Формирование эпюры остаточных напряжений после закалки в магнитном поле

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.

1. Samuel A, Prabhu KN. Residual Stress and Distortion during Quench Hardening of Steels: A Review. Journal of Materials Engineering and Performance. 2022;31(7):5161–5188. https://doi.org/10.1007/s11665-022-06667-x

2. Villa M, Niessen F, Somers MAJ. In Situ Investigation of the Evolution of Lattice Strain and Stresses in Austenite and Martensite During Quenching and Tempering of Steel. Metallurgical and Materials Transactions A. 2018;49:28–40. https://doi.org/10.1007/s11661-017-4387-0

3. Ali Tabatabaeian, Ahmad Reza Ghasemi, Mahmood M. Shokrieh, Bahareh Marzbanrad, Mohammad Baraheni, Mohammad Fotouhi. Residual Stress in Engineering Materials: A Review Advanced Engineering Materials. 2022;24(3):2100786. https://doi.org/10.1002/adem.202100786

4. Bhadeshia HKDH, Honeycombe RWK. Steels: Structure, Properties, and Design. Elsevier; 2024. 550 p. URL: https://books.google.ru/books?id=U9PKEAAAQBAJ&hl=ru&lr (accessed: 20.08.2024).

5. Гвоздев А.Е., Журавлев Г.М, Кузовлева О.В. Основы формирования состояния высокой деформационной способности металлических систем. Монография. Тула: Тульский государственный университет; 2018. 382 с.

6. Bhadeshia HKDH, Honeycombe RWK. Steels: Microstructure and Properties. Butterworth-Heinemann; 2017. 488 p. URL: https://books.google.ru/books?id=4Rt5CgAAQBAJ&hl=ru (accessed: 20.08.2024).

7. Касьянов В.Е., Демченко Д.Б., Косенко Е.Е., Теплякова С.В. Метод оптимизации надежности машин с применением интегрального показателя. Безопасность техногенных и природных систем. 2020;(1):23–31. https://doi.org/10.23947/2541-9129-2020-1-23-31

8. Вернези Н.Л. Коэффициент вариации предела текучести металла новых и долгое время эксплуатировавшихся строительных конструкций. Безопасность техногенных и природных систем. 2023;(3):44–54. https://doi.org/10.23947/2541-9129-2023-7-3-44-54

9. Блиновский В.А. Исследование превращений, особенностей структуры и остаточных напряжений при закалке и отпуске железоуглеродистых сплавов в магнитном поле. Автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук. Ростов-на-Дону: РИСХМ; 1978. 28 с.

10. Pustovoit VN. Cooling Capacity of Quenching Liquids in Magnetic Field. Metal Science and Heat Treatment. 1978;20(2):131–133. https://doi.org/10.1007/BF00670306

11. Youkai Wang, Huinan Wei, Zhuangwen Li. Effect of Magnetic Field on the Physical Properties of Water. Results in Physics. 2018;8:262–267. https://doi.org/10.1016/j.rinp.2017.12.022

12. Pustovoit V.N., Dolgachev Yu., Dombrovskii Yu.M. Use of the Superplasticity Phenomenon of Steel for “Internal” Magnetic Correcting a Product. Solid State Phenomena. 2017;265:745–749. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/SSP.265.745