Технічні науки/Механіка

Доктор техн. наук. Петрина Ю.Д., асистент Лукань Т.В.

Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу

Вплив рідких робочих середовищ на циклічну

тріщиностійкість долотної сталі

Встановлено, що ріст тріщини в сталі при циклічному навантаженні може привести до зниження в’язкості руйнування (К_1С) конструкційної сталі, що обумовлено наклепом матеріалу, який прилягає до вершини наведеної тріщини, а також наступним деформаційним старінням [1]. Спад К_1С підсилюється з ростом амплітуди напружень, при якій проходило утворення втомної тріщини. Така тенденція чітко виражена в конструкційних високоміцних сталях, на відміну від низьковуглецевих і мартенситностаріючих, інтенсивне циклічне тренування яких часто сприяє підвищенню вихідного рівня опору поширення тріщини [2].

Приведене свідчить про необхідність врахування можливого окрихчення сталей в процесі експлуатаційного підростання дефектів, яке часто закінчується руйнуванням виробу. До числа експлуатаційних факторів, які сприяють розвитку різних зовнішніх дефектів і полегшують ріст тріщин, відносяться також рідинні робочі середовища.

Враховуючи вищеприведені факти була поставлена задача оцінити характер впливу рідинних робочих середовищ на процеси наклепу і старіння, що супроводжують розвиток тріщини при циклічному навантаженні високоміцних долотних сталей.

Для дослідження була вибрана сталь 37ХН3А, зміцнена гартуванням з наступним відпуском при 470, 570, і 670К. Всі випробування проведені на циліндричних зразках з концентратором типу кільцевої виточки, в вершині якого шляхом циклічного тренування (згин з обертанням, частота 49 ^цикл/_хв) наводили кільцеву втомну тріщину. У випадку наведення тріщини в присутності рідкого середовища на середній частині зразку, де розміщений концентратор, кріпили герметичний резервуар, заповнений рідиною. Робочими середовищами служили 3% розчин олеїнової кислоти в вазеліновому маслі та дистильована вода. Представлені нижче результати – це середньостатистичні дані, отримані в результаті випробувань 5 – 8 зразків на кожний режим.

Число циклів N_утв., необхідне для утворення кільцевої тріщини глибиною 1мм (при нетто–перерізі діаметром 7 мм) залежить не тільки від рівня згинаючого моменту при тренуванні, але й від виду середовища. В таблиці 1 вказано встановлене дослідами чисо циклів N_утв. в залежності від рівня згинаючого моменту M і виду середовища (повітря , масло, вода).

Тривалість тренування, необхідного для утворення тріщини, в 3% розчині олеїнової кислоти більша, ніж в повітрі, а коли тренування проводиться в воді, N_утв. різко скорочується. Найбільшу увагу приділено нами вивченню впливу поверхнево-активного середовища – 3% розчину олеїнової кислоти в вазеліновому маслі – на характер наклепу та старіння, обумовлених циклічним навантаженням. Після наведення тріщини в присутності вказаного середовища всі зразки підлягали 2-годинному старінню при 420К, під час якого масло в вершині тріщини повністю висушувалось. Вплив наклепу і старіння оцінювали шляхом випробувань зразків на в’язкість руйнування в повітрі.

Таблиця 1 – Залежність N_утв. від величини згинаючого моменту, температури відпуску та виду робочого середовища

tвідп., К	σ0,2, МПа	М, Нм
		50			28		22
		Повітря	Масло	Вода	Повітря	Масло	Повітря	Масло	Вода
670	1400	4700	5900	3600	28000	31000	69000	77800	39000
570	1520	3600	4100	1300	20000	22000	61000	65000	28000
470	1540	3400	3900	1200	18000	19500	58000	61000	25600

Рисунок 1 - Вплив циклічного тренування і старіння

на в'язкість руйнування сталі 37ХНЗА:

1 - температура відпуску 470К; 2 - 570К; З - 670К;

	випробування після утворення втомної тріщини в розчині олеїнової кислоти з наступним старінням.
	випробування безпосередньо після утворення втомної тріщини на повітрі;

Як видно з рисунку 1, для зразків, тренованих на повітрі при великих амплітудах, спостерігається тенденція до спаду K_1C. В той же час зразки, треновані в розчині олеїнової кислоти з наступним старінням, мали більш високий рівень в’язкості руйнування. Зразки, відпущені при 670 К і треновані в середовищі з М = 50 Нм показали рівень в’язкості руйнування, рівний К_1С зразків, тренованих на повітрі при низьких значеннях М. Очевидно, що старіння в цьому випадку сприяє поверненню наклепаного матеріалу до його попередніх властивостей. Це ж явище зафіксовано також для зразків, відпущених при 570К і тренованих з М = 28 Н˖м. Зразки, треновані в розчині олеїнової кислоти, які були відпущені при 470 К (М = 28 Н˖м; 50 Н˖м) і 570 К (М = 50 Н˖м), показали рівень К_1С вищий, ніж зразки, треновані на повітрі. Однак їх значення не повертались до вихідних, тобто зразків, тренованих при М = 2,2 Н˖м. Очевидно в цьому випадку, крім повернення наклепаного матеріалу до його попередніх властивостей, на рівень К_1с впливає розрихленість матеріалу в вершині втомної тріщини, яка зростає зі збільшенням амплітуди навантаження (М) і зниженням пластичності (ростом температури відпуску).

Подібний вплив на характер наклепу при циклічних навантаженнях проявила також дистильована вода (рисунок 2).

Рисунок 2 - Вплив способу отримання втомної

тріщини та середовища на в'язкість руйнування сталі

37ХНЗА (М=22Н м) при випробуваннях:

	безпосередньо після наведення втомної тріщини на повітрі;
	після утворення втомної тріщини в розчині олеїнової кислоти з наступним старінням;
	після утворення втомної тріщини у воді з наступним старінням;
	в розчині олеїнової кислоти безпосередньо після утворення втомної гріщини в тому ж середовищі;
	у воді безпосередньо після утворення втомної тріщини в тому ж середовищі.

Приведені вище дані свідчать про суттєве, якщо не повне, усунення впливу циклічного наклепу на величину К_1С в випадку, коли тріщину створюють в присутності середовища. Це означає, що внаслідок зменшення під впливом середовища ефективної поверхневої енергії різко знижується пластична деформація матеріалу попереду фронту тріщини.

Зменшення ефективної поверхневої енергії, необхідної для утворення одиниці площі втомної тріщини, якісно подібне спаду ефективної поверхневої енергії при руйнуванні зразків з тріщинами під дією короткочасних навантажень. Рисунок 2 ілюструє, зокрема, вплив розчину олеїнової кислоти та дистильованої води на величину К_1С сталі 37ХН3А. Згідно приведеним даним, зниження в’язкості руйнування (при короткочасному навантаженні) суттєве.

Лiтература

1. Романів О.Н., Петрина Ю.Д. Вязкость разрушения как характеристика эксплуата-ционной надежности материалов // Физ.-хим. механика материалов.-1972.-№3.- С.12-15

2. Вязкость разрушения конструкционных сталей.-М.:Металлургия,1979.-176с.