Influence of Shock Voltage from the Electric Discharge on the Fatigue Endurance of Carbon Steel in Water
Loading...
Files
Date
2015
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, Дніпропетровськ
Abstract
ENG: Purpose. The research supposes the explanation of influence of stress impulses from an electrical discharge in water on the level of the limited endurance at a cyclic loading of the thermally work-hardened carbon steel. Methodology. Material for research was steel 45 (0,45 % carbon) with сoncentration of chemical elements within the limits of steel composition. Specimens for tests are made as plates in 1 thick, width 15 and length 120-180 mm. The structural state of steel corresponded to quenching on a martensite from the normal temperatures of annealing and tempering at 300 C, duration of 1 h. Microstructure was investigated with the use of electronic microscopy, the density of dislocations was estimated on the methods of X-ray analysis. Hardness was measured on the method of Rockwell (scale of «C»). A cyclic loading was carried out in the conditions of symmetric bend on a tester «Saturn-10» at a temperature +20 C. The treatment by shock voltage from the electrical discharge was carried out in water on setting of bath type «Iskra-23», used for cleaning of castings manufactures. Electric impulses were formed at 15-18 kV with energy of 10-12 kJ and amplitude of 1-2 GPа. Findings. As a result of processing pulses of a pressure
wave of heat-strengthened steel 45 found the increase of endurance under the cyclic loading corresponds to an increased amount of accumulated dislocations on the fracture surface. The use of Coffin–Manson Equation allowed finding the decrease of deformation per cycle of loading as a result of arising stress from an electrical discharge in water. On the fracture surface (after pulse exposure) was found the increased number of dislocations, located in different crystallographic systems, that is a testament to the rather complicated development of dislocation transformations in the structure of steel, which provide an increase of endurance at a fatigue. The increase of the limited endurance became as a result of impulsive treatment largely related with the number change of mobile dislocations. For the area of low-cyclic fatigue the growth of amplitude of loading is accompanied with the decrease of distinction in the values of the limited endurance (before and after the treatment of shock voltage). Originality. For the field of high-cycle fatigue, the result of shock voltage of carbon steel with the structure of the improvements, the increase of limited endurance is accompanied with a decrease in deformation per cycle. As far as growth of amplitude of stress
cycle the effect of increase of endurance from treatment of metal by the shock voltage declines. Practical value. Treatment of metal by the impulses of pressure waves from an electrical discharge in water can be used for the time extending of exploitation details of the rolling stock, which are subjects of the cyclic loading.
UKR: Мета. Дослідження передбачає пояснення впливу імпульсів виникаючого напруження від електричного розряду у воді на величину обмеженої витривалості при циклічному навантаженні термічно зміцненої вуглецевої сталі. Методика. Матеріалом для дослідження була сталь 45 (0,45 % вуглецю) із концентрацією хімічних елементів у межах марочного складу. Зразки для випробувань виготовляли у вигляді пластин завтовшки 1, шириною 15 і завдовжки 120-180 мм. Структурний стан сталі відповідав гартуванню на мартенсит від нормальних температур нагріву й відпуску при 300 С, тривалістю 1 год. Мікроструктуру досліджували з використанням електронної мікроскопії, густину дислокацій оцінювали за методиками рентгенівського структурного аналізу. Твердість вимірювали за методом Роквелла (шкала «С»). Циклічне навантаження здійснювали в умовах симетричного вигину на випробувальній машині «Сатурн-10» при температурі +20 С. Обробку імпульсами напружень від електричного розряду здійснювали у воді на установці ванного типу «Іскра-23», яку використовують для очищення ливарних виробів. Електричні імпульси формувалися при напрузі електричного струму 15−18 кV, з енергією 10−12 кДж та амплітудою 1−2 ГПа. Результати. У результаті обробки імпульсами хвилі тиску термічно зміцненої сталі 45 виявленому збільшенню витривалості при циклічному навантаженні відповідає підвищена кількість накопичених дислокацій на поверхні руйнування. Використання рівняння Кофіна–Менсона дозволило виявити зниження деформації за цикл навантаження в результаті виникаючого напруження від електричного розряду у воді. Виявлена на поверхні руйнування (після імпульсної дії) підвищена кількість дислокацій, розташованих у різних кристалографічних системах, є свідченням розвитку достатньо складних дислокаційних перетворень у структурі сталі, які забезпечили приріст витривалості при втомі. Приріст обмеженої витривалості сталі в результаті імпульсної обробки в значній мірі пов’язаний зі зміною числа рухомих дислокацій. Для області малоциклової втоми зростання амплітуди навантаження супроводжується зниженням різниці в значеннях обмеженої витривалості (до і після обробки імпульсами напружень). Наукова новизна. Для області багатоциклової втоми, в результаті обробки імпульсами напружень вуглецевої сталі зі структурою поліпшення, приріст обмеженої витривалості супроводжується зниженням деформації за цикл. По мірі зростання амплітуди напруження циклу ефект приросту витривалості від обробки металу імпульсами напружень знижується. Практична значимість. Обробка металу імпульсами хвиль тиску від електричного розряду у воді може бути використана для продовження терміну експлуатації деталей рухомого складу, які піддаються циклічному навантаженню.
