Scientific journal
International Journal of Applied and fundamental research
ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,593

LAWS MALOTCIKLOVOJ DEFORMATION, FRACTURE AND THE IMPACT ON DAMAGE NONSTATIONARY NAERUZHENIYA DIE MATERIALS UNDER OPERATING TEMPERATURES

Priakhin V.V. 1
1 Kamsky Institute of Humanities and engineering technologies
1453 KB
A study of low-cyclic deformation and failure regularities of 5XHM, 5XHMФС, 4X5MФС steels under working temperatures (20°C, 450°C) was conducted. It was obtained that resistanse to deformation of tested materials is reduced with the growth of loading cycle number and test temperature. Obtained curves of low-cyclic fatigue make it possible to find out that such steel as 4X5MФС and 5XHMФ have higher resistanse to low-cyclic deformation and failure that 5XHM steel has. A study of low-cyclic deformation and damage accumulation regularities of 5XHM and 5XHMФС steel under low-cyclic nonstationary thermomechanical loading was conducted. Temperature of steps was 20, 200 and 450 C. Deformation amplitudes on the steps changed in the range from 1,16 to 0,30 % and corresponded to a lifetime from 5×102 to 2×104 cycles till crack or failure formation. It was obtained that generalized deformation diagrams on a stabilization state nearly coincide under stationary and program thermomechanical loading.
fatigue crack
low cycle fatigue
deformation diagram of accumulated damage

Одной из основных причин выхода из строя кузнечных штампов объемного деформирования с глубокими гравюрами, при производстве поковок типа катков с широким венцом, является образование и развитие магистральных трещин, образующихся при малом числе циклов нагружения (102–105), в угловых переходах от боковой поверхности к днищу, у основания бобышек и в галтелях хвостовика. В других случаях причиной выхода из строя штампов может быть истирание, смятие, разгар, в результате теплового удара (облойные мостики, бобышки, выступающие углы). В зависимости от формы поковки каждый из указанных факторов может быть преобладающим и определять стойкость штампа. Причиной возникновения трещин малоцикловой усталости является концентрация напряжений и деформаций в указанных участках штампа. При этом штамп в целом деформируется упруго, а зоны концентрации испытывают циклические упругопластические деформации, достигающие 1–2 % [1].

В температурном режиме работы штампов горячего объемного деформирования металлов различают четыре стадии: предварительный подогрев, нестабильный температурно-силовой режим начала работы, наиболее продолжительный квазистационарный период при установившемся режиме рабочего: процесса и период естественного охлаждения по окончании процесса штамповки. Температура участков гравюры (облойные мостики, бобышки и т.п.), которые в первую очередь соприкасаются с разогретой заготовкой, повышается с 300 до 550–650 °С, а ее градиент достигает максимального значения. При соприкосновении металла заготовки с дном глубокой полости значительная часть тепла уже отдана, поэтому температура угловых переходов гравюры колеблется в диапазоне 200–450 °С, а градиент температуры снижается в 2–3 раза.

Нестационарность силового нагружения штампа вызывается изменением сопротивления пластическому деформированию материала за счет рассеяния температуры заготовки, состоянием облойного мостика, отклонениями фактического объема заготовки от оптимального значения и другими причинами, что в ряде случаев приводит к преждевременному выходу из строя штампов [1].

Проблема повышения стойкости штампов приобретает особую остроту в связи с автоматизацией процесса штамповки и созданием роботизированных кузнечно- прессовых комплексов.

На первом этапе ставилась цель – исследовать сопротивление малоцикловому деформированию и разрушению перспективных штамповых сталей 4Х5МФС, 5ХНМФС и широко распространенной стали 5ХНМ в процессе малоциклового нагружения при нормальной и повышенной (450 °С) температурах. Режимы термической обработки и механические характеристики исследуемых материалов указаны в табл. 1. Твердость сталей после отпуска составляла HRC = 40–42, что примерно соответствует твердости гравюры крупных штампов объемного деформирования.

