Файл: Похмурский, В. И. Коррозионно-усталостная прочность сталей и методы ее повышения.pdf

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 15.10.2024

Просмотров: 101

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

Диффузионное меднение при толщине слоя около 0,2 мм сни­

жает

предел

усталостной прочности гладких образцов с 25,5

до

22,5

кГ/мм2.

Заметное снижение предела усталости вызвано,

по-

видимому, спецификой строения слоя, приводящего к возникно­ вению большого количества структурных концентраторов напря­ жений в виде глубоких включений меди, а также значительно худшими механическими характеристиками диффундирующего элемента, вызывающими снижение прочности не только припо­ верхностного слоя, но и всей детали.

После меднения предел усталости образцов с концентраторами напряжений увеличивается на 15% за счет образования в зоне основного концентратора большого количества дополнительных структурных концентраторов напряжений, обусловленных весьма неравномерной диффузией меди в основной металл (преимуществен­ но по границам зерен). Эти дополнительные концентраторы являю­ тся разгружающими, они ослабляют действие основного концент­ ратора и несколько повышают выносливость.

Диффузионное меднение приводит к несущественному сниже­ нию условного предела коррозионной усталости и уменьшению времени до разрушения в области больших амплитуд напряжений . Анализ характера коррозионно-усталостного разрушения показал,

что через несплошности слоя меди на поверхности

коррозионная

среда проникает

к твердому раствору меди в железе,

что

приводит

к интенсивному

его разъеданию, образованию глубоких

раковин,

из которых берут свое начало коррозионно-усталостные трещины. Аналогичные д а ш ш е получены в [177] при испытании образцов из стали 45, подвергнутой гальваническому меднению. Коррозион- но-усталостная прочность стали в 3%-ном растворе NaCl после

меднения уменьшилась почти

в два раза .

4. Алитирование

 

Начало разработки

методов алитирования относится

к 1927—1930 г. Первые работы, посвященные алитированию, были выполнены Н . А. Минкевичем [122], Н . В. Агеевым, О. И. Вером [24], Ф. Г. Никоновым [130] и другими исследователями.

Алитирование до недавнего времени использовалось, главным образом, для повышения жаростойкости иизкоуглеродистых ста­ лей, а также в отдельных случаях среднеуглеродистых сталей и чугунов. В последнее время алитированию подвергают жаропрочные и окалиностойкие сплавы, а также применяют алитирование как метод защиты деталей от коррозии. Обзор по алитированию и его влиянию на некоторые свойства металлов приведены в монографиях [35, 82, 121,167].

В связи с тем что данных о влиянии алитирования на усталост­ ную и коррозионно-усталостную прочность имеется весьма огра­ ниченное количество, в работах [49,50] проведено изучение влия­ ния алитирования по различным режимам на выносливость угле-

144

родистых сталей в воздухе и коррозионной

среде. Эксперименты

проводились на образцах диаметром 8—10 мм при чистом

изгибе.

Было установлено [82], что алитирование в

порошковых

смесях

по режиму, обеспечивающему получение толщины диффузионного

слоя 0,2 мм, снижает

предел

усталости

среднеуглеродистой

ста­

ли

на 35—40%. Уменьшение

толщины слоя до 0,1 мм

приводит

к снижению предела усталости до

 

 

 

 

 

 

 

25—30% (рис. 72). Образцы

 

стали

 

 

 

 

 

 

 

45 с толщиной диффузионного

слоя

 

 

 

 

 

 

 

около 0,045 мм имеют предел

 

уста­

 

 

 

 

 

 

 

лости почти такой же, как образцы

 

 

 

 

 

 

 

без покрытия. Д л я

исследованных

 

 

 

 

 

 

 

режимов

корреляция

наблюдается

24

 

3

i и*-

 

также между пределом

усталости

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и микротвердостыо

алитированно-

20

 

 

 

 

 

 

го слоя: с увеличением

 

микротвер­

V

 

т

 

 

 

дости прочность снижается.

 

Отри­

 

 

 

 

 

 

 

цательное

влияние

алитирования

16

 

 

 

 

 

 

на

усталостную

прочность

можно

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

объяснить

высокой

хрупкостью

 

 

 

 

 

 

 

диффузионного

слоя за счет

высо­

12

 

 

 

 

 

 

кого содержания алюминия в нем.

