Сопротивление усталости сталей 0Х12НДЛ, 20ГСЛ, 15Г2ВЛ в связи с масштабным фактором
Малолегированные литые стали 20ГСЛ и 15Г2ВЛ [50], литая хромистая сталь 0Х12НДЛ [51] являются основными при изготовлении рабочих колес больших диаметров для мощных гидроэлектростанций.
Для исследований использовались стальные плиты размером 700 X 550 Х 65, 700 X 280 X 65 и 700 X 300 X 200 мм, термообработанные по следующим режимам:
а) сталь 0Х12НДЛ: отпуск 650—670° С, 6 ч; нормализация 950° С, 3 ч; отпуск 650—670° С, 7 ч;
б) сталь 15Г2ВЛ: отжиг 870—880° С, 4 ч; нормализация 930— 950° С, 5 ч; отпуск 600—630° С, 6 ч;
в) сталь 20ГСЛ: отжиг 870—880° С, 4 ч; нормализация 900— 930° С, 4 ч; отпуск 600—620° С, 8 ч.
После термообработки плиты разрезались на заготовки, из которых были изготовлены образцы диаметром 12, 20 и 35 мм, сечением 50 X 75 мм. Плиты разрезались таким образом, чтобы между заготовками для образцов диаметром 35 мм находились заготовки для образцов диаметром 12 и 20 мм. Так как заготовки для крупных и мелких усталостных образцов вырезались в непосредственной близости одна от другой, это позволило получить образцы с одинаковой структурой и уменьшить опасность влияния отдельных случайных литейных дефектов.
Поверхности образцов диаметром 12, 20 и 35 мм имели одинаковую чистоту обработки и испытывались на машинах типа У-12, У-20 и У-40, осуществляющих изгиб при вращении консольных образцов с частотой 1900—2400 цикл/мин [52, 55, 56], а образцы сечением 50 X 75 мм — на машинах УП-50, осуществляющих переменный изгиб в одной плоскости по симметричному циклу с частотой 1909—2400 цикл/мин [58].
Для каждой стали была изготовлена серия образцов из 20 шт. диаметром 12 и 20 мм и 5—8 образцов диаметром 35 мм, а также 20 образцов сечением 50 Х 75 мм.
Увеличение диаметра образцов (рис. 8, а) с 12 до 35 мм снижает предел выносливости стали 0Х12НДЛ на 39% (с 28,5 до 17,5 кгс/мм2), а с 12 до 20 мм — на 18% (с 28,5 до 23,5 кгс/мм2).
Усталостные испытания образцов диаметром 12 и 20 мм, вырезанных из плит меньших размеров и других плавок при увеличении диаметра образцов, показали примерно такое же снижение предела выносливости.
Предел выносливости образцов одного диаметра, вырезанных из плит стали 0Х12НДЛ разных плавок, оказался разным, что может быть объяснено небольшим различием химического состава стали разных плавок с различными сечениями плит, из которых вырезались образцы. Однако при увеличении диаметра образцов с 12 до 20 мм для трех плавок предел выносливости снижается примерно на одну и ту же величину (16—18%). Это свидетельствует о том, что предел выносливости резко снижается при увеличении размера образцов.
Рис. 8. Кривые усталости образцов:
а — из стали 0Х12НДЛ; б — из стали 20ГСЛ; в — из стали 15Г2ВЛ; I — сечением 50x75 мм; 2 — диаметром 35 мм; 3 — диаметром 20 мм; 4 — диаметром 12 мм
Рис. 9. Экспериментальная зависимость пределов выносливости сталей 0Х12НДЛ, 20ГСЛ и 15Г2ВЛ и других металлов от диаметра образцов:
1— углеродистых; 2 — легированных; 3 — стали 35Л [19, 20]; 4 — серых чугунов [27]
Предел выносливости образцов сечением 50 X 75 мм из стали 0Х12НДЛ составил 14,5 кгс/мм2.
Предел выносливости образцов, изготовленных из плит стали 20ГСЛ, при увеличении диаметра с 12 до 20 мм снижается на 4% (рис. 8, б), а при увеличении диаметра до 35 мм снижается по сравнению с образцами диаметром 12 мм на 9%. Для образцов сечением 50 X 75 мм предел выносливости составляет 14,5 кгс/мм2.
Образцы из стали 15Г2ВЛ диаметром 12 мм имеют предел выносливости 20,5 кгс/мм2, а диаметром 20 мм — 18,5 кгс/мм2 (рис. 8, в).
Таким образом, результаты показывают, что масштабный фактор в сопротивлении усталости проявляется по-разному.
Если сравнить полученные результаты с обобщенными кривыми влияния масштабного фактора на изменение усталостной прочности [89], используемыми при расчете на выносливость, то оказывается, что влияние масштаба у сталей 20ГСЛ и 15Г2ВЛ удовлетворительно совпадает с результатами обобщенных кривых (рис. 9). У стали 15Г2ВЛ как более легированной и более прочной масштабный эффект проявляется несколько сильнее, чем у стали 20ГСЛ.