Таблица 1

Марка стали

Режим термообработки

T, °C

σ0,2, МПа

σв, МПа

δ5, %

ψ, %

4Х5МФС

Закалка (воздух, 1040 °C, 10 мин.);

20

1150,0

1400,0

13,7

39,5

отпуск (630 °C, 4 час)

450

865,0

1126,0

11,2

44,6

5ХНМФС

Закалка (масло, 960 °C, 10 мин.);

20

1240,0

1340,0

13,5

38,6

отпуск (625 °C, 6 час)

450

840,0

1011,0

10,1

42,6

5ХНМ

Закалка (масло, 850 °C, 10 мин.);

20

1240,0

1380,0

13,0

38,5

отпуск (490 °C, 4 час)

450

790,0

952,0

12,0

58,0

Испытания на малоцикловую усталость проводили на специально разработанной установке [7, 8, 20] при чистом плоском изгибе образцов, длина, ширина и высота рабочей части которых равнялась соответственно 30, 10 и 5 мм. Прогиб образца при испытаниях изменялся по симметричному циклу, поскольку в этом случае ограниченные пределы выносливости имеют минимальные значения. Частота нагружения составляла 25 цикл/мин. Образцы нагревали пропусканием электрического тока. Измерение и поддержание заданной температуры обеспечивалось потенциометром ПСР1-03.

В процессе испытаний выборочно по числу полуциклов нагружения k записывали диаграммы чистого упругопластического изгиба в координатах «изгибающий момент М – прогиб f расчетной части образца». По диаграммам изгиба в соответствии с работами [2. 3, 4, 8] определяли, для наиболее удаленного слоя образца, деформацию ε, номинальное напряжение Sн и действительное напряжение S с учетом пластической деформации. Полученные данные использовали для построения обобщенных диаграмм упругопластического деформирования [3, 5]. На рис. 1 приведены такие диаграммы для стали 4Х5МФС. Аналогичные диаграммы были построены для сталей 5ХНМФС и 5ХНМ.

Выявлено, что у всех исследуемых материалов сопротивление деформированию снижается по мере роста числа циклов нагружений. При 450 °С сопротивление деформированию ниже, чем при нормальной температуре, а процесс разупрочнения протекает интенсивнее. При обеих температурах сопротивление деформированию сталей 4Х5МФС и 5ХНМФС выше, чем у стали 5ХНМ.

Следует иметь в виду, что формоизменение гравюры штампа, накопление повреждений от истирания и смятия определяются, главным образом, величиной действующих напряжений, а усталостное разрушение штампов обусловлено повторными упругопластическими деформациями в зонах концентрации напряжений. В соответствии с этим исследовали сопротивление усталостному разрушению штамповых сталей при силовой и деформационной трактовках процесса разрушения. Поскольку размеры образцов существенно отличались от размеров штампов, то усталостным разрушением считали не окончательное разделение, а появление в образце трещины длиной 0,8–1 мм. При деформационной трактовке кривые малоцикловой усталости получали в координатах «размах упругопластической деформации Δε – число циклов NТ до появления трещины». При силовой трактовке кривые малоцикловой усталости строили в осях «размах напряжения Δσ – число циклов NТ». Уровни Δε, Δσ выбирали при числе циклов, равном половине долговечности образца. Для построения кривых малоцикловой усталости использовали результаты испытаний не менее 15 образцов каждого материала.

