Автореферат Мурзахметовой


УДК 669.11:539.37(043)                                                              На правах рукописи                                  

 

 

 

 

 

 

Мурзахметова Ульбала Аскарбековна

 

 

 

 

 

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ УСТАЛОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ инструментальнЫХ СТАЛей И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА КРУПНОГАБАРИТНЫХ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ

 

 

05.16.01 – Металловедение и термическая обработка металлов

 

 

 

 

 

 

Автореферат

 

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Алматы, 2007

 

Работа выполнена в Казахском национальном техническом университете

имени К.И.Сатпаева

 

 

 

 

Научный руководитель:                            доктор технических наук,

                                                                     профессор Машеков С.А.

                          

 

 

Официальные оппоненты:                        Заслуженный  деятель  Республики

                                                                     Казахстан, доктор технических наук,

                                                                     профессор Дуйсемалиев У.К.

 

                                                                     кандидат технических наук

                                                                     Аубакиров Е.Г.            

 

 

 

Ведущая организация:                               Южно-Казахстанский государственный                                 

                                                                     университет им. М.О.Ауэзова                   

 

 

 

 

Защита состоится «22» июня 2007г. в 1400 часов  на заседании диссертационного совета Д 14.50.07 при Казахском национальном техническом университете имени К.И.Сатпаева по адресу: 050013 г. Алматы, ул. К.Сатпаева 22, в конференц-зале НК

Факс (3272) 92-60-25, e-mail: allnt @  kazhtu.sci.kz

 

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казахского национального технического университета имени К.И.Сатпаева

 

 

 

Автореферат разослан  «  » мая 2007г.

        

 

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 14.50.07

кандидат технических наук, доцент                                           Гусейнова Г.Д.

 

 

Введение

 

Общая характеристика проблемы. Важное место в Инновационно-индустриальной программе развития Республики Казахстан занимают научные исследования, направленные на разработку новых высокоэффективных технологий, используемых в металлургической и машиностроительной промышленности. Развитие современного состояния железнодорожного транспорта и тяжелого машиностроения идет по пути увеличения мощности и производительности агрегатов, повышения температур, давлений, скоростей, при которых работают основные детали, утяжеления условий транспортировки и других параметров. Во многих отраслях техники применяется продукция из инструментальной стали, которую получают обработкой металлов давлением, в частности поковки типа колес, рессоры, пружины и т. д., работающие в условиях различных воздействий, срок службы которых ограничивается их уровнем ресурса надежности. В связи с этим решение проблемы повышения надежности и ресурса деталей машин и элементов конструкций требует максимально точного прогнозирования ресурса прочности.

 Современные теории прочности, как правило, рассматривают процесс разрушения материала преимущественно лишь на стадии эксплуатации машин и конструкций без учета истории формирования прочности материала. В то же время режимы обработки могут подводить материал к предварительному разрушению, что не может не сказаться на ресурсах работы деталей машин и элементов конструкции при дальнейшей эксплуатации.

 Актуальность проблемы. В настоящее время все большее признание находит подход к прогнозированию разрушения с позиций механики повреждений сплошной среды. Согласно такому подходу разрушение деталей машин либо элементов конструкции представляет процесс зарождения и развития дефектов сплошности с последующим слиянием их в макротрещину.

  В большинстве работ по прогнозированию разрушения при эксплуатации машин и сооружений рассматриваемый материал в начальном состоянии считается неповрежденным. Однако, известно, что при выполнении пластической и термической обработки, в процессе резания, сварки и других технологических операций по изготовлению деталей машин и элементов конструкций в материале протекают процессы разрушения на субмикро- и микроскопическом уровне, т. е. происходит зарождение и накопление дефектов – несплошности типа микротрещин и микропор. Незалеченные в процессе обработки микроскопические нарушения сплошности остаются в материале и могут существенно влиять на эксплуатационные свойства изделий, поскольку микропоры и микротрещины уменьшают величину энергии зарождения и распространения трещин, снижают долговечность деталей машин и элементов конструкций.

 Таким образом, ресурс прочности машин и сооружений формируется в процессе их изготовления, и этот факт необходимо учитывать при прогнозировании разрушения. Однако, имеющиеся в литературе сведения о влиянии технологии изготовления на надежность машин и конструкций представлены недостаточно широко, и связано это, в первую очередь с тем, что процессы изготовления и эксплуатации деталей машин и элементов конструкций рассматриваются раздельно без учета их взаимосвязи. Отсутствуют достаточно простые модели описания процесса накопления повреждений в деталях машин и элементах конструкций, как при изготовлении, так и в процессе эксплуатации, позволяющие производить оценку ресурса прочности и надежности с единых позиций.

В связи с этим исследования, направленные на совершенствование технологии штамповки  для производства крупногабаритных осесимметричных изделий с целью повышения качества поковок сталей и сплавов, а также разработка математической модели для оценки ресурса прочности и надежности, являются актуальными.

Цель работы – исследование закономерности усталостного разрушения инструментальной стали и пути его использования в разработке технологии производства крупногабаритных осесимметричных стальных изделий, в частности, разработка технологического процесса ковки поковок дисков, позволяющего получать поковки высокого качества.

Научная новизна работы. В работе представлены результаты решения проблемы по совершенствованию технологии производства штампованных изделий, позволяющие повысить качество продукции. Впервые:

выявлены закономерности влияния знакопеременной упругой деформации и  температуры деформируемого металла на изменение структуры и свойств инструментальной стали;

получены количественные данные и установлены основные закономерности изменения деформированного состояния при осадке в бойках с изменяющейся формой;

       – разработана новая методика расчета степени выносливости материала усталостному разрушению (СВМУР) и построения диаграмм усталостного разрушения.

