Повышение эксплуатационной долговечности автомобильных рессор при снижении их металлоемкости является важнейшей задачей современного производства. В процессе эксплуатации рессоры испытывают воздействие циклических нагрузок. При этом их поведение в условиях знакопеременных нагрузок определяется многими факторами, оказывающими влияние на закономерности зарождения и распространение усталостных трещин. Условно их можно разделить на две группы.
Конкретная геометрия изделия, условия нагружения, величина и цикличность внешних нагрузок относятся к первой группе. Учитывая тот факт, что процесс зарождения и последующего распространения усталостных трещин локален, определяющим при циклическом разрушении являются не осредненные характеристики сопротивления деформированию и разрушению, определяемые при статическом нагружении на образцах достаточно больших размеров, а локальные характеристики и их сочетания. Основным фактором второй группы является структурный, зависящий от химического и фазового состава, собственно структуры и вида и режима термической обработки. Кроме того, на него влияет предшествующая технологическая пластическая деформация в холодном или горячем состоянии, которая одновременно может сочетаться с термической обработкой. При этом любой процесс листовой и объемной штамповки сопровождается неравномерностью деформации.
Влияние пластической деформации на циклическую выносливость прослеживается как на микро уровне, при котором она изменяет плотность и структуру дефектов кристаллической решетки, так и макро уровне, когда в силу неравномерности деформации в объеме штампуемой заготовки возникают и остаются остаточные макро напряжения. Кроме того, контакт инструмента с заготовкой изменяет характер поверхностных микро неровностей и состояние приповерхностных слоев. Известно [1], что, влияние однородной предварительной деформации на усталостную прочность не однозначно. Так пластическое деформирование в области равномерных деформаций приводит, как правило, к повышению циклической долговечности металлоизделий. Однако, упрочнение при степенях меньших и больших равномерной пластической деформации, может отрицательно повлиять на сопротивление усталости.
Нами были исследованы закономерностей изменения микро структурного строения очага деформации и механических свойств в полосе прямоугольного сечения заготовки рессорного листа стали 50ХГФА раскатываемой валком на клин по плите.
Технология изготовления рессорного листа включает индукционный нагрев штучной заготовки (полосовой горячекатаный прокат прямоугольного сечения) и формообразующие операции: пробивку центрального отверстия, прокатку на клин обоих концов заготовки не приводными валками (скорость прокатки 200 мм/сек) и завивку ушков. Время цикла составляет 1719 секунд. Далее лист подогревается, гнется и проходит термообработку по заводской технологии (закалка в масле и отпуск) с последующим дробеструйным упрочнением его поверхности. При этом имеются особенности: раскатка заготовки на клин осуществляется за один проход, что означает разную степень деформации по длине прокатанного листа; производство автоматизированное, что приводит к значительной после деформационной паузе и возможности прохождения рекристаллизационных процессов в металле; используются заготовки сортового проката, целевым образом по поставке не предназначенный для передела.
Установлено, что если при холодной обработке по мере увеличения степени деформации наблюдается повышение сопротивления деформированию (упрочнение или наклеп), то при горячей обработке процессы упрочнения и разупрочнения происходят одновременно. При этом скорость рекристаллизации зависит от степени деформации. Тем самым, чем быстрее протекает рекристаллизация, а она определяется повышением показателей пластичности и уменьшением прочностных характеристик, тем большая степень деформации предшествовала рассматриваемому моменту времени. Иными словами, с физической точки зрения, развитие локализации деформации связано с существенным разупрочнением металла.
Прочностные характеристики повторяют характер неравномерности изменения твердости по длине горячекатаной заготовки. Показатели пластичности имеют экстремум - минимум. После термической обработки заготовки наблюдается повышение твердости в 1,5 раза, пределов прочности и текучести в 1,5К2 раза и снижение пластичности в 2,5 раза, ударной вязкости в 1,25 раза. Полученные зависимости показателей механических свойств по длине горячекатаного листа сопоставимы со сформированной структурой. По всей длине листа она состоит из сорбита и феррита. В результатам металлографического анализа обнаружена разнозернистость. Бал зерна изменялся в диапазоне номеров 5^11 согласно ГОСТ 5639. Наибольшая величина зерна: номер 5^6 - соответствует интервалу степеней деформации от 4% до 10% или расстоянию в интервале 100К200 мм от центрального отверстия. Очевидно, степень деформации до 10% не приводит к интенсивному развитию рекристаллизационных процессов, хотя прочностные свойства при этом увеличиваются. Рост рекристаллизованного зерна может иметь объективное объяснение, так как соответствует интервалу критических степеней деформации, величина которых обычно соответствует 8^10%. При более высоких степенях деформации 20% возникает состояние горячего наклепа, который частично сохраняется при охлаждении. Это подтверждается повышением прочности при некотором снижении пластичности.
