Scientific journal

International Journal of Applied and fundamental research

ISSN 1996-3955

ИФ РИНЦ = 0,593

Эксплуатационные свойства металлоизделий в значительной мере определяется структурой и свойствами используемых материалов, зависящих от их вида и режима технологической обработки, а также условий эксплуатации (воздух, коррозионная среда). зависящих от вида и режима их технологической обработки.

В процессе изготовления деталей автомобилей большинство металлов и сплавов подвергаются различным видам и режимам технологической обработки, среди которых наиболее распространенным является пластическое деформирование методом холодной штамповки.

В автомобильной и других отраслях промышленности широко используются штампуемые листовые конструктивные малоуглеродистые стали. Однако сведения по влиянию видов и режимов их технологической обработки на механические свойства при различных температурах ограничены и разрозненны [10]. Поэтому исследования влияния технологического пластического деформирования на циклическую долговечность листовых автомобильных сталей при их эксплуатации, как на воздухе, так и в коррозионной среде является весьма актуальными.

В настоящей работе приводятся результаты исследования влияния степени объемной пластической деформации на эксплуатационные свойства листовых конструкционных сталей и их сварных соединений при циклическом нагружении на воздухе и в коррозионной среде.

Материалы и методы исследования

С целью выполнения поставленной задачи в работе выбраны стали 08Ю, 08кп, 08пс, 08ГСЮТ, 07ГСЮФТ и сварные соединения из сталей 08пс, 08кп, 20кп, 07ГСЮФ, 08ГCЮФ. Предварительная деформация осуществлялась при комнатной температуре растяжением образцов на универсальной разрывной машине УМЭ-10ТМ со скоростью деформации 2·10-3 с-1 (табл. 1). При этом осадке подвергался не весь образец, а только его участок в опасном сечении.

Испытания на статическое растяжение образцов проводились на разрывной машине ZD 10/90 со скоростью деформации 2·10-3 с-1. На каждую экспериментальную точку одновременно обрабатывалось по 4 образца.

По результатам статических испытаний строились кривые упрочнения в координатах lgσϊ (σϊ – истинное напряжение) – lgεϊ , (εϊ – истинная деформация), которые позволяют определить показатель степени А в уравнении кривой деформационного упрочнения [8] исследованных материалов в состоянии поставки и после технологической обработки

σϊ = σо . εϊА,

где σϊ – истинное напряжение течения при истинной деформации εϊ = lg(1+δϊ), МПа; σо – постоянная, равная истинному напряжению течения при εϊ = 1, МПа.

Знакопеременное нагружение плоских образцов осуществлялось на специально спроектированной [3] двухпозиционной машине по «жесткой» схеме симметричного консольного изгиба частотой 25 Гц. В качестве коррозионной среды использовался широко распространенный и достаточно агрессивный по отношению к сталям 3 %-й водный раствор морской соли.

Изучение микроструктуры материалов образцов и фрактографический анализ их изломов проводились с помощью оптический компоратора «МИР-12», оптического «AKASHI» и электронного «Джеол Т-20» микроскопов.

Результаты экспериментальных исследований при циклическом нагружении на воздухе и в коррозионной среде представлялись в виде кривых усталости, аппроксимируемых соответствующими уравнениями, и вероятностными кривыми распределения циклической долговечности.

Результаты исследования
и их обсуждение

Установлено, что с ростом степени предварительной деформации (εпр.д) материалов их ycловный предел текучести σ0,2 и предел прочности σв возрастают, а показатели пластичности (относительные удлинение δ и сужение ψ) снижаются. Ранее было показано [2], что эта зависимость проявляется тем значительней, чем ниже энергия дефектов упаковки (э.д.у.) материала. При этом кривые упрочнения для каждого материала располагаются тем выше, чем больше степень их предварительной деформации [4, 5]. Зависимость «истинное напряжение – истинная деформация» предварительно деформированных металлических материалов иногда оказывается немонотонной, то есть кривые имеют перегиб. В этом случае показатели А1 и А2 характеризуют наклон кривой упрочнения соответственно до и после перегиба А1 < А2. Величина параметров А1 и A2 уменьшается с ростом степени предварительного растяжения. Из сопоставления кривых упрочнения для различных сплавов при равных относительных степенях предварительной деформации (εпр.д /εi где εi – истинная деформация до разрушения при статическом растяжении) следует, что их наклон возрастает с понижением энергии дефекта упаковки материала, э.д.у. (Дж/м2). Эта зависимость особенно выражена в области малых степеней предварительной деформации.