Положения, выносимые на защиту:

результаты экспериментального исследования деформированного состояния при ковке бойками с изменяющейся формой;

создание и внедрение методики экспериментального построения диаграмм усталостного разрушения и расчета степени   выносливости материала усталостному разрушению (СВМУР).

закономерности изменения структуры бойков с изменяющейся формой из инструментальной стали.

Апробация практических результатов. Основные материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на международной научной конференции «Первые Ержановские чтения» (Павлодар, ПГУ, 2004г.); на международной научной конференции «Актуальные проблемы механики и машиностроения» (Алматы, КазНТУ, 2004г.); на международной научно–практической конференции: «Проблемы и перспективы развития нефтяной промышленности Казахстана» (Алматы, КазНТУ, 2005г.); на научном семинаре кафедры «Металловедение и термическая обработка металлов» (Алматы, КазНТУ, 2006г.); на объединенном научном семинаре кафедр «Металловедение и термическая обработка металлов» и « Станкостроение, материаловедение и технология машиностроительного производства» (Алматы, КазНТУ, 2007г.).

Практическая ценность работы заключается в том, что на основе проведенных исследований усовершенствованы режимы деформирования и разработаны новые конфигурации бойков для ковки поковок типа дисков, способствующие получению поковок требуемой формы с минимумом дефектов и стабильным уровнем механических свойств.

Материалы по теме диссертации изложены в 7 статьях и  5 патентах Республики Казахстан.

Предложенная новая конструкция инструмента, позволяющая получить поковку с высокими качествами, подтверждена заключениями НИИИС РК о выдаче патента на изобретение.

 

Основное содержание работы

 

       Во введении приведена оценка современного состояния решаемой научно-практической проблемы. Обоснованы актуальность исследований, необходимость проведения теоретических и технологических разработок, представлены научная новизна и практическая ценность работы, структура и объем диссертации.

 

1 Современное состояние и обзор технологии получения штампованных изделий

Из данных литературного обзора сформулированы основные цели, задачи и выбор направления исследований. Рассмотрено современное состояние технологии получения штампованных изделий, выявлены проблемы, возникающие при получении крупногабаритных осесимметричных стальных изделий, рассмотрены основные факторы, влияющие на качество изделий при получении исходных заготовок. 

В используемой технологии штамповки инструменты подвергаются знакопеременным деформациям, приводящим к усталостному разрушению инструмента. В качестве основных факторов, влияющих на закономерности зарождения и распространения усталостных трещин, можно указать: фазовый и структурный состав материала, состояние поверхностного слоя, температуру и среду испытания, частоту нагружения, асимметрию цикла нагружения и другие. Также можно выделить факторы, воздействующие на закономерности усталостного разрушения одновременно, такие как частота нагружения и температура испытания, что еще больше усложняет прогнозирование характеристик циклической прочности.

 

2. Материалы и методика исследования

В этой главе работы приведены описание материала опытных образцов и методики проводимых исследований. В качестве основного объекта исследования была выбрана легированная сталь марки 60ГС2, предназначеная для изготовления изделий, работающих при циклических нагрузках, обладающих высоким сопротивлением малым пластическим деформациям (предел упругости) и релаксационной стойкостью при достаточной пластичности и вязкости.

Усталостные испытания инструмента с изменяющейся формой,  изготовленного из выбранной стали, осуществляли знакопеременным изгибом при пластической деформации горячей заготовки размером 50×50×100 мм, предварительно нагретой до температур 873, 1073, 1273, 1473 К.

При определении компонентов тензора деформаций был использован экспериментальный метод координатной сетки механики твердого деформируемого тела. Для расчета деформированного состояния была разработана программа, в которой использованы довольно простые соотношения для расчета координат концов средних линий четырехугольников, длин средних линий и величин углов αх и βх.

Металлографический анализ был выполнен на электронно-оптическом микроскопе «Axiovert-200 MAT» при увеличениях 200, 500 и 1000 крат, обработку изображений производили по программе ВидеоТесТ «Металл 1.0». Оценка размера зерна была проведена по стандартной программе. Рентгенографический фазовый анализ проведен на рентгеновском аппарате ДРОН-4.

Механические свойства исследуемых сталей определяли на автоматизированной установке МВ–01м, позволяющей проводить механические испытания на изготовленных микрошлифах и оперативно оценивать характеристики прочности и пластичности без изготовления образцов на растяжение.

 

3 Исследование усталостного разрушения инструмента с изменяющейся формой из стали 60ГС2

С целью обеспечения равномерной структуры поковок по всему сечению нами предлагается серия новых конструкций инструментов, которые содержат верхние и нижние бойки с криволинейно-выпуклыми рабочими поверхностями, выполненными с возможностью трансформации в плоскую рабочую поверхность бойков к концу хода инструмента.

При использовании предлагаемых конструкций инструментов ковка осуществляется знакопеременным изгибом инструментов, а рабочая поверхность каждого инструмента при каждом изгибе сопрягается с горячей заготовкой. Все это может привести к усталостным разрушениям инструментов.

Одной из задач диссертационной работы являлась разработка новой методики расчета степени выносливости материала усталостному разрушению и с помощью разработанной методики прогнозирование возможности разрушения инструмента с изменяющейся формой в течение времени его использования.