Рентгеноструктурный анализ показал, что сталь 50ХГФА, в зависимости от вида обработки, содержит следующие фазы: после горячей прокатки феррит, карбиды в виде цементита и легированного цементита. После закалки и последующего отпуска, кроме выше перечисленных фаз, происходит выделение карбида ванадия. Установлено, что после термообработки, изменения тонкой структуры, полученные при прокатке материала, не исчезли. Это выражается в увеличении размеров блоков мозаики и уровня микро напряжений с увеличением степени деформации.
Результаты испытаний на усталость в целом качественно подтвердили данные деформированного состояния по механическим характеристикам. Слои металла, имеющие большую интенсивность рекристаллизационных процессов, и как следствие лучшую залечиваемость дефектов структуры, получаемых при деформации, имели большую эксплуатационную долговечность.
Оценка очага деформации, выполненная согласно значении твердости и анализа микроструктуры, свидетельствуют о неравномерной рекристаллизации по его объему, что, очевидно, определяется различной интенсивностью деформации.
В производственных испытаниях ОАО «ГАЗ» рессорные листы, изготовленные на автоматизированных линиях, соответствуют требованием конструкторской документации согласно ГОСТ Р 51585. В процессе эксплуатации малолистовые передние рессоры автомобилей ГАЗель успешно прошли испытания по ОСТ 37.001.275 и соответствует требованиям ГОСТ 12.1.012 и ОСТ 31.001.291. Результаты лабораторных и стендовых испытания малолистовых рессор показали, что значения жесткости рессор, стрелы прогиба под контрольной нагрузкой 500 кг и величина средней долговечности рессор при циклическом нагружении соответствуют требованиям чертежа. Установлено, что причиной разрушения листов опытных малолистовых рессор переменного профиля стала контактная усталость металла.
Анализ исследования влияния режима технологической обработки на эксплуатационные характеристики малолистовых рессор в сравнении с многолистовыми, несмотря на некоторое снижение, после прокатки прочностных показателей металла не ухудшились, что может свидетельствовать о завышенной металлоемкости рессорного листа с переменным продольным профилем.
Выводы
1. Форма локально деформированного объема соответствует геометрической модели, предложенной СИ. Губкиным, при которой зоны локализации (интенсивного течения металла) соответствуют направлениям максимальных тангенциальных напряжений.
2. При клиновой раскатке в силу постоянного увеличения величины поверхности контакта инструмента (ролика) с заготовкой постоянно изменяется направление максимальных тангенциальных напряжений от точки периметра контакта по ходу прокатки. Расположение ядра деформации с увеличением величины обжатия меняет свое положение: с начала прокатки до степени обжатия 20% оно перемещается с прокатываемых слоев на прилегаемые, а при дальнейшем увеличении, в частности до 40%, происходит возращение на прокатываемые слои.
3. Слои металла, имеющие большую интенсивность рекристаллизационных процессов, и как следствие лучшую залечиваемость дефектов структуры, получаемых при деформации, имели большую эксплуатационную долговечность.
4. По длине горячекатаной заготовки с увеличением степени деформации величина прочностных показателей увеличивается, а показателей пластичности уменьшается, проходя через экстремум в интервале степеней деформации 15К20% в зависимости от слоя металла;
5. Упрочнение, полученное в процессе горячей прокатки, после окончательной термообработки частично сохраняется, при этом характер зависимостей прочностных характеристик и показателей пластичности металла прокатанной заготовки и заготовки после окончательной термической обработки от степени деформации одинаков;
6. Структурные исследования горячекатаного и термически обработанного металла свидетельствуют о различных условиях формирования горячедеформированной структуры, и ее влиянии на окончательные механические свойства рессорного листа.
7. Эксплуатационные характеристики передних малолистовых рессор в сравнении с многолистовыми, не смотря на снижение после прокатки прочностных показателей металла, ответственных за циклическую выносливость, не ухудшились, что может свидетельствовать о завышенной металлоемкости рессорного листа с переменным продольным профилем.
8. Внедрение в производство рессор с одним листом переменного продольного профиля безусловно должно повлечь за собой либо изменение существующего технологического процесса его изготовления, либо требований, предъявляемых к поставляемому прокату.
Список литературы
1. Пачурин Г.В. Теоретические основы повышения эксплуатационной долговечности штампованных металлоизделий: учеб. пособие / Г.В. Пачурин, А.Н. Гущин, В.В. Галкин и др. - Н. Новгород: НГТУ, 2006. - 173 с.
Библиографическая ссылка
Власов О.В., Галкин В.В., Пачурин Г.В. СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РАСКАТАННОЙ НА КЛИН РЕССОРНОЙ СТАЛИ 50ХГФА // Современные наукоемкие технологии. – 2010. – № 12. – С. 108-110;URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=26224 (дата обращения: 19.04.2024).