У стали 0Х12НДЛ экспериментальная кривая влияния абсолютных размеров не совпадает с обобщенными кривыми для легированных сталей и превосходит известные опытные данные по снижению усталостной прочности для кованых и прокатных углеродистых и легированных сталей. Резкое снижение усталостной прочности стали 0Х12НДЛ (39%) в этом случае сопоставимо с уменьшением прочности стали 35Л, у которой при увеличении диаметра образцов с 12 до 35 мм предел выносливости снижается на 35% [55, 56].
Наиболее вероятно, что у стали 0Х12НДЛ, имеющей склонность увеличивать неоднородность структуры при увеличении размеров, причиной резкого проявления масштабного эффекта является неоднородность структуры и литейные дефекты, тем более, что в усталостных изломах многих образцов были обнаружены газовые поры и неметаллические включения.
Сравнение влияния масштабного фактора на сопротивление усталости, выявленное на круглых образцах при круговом изгибе и плоских при плоском изгибе, также указывает на более резкое проявление масштабного фактора у стали 0Х12НДЛ, чем у сталей 20ГСЛ и 15Г2ВЛ.
Снижение предела выносливости у сталей 20ГСЛ и 15Г2ВЛ незначительно превосходит экспериментальные результаты снижения (31%) предела выносливости кованой стали 22К [66].
Сравнительные результаты, полученные на круглых образцах, говорят о том, что. масштабный фактор сталей 20ГСЛ, 15Г2ВЛ и кованых углеродистых сталей проявляется аналогично.
Такое же резкое, как у стали 0Х12НДЛ, уменьшение предела выносливости при увеличении абсолютных размеров было обнаружено у стали 20Х12НЛ [94].
Итак, усталостные испытания, выполненные на образцах различных диаметров, показали, что сопротивление усталости образцов из стали 0Х12НДЛ при увеличении диаметра резко уменьшается по сравнению с образцами из сталей 20ГСЛ и 15Г2ВЛ.
Усталостные изломы многих образцов из стали 0Х12НДЛ имеют газовые раковины и шлаковые включения. Длина газовых раковин достигает в некоторых образцах 0,8—1 мм. Такие крупные литейные дефекты являются сильными концентраторами напряжений, приводящими к тому, что усталостные изломы у некоторых образцов при консольном нагружении происходят не в местах максимального напряжения.
У образцов из сталей 20ГСЛ и 15Г2ВЛ в усталостных изломах видимых газовых раковин и шлаковых включений не обнаружено.
Следовательно, одной из причин резкого проявления масштабного фактора у стали 0Х12НДЛ по сравнению со сталями 20ГСЛ и 15Г2ВЛ являются газовые поры и шлаковые включения, представляющие в данном случае концентраторы напряжений.
Для изучения влияния неоднородности структуры у стали 0Х12НДЛ на изменение сопротивления усталости и проявления масштабного эффекта была дополнительно исследована эта сталь с несколько отличной структурой, что достигалось ее раскислением алюминием при разливе.
Сталь отливалась в специальные формы, из которых затем изготовлялись усталостные образцы диаметром 12, 20 и 35 мм.
Исследовался металл одной плавки, не раскисленный и раскисленный (в ковш) алюминием в количестве 0,05; 0,1 и 0,3%.
Металлографические исследования нераскисленной и раскисленной стали показали, что если в не раскисленной алюминием стали макроструктура крупнозернистая с преобладанием хромитов различной формы и величины, то добавка 0,05 и 0,1% алюминия измельчает макрозерно. При раскислении стали 0,3% алюминия структура снова становится крупнозернистой и увеличивается количество хромитов.
Образцы нераскисленной стали 0X12НДЛ диаметром 12 мм имели предел выносливости, равный 27,5 кгс/мм2; такой же предел выносливости имели образцы, раскисленные 0,3% алюминия (рис. 10).
Рис. 10. Кривые усталости гладких образцов диаметром 12 мм настали 0Х12НДЛ:
О — без раскисления; · — раскисленные 0.0SAI; Δ — раскисленные 0,1% Al; X — раскисленные 0.3% А1
У стали, раскисленной 0,05% AI, предел выносливости составил 32,5% кгс/мм2, -а при добавке 0,1% А1—33,5 - кгс/мм2.
При увеличении диаметра образцов с 12 до 20 мм предел выносливости стали, раскисленной 0,1% алюминия, снизился с 33,5 до 29,5 кгс/мм2 (на 12%). У нераскисленной стали при таком же увеличении диаметра образцов предел выносливости снизился на 16—18%.
Следовательно, улучшение структуры стали 0Х12НДЛ, уменьшение в ней количества газов и неметаллических включений раскислением ее 0,05-:-0,1% алюминия повышает предел выносливости и уменьшает склонность стали к резкому проявлению масштабного эффекта.