Нами предложена методика расчета степени выносливости материала усталостному разрушению с использованием величины kж= σ/Т, характеризующей коэффициент жесткости схемы напряженного состояния (σ–среднее напряжение, Т– интенсивность касательных напряжений). Для линейного модуля пластического разрыхления необходимо определить степень выносливости материала усталостному разрушению ω (СВМУР) по формуле:   

                                                                                                           

где:  Гi – интенсивность деформаций сдвига;

Г, интенсивность деформации сдвига в момент усталостного разрушения;   п – количество циклов нагружения реальной детали или инструмента;

Nчисло циклов растяжения-сжатия испытуемого образца.

При этом критерием возможности усталостного разрушения является условия ω = 1.

В предлагаемых конструкциях инструментов ковка горячих заготовок осуществляется знакопеременным изгибом рабочей поверхности инструмента, т.е. в процессе деформации выпуклая рабочая поверхность инструмента превращается в плоскую, а после окончания деформации снова приобретает выпуклую форму. Для осуществления изгиба рабочей поверхности к ее концам прилагают растягивающие силы, при этом изгибающий момент в инструменте с изгибающей формой также возникает за счет горячей деформации заготовки. Схема напряженного состояния инструмента приведена на рисунке 1.

 

         

Рисунок 1 – Схема напряженного состояния при деформировании  в инструменте с изгибающейся формой

 

 
 

 

 


Распределение напряжений и коэффициента жесткости напряженного состояния на поверхностных зонах инструмента нашли путем совместного решения дифференциальных уравнений равновесия и пластичности.

Значения коэффициента жесткости схемы напряженного состояния определяют, используя соотношения:

где:  – интенсивность касательных напряжений.

Для расчета w необходимы экспериментальные данные по усталостному разрушению, т.е. кривые усталостного разрушения, построенные с учетом .

Поэтому нами предложена новая методика построения кривой усталостного разрушения . По данной методике из материла, подвергаемого усталостному разрушению, изготовляют образцы гладкие и с надрезными вытачками для циклического растяжения и сжатия. Форма образцов определяется диаметром зрушению вырезают темплеты необходимого размера, из которых изготовляют образцы для циклического растяжения и сжатия. ости скол d в наименьшем поперечном сечении и радиусом контура R  в продольном сечении образца. Изготовленные образцы испытывают на циклическое сжатие и растяжение до появления первой трещины.

Обработку полученных данных проводили с использованием закономерности распределения напряженно-деформированного состояния на оси растягиваемого – сжимаемого образца.

Расчет степени выносливости материала инструмента с изменяющейся формой усталостному разрушению ω осуществляли после проведения эксперимента со знакопеременным изгибом. На рабочие поверхности инструмента перед испытанием наносили параллельные риски размером То = 3 мм, деформирование заготовки на этом инструменте осуществляли при комнатной температуре. После проведения эксперимента измеряли расстояние между рисками Тi, контролировали трещинообразование и произвели расчет степени выносливости материала инструмента с изменяющейся формой усталостному разрушению ω.

Сопоставление полученных результатов показывает, что значение  показателя ω несущественно увеличивается с увеличением количества циклов знакопеременного изгиба.

Результаты выполненного нами расчета степени выносливости материала усталостному разрушению показали, что при знакопеременной деформации материала предлагаемого инструмента с количеством цикла 200, 400, 600, 800, 1000, 1200 раз разрушение сплошности не происходит.

 

4 Исследование технологической эффективности штамповки

Приведены результаты экспериментальных исследований усталостного разрушения инструмента в зависимости от конфигурации, влияния условий деформирования на микроструктуру и механические свойства инструмента с изменяющейся формой из стали 60ГС2. Эксперименты проводили в лабораторных и промышленных условиях. Модель инструмента для осадки поковки 1 состоит из двух бойков 4 и 5 с криволинейно выпуклым профилем рабочей поверхности 2 и 3, при этом к верхнему и нижнему упругому элементу бойков прикреплены соответствующие направляющие нажимные механизмы 6, 7, 8 и 9 (рисунок 2).

Для проведения эксперимента в лабораторных условиях были изготовлены модельные цилиндрические образцы из пластопарафина Ø 55 мм и высотой 100 мм, составленные из 10 дисков различного цвета и одинаковой высоты с впрессованными в торцевые поверхности кольцевыми слоями, и приспособление,  имеющее нижнюю плиту с четырьмя направляющими и верхнюю плиту с четырьмя отверстиями для движения направляющих. Таким образом обозначалась координатная сетка, позволяющая после разрезки деформированных образцов в диаметральной плоскости оценить картину течения металла в осевом и радиальном направлениях и подсчитать характеристики деформации в различных точках сечения заготовки. Деформированные координатные сетки измеряли на инструментальном микроскопе БМИ-1 с точностью ±0,05 мм.  Соответствие условий трения на контакте при осадке в горячем состоянии стали и пластопарафина в эксперименте проверяли путем сопоставления формы боковой поверхности при осадке на цилиндрических образцах из стали  3 с таким же режимом обжатия и различными условиями на контакте.

 

Рисунок 2 – Схема модельного инструмента для осадки

 

Результаты исследования показали, что осадка инструментом с изменяющей формой оказалась эффективнее осадки в плоских бойках, так как позволила уменьшить неравномерность деформации по сечению заготовки. Кроме того, при осадке в данном инструменте по сечению заготовки помимо линейных деформаций развиваются интенсивные сдвиговые деформации, это дает возможность увеличивать суммарную деформацию и получить достаточно равномерную структуру металла при осадке в инструменте с изменяющей формой. Немаловажное значение имеет также возможность довольно простой промышленной реализации данных схем.

