Расчет трещиноустойчивости стали 20ХЛ

Образование трещин при полном торможении усадки является следствием высокой жесткости конструкции отливки или неподатливой формы и требует проведения анализа способности стали сопротивляться образованию трещин во всем диапазоне температур при различных скоростях охлаждения. Качественная оценка и мероприятия борьбы против образования горячих и холодных трещин хорошо известны [1–10]. В данной работе предлагается количественная оценка трещи-ноустойчивости стали 20ХЛ как запаса технологической прочности [11–14] при охлаждении в защемленном состоянии, что является наиболее консервативной оценкой, так как моделирует полное превращение свободной усадки в напряжения.

Алгоритм определения трещиноустойчи-вости стали приведен на рис. 1.

Испытания проводили на комплексе физического моделирования термомеханических процессов Gleeble System 3800 при температурах от 1300 до 20 °С, причем образец (рис. 2) сначала нагревали до 1300 °С, а затем охлаждали до заданных температур с разными скоростями, после чего проводили испытания на растяжение.

Модуль установки Gleeble 3800 «Pocket Jaw» для высокотемпературных испытаний по схеме одноосного растяжения/сжатия c образцом перед испытаниями представлен на рис. 3. Хорошо видно по краям образца массивные нагревательные элементы, а также припаянные термопары и высокоточный накладной

(7 (t) ^^

Пересч ет a0 (t) с учетом темп ературы начала усадки t“

Построение графика Т"(t)

Определение Е(Е)

Расчет коэффициента релаксации P(t)

Определение высокотемпературных свойств стали на установке Gleeble 3800

Расчет коэффициентов модуля упругости Р

1 Определение температур начала и конца структурного превращения

Расчет коэф. \ усадки а в структурных областях и переходной зоне

Определение

Определение ^(t)

Определение температур t_L, t_s и температуры начала усадки t”

Определение дилатометрических параметров

Установление свободной усадки Ec(t)

Рис. 1. Алгоритм определения трещиноустойчивости стали

Рис. 2. Образец для испытаний на Gleeble System 3800

Рис. 3. Модуль установки Gleeble 3800 «Pocket Jaw» c образцом перед испытаниями модуль для измерения перемещений «Stroke» и расчета модуля упругости. Внутри камеры отсасывается воздух и создается разрежение до 10–4 атм. Скорость деформирования при растяжении образца принята по ГОСТ 1497–84 и составляет 0,1 мм/с.

По результатам испытаний представляется возможность получения данных не только о временном сопротивлении разрыву, но и модуле упругости.

Методика оценки трещиноустойчивости стали приведена в работе [12]. На первом этапе необходимо установить значения а_у, а_а, а п.р — температурные коэффициенты усадки соответственно, в областях существования кристаллических решеток в y-Fe и a-Fe, а также феррито-перлитного превращения, 1/°С и С Н , С К - температуры начала и конца проведения дилатометрии соответственно, °С.

Для лучшего понимания процесса роста напряжений при увеличении усадки на рис. 4 нанесена схема определения коэффициентов усадки, где в точке начала феррито-перлитного превращения у ^ a проведено отражение кривой дилатометрии, показывающей рост усадки. На данной схеме хорошо видно, что при феррито-перлитном превращении усадка снижается.

Определим температуру начала по следующему выражению [12]:

н - £н

^С у    ⁽ у^а

+

^£св ^ка (^ у^а

^ 20⁾ + ^ап.р⁽ ^ у>а ^ у

-t ^к

^Ly^a )

■. (1)

Исходные параметры дилатометрических кривых приведены в табл. 1, а расчетные значения коэффициентов a_Y, а_а, а п.р в табл. 2.

Высокотемпературные испытания проводили на комплексе Gleeble System 3800 при температурах от 1300 до 20 °С с шагом 100– 200 °С, а также при температурах t_{y >а} и t_y ^ _a (табл. 3).

По результатам дилатометрии и графиков о — е, построены графики температурной зависимости Е (t) во всем температурном интервале (рис. 5). На их основе были определены температурные коэффициенты модуля упругости 0_у, Р а и в п.р. , подобные коэффициентам усадки.

На рис. 5 указаны справочные данные модуля упругости, которые получены при нагреве образца. На основе справочных данных построена линейная прямая. В комплекс Gleeble System 3800 была добавлена специальная накладная измерительная система, которая фиксировала деформации рабочей зоны образца. Показания данной системы имеют название Strain. Однако для ряда экспериментов полученные значения Strain ошибочны, например, вследствие разрушения образца не по центру. Поэтому на рис. 5 также нанесены точки Stroke, которые получены расчетным методом путем отнесения перемещения захвата к длине образца.