Данные усталостных испытаний (рис. 2) подвергали статистической обработке по известной [9, 14] методике. При этом, зависимости между размахами деформаций, напряжений и числом циклов были приняты в виде степенных функций Δε×NТ m = A, Δσ×NТ n = B, где m, A, и n, B – параметры кривых малоцикловой усталости при деформационной и силовой трактовках процесса разрушения. В результате статистической обработки определены параметры кривых малоцикловой усталости (табл. 2).

pry1.tif

Рис. 1. Обобщенные диаграммы деформирования стали 4Х5МФС, при нормальной и повышенной температурах

pry2.tif

Рис. 2. Зависимость малоцикловой усталости стали 4Х5МФС от размаха напряжений (1, 3) и упругопластических деформаций (2, 4), при нормальной и повышенной температурах (пунктиром отмечены области рассеивания данных эксперимента с вероятностью 99,73 %)

Для сопоставления долговечности штамповых сталей, при деформационной трактовке процесса разрушения, выбраны три уровня амплитуды деформации, равные 0,8; 0,4 и 0,3 %. Соответствующие значения долговечностей, при нормальной и повышенной температурах, приведены в табл. 3. Из полученных данных видно, что при нормальной температуре все испытанные стали имеют примерно одинаковое сопротивление разрушению, тогда как при 450 °С долговечности этих сталей существенно разные. При низком уровне задаваемой деформации (0,3 %) несколько большую долговечность имела сталь марки 5ХНМФС, тогда как при амплитуде деформаций 0,8 % долговечность исследуемых материалов примерно одинакова.

В табл. 3 приведены данные о долговечности исследуемых материалов при силовой трактовке процесса разрушения: сопоставлены результаты, полученные при трех амплитудах напряжений, равных 1000, 800 и 600 МПа. Видно, что более высокую долговечность имеют стали 4Х5МФС и 5ХНМФС. С повышением температуры испытаний до 450 °С долговечность стали 5ХНМ существенно снижается.

Таблица 2

Марка стали

T, °C

т

А, %

п

В, МПа

4Х5МФС

20

0,299903

13,409

0,142159

5723,0

450

0,236984

7,490

0,087713

3274,1

5ХНМФС

20

0,328462

16,065

0,155508

6007,0

450

0,197608

5,641

0,078241

3051,1

5ХНМ

20

0,330246

16,497

0,125255

4669,1

450

0,293979

12,422

0,079341

2401,3

Таблица 3

Марка стали

Т,° С

Δε, %

Δσ, МПа

0,8

0,4

0,3

1000

800

600

Долговечность (в циклах)

4Х5МФС

20

450

1400

681

10700

11260

31547

42704

1653

276

7825

3511

59200

93280

5ХНМФС

20

450

1040

588

9300

19620

22220

84120

1179

221

4955

3829

31480

131600

5ХНМ

20

450

1090

1066

12600

12680

22807

29967

870

10

5170

167

51400

6269

Таким образом, проведенное исследование позволило установить, что стали 4Х5МФС и 5ХНМФС в сравнении со сталью 5ХНМ обладают более высоким сопротивлением малоцикловому деформированию и разрушению.

На втором этапе, в продолжение работ [2–11], изучали закономерности малоциклового деформирования и накопления повреждений сталей 5ХНМ и 5ХНМФС при нестационарном силовом и температурном нагружениях. Твердость материалов, также, составляла 40–42 HRC. Как показал проведенный анализ [1], материал в зонах концентрации, при близком к отнулевому циклу нагружения штампа, испытывает примерно симметричный цикл изменения местных напряжений и упругопластических деформаций. При этом напряжения в зонах концентрации существенно больше удельной деформирующей силы на зеркало гравюры. Испытания на малоцикловую усталость осуществлялись в условиях чистого изгиба, при симметричном цикле, на установке [7, 8, 20].

Программа испытаний включала двухступенчатое одно- и многоблочное синхронное изменение уровня температуры и амплитуды деформации. Температура ступеней составляет 20, 200 и 450 °С; амплитуды упругопластических деформаций еа на ступенях варьировались в диапазоне 1,16–0,30 %, что соответствует долговечности 5×102–2×104 циклов до образования трещины NT длиной 0,5–0,8 мм или до разрушения N (Табл. 4). Такие режимы нагружения и нагрева близки к условиям работы материала угловых участков гравюры штампа.