Микроструктура стали 20кп на уровне зеренного представления (увеличение хЗ00) практически одинаковая как у исходных, так и у деформированных образцов. При этом увеличение степени предварительного наклёпа от 0 до 17 % обусловливает повышение прочностных характеристик σт, σ0,2 и σв и понижение характеристик пластичности δ, ψ и δР.

Исходная микроструктура сталей 08кп, 08ГСЮТ и 08ГСЮФТ состоит преимущественно из зёрен феррита и небольшого количества перлита для 08кп, а также карбидных включений для 07ГСЮФТ и 08ГСЮТ [5]. Размер зерна феррита сталей 08кп и 08ГСЮТ равен 10…30 мкм, а для стали 07ГСЮФТ – 20…40 мкм.

Результаты испытания на статическое растяжение плоских образцов со сварным швом показали, что околошовная зона (зона термического влияния) образцов после различных режимов предварительной пластической обработки деформируется одинаково с обеих сторон шва с образованием подобных шеек, а кривые упрочнения для обеих околошовных зон совпадают.

Деформационное поведение сварных образцов из сталей 08кп и 08ГСЮТ характеризуется примерно одинаковым (0,23 и 0,22 соответственно) показателем А2, у стали 07ГСЮФТ он ниже (0,16…0,19). При этом если у первых двух сталей перелома на кривых упрочнения практически нет, то у стали 07ГСЮФТ он явно выражен, и первая стадия деформации у неё имеет довольно значительную протяженность (~ 5 %).

При растяжении исходных (предварительно не деформированных) образцов (εпр.д.=0 %) в начале наблюдается стадия инкубационного деформирования (ε1…2 %) с низким значением показателя А1, а затем начинается интенсивное упрочнение с высоким значением А2. С понижением температуры испытания продолжительность стадии инкубационного упрочнения увеличивается, что отражается на величине общего и равномерного удлинения.

У сварных образцов из стали 08ГСЮТ наблюдаются более высокие прочностные свойства σв и σ0,2 по сравнению со сталями 08кп и 07ГСЮФТ, у которых они практически одинаковые. Более высокая пластичность у стали 08кп, у сталей 08ГСЮТ и 07ГСЮФТ параметры δ и δр примерно одинаковы, a ψ различается незначительно [9].

Структура листовой стали 08пс преимущественно состоит из зерен α-твердого раствора, которые в результате пластической деформации получают определенную вытянутость, что отражается на повышении, в связи с этим, прочностных характеристик и снижении показателя упроч-
нения.

Как и в случае ферритной, в ферритно-перлитных сталях 08кп, 07ГСЮФТ и 08ГСЮT с величиной зерна 10…40 мкм происходит внутризеренное, относящееся к разным системам, неоднородное скольжение, отличительной особенностью которого является наличие следов механизмов пересечения и поперечного скольжения. С увеличением степени деформации скольжение становится множественным, а плотность следов скольжения возрастает. Момент появления микротрещин и последующее разрушение обусловливаются сдвиговыми актами внутри зерен феррита в условиях сильно развитого множественного скольжения. Карбидные включения сталей 07ГСЮФТ и 08ГСЮT препятствуют движению дислокаций при пластическом деформировании и с ростом степени деформации повышают прочностные характеристики. Однако при растяжении они являются источниками образования микро-
трещин.

Фотографии поверхностей разрыва при растяжении образцов из сталей 07ГСЮФТ, 08кп и 08ГСЮТ свидетельствуют о вязком характере разрушения [6]. Марка стали практически не изменяет на морфологию поверхности разрыва образцов. При этом в изломе сталей 08ГСЮТ и 07ГСЮФТ четко наблюдаются карбидные частицы размером около 4 мкм, расположенные преимущественно в ямках поверхности разрыва.

Установлено, что предварительный наклеп неоднозначно влияет на циклическую долговечность материалов на воздухе и в коррозионной среде (табл. 1).

Коррозионная долговечность термообработанных конструкционных материалов ниже (в 1,5 ÷ 2,0 раза) долговечности на воздухе и также определяется амплитудой приложенного напряжения: чем ниже амплитуда, тем сильнее эффект среды. При этом пластическое деформирование обусловливает значительное повышение сопротивления коррозионно-усталостному разрушению всех исследованных материалов по сравнению с их недеформированным состоянием.