В промышленных условиях для проведения эксперимента были взяты заготовки Ø 200 мм и высотой 75 мм. Для придания полученной заготовке крупно-зернистой структуры ее отжигали при температуре 1223 К с выдержкой при этой температуре в течение 6 часов. Затем отожженную заготовку протягивали в плоских бойках размером до Ø70 мм, разрезали на одинаковые заготовки размерами Ø70х600 мм, и разрезанные заготовки осаживали в плоских бойках и в инструменте с изменяющейся формой до размеров Ø100х300 мм. Из откованных заготовок обрезали темплеты из центральной и поверхностной зоны для исследования равномерности распределения деформации. Микроструктура металла поковок, откованных в бойках новой конструкции, была на 2÷3 балла мельче, чем микроструктура поковок, полученных при ковке на плоских бойках. Результаты механических испытаний показали снижение анизотропии пластических и прочностных свойств металла.

При проведении электронно – микроскопического исследования структуры стали 60ГС2 был использован набор образцов, подвергнутых термической обработке при разных температурах контакта инструмента-заготовка (200, 400, 600, 800, 1000, 1200 раз контакта).

Результаты металлографического и рентгеноструктурного анализов исходной структуры стали инструмента показали, что предварительная термическая обработка инструмента приводит  к формированию в исследуемой стали смешанной пакетно-пластинчатой бейнитной структуры.

Последующее усталостное нагружение при температурах на контакте инструмент-заготовка 873, 1073, 1273, 1473 К с небольшим количеством упругого изгиба инициирует в поверхностных зонах металла инструмента начальную стадию динамической рекристаллизации, а именно, формирование субзеренной структуры и перемещение большеугловых границ зерен, пакетов и пластин бейнита. Последнее сопровождается образованием в стыках границ зерен областей с повышенным содержанием частиц карбидной фазы (рисунок 3, а, б). По всей видимости, данные области, обладая высокими прочностными свойствами и выступая в качестве концентраторов напряжений, могут быть причиной разрушения материала при дальнейших испытаниях.

 

Зернистый перлит+карбид

 

Перлит+карбиды

 
  

а)                                                         б)

Рисунок 3 – Электронно-микроскопическое изображение структуры стали 60ГС2, подвергнутой усталостному нагружению  (N = 200 циклов) при температурах 1273 К (а) и  1473 К (б).   х1000

 

Знакопеременное упругое деформирование с увеличением числа изгибов при температуре на контакте инструмент-заготовка 873, 1073, 1273, 1473 К приводит к релаксации дефектной структуры стали. На уровне кристаллов бейнита она сопровождается перестройкой дислокационной субструктуры, приводящей к фрагментации. Светлые зерна микроструктуры представляют собой сложные карбиды примерно одинакового размера, распределенные в виде светлых скоплений, на фоне матрицы феррита. Средний размер кристаллов карбидов составляет от восьми до десяти баллов, что заметно выше размера подобных кристаллов, сформировавшихся на предварительной стадии усталостного нагружения (6 – 8 баллов).

При медленном охлаждении с температур деформации сталь приобретает структуру, состоящую из крупнозернистого феррита и перлита, в которой с повышением температур наблюдается увеличение количества зернистого перлита (рисунок 4).

 

Зернистый перлит+карбид

 

Феррит + перлит

 

 
    

               а)                                                                     б)

Рисунок 4– Электронно-микроскопическое изображение структуры стали 60ГС2, подвергнутой усталостному нагружению (N = 600 циклов) при температурах 1073 К (а), 1473 К (б). х1000

 

Колонии перлита представляют собой сфероиды неправильной формы, которые растут, поглощая аустенитное зерно. При увеличении количества изгиба на границе раздела перлит-аустенит появляются зерна перлита второго поколения, которые затем растут совместно с первичными колониями. Предполагается, что данные перлитные области, обладая определенными пластическими свойствами, могут быть причиной снижения упругих свойств материала при дальнейших испытаниях.

Частицы цементита, не растворившиеся во время аустенизации, способствуют образованию перлита при малых скоростях охлаждения, и перлитный цементит частично кристаллизуется на остаточных карбидах, в результате получается структура, аналогичная зернистому перлиту.

Необходимо отметить, что проведение многократного усталостного нагружения при контактной температуре инструмент-заготовка 873 К привело к повсеместному обратному α → γ → α –бейнитному превращению, которое было подтверждено рентгеноструктурным анализом (рисунок 5).

 

Рисунок 5 – Рентгеновский снимок стали 60ГС2, подвергнутой усталостному нагружению (N = 1000 циклов)  при температуре 873К

  Увеличение числа циклов нагружения сопровождается дальнейшей коагуляцией кристаллов бейнита, которая увеличивает размер зерна аустенита до 7-9 баллов. При 400 кратном контакте инструмент-заготовка в стали протекает динамическая рекристаллизация материала с перемещением большеугловых границ зерна. Этот процесс сопровождается формированием в стыках границ областей, характерной особенностью которых является высокий уровень упругих полей напряжений, а также присутствие большого количества частиц цементита. Дальнейшее увеличение циклов нагружения сопровождается образованием ферритно-перлитной структуры. При развитии деформации в такой структуре образование микропор происходит на межфазной границе феррит – цементит, так как пластическое течение феррита начинается раньше, чем цементита. При 1000 кратном нагружении выше температур 1073 К в структуре наблюдается повышенное содержание карбидов, которое при нагреве материала затрудняет пластическое течение металла, сопровождающееся снижением прочности и вязкости.

