцов.

В качестве прототипа выбран способ определения предела выносливости материала при ротационном изгибе в случае симметричного цикла. Реализуется указанный способ на установке, указанной в источнике (там же, с.595).

Способ заключается в том, что при испытании образцов необходимо обеспечивать в отдельных образцах различные напряжения для выявления закономерности изменения числа циклов до разрушения при тех или иных уровнях напряжений. В результате полученных экспериментальных данных строят кривую усталости.

Недостатком данного способа является значительная трудоемкость и долговременность испытаний, большие энергетические затраты, а также наличие большого числа опытных образцов.

Для снижения трудоемкости и сложности проведения испытаний, снижения энергозатрат, сокращения времени испытаний и уменьшения количества образцов, предел выносливости нержавеющей стали аустенитного класса, подвергаемой пластическому деформированию, находят в следующем порядке.

Первоначально по результатам усталостных испытаний предварительно деформированных образцов строят график изменения предела выносливости σ_-1 образцов в зависимости от степени их предварительной деформации.

Затем изготавливают образцы-навески с той же степенью деформации, для каждого из которых определяют величину магнитной силы отрыва Р_маг, после чего строят график изменения магнитной силы отрыва Р_маг образцов от степени их предварительной деформации.

На заключительном этапе строят график с тарировочной кривой в координатах Р_маг-σ_-1, устанавливающей связь между Р_маг и σ_-1 в зависимости от степени предварительной деформации образцов.

По построенному графику с тарировочной кривой в координатах Р_маг-σ_-1 определяют предел выносливости σ_-1 исследуемых образцов.

Известно, что нержавеющие стали аустенитного класса содержат неустойчивый аустенит (аустенит-раствор углерода в γ-железе), γ-железо является не магнитным материалом (Физические величины. Справочник. Под ред. И.С.Григорьева, Е.З.Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991; Гуляев А.П. Металловедение, 5-е изд., М.: Машиностроение, 1977, с.483-487).

Пластическая деформация приводит к его частичному преобразованию в α-железо по мартенситному механизму (α-железо обладает высокой магнитной восприимчивостью). Пластическая деформация оказывает существенное влияние на величину предела выносливости и магнитную силу отрыва стали.

Нами установлено, что предел выносливости и магнитная сила отрыва стали аустенитного класса увеличивается в зависимости от степени предварительной деформации, и весьма значительно.

Таким образом, можно прямо связать предел выносливости с магнитной силой отрыва данного типа стали.

На фиг.1 изображена схема установки для реализации предлагаемого способа.

На фиг.2 показан график изменения предела выносливости при симметричном цикле нагружения при чистом изгибе в зависимости от степени предварительной деформации.

На фиг.3 показан график изменения магнитной силы отрыва стали аустенитного класса в зависимости от степени предварительной деформации.

На фиг.4 представлен график с тарировочной кривой, устанавливающий связь между пределом выносливости и магнитной силой отрыва стали в зависимости от ее степени предварительной деформации.

Установка (фиг.1) представляет собой аналитические весы, в которых образец-навесок 1 исследуемого материала подвешен на не магнитной нити 2 в тонкостенной чашечке 3 из немагнитного материала. Нить подвешивается на конце коромысла 4 со стрелкой 5, шарнирно закрепленного на вертикальной стойке 6 с установленной на ней шкалой 7. Коромысло имеет специальные регулируемые противовесы 8. Стойка крепится на основании 9. На основании 9 расположен, строго под указанной подвеской, постоянный магнит 10. На другом конце коромысла, также на нити 2, подвешивается чашечка 77, в которой расположен мерный груз (песок) 12.

Способ реализуется следующим образом. А именно:

Первый этап - по результатам усталостных испытаний предварительно деформированных образцов строится график изменения предела выносливости образцов в зависимости от степени их предварительной деформации (фиг.2).

Второй этап - изготовление образцов-навесок с такими же степенями деформации и определение величины магнитной силы отрыва для каждого образца на установке (фиг.1) в следующем порядке:

Коромысло 4 уравновешивается регулируемыми противовесами 8 после удаления с основания 9 магнита 10. Контроль равновесия осуществляется установкой стрелки 5 в нулевое положение по шкале 7. Затем ставится магнит в указанное выше место и образец-навесок 1 исследуемого материала с предварительной пластической деформацией, помещенный в чашечке 3, приводится в положение касания с магнитом поворотом коромысла 4. После чего осуществляется подсыпание песка в чашечку 11 до момента отрыва образца-навеска 1 с чашечкой 3 от магнита 10. Величина магнитной силы отрыва образца-навеска определяется взвешиванием мерного песка.

Третий этап - построение тарировочной кривой в координатах Р_маг-σ_-1 (фиг.4).

Предел выносливости исследуемого материала находят по предварительно построенной тарировочной кривой.

Установление связи между магнитной силой отрыва стали и ее пределом выносливости позволяет уменьшить количество и трудоемкость испытаний, что достигается устранением необходимости проведения большого числа длительных экспериментов по определению предела выносливости и отсутствием необходимости изготовления большого числа точных образцов для испытания на усталость.

Апробация способа проводилась на примере стали 12Х18Н10Т.

На первом этапе изготовлялись образцы из указанной стали с различной степенью деформации (0; 2; 5; 10; 20%), которые испытывались в условиях чистого изгиба при симметричном цикле нагружения на машине для усталостных испытаний МУИ-6000. По результатам испытаний установлена зависимость предела выносливости σ_-1 от степени деформации образцов (фиг.2).

На втором этапе изготовлялись образцы-навески (диаметр образца d=10 мм, высота h=15 мм) с такой же степенью предварительной деформации (0; 2; 5; 10; 20%), и с помощью установки, показанной на фиг.1, определялась величина магнитной силы отрыва для каждого образца.

На третьем этапе строилась тарировочная кривая в координатах Р_маг-σ_-1 (фиг.4).

По построенной тарировочной кривой можно определить σ_-1 стали 12Х18Н10Т с любой другой (отличной от 2; 5; 10; 20%) степенью предварительной деформации.

Предложенный способ может быть использован для прогнозирования ресурса работы конструкций, испытывающих при эксплуатации циклические напряжения и изготовленных из нержавеющих аустенитного класса сталей (12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т и т. п.), содержащих в технологии изготовления пластическое деформирование.

Преимущества предлагаемого способа - простота осуществления, отсутствие энергозатрат, малое количество образцов, снижение трудоемкости и сложности проведения испытаний на усталостную прочность деталей, материал которых в ходе изготовления подвергался предварительной пластической деформации.

Способ определения предела выносливости стали аустенитного класса, заключающийся в том, что образцы из этой стали подвергают предварительной пластической деформации, отличающийся тем, что по результатам усталостных испытаний предварительно деформированных образцов строят график изменения предела выносливости σ_-1 образцов в зависимости от степени их предварительной деформации, изготавливают образцы-навески с такой же степенью деформации, определяют величину магнитной силы отрыва Р_маг для каждого образца-навески, строят график изменения магнитной силы отрыва Р_маг образцов от степени их предварительной деформации, строят график с тарировочной кривой в координатах Р_маг-σ_-1, устанавливающий связь между Р_маг и σ_-1 в зависимости от степени предварительной деформации, определяют предел выносливости σ_-1 образцов по тарировочной кривой в координатах Р_маг-σ_-1.