ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ СТАРЕНИЯ СТАЛИ Н18К9М5Т НА ДЕФЕКТ МОДУЛЯ УПРУГОСТИ ПРИ МНОГОЦИКЛОВОМ НАГРУЖЕНИИ

Горохов Андрей Юрьевич

канд. техн. наук, доцент, Дзержинский политехнический институт, г. Дзержинск

E-mail:

К современным гидроакустическим излучателям, используемым в акустической океанографии, предъявляются высокие требования. Излучатели должны развивать акустическую мощность в десятки киловатт в режиме когерентного излучения и обеспечивать высокую эффективность преобразования энергии. Весо-габаритные характеристики должны допускать их использование в морских условиях. Исходя из этого, конструкционные материалы, применяемые для изготовления крупногабаритных элементов гидроакустических излучателей, должны выдерживать высокие амплитудные напряжения на базе в сотни миллионов циклов нагружения и обладать стабильностью частоты собственных колебаний. Так, относительное изменение частоты собственных колебаний не должно превышать 1 % в процессе работы излучателя. В связи с этим материалы, используемые для изготовления упругих элементов, должны иметь меньший уровень микропластических деформаций в процессе циклического нагружения при высоких значениях предела усталости.

Необходимые сведения о свойствах и поведении материалов, работающих в указанных условиях, а также влиянии на них технологических факторов в литературе отсутствуют. Стандартные методики не позволяют осуществлять многоцикловое усталостное воздействие при определении модуля упругости.

Учитывая длительное время испытаний на базе 10⁸ циклов нагружения, предварительный отбор металлических материалов производился на основе измерения микропластических деформаций [2]. Таким образом, для исследования была выбрана высоколегированная мартенситостареющая сталь Н18К9М5Т. Режимы термообработки сталей представлены в табл. 1. Выбор температур и условий закалки производился по режимам, рекомендованным заводом - изготовителем. Температура последующего старения изменялась с целью выяснения оптимальных соотношений между усталостными свойствами материала и стабильностью упругих свойств.

Таблица 1.

Режимы термообработки

О стабильности упругих свойств материала можно судить по стабильности частоты собственных колебаний образца, являющегося упругим элементом в специализированной установке [3]. Установка состоит из трех основных элементов: станины, служащей для крепления испытываемого образца и электромагнитного силовозбудителя; блока питания и автоматики, предназначенного для питания электромагнитного силовозбудителя током необходимой частоты и величины; блока измерения параметров колебательного процесса, позволяющего определять частоту колебаний и число циклов нагружения. Испытываемый образец жестко крепится одним концом в станине, другим к ферромагнитному якорю. Статор электромагнитного возбудителя жестко крепится к станине через виброизоляционные прокладки. Станина воспринимает колебания образца и передает их пьезоэлектрическому датчику. Сигнал с датчика поступает в блок управления, который вырабатывает импульсы тока для питания катушки электромагнитного возбудителя с частотой, равной частоте собственных колебаний образца. Блок управления содержит усилитель-преобразователь, резонансный тиристорный инвертор, формирователь импульсов управления тиристорами, стабилизатор амплитуды колебаний образца.

Ввиду того, что внешняя сила несинусоидальна, а также вследствие зависимости этой силы от положения образца, форма движения образца отличается от синусоидальной, и амплитуда колебаний при движении вниз будет больше, чем при движении вверх. Однако анализ формы движения образца показал, что при скважности тока q³2 содержание постоянной составляющей и высших гармоник в кривой x(t) не превышают 1 %, то есть форма колебаний образца практически является синусоидальной.

Максимальное напряжение цикла нагружения в расчетном сечении рассчитывается по измеряемой амплитуде колебаний образца. При установлении расчетной зависимости предполагалось, что в динамическом режиме действующие на образец силы создадут такие же максимальные напряжения и перемещения, как и статическая сила, равная по величине результирующей динамической.

При изменении упругих свойств материала под действием длительной знакопеременной нагрузки происходит изменение частоты собственных колебаний образца, по которому можно судить о стабильности упругих свойств.

Известно [1], что квадрат частоты собственных колебаний образца определяется соотношением

,                                                                (1)

где k– коэффициент, зависящий от номера гармоники, условий закрепления концов образца, плотности и линейных размеров образца. Считая kпостоянным для данного образца и зная относительное изменение частоты собственных колебаний, можно определить  - дефект модуля упругости (относительное изменение модуля E).

Разложив соотношение (1) в ряд и ограничившись членами первого порядка малости, можно получить

,                                                      (2)

где ,  и ,  - модуль Юнга, частота собственных колебаний в начале испытаний и их абсолютные изменения.

Так как частота колебаний образцов составляет ~200 Гц, а изменение ее определяется с абсолютной погрешностью 0,01 Гц, то относительная погрешность в определении  будет равна ~10 % при абсолютном изменении частоты колебаний на 0,1 Гц. При увеличении  эта погрешность уменьшается.

Наибольшее значение предела усталости для стали Н18К9М5Т, равное 700 МПа, было получено при температуре старения 550ºС. При более низкой температуре старения пределы усталости имеют меньшее значение: 650 МПа (525ºС); 480 МПа (500ºС) и 550 МПа (350º+510ºС).

Для стали Н18К9М5Т при повышении температуры старения от 500 до 550ºС наблюдалось уменьшение дефекта модуля нормальной упругости. Так, для образцов, имевших температуру старения 500ºС, максимальное значение  составило 2,8 %, а для образцов с температурой старения 550ºС – 1 %.

Сталь Н18К9М5Т относится к мартенситостареющим. Как известно, в закаленном состоянии структура мартенситостареющих сталей представляет собой мартенсит и остаточный аустенит. При нагреве закаленной стали, начиная с некоторых температур, происходит выделение из мартенсита дисперсных включений интерметаллидов и карбидов, что обусловливает ее упрочнение. При более высоких температурах начинается обратное превращение α-γ [4].

Электронно-микроскопические исследования тонких фольг «на просвет» показали, что сталь Н18К9М5Т после закалки и старения при температуре 550°С имеет разориентированную субзеренную структуру. Наблюдается весьма дисперсная (~0,04 мкм) равномерно распределенная в матрице фаза (FeNiCO)₂Mo, имеющая нечеткие очертания.

Таким образом, установлено, что при многоцикловом нагружении стали Н18К9М5Т при повышении температуры старения до 550°С наблюдается уменьшение дефекта модуля упругости. В структуре стали, соответствующей наиболее упрочненному состоянию, присутствуют мелкодисперсные частицы, являющиеся эффективными препятствиями для движения дислокаций.

Список литературы:

1. Вибрации в технике Т.1/Под ред. В. В. Болотина. М.: Машиностроение,1976 – 352 с.
2. Мадянов С. А. Использование метода релаксации напряжений для исследования фазовых и структурных превращений в сплавах // Взаимодействие дефектов кристаллической решетки и свойства металлов: Межвуз. сб. / Тульск. политехн. ин-т. Тула. 1984. С. 32—38.
3. Невский С. Е., Горохов А. Ю., Шадривова С. К. Установка для определения стабильности упругих свойств и внутреннего трения образцов при многоцикловом нагружении // Химическая промышленность: современные задачи техники, технологии, автоматизация экономики: Тез. докл. межрегиональной научно-техн. конф. / Н. Новгород: НГТУ, 1999. С. 86.
4. Фазовый состав мартенситостареющих сталей на основе композиции 00Н18К9М5 / В. В. Спиридонов, А. Н. Кузьминская, О. Д. Марковеч и др. // Физика металлов и металловедение. 1974. № 4. С. 850—856.