RUS: Цель. Исследование предполагает объяснение влияния импульсов возникающего напряжения от электрического разряда в воде на величину ограниченной выносливости при циклическом нагружении термически упрочненной углеродистой стали. Методика. Материалом для исследования являлась сталь 45 (0,45 % углерода) с концентрацией химических элементов в пределах марочного состава. Образцы для испытаний изготавливали в виде пластин толщиной 1, шириной 15 и длиной 120-180 мм. Структурное состояние стали соответствовало закалке на мартенсит от нормальных температур нагрева и отпуска при 300 С, длительностью 1 ч. Микроструктуру исследовали с использованием электронной микроскопии, плотность дислокаций оценивали с использованием методик рентгеноструктурного анализа. Твердость измеряли по методу Роквелла (шкала «С»). Циклическое нагружение осуществляли в условиях симметричного изгиба на испытательной машине «Сатурн-10» при температуре +20 С. Обработку импульсами напряжения от электрического разряда осуществляли в воде на установке ванного типа «Искра-23», используемой для очистки литейных изделий. Электрические импульсы формировались при напряжении 15−18 кV, с энергией 10-12 кДж и амплитудой 1−2 ГПа. Результаты. В результате обработки импульсами волны давления термически упрочненной стали 45 обнаруженному увеличению выносливости при циклическом нагружении соответствует повышенное количество накопленных дислокаций на поверхности разрушения. Использование уравнения Кофина–Менсона позволило обнаружить снижение деформации за цикл нагружения в результате возникающего напряжения от электрического разряда в воде. Обнаруженное на поверхности разрушения (после импульсного воздействия) повышенное количество дислокаций, расположенных в различных кристаллографических системах, является свидетельством развития достаточно сложных дислокационных преобразований в структуре стали, которые обеспечили прирост выносливости при усталости. Увеличение ограниченной выносливости стали в результате возникающего напряжения от импульсной обработки в значительной степени связано с изменением числа подвижных дислокаций. Для области малоцикловой усталости возрастание амплитуды нагружения сопровождается снижением различия в значениях ограниченной выносливости (до и после обработки импульсами напряжения). Научная новизна. Для области многоцикловой усталости, в результате обработки импульсами напряжения углеродистой стали со структурой улучшения, прирост ограниченной выносливости сопровождается снижением деформации за цикл. По мере возрастания амплитуды напряжения цикла эффект прироста выносливости от обработки металла импульсами напряжения снижается. Практическая значимость. Обработка металла импульсами волн давления от электрического разряда в воде может быть использована для продления срока эксплуатации деталей подвижного состава, которые подвергаются циклическому нагружению.
UKR: Мета. Дослідження передбачає пояснення впливу імпульсів виникаючого напруження від електричного розряду у воді на величину обмеженої витривалості при циклічному навантаженні термічно зміцненої вуглецевої сталі. Методика. Матеріалом для дослідження була сталь 45 (0,45 % вуглецю) із концентрацією хімічних елементів у межах марочного складу. Зразки для випробувань виготовляли у вигляді пластин завтовшки 1, шириною 15 і завдовжки 120-180 мм. Структурний стан сталі відповідав гартуванню на мартенсит від нормальних температур нагріву й відпуску при 300 С, тривалістю 1 год. Мікроструктуру досліджували з використанням електронної мікроскопії, густину дислокацій оцінювали за методиками рентгенівського структурного аналізу. Твердість вимірювали за методом Роквелла (шкала «С»). Циклічне навантаження здійснювали в умовах симетричного вигину на випробувальній машині «Сатурн-10» при температурі +20 С. Обробку імпульсами напружень від електричного розряду здійснювали у воді на установці ванного типу «Іскра-23», яку використовують для очищення ливарних виробів. Електричні імпульси формувалися при напрузі електричного струму 15−18 кV, з енергією 10−12 кДж та амплітудою 1−2 ГПа. Результати. У результаті обробки імпульсами хвилі тиску термічно зміцненої сталі 45 виявленому збільшенню витривалості при циклічному навантаженні відповідає підвищена кількість накопичених дислокацій на поверхні руйнування. Використання рівняння Кофіна–Менсона дозволило виявити зниження деформації за цикл навантаження в результаті виникаючого напруження від електричного розряду у воді. Виявлена на поверхні руйнування (після імпульсної дії) підвищена кількість дислокацій, розташованих у різних кристалографічних системах, є свідченням розвитку достатньо складних дислокаційних перетворень у структурі сталі, які забезпечили приріст витривалості при втомі. Приріст обмеженої витривалості сталі в результаті імпульсної обробки в значній мірі пов’язаний зі зміною числа рухомих дислокацій. Для області малоциклової втоми зростання амплітуди навантаження супроводжується зниженням різниці в значеннях обмеженої витривалості (до і після обробки імпульсами напружень). Наукова новизна. Для області багатоциклової втоми, в результаті обробки імпульсами напружень вуглецевої сталі зі структурою поліпшення, приріст обмеженої витривалості супроводжується зниженням деформації за цикл. По мірі зростання амплітуди напруження циклу ефект приросту витривалості від обробки металу імпульсами напружень знижується. Практична значимість. Обробка металу імпульсами хвиль тиску від електричного розряду у воді може бути використана для продовження терміну експлуатації деталей рухомого складу, які піддаються циклічному навантаженню.
