Введение

В настоящее время аддитивные технологии (АТ) становятся одной из передовых технологий для высокопроизводительного производства или изготовления деталей со сложной формой [1]. Наиболее широкое распространение АТ могут находить в мелкосерийном или несерийном высокотехнологичном производстве: авиастроении, тяжелом машиностроении, оборонном производстве [2 – 5].

Усталостью материала принято называть деградацию его свойств, обусловленную накоплением микроструктурных дефектов под действием циклических нагрузок. Данный вид разрушения особенно опасен, потому что часто протекает под действием нагрузок гораздо ниже предела текучести материала в течение длительного времени. Известно, что большинство деталей механизмов и конструкций длительно работают под действием циклических нагрузок [6 – 8]. Более 80 % всех случаев эксплуатационного разрушения происходит в результате циклического нагружения [6; 9]. Начиная с XIX в., усталостная стойкость получает значительное теоретическое развитие и становится одним из фундаментальных свойств материалов в инженерной практике [1; 10 – 13]. Явление усталости – очень сложный многофакторный процесс. К факторам, влияющим на процесс усталости, относятся: частота нагружения [14 – 16], асимметрия цикла нагружения [17 – 18], состояние поверхности [19] и температура работы изделия [20 – 22].

Несмотря на активное изучение металла, полученного с применением АТ, вопросы, касающиеся усталостного разрушения изделий, изучены недостаточно и встречаются в литературе довольно редко [23; 24]. Особенно, если усталостное разрушение происходит в присутствии дефектов различного рода [25 – 28].

В работе изучалось влияние дефектов различного рода в материале, полученном с использованием метода электродуговой наплавки (Wire Arc Additive Manufacturing – WAAM). Технология WAAM заключается в наплавлении обычной сварочной проволоки на подложку, в результате чего образуется заготовка будущей детали. В работах [28 – 31] описаны основные аспекты технологии WAAM.

Целью данного исследования является изучение влияния дефектов различной природы на усталостную прочность металла, полученного методом WAAM.

Материалы и методики исследования

В исследовании для наплавки образцов были использованы проволоки Нп-30ХГСА и Св-08ХМФА. Химический состав определялся методом оптико-эмиссионной спектрометрии с использованием спектрометра Foundry Master UVR, состав исходной проволоки и наплавленных заготовок представлен в табл. 1.

Заготовки образцов производились в виде стенок путем послойного нанесения металла на экспериментальной исследовательской WAAM установке, в состав которой входили: трехкоординатный станок с ЧПУ портального типа IVCNC STL, сварочный источник тока Alloy 275 ME Pulse, вытяжной шкаф, сварочный стол и сварочная горелка.

Режим наплавки задавался следующими параметрами: I – сила тока, А; U – напряжение, В; z – дуговой зазор, мм; v – скорость подачи проволоки, мм/с.

При этом дуговой зазор и скорость подачи проволоки были постоянными для всех экспериментов и составляли 11 мм и 300 мм/мин соответственно (определены путем проведения предварительных испытаний). В качестве защитного газа использовалась сварочная смесь, состоящая из 80 % Ar и 20 % CO2 со скоростью подачи 15 л/мин для всех режимов.

Для изучения влияния микро- и макроструктурных дефектов на усталостную прочность сталей 30ХГСА и 08ХМФА были напечатаны стенки толщиной в один наплавочный валик по режимам, представленным в табл. 2.

Погонная энергия процесса Q с учетом коэффициента энергетических потерь 0,8 определялась по формуле

\[Q = \frac{{0,8IU}}{v}.\]

Из напечатанных заготовок с помощью электроэрозионной резки вырезались плоские образцы для проведения усталостных испытаний с толщиной 3 мм и размером рабочей зоны 60×15 мм (тип IV по ГОСТ 25.502 – 78) (рис. 1). После вырезки рабочая часть образцов обрабатывалась шлифованием до шероховатости Ra = 0,2. Для оценки эволюции структуры и фиксирования особенностей роста трещин в ходе усталостного нагружения рабочая поверхность части образцов подвергалась полированию и последующему травлению.

Усталостные испытания проводились на специализированном стенде по схеме консольного изгиба (коэффициент асимметрии цикла R = –l). Частота упругопластического циклического деформирования устанавливалась с использованием частотного преобразователя равной 8,3 Гц (500 циклов/мин). Испытания проводились с учетом требований ГОСТ 25.502 – 79. Амплитуду напряжений в цикле настраивали путем расчетов и с использованием индикатора часового типа. В процессе испытаний регистрировали: число циклов N и амплитуду напряжений в цикле σmax . Общая схема испытательного стенда представлена на рис. 2.

