Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,685

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЛИСТОВЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ

Пачурин Г.В. 1
1 ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»
Надежность металлоизделий наряду с конструктивными факторами в значительной мере определяется структурой и свойствами используемых материалов, зависящих от их технологической обработки и температурных условий эксплуатации (южные, средние и северные широты). В процессе изготовления деталей большинство металлов и сплавов подвергаются различным видам и режимам технологической обработки, среди которых наиболее распространенным является пластическое деформирование. 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. В работе приводятся результаты исследования влияния степени объемной пластической деформации на механические свойства листовых конструкционных сталей и их сварных соединений при разных температурах. Установлено, что с увеличением степени предварительной деформации величины условного предела текучести и предела прочности материалов возрастают, а относительных сужения и удлинения – уменьшаются. Получены конкретные экспериментальные данные прочностных и механических свойств при разных эксплуатационных температурах 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.
листовые автомобильные стали
температура эксплуатации
упрочнение
степень деформации
микроструктура
повреждение
фрактография
прочность
пластичность
1. Власов В.А., Пачурин Г.В., Гуслякова Г.П. Коррозионная усталостная прочность пластически обработанных материалов // Автомобильная промышленность. – 1996/ – № 8. – С. 24–25.
2. Пачурин Г.В. Долговечность листовых штампованных материалов на воздухе и в коррозионной среде // Материаловедение. – 2003. – № 7. – С. 29–32.
3. Пачурин Г.В. Долговечность штампованных конструкционных материалов на воздухе и в коррозионной среде // Заготовительные производства в машиностроении. – 2003. – № 10. – С. 21–27.
4. Пачурин Г.В. Повышение долговечности листовых штампованных деталей из высокопрочных сталей и сплавов // КШП. ОМД. – 2003. – № 11. – С. 7–11.
5. Пачурин Г.В. Долговечность на воздухе и в коррозионной среде деформированных сталей // Технология металлов. – 2004. – № 12. – С. 29–35.
6. Пачурин Г.В. Повышение коррозионной долговечности и эксплуатационной надежности изделий из деформационно-упрочненных металлических материалов. – Н. Новгород: НГТУ, 2005. – 132 с.
7. Пачурин Г.В. Технология комплексного исследования разрушения деформированных металлов и сплавов в различных условиях нагружения: учеб. пособие / Г.В. Пачурин, А.Н. Гущин, К.Г. Пачурин и др. – Н. Новгород: НГТУ, 2005. – 139 с.
8. Пачурин Г.В. Микромеханизмы высокотемпературной усталости и ползучести металлов и сплавов: учеб. пособие / Г.В. Пачурин, С.М. Шевченко, В.Н. Дубинский и др. – Н. Новгород: НГТУ, 2006. – 116 с.
9. Пачурин Г.В. Долговечность пластически деформированных коррозионно-стойких сталей // Вестник машиностроения. – 2012. – № 7. – С. 65–68.
10. Pachurin G.V. Ruggedness of structural material and working life of metal components // Steel in Translation. – 2008. – № 3. – Т. 38. – P. 217–220.

Надежность металлоизделий наряду с конструктивными факторами в значительной мере определяется структурой и свойствами используемых материалов, зависящих от вида и режима их технологической обработки, а также температурными условиями эксплуатации (южные, средние и северные широты).

В автомобильной и машиностроительной 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 [3, 8, 9].

Поэтому исследование влияния технологического пластического деформирования на изменение механических характеристик листовых сталей в области различных эксплуатационных температур является весьма актуальным.

Методика проведения исследований

С целью выполнения поставленной задачи в работе выбраны стали 08Ю, 08кп, 08пс, 08ГСЮТ, 07ГСЮФТ и сварные соединения из сталей 08 пс, 08 кп, 20 кп, 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. При этом записывалась диаграмма растяжения, начальные и конечные размеры образцов, определялись прочностные (σв, σ0,2) и пластические (δ, ψ) характеристики материалов в состоянии поставки и после технологической обработки. На каждую экспериментальную точку одновременно обрабатывалось по 4 образца.

Низкая температура (–50 °С) испытания обеспечивалась криостатом, который представляет собой открытый сосуд диаметром 70 мм и высотой 190 мм. В этот сосуд заливался ацетон, охлажденный до –50 °С путем добавления углекислой кислоты. Образец подвергался растяжению, находясь в жидкой среде. Температура измерялась при помощи ртутного термометра.

Повышенная температура (+70 °С) достигались в разъемной электропечи с открытой спиралью. Регулировка температуры осуществлялась трансформатором типа PH0-250-I0 с использованием термопары типа ХА и прибора для измерения температуры (МР-64-02, класс точности 1,5; ГОСТ 9736-68). Образец испытывался, находясь в печи, то есть в изотермических условиях.

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 [7] 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.

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 исследования и их обсуждение

В табл. 1 представлены результаты испытания при комнатной температуре предварительно пластически деформированных с разной степенью плоских образцов из листовых материалов.