 

 

 

 

 

 

 

 

Предел

усталости

стали

 

45 с

 

 

 

 

\ / / / /

концентратором н а п р я ж е н и й после

 

 

 

 

 

 

 

алитирования,

обеспечивающего

 

 

 

 

 

 

 

толщину

 

диффузионного

 

слоя

0,1

0,5 7

 

5. 10

Ы,млн.

0,1

мм,

увеличивается

на

30%,

 

а при толщине

слоя

0,045 мм —

Рис. 72. Кривые

усталости в воз­

остается

на

уровне

выносливости

духе (1—3) и 3%-ном

 

растворе

образцов без покрытия. При

NaCl

( / — о б р а з ц о в

 

из

ста­

наличии концентраторов

напряже ­

ли 45:

 

 

 

 

 

ний

наблюдается инверсия

влия ­

1,1 — отожженные;

 

2, II

и S,

I I I ' —

ния

алитирования

на

выносли­

алитированные на

глубину

0,045 и

0,1 мм соответственно.

 

 

 

вость по сравнению с гладкими об­ разцами: с увеличением толщины диффузионного слоя и микро­

твердости повышается предел усталости (хотя двух режимов на­

сыщения явно

недостаточно

дл я таких

выводов). Это кажущееся

по сравнению

с гладкими

образцами

противоречие объясняется

значительной разницей в толщине диффузионного слоя на гладкой части образца и в зоне концентратора [164]. Согласно металлогра­ фическим исследованиям толщина слоя в области надреза пример­ но в 2,5 раза меньше, чем на гладкой части. Возможно, что тол­ щина диффузионного слоя, равная 35—40 мк, является оптималь­ ной для порошкового алитирования и обеспечивает наибольшую выносливость стали 45.

При алитировании жидкостным методом «альфин» отрицатель­ ного влияния покрытия на усталостную прочность стали не бы­ ло обнаружено [267]. Результаты проведенных испытаний на

Ю 3—1220

145

усталость образцов из углеродистой и нержавеющих сталей типа

304

и 410 с алюминиевым покрытием (жидкостной метод)

показали,

что

предел усталостной прочности для углеродистой стали типа

410

снижается на 10—15%

и несущественно влияет на усталостную

прочность стали типа

304

[237].

 

 

Условный предел

коррозионной усталости образцов

из стали

45 после алитирования в значительной степени зависит от толщи­ ны диффузионного слоя в исследованном интервале. При толщине слоя 0,1 мм условный предел коррозионной усталости увеличи­ вается в 1,4 раза, а ограниченная выносливость остается па уровне непокрытых образцов (см. рис. 72). С уменьшением толщины диф­ фузионного слоя до 0,45 мм условный предел коррозионной вы­ носливости возрастает в 2,6 раза. Время до разрушения в области высоких амплитуд нагружения увеличивается в 2—4 раза. Таким образом, при порошковом алитировании условный предел корро­

зионной

усталости

наибольший у

стали

с толщиной покрытия

0,045 мм в исследованном интервале

толщин. Значительное повы­

шение

коррозионной выносливости

после

алитирования

можно

объяснить высокой

коррозионной стойкостью слоя за счет

образо­

вания окисной пленки, а т а к ж е за счет некоторой пластичности диффузионного слоя, которая увеличивается с уменьшением тол­

щины слоя. Условный

предел

коррозионной

усталости

алити-

рованных

образцов

из

сталей 45 с концентратором

напряжений с

толщиной

покрытия 0,1 мм увеличивается

в 2,4 раза. С уменьше­

нием

толщины

диффузионного

слоя до 0,05 мм

условный предел

коррозионной

усталости

увеличивается

 

примерно

в

четыре

раза.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Термодиффузионное

алитирование

значительно

повышает

жа -

ро- и коррозионную стойкость изделий в горячих

сернистых

сре­

дах

[91 [.

Однако

широкое

внедрение

на

производстве

изделий

с этим покрытием тормозится

из-за

наличия

в

слое

поверхност­

ной

хрупкой

зоны. Эта зона имеет высокую

микротвердость

(до 600 кГ/мм2),

легко выкрашивается,

и

поэтому

слой

обладает

малой деформационной

способностью,

пониженной

усталостной

прочностью при испытании на воздухе и т. п.