Путем анализа всех точек построены прямые изменения модуля упругости в соответствующих температурных интервалах.

Рис. 4. Дилатометрическая кривая при охлаждении со скоростью 15 °С/мин для стали 20ХЛ со схемой определения усадки

Таблица 1

Дилатометрические параметры сталей

№ п/п	Марка стали	Температура, °С				Значения усадки dL / L 0 ·10–3, доли ед.
			t' Y^«	t ^^a	t k	^t H )	^{t^H ^a )	^(t y^a )	^g)
1	20ХЛ	950	757,6	676,0	345	11,5	7,3	9,1	3,8

Таблица 2

Расчетные значения температурных коэффициентов усадки

№ п/п	Марка стали	Температурные коэф. усадки ·10–6, 1/°С			Свободная усадка [15, 16] ECB, %	t y , °c
		aY	a «	« п.р *
1	20ХЛ	21,8295	16,0121	22,0588	2,3	1412,5

* Эквивалентный.

Таблица 3

Результаты высокотемпературных испытаний на Gleeble System 3800

Марка стали	Параметр	Величина параметра при температуре, °С
		t 1300	–	t'H ^a	t'k ^a	–	–	t 20
20ХЛ	Фактическая температура, °C	1300	1045	760	670	330	200	20
	о в (t), МПа	17,1	41,2	102,0	177,0	720	–	700
	o0 , 2(t), МПа	11,22	17,85	40,8	113,2	408	–	387,6
	E(t) • 10 “ 5 , МПа	0,30	0,59	0,92	1,34	1,63	1,85	2,02

Рис. 5. Изменение модуля упругости £(t) стали 20ХЛ в интервале 1300-20 °С

Исходя из данных табл. 3 по методике [12] рассчитываются температурные коэффициенты модуля упругости (табл. 4).

Релаксацию напряжений на Gleeble System 3800 исследовали методом нагрева образцов до температуры 1300 °С и выдержки при этой температуре 1 мин. Нагрев происходил при свободных держателях. Затем в защемленном состоянии образец охлаждали со скоростями 0,05; 0,1; 1; 4; 24 °С/с. Результаты этих исследований приведены на рис. 6.

На основании рис. 6 и методики [12] построены графики функции релаксации P(t) (рис. 7). По этим графикам хорошо видно, что скорость охлаждения существенно влияет на релаксацию стали.

Таким образом, получены все коэффициенты для пересчета напряжения при полном

Температурный коэффициент модуля упругости

Таблица 4

№ п/п	Марка	Температурный коэф. модуля упругости ·103, МПа/°С
		Р у	р «	в пр *
1	20ХЛ	1,1481	1,0462	4,6667

* Эквивалентный.

Рис. 6. Графики релаксации напряжений стали 20ХЛ при различных скоростях охлаждения

Рис. 7. Графики функции P(t) при различных скоростях охлаждения для стали 20ХЛ

торможении усадки Q°(t) с учетом температуры начала усадки. Результатом будет тре-щиноустойчивость стали Т ” (t) или запас технологической прочности (табл. 5 и рис. 8)

Таким образом, учитывая результаты релаксации (см. рис. 8), запас технологической прочности, то есть трещиноустойчи- вость стали, возрастает в переходной зоне, а затем снижается в a-области. Наивысшие значения напряжений возникают в образцах из двухфазной стали при двух температурах ty^a и 20 °С. Однако их уровень не превышает временное сопротивление разрыву GB(ty Этим обеспечивается трещиноустойчивость

Таблица 5

Расчет трещиноустойчивости стали T°(t) по напряжениям с учетом релаксации

Марка стали	Трещиноустойчивость стали Т ” (t), доли ед. п]				ри температурах, °С
20ХЛ	1045	760	670	330	–	20
	2,3	2,4	4,2	4,8	–	1,8

Рис. 8. График трещиноустойчивости стали 20ХЛ при охлаждении со скоростью 24 °С/мин

стали свыше 1 как запас технологической прочности.

В реальной отливке усадка часто происходит неравномерно за счет наличия разно-стенности, множества локализованных тепловых узлов, что вызывает неравномерность деформации и может приводить к превышению напряжениями предела прочности. Для оценки влияния конструкции отливки необходимо определить трещиноустойчивость отливки с учетом коэффициента локализации деформации.