Таблица 1

Механические свойства листовых материалов для различных режимов технологической обработки

Марка стали

Режим технологической обработки

σв, МПа

σ0,2, МПа

Ψ, %

δ, %

А

08кп

Холоднокатаная

390

256

84

41

0,16

Растяжение 2,5 %

375

190

83

40,7

0,20

Растяжение 11 %

377

174

81

40,6

0,22

Растяжение 15 %

394

192

78

29

0,24

Растяжение 17 %

400

182

79

21

0,22

Растяжение 21 %

407

190

77

10

0,20

07ГСЮФТ

Горячекатаная

440

306

48

18

0,16

Растяжение 5 %

471

433

44

14

0,12

Растяжение 17 %

545

532

33

3

0,11

Растяжение 29 %

547

532

30

1,6

0,02

08ГСЮТ

Горячекатаная

461

250

48

26

0,21

Растяжение 5 %

457

398

46

15

0,16

Растяжение 17 %

499

466

41

9

0,07

Растяжение 29 %

551

537

33

1

0,02

08Ю

Холоднокатаная

294

163

50

30

0,25

Растяжение 3 %

313

230

49

26

0,16

Растяжение 10 %

315

271

48

17

0,10

Растяжение 20 %

345

286

35

7

0,07

Растяжение 30 %

397

343

29

3

0,09

08пс

Холоднокатаная

370

285

70

20

0,18

Растяжение 4 %

390

340

69

14

0,06

Растяжение 8 %

415

400

63

4

0,02

Растяжение 17 %

455

445

63

4

0,02

20кп

Горячекатаная

437

319

48

23

0,18

Растяжение 9 %

534

530

49

5

0,02

Растяжение 22 %

602

599

48

4

0,02

Выявлено, 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 [1], 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 [2, 4]. 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, где 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 [4]. Размер зерна феррита сталей 08кп и 08ГСЮТ равен 10…30 мкм, а для стали 07ГСЮФТ – 20…40 мкм.

Микрофрактограммы поверхностей разрыва при растяжении листовых образцов из сталей 07ГСЮФТ, 08кп и 08ГСЮТ свидетельствуют о вязком характере разрушения [5]. В изломе сталей 08ГСЮТ и 07ГСЮФТ чётко видны карбидные частицы (размером ≈ 4 мкм), расположенные преимущественно в ямках поверхности разрыва.

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.

Результаты на статическое растяжение при разных температурах цельных и сварных образцов исследованных стальных материалов приведены в табл. 2 и 3.

Таблица 2

Механические свойства листовой стали 08пс при разных температурах для различных режимов технологической обработки

Температура испытания, °С

Степень предварительной деформации, %

σт, МПа

σ0,2, MПа

σв, MПа

δ, %

ψ, %

δр, %

A1/A2

20

0

265

285

370

29

70

20

0,02/0,18

4

320

340

390

19

69

14

0,06

8

385

400

415

11

63

4

0,02

17

405

445

455

6

61

0,7

0,02

70

0

240

260

345

27

71

17

0,03/0,17

4

300

320

355

18

70

14

0,05

8

375

400

410

7

59

1,5

0,02

17

405

450

460

6

58

0,8

0,02

–50

0

345

400

470

25

65

20

0,01/0,17

4

330

395

475

22

58

15

0,05

9

480

505

520

9

52

3

0,01

18

500

565

579

9

50

0,3

0,01

Из анализа кривых деформационного упрочнения сваренных листовых образцов из сталей 20кп, 08кп, 08ГСЮТ 07ГСЮФТ [6] следует, что критическая степень деформации, соответствующая перелому кривых, составляет ~ 2–5 %. По окончании этой стадии начинается интенсивное упрочнение с высоким значением величины показателя А. Исходя из представления, что в общем случае кривые деформационного упрочнения имеют сигмообразный (_/¯) вид с тремя стадиями упрочнения, можно кривые упрочнения предварительно деформированных образцов отнести к третьей стадии затухающего, предшествующего разрушению, упрочнения с низким показателем А.

С ростом температуры испытания от –50 до + 70°С стали 08пс параметры прочности σт, σ0,2, σв уменьшаются, а пластичности ψ – увеличиваются. При этом возрастание степени предварительной деформации εпр.д до 17…18 % обусловливает повышение прочностных и понижение пластических характеристик во всем вышеуказанном диапазоне температур статического нагружения.

Величина показателя А2 у кривых деформационного упрочнения образцов из стали 08пс при температурах + 70 и –50 °С несколько ниже, чем при комнатной температуре. Однако для всех температур с ростом степени предварительной деформации εпр.д А существенно уменьшается, особенно при –50 °С.