Наработка материала образца определялась как отношение текущего количества циклов нагружения N к количеству циклов, при котором наблюдается полное разрушение материала образца N * (N/N * ).

Для выявления микроструктуры металлов и характера возможных дефектов проводился металлографический анализ. Выявление микроструктуры осуществлялось путем протирания подготовленной поверхности ватным диском, смоченным в 4 %-ном водном растворе азотной кислоты.

Результаты эксперимента

В ходе металлографического анализа образцов из стали 30ХГСА были получены результаты, представленные в табл. 3.

При исследовании наплавленных стенок в заготовке для изготовления образцов 2.2 отчетливо выделяются большие скопления макродефектов, которые могут быть охарактеризованы как поры и непровары. При наплавке заготовок для изготовления образцов 2.1 и 2.3 макродефекты практически не выявляются.

В ходе изготовления образцов 1.2 режим наплавки изменялся таким образом, чтобы получить несплавления между двумя наплавочными валиками. Дефекты выстроены в виде строчек, расположенных по границам сплавления слоев преимущественно в центре образцов. Также после вырезки образцов на наиболее нагруженную поверхность образца наносился концентратор глубиной порядка 130 мкм.

Данные, полученные в ходе усталостных испытаний образцов из сталей 30ХГСА и 08ХМФА, представлены на рис. 3.

Наибольшую усталостную прочность показывают бездефектные образцы. Исходя из данных, представленных на рис. 3, можно сделать вывод, что наличие любого рода дефектов (микроструктурных и макроструктурных) приводит к снижению усталостной прочности. Макроструктурные дефекты (крупные поры и непровары) оказывают более сильное влияние на усталостную прочность материала.

Результаты испытаний показывают, что наличие дефектов в сплаве 08ХМФА приводит к снижению долговечности исследуемого материала в среднем на 30 – 40 %.

При изучении образцов 1.2 установлено, что несмотря на наличие строчечных дефектов (непроваров) в опасном сечении, они не являются причинами образования магистральной трещины, которая привела к разрушению образца. Очагом зарождения трещины являлся дефект поверхности глубиной 0,136 мкм. Именно здесь наблюдается наиболее активный рост трещины, особенно в момент предразрушения.

Вывод о более сильном влиянии качества поверхности (поверхностного концентратора) можно также сделать исходя из микроснимков, полученных при изучении разрушенного образца (рис. 4). Видно, что очагом разрушения выступил предварительно нанесенный концентратор. Магистральная трещина практически не пересекает непровары и образовавшиеся вокруг них трещины.

Схожие выводы о влиянии технологических дефектов на усталостную прочность деталей получены и другими исследователями [32 – 34]. Так, в работе, направленной на изучение влияния литейных дефектов на усталостную прочность надрессорных балок и боковых рам, было установлено, что литейные дефекты приводят к снижению усталостной прочности на 33 – 47 % [32]. Также в данном исследовании указывается на наиболее критичное с точки зрения усталостной прочности поверхностное и подповерхностное расположение дефектов [32]. Схожие выводы о влиянии поверхностных дефектов были получены при изучении сварных соединений [34].

Выводы

В ходе проведения усталостных испытаний образцов из сталей 08ХМФА и 30ХГСА наибольшие значения показывали бездефектные образцы для обеих марок.

Исходя из данных, полученных при исследовании образцов из стали 30ХГСА, можно сделать вывод, что наличие любого рода дефектов (микроструктурных и макроструктурных) приводит к снижению усталостной прочности. Макроструктурные дефекты (крупные поры и непровары) оказывают более сильное влияние на усталостную прочность материала.

Так, для образцов, имеющих аномальное строение микроструктуры (образцы 2.3), наблюдается снижение усталостной прочности на 28 % относительно бездефектного материала (образец 2.1). В образцах 2.2, имеющих макроскопические дефекты технологического характера (крупные поры и непровары), также происходит значительное снижение усталостной прочности, достигающее 39 %.

Схожие результаты получены и для стали 08ХМФА: усталостная прочность образца с непроварами и поверхностным концентратором (образец 1.2) снижается на 31 %.

Также следует отметить, что наличие поверхностного концентратора оказывает большее влияние на формирование магистральной усталостной трещины, чем несплавления в центральной области образцов. Данный эффект подтверждается изучением поверхности образца в процессе усталостного испытания и после его разрушения.