Испытания проведены по одиннадцати программам при различных сочетаниях амплитуд деформаций и уровней температуры. При этом предварительно получены обобщенные диаграммы деформирования S(к) –ε(к) исследуемых материалов в условиях жесткого стационарного нагружения при температурах 20, 200 и 450 °С, а затем изучено влияние нестационарного термомеханического нагружения на закономерности малоциклового деформирования и накопления повреждений. Программные испытания проводили при различных сочетаниях амплитуд деформаций и уровней температуры. Данные результатов испытаний стали 5ХНМФС приведены в табл. 4.

В ходе испытаний, по методике [2, 3, 4, 8], на каждой из ступеней термомеханического нагружения, зафиксированы деформации ε(к) и действительные напряжения S(к) при постоянном числе полуциклов К, и по ним построены обобщенные диаграммы стационарного деформирования сталей 5ХНМ и 5ХНМФС, при соответствующих температурах.

Установлено, что обобщенные диаграммы деформирования S(к)–ε(к), на стадии стабилизации, в характерном для штампов диапазоне долговечностей (5×102–2×104 циклов) при стационарном и программном термомеханическом нагружениях, практически совпадают (рис. 3). Этот вывод согласуется с результатами ряда работ для других материалов, и подтверждает существование термомеханической поверхности деформирования- S(к)–ε(к)–Т, и ее инвариантность от предыстории программного термомеханического нагружения. Таким образом, обобщенные диаграммы деформирования S(к)–ε(к), полученные при стационарном изотермическом нагружении [2, 3, 4, 7–11], можно использовать при анализе напряженно-деформированного состояния (НДС) элементов штампов в эксплуатации.