RUS: Цель. Исследование предполагает объяснение влияния импульсов возникающего напряжения от электрического разряда в воде на величину ограниченной выносливости при циклическом нагружении термически упрочненной углеродистой стали. Методика. Материалом для исследования являлась сталь 45 (0,45 % углерода) с концентрацией химических элементов в пределах марочного состава. Образцы для испытаний изготавливали в виде пластин толщиной 1, шириной 15 и длиной 120-180 мм. Структурное состояние стали соответствовало закалке на мартенсит от нормальных температур нагрева и отпуска при 300 С, длительностью 1 ч. Микроструктуру исследовали с использованием электронной микроскопии, плотность дислокаций оценивали с использованием методик рентгеноструктурного анализа. Твердость измеряли по методу Роквелла (шкала «С»). Циклическое нагружение осуществляли в условиях симметричного изгиба на испытательной машине «Сатурн-10» при температуре +20 С. Обработку импульсами напряжения от электрического разряда осуществляли в воде на установке ванного типа «Искра-23», используемой для очистки литейных изделий. Электрические импульсы формировались при напряжении 15−18 кV, с энергией 10-12 кДж и амплитудой 1−2 ГПа. Результаты. В результате обработки импульсами волны давления термически упрочненной стали 45 обнаруженному увеличению выносливости при циклическом нагружении соответствует повышенное количество накопленных дислокаций на поверхности разрушения. Использование уравнения Кофина–Менсона позволило обнаружить снижение деформации за цикл нагружения в результате возникающего напряжения от электрического разряда в воде. Обнаруженное на поверхности разрушения (после импульсного воздействия) повышенное количество дислокаций, расположенных в различных кристаллографических системах, является свидетельством развития достаточно сложных дислокационных преобразований в структуре стали, которые обеспечили прирост выносливости при усталости. Увеличение ограниченной выносливости стали в результате возникающего напряжения от импульсной обработки в значительной степени связано с изменением числа подвижных дислокаций. Для области малоцикловой усталости возрастание амплитуды нагружения сопровождается снижением различия в значениях ограниченной выносливости (до и после обработки импульсами напряжения). Научная новизна. Для области многоцикловой усталости, в результате обработки импульсами напряжения углеродистой стали со структурой улучшения, прирост ограниченной выносливости сопровождается снижением деформации за цикл. По мере возрастания амплитуды напряжения цикла эффект прироста выносливости от обработки металла импульсами напряжения снижается. Практическая значимость. Обработка металла импульсами волн давления от электрического разряда в воде может быть использована для продления срока эксплуатации деталей подвижного состава, которые подвергаются циклическому нагружению.
Description
I. Vakulenko: ORCID 0000-0002-7353-1916; A. Lisnyak: ORCID 0000-0001-6701-5504; O. Perkov: ORCID 0000-0002-8101-1654; Xu. Hai: ORCID 0000-0002-0338-5976
Keywords
hardness, distribution, impulse of pressure, electric discharge, limited endurance, твердість, дислокація, імпульс тиску, електричний розряд, обмежена витривалість, твердость, дислокация, импульс давления, электрический разряд, ограниченная выносливость, КТМ
Citation
Vakulenko I. A., Lisnyak A. G., Perkov O. N., Hai Xu Xiao. Influence of Shock Voltage from the Electric Discharge on the Fatigue Endurance of Carbon Steel in Water. Наука та прогрес транспорту. 2015. № 5 (59). C. 107–114. doi: 10.15802/stp2015/53162.