Холоднокатаная сталь 08кп на воздухе имеет ограниченный предел выносливости на базе 106 циклов в 1,9 и 1,7 раза выше, чем у горячекатаных сталей 07ГСЮФТ и 08ГСЮТ, соответственно. Коррозионная среда снижает ограниченный предел выносливости (база 105 циклов) в 1,8 и 1,6 раза у сталей 07ГСЮФТ и 08ГСЮТ, соответственно, против стали 08кп. Осадка до 29 % снижает сопротивление усталости на воздухе до 1,3 раза у стали 08кп и повышает у сталей 08ГСЮТ (до 1,1 раза) и 07ГСЮФТ (до 1,36 раза). Однако сталь 08кп показывает более стабильные и превосходящие сталей 07ГСЮФТ и 08ГСЮТ параметры сопротивления усталостному разрушению. В коррозионной среде после осадки на 29  % ограниченный предел выносливости для стали 08кп (база 105 циклов) выше в 1,34 и 1,11 раза, чем у сталей 07ГСЮФТ и 08ГСЮТ, соответственно.

Сопротивление усталости на воздухе и в коррозионной среде листовых сталей 08кп, 20 и 08ГСЮТ в 3-6 раз выше их сварных соединений. Установлен [1] оптимальный режим дробеструйной обработки сварных соединений сталей 20, 08кп и 08ГСЮТ (обдувка смесью из чугунной колотой крошки Æ 0,8÷1,5 мм и стальной дроби Æ 1÷3 мм в течение 120 с), повышающий коррозионную долговечность соответственно в 2,3, 3,3 и 3,6 раза. Это обусловлено тем, что при обработке дробью максимально снимаются вредные растягивающие остаточные напряжения в околошовной зоне и наводятся сжимающие. При этом отрицательное влияние коррозионной среды сказывается на сварных соединениях из стали 08кп меньше, чем из сталей 20 и 08ГСЮТ.

листовых сталей 08кп, 08ГСЮТ и 20кп показал, что влияние среды в большей степени сказывается на стали 08ГСЮТ. Коэффициент влияния среды βс для нее составляет 1,8 при εа = 0,25 %, а у сварных образцов этой стали при той амплитуде
βс = 2,6, в то время как у стали 08кп, например, βс = 1,97. Увеличение амплитуды деформации (εа = 0,5 %) приводит к снижению влияния среды. Так, например, и коэффициент β составляет лишь 1,06 и 1,03 для стали 08ГСЮТ и сварного соединения соответственно.

Несмотря на более низкие значения пределов прочности и текучести сталь 08кп (цельная и сварная) обладает более высоким сопротивлением усталости, как на воздухе, так и в коррозионной среде по сравнению со сталями 08ГСЮТ и 20 и их сварными соединениями.

Таблица 1

Уравнения кривых усталости сталей при испытании на воздухе и в коррозионной среде

Коррозионно-усталостное разрушение развивается, как правило, из нескольких очагов и инициируется повреждением поверхности, возникновением на ней межкристаллической коррозии, язв и питтингов. Трещины менее ориентированы, чем усталостные трещины при испытании на воздухе.

Сравнительные испытания образцов из Коррозионно-активная среда, приводя к появлению коррозионных поражений различного вида, обусловливает многоочаговый характер возникновения и развития коррозионно-усталостного разрушения. Однако, несмотря на существенные особенности этого процесса, кривые изменения текущего прогиба образцов при циклическом нагружении в 3 %-м водном растворе NaCl имеют качественно такой же характер, как и при испытании на воздухе. Это объясняется тем, что определяющим фактором качественных данных о текущем состоянии материалов в процессе циклического нагружения по параметру изменения текущего прогиба является, наряду с механизмами упрочнения-разупрочнения, уменьшение живого сечения образца. Поэтому, хотя из-за многоочаговости коррозионно-усталостного разрушения с физической точки зрения довольно сложно четко разделить этот процесс на ряд периодов, как это имеет место на испытании на воздухе, тем не менее, с определенными допущениями такое условное деление может быть оправдано для облегчения изучения кинетики коррозионно-усталостного разрушения, которое с определенным допущением можно разделить на три характерных участка:

1 – начальный период – характеризуется процессами, определяемыми воздействием среды на поверхность металла, избирательным анодным растворением, наводороживанием катодных участков и другими процессами, активируемыми циклическими механическими напряжениями и приводящими к образованию микротрещин глубиной, достаточной для заметной концентрации механических напряжений;

2 – период подрастания коррозионно-усталостных трещин до критических размеров;

3 – период ускоренного долома.

При этом коррозионная среда практически не оказывает влияния на характер и продолжительность разрушения металлических материалов на третьем этапе, однако существенно влияет на первом и втором, продолжительность которых зависит также от природы материала, наведенной технологической обработкой структуры и амплитуды приложенного напряжения.