Таблица 4

программы

Режим

образца

prl01.wmf, %

n1, циклы

prl02.wmf

ea2, %

prl03.wmf,

цикл

prl04.wmf

prl05.wmf

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

I

pry7.wmf

1

0,797

300

prl06.wmf

0,640

prl07.wmf

prl08.wmf

prl09.wmf

2

0,781

300

prl10.wmf

0,642

prl11.wmf

prl12.wmf

prl13.wmf

II

pry8.wmf

3

0,575

1000

prl14.wmf

0,733

prl15.wmf

prl16.wmf

prl17.wmf

4

0,568

1000

prl18.wmf

0,787

prl19.wmf

prl20.wmf

prl21.wmf

III

pry9.wmf

5

0,869

300

prl22.wmf

0,560

prl23.wmf

prl24.wmf

prl25.wmf

6

0,849

300

prl26.wmf

0,556

prl27.wmf

prl28.wmf

prl29.wmf

IV

pry10.wmf

7

0,598

1000

prl30.wmf

0,923

prl31.wmf

prl32.wmf

prl33.wmf

8

0,583

1000

prl34.wmf

0,863

prl35.wmf

prl36.wmf

prl37.wmf

V

pry11.wmf

9

0,924

300

prl38.wmf

0,557

prl39.wmf

prl40.wmf

prl41.wmf

10

0,932

300

prl42.wmf

0,571

prl43.wmf

prl44.wmf

prl45.wmf

VI

pry12.wmf

11

0,579

1000

prl46.wmf

0,943

prl47.wmf

prl48.wmf

prl49.wmf

12

0,568

1000

prl50.wmf

0,940

prl51.wmf

prl52.wmf

prl53.wmf

VII

pry13.wmf

13

0,865

300

prl54.wmf

0,666

prl55.wmf

prl56.wmf

prl57.wmf

14

0,772

300

prl58.wmf

0,605

prl59.wmf

prl60.wmf

prl61.wmf

15

0,755

300

prl62.wmf

0,458

prl63.wmf

prl64.wmf

prl65.wmf

VIII

pry14.wmf

16

0,598

1000

prl66.wmf

0,799

prl67.wmf

prl68.wmf

prl69.wmf

17

0,578

1000

prl70.wmf

0,801

prl71.wmf

prl72.wmf

prl73.wmf

Окончание табл. 4

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

IX

pry15.wmf

18

0,587

1000

prl74.wmf

0,596

prl75.wmf

prl76.wmf

prl77.wmf

19

0,579

1000

prl78.wmf

0,610

prl79.wmf

prl80.wmf

prl81.wmf

20

0,649

300

prl82.wmf

0,690

prl83.wmf

prl84.wmf

prl85.wmf

X

pry16.wmf

21

0,575

1000

prl86.wmf

0,574

prl87.wmf

prl88.wmf

prl89.wmf

22

0,563

1000

prl90.wmf

0,557

prl91.wmf

prl92.wmf

prl93.wmf

23

0,715

300

prl94.wmf

0,671

prl95.wmf

prl96.wmf

prl97.wmf

XI

pry17.wmf

24

1,122

125

prl98.wmf

0,687

prl99.wmf

prl100.wmf

prl101.wmf

25

1,122

100

prl102.wmf

0,297

prl103.wmf

prl104.wmf

prl105.wmf

26

1,122

100

prl106.wmf

0,297

prl107.wmf

prl108.wmf

prl109.wmf

27

1,162

100

prl110.wmf

0,297

prl111.wmf

prl112.wmf

prl113.wmf

Примечание: В числителе указаны результаты испытаний на трещинообразование, в знаменателе – на разрушение.

pry3.tif а) pry4.tif б)

Рис. 3. Обобщенные диаграммы деформирования стали 5ХНМФС при температуре Т = 200 (а) и Т = 450 °С (б), в условиях стационарного (линии) и программного (точки) малоциклового термомеханического нагружения

Исследование малоцикловой усталости, при нестационарном термомеханическом нагружении, проведено, также по режимам, указанным в табл. 4. При этом, предварительно были получены и статистически обработаны кривые малоцикловой усталости ea–NT и ea–N сталей 5ХНМ и 5ХНМФС в условиях жесткого стационарного нагружения, при температурах 20, 200 и 450 °С. Накопление усталостных повреждений, на первой а1 и второй a2 ступенях, определено по зависимости

prl114.wmf,

где еai, ni – амплитуда деформации и накопленное число циклов на i-й ступени; j – число ступеней; me, Ce – параметры кривых малоцикловой усталости при жестком стационарно в образце трещин длиной 0,5–0,8 мм и по разрушению (рис. 4).

Выявлено, что режимы деформирования сравнительно слабо влияют на величину предельного повреждения сталей 5ХНМ и 5ХНМФС, в диапазоне температур 20–450 °С. Вместе с тем, можно отметить, что несколько более повреждающими режимами являются те, которые начинаются с больших амплитуд деформаций и уровней температур. При многоблочном термомеханическом нагружении, когда проявляется эффект «перемешивания» ступеней, наблюдается существенно меньший разброс предельных накопленных повреждений. Для стали 5ХНМ, например, предельные накопленные повреждения находятся в диапазонах: по образованию трещины: aT = 0,57–1,14; по разрушению a = 0,55–1,16; для стали 5ХНМФС соответственно aT = 0,64–1,21; а = 0,55–1,19. Указанные значения накопленных повреждений укладываются в поле рассеяния результатов малоцикловых испытаний исследуемых материалов при стационарном жестком нагружении. Это подтверждает приемлемость линейной гипотезы накопления повреждений в случае нестационарных силовых и температурных воздействий при деформационной трактовке процессов малоциклового разрушения.

pry5.tif а) pry6.tif б)

Рис. 4. Результаты оценки повреждаемости стали 5ХНМФС по экспериментальным кривым усталости при малоцикловом программном термомеханическом нагружении, по трещинообразованию (а), и разрушению (б): точки – эксперимент; сплошная линия – линейная гипотеза; штриховая линия – поле рассеяния результатов эксперимента с вероятностью 99,7% при стационарном нагружении

Полученные результаты позволяют использовать, разработанный ранее, РТМЗ-1637–84 [6, 14, 19, 21] для оценки кинетики НДС и прочности элементов штампов в условиях малоциклового нестационарного термомеханического нагружения, при разработке и создании перспективных материалов.