Лабораторные испытания механических свойств проводились на образцах стали 60ГС2, подвергнутых многократному нагружению при температуре 873, 1073, 1273, 1473 К. При температуре контакта заготовка – инструмент 873 К твердость, временное сопротивление и предел текучести инструмента повышались с увеличением числа контакта, при температуре контакта 1073 К в начальном этапе контакта заметного изменения твердости не наблюдалось, а начиная с 800 кратного контакта твердость материала понижалась. При температуре контакта 1273 К наблюдалось ухудшение упругих свойств стали, что свидетельствует о разупрочнении материала инструмента. Результаты измерения механических свойств стали 60ГС2 при многократном изгибе инструмент-заготовка показаны в таблице 1.   

Результаты проведенных исследований установили, что усталостное нагружение инструмента в процессе деформации  нагретой заготовки сопровождается повсеместным α → γ →  перлитным превращением и обратным α → γ → α-бейнитным превращением в зависимости от величины контактной температуры инструмент-заготовка. Выявлено существенное различие в морфологии перлита и бейнита, образовавшихся в субзеренной структуре, что указывает на концентрационную и, следовательно, прочностную неоднородность формирующейся в процессе усталостного нагружения структуры стали. Данное обстоятельство, по всей видимости, является одной из основных причин уменьшения упругих свойств или разрушения углеродистой стали.

Итак, к факторам, снижающим упругие свойства материала при знакопеременном изгибе инструмента можно отнести  выделение перлита, а к упрочняющим факторам – выделения частиц карбидной фазы и образование кристаллов бейнита при обратном α → γ → α-превращении. В то же время, увеличение твердости и временного сопротивления дают основание предположить о возможности усталостного разрушению материала инструмента, а уменьшение пластических свойств позволяет сделать заключение о возможности потери упругих свойств материала инструмента.                                     

Таблица 1 – Механические свойства стали 60ГС2 в зависимости от условий испытаний

 

N – количество знакопеременных изгибов

200

400

600

800

1000

1200

Контактная температура, К

873

σВ, МПа

785

804

856

1076

1150

1159

σ0,2, МПа

574

592

647

886

971

982

НВ

238

244

260

326

343

352

σ-1

253

262

285

347

312

278

ω

0,332

0,398

0,427

0,491

0,525

0,508

1073

σВ, МПа

734

827

838

881

884

895

σ0,2, МПа

523

616

627

671

675

687

НВ

223

251

254

267

268

271

σ-1

238

245

251

262

244

215

ω

0,371

0,380

0,372

0,409

0,444

0,453

1273

σВ, МПа

616

586

569

555

473

434

σ0,2, МПа

410

383

368

356

284

253

НВ

187

178

173

169

143

132

σ-1

205

196

194

185

94

86

ω

0,225

0,250

0,274

0,301

0,342

0,351

1473

σВ, МПа

615

585

557

529

428

375

σ0,2, МПа

409

382

357

333

248

207

НВ

186

177

169

115

130

114

σ-1

203

194

171

163

81

76

ω

0,115

0,175

0,209

0,242

0,275

0,269

На основе результатов лабораторных исследований в условиях предприятия ТОО «Алматинский завод гнутых профилей» была проведена опытно-промышленная проверка рекомендуемого технологического процесса получения осесимметричных крупногабаритных стальных изделий, типа дисков осадкой плоскими бойками и бойками с изменяющейся формой, изготовленными из стали 60ГС2.

Существующая технология получения поковок включает следующие операции: нагрев → осадка в плоских бойках → штамповка в заготовительных ручьях → штамповка в предварительном ручье → штамповка в окончательном ручье.

Проведенная опытно-промышленная работа позволила рекомендовать следующие усовершенствованные технологии получения крупногабаритных осесимметричных стальных изделий:

1. нагрев → осадка в инструменте с изменяющейся формой (патент РК №16165) → штамповка в заготовительных ручьях → штамповка в предварительном ручье → штамповка в окончательном ручье;

2. нагрев →  протяжка в инструменте с изменяющейся формой (патенты РК №15284, 15166 и №15140) → рубка → осадка в инструменте с изменяющейся формой (патент РК №16165) → штамповка в заготовительных ручьях → штамповка в предварительном ручье → штамповка в окончательном ручье (патент РК №15280).

Поковки, полученные деформацией по усовершенствованной технологии, отвечали предъявляемым к ним требованиям по форме, структуре, механическим свойствам и равномерности их распределения, что свидетельствует о повышении качества осесимметричных и других изделий.  

 

Заключение

 

Краткие выводы по результатам диссертационных исследований:

1.   Проведено изучение закономерности деформируемости при усталостном разрушении стали 60ГС2, используемой в качестве материала инструмента в зависимости от температуры деформирования нагружением и структурного состояния. Выявлено существенное различие в морфологии перлита и бейнита, образовавшихся в субзеренной структуре, обуславливающее как концентрационную, так и прочностную неоднородность формирующейся в процессе усталостного нагружения структуры стали, что является одной из основных причин уменьшения упругих свойств или разрушения инструментальной стали.