Электронно-микроскопические исследования показывают [7], что сталь 08кп имеет структуру феррита с небольшим количеством перлита, излом происходит по вязкому механизму, степень предварительной пластической деформации почти не сказывается на процессе усталостного разрушения. Стали 07ГСЮФТ и 08ГСЮТ имеют карбидные включения, которые препятствуют движению дислокации в материале. Это приводит к некоторому повышению прочностных свойств при статическом нагружении и циклической долговечности в результате предварительной осадки. Однако, карбидные включения, являясь источниками образования вторичных трещин, отрицательно сказываются на параметрах пластичности и сопротивлении усталостному разрушению. В процессе усталости микротрещины, зародившиеся у карбидных включений, инициируют в этих материалах продольное растрескивание, обусловливающие более низкие значения ограниченного предела выносливости по сравнению со сталью 08кп, независимо от режима технологической обработки.

Коррозионно-усталостное разрушение сталей 08кп, 08ГСЮТ, 08ГСЮФТ также развивается из нескольких очагов и инициируется повреждением поверхности, появлением на ней питтингов и межкристаллитной коррозии, усиливаемых наличием в малолегированных сталях карбидных включений. Трещины не только многочисленны и менее ориентированы, чем при испытании на воздухе, но и имеют на поверхности продукты коррозии, окисления. В общем случае для всех исследованных материалов и режимов их обработки повышению их циклической и коррозионной долговечности соответствует рост величины зоны усталостного разрушения, увеличение длительности до зарождения трещин, уменьшение скорости их последующего развития и размера зоны долома образца.

Создание структуры в результате предварительной пластической деформации на сопротивлении усталости металлических материалов в зависимости от амплитуды нагружения сказывается по-разному. Однако равномерное пластическое деформирование материалов и их сварных соединений целесообразно проводить для повышения долговечности в области низких амплитуд (при N > 105 циклов).

Деформация, не соответствующая равномерной, обуславливает ухудшение сопротивления усталостному разрушению конструкционных материалов. При этом наблюдается снижение долговечности в области низких амплитуд напряжений в большей мере у исходных, чем у предварительно деформированных материалов.

Анализ результатов экспериментов не выявил корреляцию параметров усталостного разрушения исследованных пластически деформированных конструкционных материалов при циклическом нагружении в коррозионной среде со стандартными механическими характеристиками при статическом нагружении. Так, например, с ростом степени предварительной деформации до 29 % пределы прочности и текучести горячекатаных сталей 07ГСЮФТ, 08ГСЮТ и холоднокатаной стали 08кп повышаются. Однако, ограниченный предел коррозионной выносливости σRC на базе 105 циклов возрастает у сталей 07ГСЮФТ и 08ГСЮТ, но снижается у стали 08кп, а σRCε/ σВε
и σRCε/ σ0,2ε (σRCε, σВε и σ0,2ε – ограниченный предел коррозионной выносливости, пределы прочности и текучести деформированного материала, соответственно) изменяются неоднозначно.

Однако, проведенная ранее теоретическая проработка вопроса, показала [7,10], что чувствительность деформированных конструкционных материалов к циклической долговечности в коррозионной среде при прочих равных условиях можно оценивать величиной показателя степени А деформационного упрочнения при статическом нагружении. При этом понижению величины показателя А в результате равномерного предварительного деформирования материала должно соответствовать повышение сопротивления коррозионно-усталостному разрушению. Этот вывод подтверждается результатами экспериментов [4, 9].

Выводы

1. Установлено, степень предварительной пластической деформации исследованных материалов оказывает существенное влияние на их механические характеристики.

2. С увеличением степени предварительной деформации величины условного предела текучести и предела прочности материалов возрастают, а относительных сужения и удлинения – уменьшаются. При этом кривые упрочнения располагаются выше и становятся положе.

3. Более высокие значения параметров пластичности ферритной стали 08кп характеризует ее лучшую штампуемость по сравнению с низколегированными сталями 08ГСЮТ и 07ГСЮФТ, что имеет место на практике.

4. Деформация, отличная от равномерной, обуславливает ухудшение сопротивления усталостному разрушению конструкционных материалов и их сварных соединений. При этом снижение долговечности наблюдается в области низких амплитуд напряжений в большей мере у исходных, чем у предварительно деформированных материалов.

5. Получены конкретные экспериментальные данные прочности, пластичности и циклической долговечности на воздухе и в коррозионной среде некоторых широко применяемых в автомобильной и машиностроительной промышленности деформированных с разной степенью листовых сталей, позволяющие повысить точность оценки эксплуатационной надежности металлоизделий при снижении, в ряде случаев, их металлоемкости.