Таблица 3

Механические свойства сварных стальных листовых образцов при разных температурах

Марка стали

Температура, °С

σ0,2, МПа

σв, МПа

dк, %

Y, %

dр, %

A1/A2

08кп

20

170

380

19

79

16

0,23

70

205

355

24

77

18

0,06/0,21

–50

315

420

25

76

22

0,06/0,22

08ГСЮФ

20

215

485

16

75

14

0,22

70

285

450

19

70

16

0,06/0,22

–50

435

525

22

78

18

0,04/0,22

07ГСЮФ

20

220

345

13

74

10

0,11/0,19

70

235

345

20

79

15

0,06/0,19

–50

310

440

21

77

15

0,10/0,16

08пс

20

285

370

29

70

20

0,02/0,18

70

260

345

27

71

17

0,03/0,17

–50

400

470

25

65

20

0,01/0,17

20кп

20

290

417

18

52

11,5

0,04/0,16

70

266

410

17

51

14

0,12/0,16

–50

580

601

5

55

2.5

0,03

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 исследованных температурах испытания –50, 20, и 70 °С у предварительно растянутых образцов из стали 20кп пределы текучести σ0,2 и σт и прочности σв выше, а относительные удлинение δк (до разрушения) и δр (равномерное) ниже, чем у образцов в исходном состоянии, хотя относительное сужение ψк и предел прочности до разрушения σк практически остаются постоянными.

Охлаждение до –50 °С увеличивает прочностные характеристики при сохранении пластичности стали 20кп (на уровне 20 °С), что свидетельствует об отсутствии ее охрупчивания при этих температурах.

Анализ кривых деформационного упрочнения стали 20кп и ее сварных соединений при вышеуказанных температурах показал, что при растяжении цельных и сварных образцов, предварительно деформированных до одной и той же степени (17…18 %), относительное удлинение (равномерное δр и общее δк) при –50 °С значительно выше, чем при 70 °С. Это может быть обусловлено различием атомных механизмов, контролирующих пластическую деформацию. Так, при –50 °C усиливается влияние поперечного скольжения винтовых дислокаций по сравнению с движением краевых дислокаций, что обеспечивает некоторое повышение пластичности стали 20кп.

При растяжении исходных (предварительно не деформированных) образцов (εпр.д. = 0 %) в начале наблюдается стадия инкубационного деформирования (ε @ 1…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.

Величина показателя упрочнения А наклепанных образцов из стали 20кп при всех исследованных температурах практически одинакова А = 0,02, в то время как при растяжении исходных цельных и сварных образцов для температур 70 и –50 °С показатель А несколько ниже, чем при 20 °С.

Микроструктура стали 20 кп, деформированной при 20, 70 и –50 °С, практически не изменяется.

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 [10].

Из анализа кривых деформационного упрочнения при 20, 70 и –50 °С сваренных встык образцов из сталей 08кп, 08ГСЮТ и 07ГСЮФТ следует, что критическая степень деформации, соответствующая перелому кривых, составляет ~ 2…5 %. У сталей 08кп и 08ГСЮТ показатель А2 выше (0,23 и 0,22 соответственно), чем у стали 07ГСЮФТ (0,16…0,19).

Исходная микроструктура листовых сталей 08кп, 07ГСЮФТ и 08ГСЮТ состоит преимущественно из зерен феррита и небольшого количества перлита для 08кп, а также с карбидными включениями у стали 07ГСЮФТ и 08ГСЮТ. Размер зерна феррита стали 07ГСЮФТ равен 20…40 мкм, а сталей 08кп и 08ГСЮТ – 10…30 мкм.

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 упрочнения.

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. Стали 07ГСЮФТ и 08ГСЮT имеют карбидные включения, которые препятствуют движению дислокаций при пластическом деформировании и с ростом степени деформации повышают прочностные характеристики. Однако они являются также источниками образования микротрещин при растяжении.

Фотографии поверхностей разрыва при растяжении образцов из сталей 07ГСЮФТ, 08кп и 08ГСЮТ, испытанных при 20, 70 и –50 °С, свидетельствуют о вязком характере разрушения. Марка стали и температура испытания практически не изменяют 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.

Выводы

1. Установлено, что влияние степени предварительной деформации исследованных материалов на их механические характеристики зависит от температуры испытания.

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. С понижением температуры испытания сталей величина показателей прочности (σв и σ0,2), как правило, возрастает, а показателей пластичности (δ и ψ) – уменьшается. Эта закономерность усиливается по мере увеличения степени предварительного пластического деформирования образцов.

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

5. Получены конкретные экспериментальные данные прочностных и механических свойств при разных эксплуатационных температурах 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.

Рецензенты:

Лоскутов А.Б., д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Электроснабжение и электроэнергетика» (ЭСиЭ), Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева (НГТУ), г. Нижний Новгород;

Кузьмин Н.А., д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Автомобильный транспорт», Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева (НГТУ), г. Нижний Новгород.

Работа поступила в редакцию 27.01.2014.


Библиографическая ссылка

Пачурин Г.В. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЛИСТОВЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 1. – С. 18-23;
URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=33495 (дата обращения: 09.12.2022).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.685