2.   Установлено, что к структурным факторам, снижающим  упругие свойства материала при знакопеременном изгибе инструмента, можно отнести выделение перлита, а выделение частиц карбидной фазы и образование кристаллов бейнита при α → γ → α – превращении, в свою очередь, является причиной упрочнения материала.

3.   Показано, что усталостное нагружение инструмента с нагретой заготовкой сопровождается как совокупным протеканием α → γ →  перлитным превращением, так и обратным α → γ → α превращением в зависимости от величины контактной температуры инструмент-заготовка .

4.   Установлено существенное влияние знакопеременной деформации и контактной температуры инструмент-заготовка на механические характеристики стали инструмента. При этом выявлено, что увеличение твердости и временного сопротивления приводит к усталостному разрушению, а уменьшение пластических свойств – к потери упругих свойств материала инструмента.

5.   Разработана методика расчета степени выносливости материала к усталостному разрушению ω (СВМУР) и построения диаграмм усталостного разрушения инструментальной стали.

6.   Предложены новые конструкции кузнечных бойков, обеспечивающие повышение качества поковок и увеличения их производительности. Определены области деформированного состояния при осадке поковок с использованием разработанных бойков.

  Оценка полноты решений поставленных задач. В результате проведения физико–механических, технологических, лабораторно-экспериментальных и промышленных исследований усовершенствована технология штамповки  производства крупногабаритных осесимметричных изделий высокого качества. Решены следующие научные и практические задачи: проведены экспериментальные исследования по созданию усовершенственной технологии штамповки для получения осесимметричных заготовок; разработаны оптимальные конструкции бойков, обеспечивающие получение благоприятной схемы напряженно-деформированного состояния при штамповке стали; исследовано деформированное состояние заготовок при осадке в бойках новой конструкции с варьированием технологических параметров; разработана новая методика расчета степени выносливости материала усталостному разрушению (СВМУР) и построения диаграмм усталостного разрушения; проведены  экспериментальные исследований физико-химических и механических свойств материала бойков новой конструкции в процессе их эксплуатации. Поставленные в диссертации задачи решены полностью

Разработка рекомендаций и исходных данных по конкретному использованию результатов. Найденные закономерности и характеристики вносят определенный вклад в решение важной задачи металловедения – разработки усовершенственной технологии штамповки для производства крупногабаритных осесимметричных изделий и повышения их служебных характеристик с целью увеличения продолжительности их  эксплуатации. Приведенные экспериментальные данные показывают,  что выбранный материал для новой конструкции инструмента при работе на усталость долгое время сохраняет свои  механические и служебные характеристики. Полученные в промышленных условиях результаты по получению крупных изделий  в виде диска и материал инструмента с изменяющейся формой могут являться исходными данными для получения штампованных изделий различного профиля.

       Разработана математическая модель расчета степени выносливости материала усталостному разрушению по прогнозированию разрушения материала при его эксплуатации и установлены закономерности изменения деформированного состояния при осадке поковок с использованием предложенного инструмента.

       Оценка технико-экономической эффективности внедрения. Использование усовершенствованной технологии позволит увеличить срок службы штампованных крупных осесимметричных изделий в 2 – 3 раза по сравнению с литыми. Экономическая эффективность использования предложенной технологии обусловлена простотой конструкции инструмента, невысокими затратами на материал инструмента и его изготовление.

       Оценка научного уровня выполненной работы в сравнении с лучшими достижениями в данной области. Представленная работа и описанные в ней результаты исследований, а также полученные патенты РК на изобретения, позволяют сделать вывод о том,  что предлагаемая работа соответствует современному научно-техническому уровню. Основные экспериментальные материалы получены с использованием современного оборудования.

       Акт о проведении опытно–промышленной проверки приведен в приложении А диссертационной работы.

 

Список опубликованных работ по теме диссертации

 

          1 Машеков С.А., Мурзахметова У.А. Оптимизация производства и повышения качества железнодорожных колес //Вестник КазАТК. – Алматы, 2004. – №5. – С.68-75.

         2 Машеков С.А., Биякаева Н.Т., Мурзахметова У.А. Исследование деформированного состояния при осадке в инструменте с изменяющейся формой //Материалы международной научной конференции «Первые Ержановские чтения». – Павлодар, 2004. – С.297-302.

          3 Машеков С.А., Биякаева Н.Т., Мурзахметова У.А., Дуйсенбекова Ш.О. Исследование энергосиловых параметров и деформированного состояния осадки с кручением //Материалы международной научной конференции «Первые Ержановские чтения». – Павлодар, 2004. – С.303-308.

         4 Машеков С.А., Мурзахметова У.А., Биякаева Н.Т., Бидилдаева В. Методика оценки усталостного разрушения //Материалы международной научной конференции «Актуальные проблемы механики и машиностроения». – Алматы, 2005. т.3. – С.141-146.

5 Патент РК № 15284 Инструмент для протяжки /А.Д. Омаров, С.А. Машеков,  У.А. Мурзахметова и др. Опубл. 17.01.2005, бюл. № 1. – 2с:ил.

6 Патент РК № 15280. Инструмент для штамповки /А.Д. Омаров, С.А. Машеков,  У.А. Мурзахметова и др. Опубл. 17.01.2005, бюл. № 1. – 2с:ил.

7 Патент РК № 15140 Инструмент для ковки /А.Д. Омаров, С.А. Машеков,  У.А. Мурзахметова и др. Опубл. 15.07.2005, бюл. № 7. – 2с:ил.

