Виктор Николаевич Пустовойт, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры материаловедения и технологии металлов
344003, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1
ScopusID, ResearcherID
Viktor N. Pustovoit, Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Materials Science and Technologies of Metals Department
1, Gagarin Sq., Rostov-on-Don, 344003
ScopusID, ResearcherID
Юрий Вячиславович Долгачев, кандидат технических наук, доцент кафедры материаловедения и технологии металлов
344003, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1
ResearcherID, ScopusID
Yuri V. Dolgachev, Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor of the Materials Science and Technologies of Metals Department,
1, Gagarin Sq., Rostov-on-Don, 344003
ScopusID, ResearcherID
Введение. После закалки в изделии имеются остаточные напряжения: структурные и тепловые. Величина суммарных напряжений в готовой детали определяет её трещиностойкость под действием эксплуатационных нагрузок. Закалка в постоянном магнитном поле оказывает влияние на процесс зарождения мартенсита, кинетику мартенситного превращения, а также процессы распада мартенсита. В настоящее время отсутствуют данные о том, как указанные изменения в структуре влияют на эпюру напряжений в термически обработанном изделии. Цель работы — исследование влияния постоянного магнитного поля при закалке железоуглеродистых сплавов на распределение напряжений по сечению деталей.Материалы и методы. Исследования проводили на образцах технического железа, стали 45 и ферритного ковкого чугуна. Применялись цилиндрические образцы диаметром 16 мм и кольцевые образцы с наружным диаметром 20 и 55 мм. Образцы нагревали в электропечи или индукционным нагревом токами высокой частоты от лампового генератора ЛЗ-13. Закалку проводили в воде или минеральном масле. Постоянное магнитное поле напряжённостью от 768 до 1600 кА/м при закалке создавалось в зазоре электромагнита ФЛ-1. Определение остаточных напряжений осуществлялось по оригинальной методике В.А. Блиновского, основанной на измерении деформации изгиба в полых телах вращения.Результаты исследования. Получено изменение температуры на поверхности, в сердцевине и перепад температур по сечению цилиндрического образца при охлаждении в воде без поля и в магнитном поле. Изучено распределение напряжений по сечению после закалки в поле и без поля технического железа в спокойной воде. Исследовано распределение напряжений по сечению после закалки в поле и без поля в спокойной воде, а также при спреерном охлаждении с различной скоростью стали 45 и ферритного ковкого чугуна.Обсуждение и заключение. Полученные расчетные и экспериментальные данные позволили оценить возможные изменения под действием магнитного поля эпюр остаточных напряжений после завалки с объемным и поверхностным нагревом. Исследование кинетики охлаждения в воде под действием магнитного поля показало, что перепад температуры по сечению оставался практически неизменным, но наблюдалось снижение охлаждающей способности воды, что способствовало снижению уровня тепловых напряжений. Закалка в магнитном поле способствовала снижению остаточных напряжений в железоуглеродистых сплавах. Изменение распределения суммарных остаточных напряжений при магнитном отпуске обусловлено изменением их структурной составляющей. Магнитное поле оказывает влияние на распределение структурных, тепловых и суммарных остаточных напряжений. Причиной наблюдаемых эффектов является изменение под действием магнитного поля структурного состояния стали и чугуна и охлаждающей способности закалочных жидкостей на водной основе. Снижение уровня остаточных напряжений при термической обработке в магнитном поле уменьшает вероятность хрупкого разрушения и трещинообразования, приводит к снижению деформаций и коробления закаленных сталей, создает благоприятные условия для работы деталей в условиях знакопеременных нагрузок и абразивного трения.
Introduction. After hardening, a product has residual stresses: structural and thermal. The magnitude of the total stresses in the finished part determines its crack resistance under the influence of operational loads. Quenching in a constant magnetic field affects the process of martensite nucleation, and the kinetics of martensite transformation, as well as the processes of martensite decomposition. However, there is currently no data available on how these changes in structure affect the stress diagram in a heat-treated product. The aim of this study was to investigate the influence of a constant magnetic field during hardening of iron-carbon alloys on the stress distribution across the cross-sectional area of parts.Materials and Methods. The studies were conducted on samples of technical iron, steel 45, and ferritic malleable cast iron. Cylindrical samples with a diameter of 16 mm and ring samples with an outer diameter of 20 and 55 mm were used. The samples were heated in an electric furnace or an induction heating lamp generator LZ-13, and quenched in water or mineral oil. A constant magnetic field with strength of 768 to 1600 kA/m during hardening was created in the bore of a FL-1 electromagnet. Residual stresses were determined using the original method developed by V.A. Blinovskii based on measuring bending deformations in hollow bodies of revolution.Results. The change in temperature on the surface, in the core, and the temperature difference across the cross-section of a cylindrical sample during cooling in water with and without a magnetic field was obtained. The distribution of stresses over the cross-section after quenching with and without a field for industrial iron in still water was studied. The stress distribution over the cross-section was studied after quenching in a field and without a field in calm water, as well as during spray cooling of steel 45 and ferritic ductile cast iron at different rates.Discussion and Conclusion. The obtained calculated and experimental data allowed us to evaluate possible changes in the residual stress diagrams under the influence of a magnetic field after quenching with volumetric and surface heating. A study of the kinetics of cooling in water under the influence of a magnetic field showed that the temperature difference across the cross-section remained practically unchanged, but there was a decrease in the cooling capacity of the water, which contributed to a reduction in the level of thermal stress. Hardening in a magnetic field led to a reduction of residual stresses in iron-carbon alloys. The change in the distribution of total residual stresses during magnetic tempering was due to a change in their structural component. The magnetic field influenced the distribution of structural, thermal and total residual stresses. The reason for the observed effects was the change in the structural state of steel and cast iron and the cooling ability of water-based quenching liquids under the influence of a magnetic field. The reduction of the level of residual stresses during heat treatment in a magnetic field reduced the likelihood of brittle fracture and cracking, led to a decrease in deformation and warping of hardened steels, and created favorable conditions for the operation of parts under conditions of alternating loads and abrasive friction.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.