Некоторые закономерности самопроизвольной деформации железа при циклических колебаниях температуры и растяжении

В последние годы в технической литературе появляется все больше научных трудов, освещающих исследования влияния различных режимов циклических колебаний температуры (при разных значениях предельных температур цикла, скоростях нагрева и охлаждения и продолжительностях выдержек) на закономерности изменения свойств и формы образцов и изделий из металлов и сплавов. Повышение интереса к указанным изысканиям объясняется использованием в различных отраслях новой техники, в частности в атомной энергетике, ракето- и самолетостроении и других, металлических деталей, подвергающихся при эксплуатации многократному воздействию теплосмен.

Влияние повторных циклов нагрев — охлаждение на развитие деформации изучалось на сталях пяти марок: двух аустенитного класса (4Х14Н14В2М и ЭЯ1Т) и трех конструкционных (45, 40Х и 30ХГСА). Цилиндрические образцы диаметром 23 мм и высотой 50 мм имели в центре одного из торцов отверстие с резьбой М5 глубиной 10 мм.

Поверхностный слой на боковой поверхности образцов (на длине около 25 мм и глубиной около 3 мм) подвергали скоростному индукционному нагреву токами высокой частоты (f=300 кгц, в=60 квт).

Режимы обработки образцов варьировали по трем основным параметрам: температуре, продолжительности нагрева и числу циклов нагрева и охлаждения (охлаждение вели в проточной воде при температуре около 10 °С).

После предварительных опытов были выбраны режимы испытания. Образцы из аустенитных сталей нагревали за 7 сек. до 1200 °С, а из конструкционных — за 8 сек. до 1000 °С. В зону охлаждения образцы перемещались автоматическим устройством.

Было установлено, что в зонах, подвергавшихся циклическим нагревам и охлаждениям, на боковой поверхности образцов образовывались кольцеобразные выступы. Наибольшая высота таких выступов, например на образцах стали 4Х14Н14В2М после 100 циклов, составляла 0,43 мм; на образцах стали 30ХГСА уже после 50 циклов максимальная высота выступов была равна 0,78 мм. Значительно более интенсивную деформацию образцов из конструкционных сталей по сравнению с аустенитными можно объяснить влиянием полиморфных превращений. Эти превращения развиваются в конструкционных сталях при указанных режимах нагрев — охлаждение и обусловливают существенное различие объемов отдельных фаз в одном и том же образце. Когда участок, находящийся в зоне электромагнитного поля индуктора, подвергается скоростному индукционному нагреву, соседние объемы остаются холодными, так как при малой продолжительности цикла они не успевают нагреваться за счет теплопроводности. Происходящее при закалке также связано с изменением объема материала в зоне охлаждения. Возникающие при этом значительные различия в объемах сосуществующих фаз приводят к образованию внутренних напряжений.

При многократной циклической обработке обнаруживается постепенное уменьшение высоты образцов. На рис. 220 приведен график, иллюстрирующий эту закономерность. Снижение высоты образцов стали 1Х18Н9Т после 100 циклов достигало 0,46 мм, а образцов стали 30ХГСА уже после 50 циклов —1,04 мм (>2%).

Никаких дефектов в структуре, а также растрескивания образцов при обработке по указанным режимам обнаружено не было. Поэтому в тех случаях, когда требуется осадка цилиндрического объекта на величину от долей миллиметра до 1,0—1,5 мм можно применять многократную зональную термическую обработку при нагреве токами высокой частоты по описанной выше методике. При продолжительности цикла нагрева, например, равной 5 сек., и такой же продолжительности охлаждения 30-кратная обработка займет всего 5 мин.

С экономической точки зрения такая обработка может оказаться вполне рентабельной.

Поэтому в некоторых практических случаях, в частности при исправлении брака сложных и дорогостоящих стальных объектов, метод усадки при помощи многократной закалки локальных участков может найти успешное применение.

При проведении экспериментов, результаты которых изложены в предыдущем разделе, было обнаружено, что на острых кромках в средней части образцов железа, подвергаемых испытаниям при циклических колебаниях температуры в интервале полиморфных превращений, возникают своеобразные наросты в виде конусов (на железе с содержанием 0,002% С) и полосчатые выступы вдоль кромки (на образцах технического железа).

На рис. 221, а показан (при увеличении в 22 раза) внешний вид образца железа с 0,002% С в зоне образования наростов, появившихся после 200 циклов теплосмен в интервале 800-1000 °C и растяжении под напряжениями 0,05 кг/мм2. На рис. 221, б и в (x100 и 200) даны микрофотографии продольного разреза нароста, отмеченного на рис. 221, а буквой А. Из рис. 221, б и в видно, что возникший на поверхности образца выступ представляет поликристалличеокое образование. Стрелками на рис. 221, б и в отмечены границы отдельных зерен. Методом цветного избирательного окисления, позволяющего выявлять кристаллографическую ориентацию зерен при дозированном введении кислорода в вакуумную камеру с нагретым образцом, было установлено, что в плоскости шлифа имеются различно ориентированные зерна. При подготовке шлифа к исследованию электролитическим травлением снимали поверхностный слой и особое внимание уделяли предотвращению механического воздействия на образец.

Полученные результаты опровергают мнение французских исследователей Г. Сизрона и П. Лакомба, также наблюдавших «наростообразование» на образцах железа при циклическом колебании температуры (без действия растягивающих напряжений) и утверждающих, что выступы представляют полигонизованные монокристаллы.

Одной из основных причин такого наростообразования можно считать некоторую неравномерность нагрева и охлаждения отдельных участков на острой кромке образца, находящейся в условиях, при которых тепловые потери у этих зон существенно выше, чем у соседних. При этом отдельные зерна смещаются под действием развивающихся термических напряжений, а также происходит рост зерен за счет собирательной рекристаллизации.

На образцах технического железа, подвергавшихся испытаниям при циклических колебаниях температуры (Tмакc = 1110 °C и Tмин = 800 °С), возникали не отдельные выступы (показанные, например, на рис. 221), а образовывались в «горячей» зоне на всех четырех гранях образца острые кромки высотой около 0,3—0,5 мм (например, после 120 циклов теплосмен и о = 0,50 кг/мм2). Кроме того, изменялось прямоугольное сечение образца, имеющего исходные размеры 3х3 мм2: вместо прямых линий, образующих грани сечения, возникали изогнутые линии, выпуклые в средней части каждой грани.

На рис. 222, а приведена микрофотография поперечного разреза образца, испытанного по указанному выше режиму. (Пунктиром на рис. 222, а нанесен контур исходного поперечного сечения.) В средней части разреза видно мелкозернистое строение образца. По мере приближения к периферийным участкам размеры зерен увеличиваются, а в зонах образования кромок-наростов видны крупные полиэдры. Можно полагать, что развитие рекристаллизации в данных условиях существенно облегчается возле поверхности.

При несколько большем увеличении на рис. 222, б и в показаны образовавшиеся выступы, обозначенные на рис. 222, а буквами А и Б. В пределах выступов видны вытянутые вдоль их высоты зерна крупного размера.

Закономерности формоизменения образцов и деталей, подвергаемых воздействию циклически изменяющихся температур и растяжения, заслуживают широкого исследования при различных режимах теплового и механического нагружения. Такие изыскания позволят научиться управлять изменениями конфигурации обрабатываемых объектов, что может представить не только теоретическое, но и прикладное значение, обеспечив создание новой технологии получения изделий требуемой формы путем локального циклического термического воздействия.