Magnetic properties and structure of carbon steel samples manufactured by selective laser melting and subjected to fatigue tests

N. V. Gordeev; Гордеев Н. В.; A. N. Stashkov; Сташков А. Н.; A. M. Matosyan; Матосян А. М.; M. K. Korkh; Корх М. К.; A. P. Nichipuruk; Ничипурук А. П.; D. A. Shishkin; Шишкин Д. А.; I. G. Shirinkina; Ширинкина И. Г.

doi:10.31857/S0130308224070079

Магнитные свойства и структура изготовленных селективным лазерным сплавлением образцов из конструкционной углеродистой стали и подвергнутых усталостным испытаниям

Авторы: Гордеев Н.В.¹^,2, Сташков А.Н.¹, Матосян А.М.¹^,2, Корх М.К.¹, Ничипурук А.П.¹, Шишкин Д.А.¹, Ширинкина И.Г.¹
Учреждения:
1. Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук
2. Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина
Выпуск: № 7 (2024)
Страницы: 62-66
Раздел: По материалам XXXV Уральской конференции «Физические методы неразрушающего контроля (Янусовские чтения)»
URL: https://ogarev-online.ru/0130-3082/article/view/262268
DOI: https://doi.org/10.31857/S0130308224070079
ID: 262268

Цитировать

Полный текст

Аннотация
Полный текст
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Исследованы магнитные свойства и структура образцов из конструкционной стали 09Г2С, изготовленных методами литья и селективного лазерного сплавления, после усталостных испытаний на изгиб при их консольном закреплении. Установлено, что кривая усталости для 3D-стали проходит ниже, чем для литой стали 09Г2С. Коэрцитивная сила и остаточная намагниченность меньше возле места излома. Чем больше количество циклов до разрушения, тем меньше разность коэрцитивной силы и остаточной магнитной индукции в разных частях образца. Характер усталостного разрушения литой и 3D-стали различен: у образца из литой стали 09Г2С наблюдается прямой и однородный усталостный излом без видимых очагов зарождения трещин, у образцов из 3D-стали изломы неоднородные, имеются точечные очаги разрушения и гребни отрыва.

Ключевые слова

сталь, селективное лазерное сплавление, усталостные испытания, изгиб, магнитные свойства, фрактография

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Сталь 09Г2С нашла широкое применение в производстве труб, работающих под высоким давлением, а также в условиях статических и переменных нагрузок. При воздействии длительных повторяющихся переменных воздействий стальные изделия могут разрушатся от усталости, причем разрушения могут происходить внезапно, без заметных признаков пластической деформации [1], что является серьезной проблемой, особенно для трубопроводов, работающих под высоким давлением и в агрессивных средах.

В работе [2] проведен анализ структурных повреждений в стали 09Г2С, произведенной по технологии 3D-печати электродуговой наплавкой, с использованием акустического, магнитного и оптического контроля. В процессе усталостного нагружения наблюдалось уменьшение акустического сигнала. Магнитные характеристики (коэрцитивная сила и отношение коэрцитивной силы к остаточной магнитной индукции тела) на начальных этапах циклических испытаний показывали рост, но в момент образования магистральной трещины они уменьшились. В работе [3] на основе нейронной сети и измеряемых оптических параметров разработана модель для прогнозирования количества циклов до разрушения стали 09Г2С с погрешностью не более 15 %.

В работах [4, 5] измеряли интенсивность магнитного шума как литых, так и аддитивных образцов из стали 09Г2С при циклическом нагружении. В ходе измерения интенсивности магнитного шума было выявлено, что образцы, прошедшие термическую обработку, проявили более высокий уровень однородности. Также замечено небольшое увеличение измеряемого параметра в ходе увеличения количества циклов.

В работе [6] подробно описывается влияние термической обработки на структуру и магнитные свойства аддитивной стали 09Г2С, полученной методом селективного лазерного сплавления. Структура и магнитные свойства аддитивных и литых образцов значительно различаются. После проведения термической обработки (нормализация) магнитные свойства образцов выравниваются. Магнитные свойства литой и изготовленной на лазерном 3D-принтере стали в ходе малоцикловых испытаний значительно изменяются на начальной стадии испытаний [7].

Однако магнитные свойства (параметры петли магнитного гистерезиса) напечатанных на лазерном 3D-принтере и подвергнутых испытаниям на многоцикловую усталость образцов при изгибе для стали 09Г2С остаются неисследованными. Целью данной работы является изучение магнитных свойств и структуры образцов из стали 09Г2С, изготовленных методами литья и селективного лазерного сплавления и подверженных циклическим испытаниям при изгибе.

ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ

Исследования проведены на образцах с размерами 120×10×2 мм из конструкционной легированной стали 09Г2С (0,1 % С; 1,5 % Mn; <1 % Si). Сравнивались литые образцы (тип № 1) с образцами, напечатанными на лазерном 3D-принтере (далее 3D-сталь) и нормализованными при 980 °С (тип № 2). Напечатанный на 3D-принтере и непрошедший нормализацию образец (тип № 3) исследовался дополнительно к вышеперечисленным образцам. Подробнее параметры печати приведены в работе [7]. Усталостные испытания на изгиб проводились согласно ГОСТ 25.502—79 на оригинальной лабораторной установке. Один из концов образца жестко закреплялся, к другому (свободному) концу прикладывалась нагрузка. Коэффициент асимметрии R синусоидального цикла при усталостных испытаниях был равен –1. Условия нагружения образцов одинаковые, тип нагружения — «жесткий» (постоянная деформация). Частота циклирования составляла 13,5 Гц. После задания амплитуды работа установки проходила в автоматическом режиме вплоть до разрушения образцов. Магнитные свойства измеряли с помощью вибрационного магнитометра Lake Shore Cryotronics VSM 7407 на вырезанных с разных сторон образцов фрагментах (диаметр 4 мм, толщина 1 мм). Каждый образец измерялся не менее трех раз, результаты усреднялись. Фрактографические исследования изломов образцов проводились с помощью оптического микроскопа Neophot 32.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1 показаны кривые усталости для образцов литой (тип № 1) и 3D-стали (тип № 2) 09Г2С. В эксперименте было доведено до разрушения 5 образцов из литой стали и 4 образца из 3D-стали. Из рис. 1 видно, что при максимальной нагрузке количество циклов до разрушения для образцов из литой и 3D-стали совпадает, а при меньших нагрузках кривая для 3D-стали идет ниже, поэтому прогнозируется, что предел выносливости 3D-стали будет меньше, чем у литой стали 09Г2С.

Рис. 1. Зависимость начальной амплитуды релаксационной кривой от концентрации лития.

Магнитные свойства образцов после испытаний при максимальной нагрузке приведены в табл. 1 для литой и 3D-стали. После испытаний измерения проводились возле места излома и возле свободного конца.

Таблица 1

Магнитные свойства образцов после испытаний на усталость (амплитуда нагружения максимальная)

Образец	Количество циклов до разрушения	Зона измерений	H_c, А/см	M_r, Гс·см³/г	Разность H_c, %	Разность M_r, %
Литая сталь (№ 1)	73 287	Место излома	3,8	0,197	23,7	23,9
		Свободный конец	4,7	0,244
3D-сталь, отжиг + нормализация (№ 2)	69 475	Место излома	5,1	0,32	9,8	9,4
		Свободный конец	5,6	0,35
3D-сталь, отжиг (№ 3)	244 660	Место излома	11,8	0,78	2,5	2,6
		Свободный конец	12,1	0,80

Из табл. 1 видно, что коэрцитивная сила и остаточная намагниченность возле излома меньше чем возле свободного конца. Максимальная разница значений H_c и M_r возле места излома и свободного конца после разрушения наблюдается у литого образца из стали 09Г2С. Пониженные значения H_c возле мест изломов, скорее всего, связаны с релаксацией напряжений после разрушения образцов. Максимальные значения коэрцитивной силы наблюдаются у 3D-стали, подвергнутой только отжигу. При практически одинаковом количестве циклов до разрушения у образцов № 1 и № 2 разница значений H_c и B_r в разных частях образца № 1 максимальная, что свидетельствует о различном характере разрушения литой и 3D-стали.

Оптические изображения зоны изломов, а также схемы зоны излома представлены на рис. 2.

Рис. 2. Оптические изображения зоны изломов при одинаковых условиях нагружения образцов № 1 (а), № 2 (д) и № 3 (в), а также схемы зон усталостных изломов образцов № 1 (б), № 2 (е) и № 3 (г): 1 — очаг разрушения; 2 — зона стабильного роста трещин; 3 — зона ускоренного роста трещин; 4 — зона долома; 5 — гребень отрыва.

Образец № 1 из литой стали 09Г2С характеризуется прямым и однородным усталостным изломом без обнаруженных очагов зарождения трещин (рис. 2а), имеется зона доло- ма 4 (рис. 2б). Образец № 2 из 3D-стали после отжига и нормализации также имеет прямой излом (рис. 2в), но он неоднороден по длине. Имеются несколько точечных очагов разрушения 1 с поверхности на противоположных сторонах образца, на одном из торцов имеется зона долома 4, гребень отрыва 5 сильно смещен к верхнему краю (рис. 2г). Образец № 3 из 3D-стали демонстрирует косой (рис. 2д) и неоднородный излом, с несколькими очагами разрушения 1, сливающимися в сеть ступенек и рубцов, при этом гребень отрыва 5 расположен ближе к центральной линии (рис. 2е).

ВЫВОДЫ

Кривая усталости для 3D-стали 09Г2С проходит ниже аналогичной кривой литой стали, что указывает на различия в пределах выносливости этих материалов.
Установлено, что коэрцитивная сила и остаточная намагниченность в зоне излома меньше, чем у свободного края образцов после усталостных испытаний. Максимальная разница H_c и M_r возле места излома и свободного конца после разрушения наблюдается у литого образца из стали 09Г2С.
Оптические изображения и результаты фрактографического анализа показывают различия в структуре и механизмах разрушения образцов из литой и 3D-стали. Образцы, изготовленные на лазерном 3D-принтере, после разрушения имеют характерный гребень отрыва, который не наблюдается у литого образца.

Работа выполнена в рамках государственного задания МИНОБРНАУКИ России (тема «Диагностика», № г.р. 122021000030-1).

Об авторах

Н. В. Гордеев

Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук; Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина

Автор, ответственный за переписку.
Email: gordeev.nikita@urfu.me
Россия, 620108 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18; 20002 Екатеринбург, ул. Мира, 19