8 Патент РК № 16165 Инструмент для осадки /А.Д. Омаров, С.А. Машеков,  У.А. Мурзахметова и др. Опубл. 15.09.2005, бюл. № 9. – 2с:ил.

9 Патент РК № 16166 Инструмент для протяжки /А.Д. Омаров, С.А. Машеков,  У.А. Мурзахметова и др. Опубл.15.09.2005, бюл. № 9. – 2с:ил.

         10 Машеков С.А., Мурзахметова У.А., Биякаева Н.Т. Влияние температуры горячедеформируемого металла и знакопеременной деформации на механические свойства инструмента с изменяющейся формой из углеродистой стали //Вестник КазНТУ. – Алматы,  2006. - №1 – С.54-62.

         11 Машеков С.А., Мурзахметова У.А., Биякаева Н.Т. Влияние температуры горячедеформируемого металла и знакопеременной деформации на микроструктуру инструмента с изменяющейся формой из углеродистой стали //Вестник КазНТУ. – Алматы,  2006. - №3. – С.49-55. 

        12 Машеков С.А., Мурзахметова У.А., Биякаева Н.Т. Методика расчета степени выносливости материала усталостному разрушению.//Вестник КазНТУ. – Алматы,  2006. - №4. – С.59-65.

 

 

 

 

Мурзахметова Ұлбала Асқарбекқызы

 

«Аспапты болаттардың қажумен бұзылу заңдылықтарын зерттеу және ірі өлшемді остісимметриялы болатты бұйымдарды өндіру технологиясын игеру»

 

АНДАТПА

 

Зерттеу объектісі ретінде жоғары сапалы дайындаманы алуда, отырғызу және штамптау технологиясында қолданылатын жабдықтың материалы – 60ГС2 маркасынан даярланған құралдың жоғары температурада термиялық ауыспалы күштің түсуіне ұшырайтындықтан, оның қажумен бұзылуын және ұзақ  жұмыс мерзімін болжауға арналған зерттеулерді жүргізу болып отыр.

Зерттеу жұмысының мақсаты – ыстық күйде 60ГС2 болатының қажумен бұзылу заңдылықтарын зерттеу және оны ірі өлшемді остісимметриялы болатты бұйымдарды өндіруде. Атап айтқанда, бұл құралды жоғары сапалы дискілі дайындаманы алуда отырғызу және штамптау технологиялық үрдісін игеруде қолдану. Зерттеу мақсақтарын шешу үшін келесі мәселер шешілді:

• дискілі дайындаманы өзгермелі пішінімен соғатын тоқпақпен отырғызу кезінде деформацияланған күйдің өзгерісінің заңдылығы зерттелді;

• болаттардан және қорытпалардан даярланған дайындаманың сапасын жақсартуды қамтамасыз ететін ұсталы құралдың жаңа конструкциясы құрастырылды;

• өзгермелі пішінді құрал материалының жұмысы кезіндегі құрылымы мен механикалық қасиеттерінің өзгеру заңдылықтары зерттелді;

• құрал материалының қажумен бұзылуға төзімділік дәрежесін есептеу әдістемесі (МҚБТД) мен қажулық бұзылу диаграммасын құрастырылуы игерілген.

Алға қойылған мақсаттарды шешу үшін жоғары сапалы дайындаманы алуға мүмкіндік беретін құралдың жаңа конструкциялары автормен ұсынылған және бұл 5 құралдың түрі ҚР патенттерімен куәландырылған. Ұсынылған құралдың конструкциясы ыстық дайындаманы өзгермелі пішінмен иілужұмыс жасауға негізделген. Деформациялаумен жұмыс жасауда құралдың дөңес жұмыс беті жазық күйге келеді де, деформациялаумен жұмыс соңында қайтадан дөңес пішінге оралады, демек бұл құралдың пішіні мен жұмыс тәртібі серіппеге ұқсас. Осындай жұмыс бетінің иілуі кезінде және құралдың иілу моментінде  оған созылғыш күштер әсер етеді. Сондықтан дайындаманың  деформациялану күйін есептеу үшін фортран тілінде алгаритмдік бағдарлама жасалған.

Жұмысты жүргізу барында сертификацияланған әдістемелер, тексерілген аспаптар мен жабдықтар қолданылды. Материалдың ұзақ жұмыс жасау мерзімі мен сенімділігіне тұжырым беру мақсатымен  материалдың физикалық – механикалық қасиеттерінің оның фазалық күйіне әсері жеткілікті толық талданған. Мұндай талдау жүргізуге үшін: металлографиялық, рентгенқұрылымдық және электрондық – микроскопиялық  талдау және механикалық сынау  (уақытша кедергілік, қаттылық, аққыштық шегі, төзімділік шегі) әдістері  қолданылды.

Құрал материалының қажумен бұзылуға төзімділік дәрежесін есептеу әдістемесі (МҚБТД) мен қажулық бұзылу диаграммасын құрастыру жолы ұсынылды. Құрал материалы ретінде қолданылған 60ГС2 болатының қажумен бұзылуы кезіндегі деформацияланумен күш түсірудегі температура мен құрылымдық күйге байланысты деформациялану заңдылығы зерттелген. Құрылымды зерттеуде суб түйіршікті құрылымда пайда болған перлит, мартенсит немесе бейнит морфологияларында айрықша өзгеріс болатындығы көрсетілген. Ол аспапты болаттың бұзылуы немесе серпімділік қасиеттерінің төменделуіне бірден – бір себеп болатын қажуға күш түсіру үрдісінде болат құрылымында түзілген беріктік, немесе концентрациялық біртексіздік болып табылады.  

Құралдың иілуге жұмыс жасау кезінде материалдың серпімділік қасиеттерін төмендететін фактор – бұл түйіршікті перлиттің бөлінуіне, ал беріктендіргіш ретінде – карбидті фазалардың бөлінуі және кері αγα- өзгерісінде мартенсит кристалдарының пайда болуы салдарынан екені анықталған.

Құрал материалы болып табылған болаттың механикалық сипаттамаларына «құрал – дайындамаға» өзгермелі иілумен берілетін деформация мен байланысты температураның әсері айрықша екені де анықталған. Бұл, қаттылық пен уақытша кедергінің мәні қажумен бұзылуға, ал пластикалық қасиеттерінің кемуі – серпімділік қасиеттерінің төменделуіне әкелетіндігі табылған.

Зерттеу нәтижелерін өндіріске енгізу, яғни ауыр күш түсірілгенде, тозуға және қажуға жұмыс жасайтын штампталған іріөлшемді бұйымдарды, атап айтқанда дискілерді өндіруде пайдаланған тиімді.

Енгізу деңгейі. Зерттеу нәтижесінде тәжірибеге ұсынылған іріөлшемді остісимметриялы бұйымдарды алуда отырғызу және штамптау құралының жаңа контсрукциясымен технологияны енгізу.     

       Қолдану аймағы: құралдың жаңа конструкциясын қолданумен отырғызу және штамптау технологиясын болаттардан және басқа да қорытпалардан даярланған іріөлшемді остісимметриялы темір жол транспортының, шойын тасымалдағыштардың, көтергіштер және т.б. өндірістердің бөлшектерін (дискілі дөңгелектерін) даярлау өндірісінде пайдалануға болады.

       Экономикалық тиімділігі: ұсынылған технологияда қолданылатын құрал конструкциясының қарапайымдылығы, құрал материалына және оны даярлауға жұмсалытын шығынның аздығы.

 

 

 

 

 

 

 

Murzakhmetova Ulbala Askarbekovna

 

«Research of law of fatigue failure of toll-makings steels and development of technology large volume axis symmetrical steel products»

 

RESUME

 

       Object of research is forecasting a material of the tool from steel 60GS2 at its (his) use on weariness and durability in development of technology deposits and punchings for manufacture large volume axis symmetrical the steel products, allowing to receive products high quality.

       The purpose of research work is research of law of fatigue failure of steel 60GS2 in a hot condition and a way of its use in development of technology large volume axis symmetrical steel products, in particular in development of technological process forging products the disks, allowing receiving products high quality.

       For the decision of the purpose following problems (tasks) are put:

       – studying of laws of change of the deformed condition at a deposit manufactured article type of disks in tool-making with a changing form;

        – development of a design of the new forge tools providing improvement of quality products from steel and alloys;

         – research of laws of change of structure and mechanical properties of metal at fatigue failure of the tool with a changing form;

       – development of a new design procedure of a degree of endurance of a material of the tool to fatigue failure and constructions of diagrams of fatigue failure.

       At the decision of a task in view the author offers a new design of the tool, allowing receiving manufactured article with high qualities on which 5 patents RK are received. In offered designs of tools forging hot preparations it is carried out by a sign-variable bend of a working surface of the tool, i.e. during deformations the convex working surface of the tool turns in flat, and after the termination (ending) of deformations again gets the convex form. Thus for realization of a bend of a working surface by its (his) ends apply stretching (dragging out) forces, during bending moment in the tool with the bending form also arises due to hot deformations of preparation. The program has been developed for calculation of the deformed condition in language the Fortran.

       In work detailed enough analysis of influence of physic mechanical properties and a phase condition of a material on its durability and reliability is lead. Used following methods, as, in research: metallographic, X – ray structure and electrical-microscopic. Mechanical test methods, as, time resistance, hardness, a limit of fluidity, a limit of endurance.

       For the first time the new design procedure of a degree of endurance of a material of the tool to fatigue failure and constructions of diagrams of fatigue failure is used. Studying law of deformability is lead at fatigue failure of steel 60GS2, used as a material of the tool depending on temperature of deformation loading and a structural condition. Essential distinction in morphology perlite, martensite or beinit, form in cybgranular to the structure causing as concentration, and firm heterogeneity formed during fatigue loading of structure of steel that is one of principal causes of reduction of elastic properties or destructions of tool steel is revealed.

       Are established (installed), the factors reducing elastic properties of a material at a sign-variable bend of the tool that are consequence(investigation) of allocation perlite, and strengthening elastic properties – particles carbide phases and formation (education) of crystals martensite at the return α → γ → α - transformation.

       Essential influence of sign-variable deformation and contact temperature the tool-preparation on mechanical characteristics of steel of the tool is established (installed). Thus it is revealed, that the increase in hardness and time (temporary) resistance leads to fatigue failure, and reduction of plastic properties – to loss of elastic properties of a material of the tool.

       A degree of introduction: the received results can be recommended to introduction in practice at reconstruction of tools of punching for reception large-sized осесимметричных products. Use of the given technology will allow to increase service life stample large axis symmetrical products in 2 – 3 times in comparison with cast.

       Economic efficiency of use of the offered technology is caused by simplicity of a design of the tool, low expenses for a material of the tool and its manufacturing.