 

 

 

 

 

Применение скоростного электронагрева при алитировании из

паст

позволило

получить слои без

хрупкой

зоны, с

пониженной

концентрацией алюминия, что значительно повысило пластические свойства и термостойкость алитированного слоя. Изменение строе­ ния и фазового состава слоя при использовании электронагрева должно оказать влияние на усталостную и коррозионно-усталост­

ную прочность стали. Проведенные [91 ] исследования

на образцах

диаметром 4 мм из стали Х5М (0,1% С;

4,42%

Сг; 0,57%

Мо)

показали, что алитирование

в порошкообразной

смеси, состоя­

щей из

88% FeAl (50 : 50) +

10% маршалита + 2 %

хлористого

аммония

при 1000 и 1100° С с выдержкой

1 и 1,5 ч в

случае

печ­

ного нагрева (приблизительно 0,1 град/сек)

обеспечило получение

алитированных слоев толщиной 0,1 и 0,2.мм соответственно.

 

146

Повышение скорости пагрева за счет применения

т. в. ч.

до

50 град!сек

и насыщении при 1050° С в течение 5 мин

привело

к

получению

диффузионного слоя толщиной 0,15—0,2 мм. Испыта­

ния показали, что алитирование как с медленным, так и с быстрым индукционным нагревом вызывает снижение предела усталости образцов соответственно на 36 и 27% (рис. 73).

Методы насыщения влияют па выносливость в коррозионной среде меньше, чем в воздухе, что обусловлено меньшими ампли­ тудами напряжений, меньшими деформациями диффузионного слоя, когда действие хрупкой составляющей слоя не проявляется .

При

больших амплитудах

напряже ­

см

 

 

 

 

 

 

ний долговечность образцов с тол­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

щиной слоя 0,1 мм в 6—10 раз выше,

 

 

 

 

 

 

 

чем в образцах со слоем 0,2 мм.

 

 

 

 

 

 

 

Условный предел коррозионно-уста­

 

 

 

 

 

 

 

лостной прочности

т а к ж е несколько

 

 

 

 

 

 

 

больше у стали с меньшей толщиной

 

 

 

 

 

 

 

алитированного слоя. Условный пре­

 

 

 

 

 

 

 

дел

коррозионной

 

усталости

при

 

 

 

 

 

 

 

обоих видах алитирования увеличи­

 

 

 

 

 

 

 

вается в 1,3—1,5 раза.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Д л я предотвращения

 

образования

 

 

 

 

 

 

 

интерметаллидов

с высоким

содержа­

 

 

 

 

 

 

 

нием

 

алюминия можно

ограничивать

 

 

 

 

 

 

 

содержание

алюминия в реакционной

 

 

 

 

 

 

 

смеси,

что

легко

осуществить

при

 

0,1

 

0£ 1

5 10

Ы,млн.

насыщении из обмазок с заданным

 

 

Рис. 73. Кривые усталости об­

количеством

алюминия. В работе [82]

изучалось влияние

алитирования из

разцов из стали Х5М в воздухе

(1—3)

и 3%-ном растворе NaCl

шликера (1000 см'л

параксилола, 20 г

(I-III):

 

 

 

 

 

полистирола

кристаллического, 300 г

lf

I

— i

ложное

алитирование;

пудры

алюминиевой

ПАК-З) на вы­

2,

I I — алитирование на

глубину

0,1

мм;

3,

111 —- алитирование о

носливость

образцов

из

стали

45 в

индукционным нагревом на глуби­

воздухе и 3%-ном

 

растворе

NaCl

ну

0,15

мм.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

при

чистом

изгибе

их

с

вращением

Обмазку

наносили

на об-

разцы

два раза

с

промежуточной сушкой

в

вакуумном

шкафу.

Д л я

получения

диффузионного

слоя

образцы

с обмазкой

нагре­

вали

 

нри 900° С в течение

3—4 ч в

герметичном,

продуваемом

осушенным аргоном, контейнере. Концентрация алюминия в диф­ фузионном слое составляла 10—15%, а микротвердость — около 300 кГ/мм2. Механические характеристики стали после такого насыщения меняются несущественно. Высокая пластичность ак­ тивированного слоя оказала положительное влияние на вынос­ ливость образцов. В отличие от алитирования в порошках насы­ щение в шликере с образованием слоя толщиной около 0,075 мм

привело

к повышению

предела усталости образцов

из стали

45 с

25 до 29

кГ/мм2.

Условный предел коррозионной

усталости

уве­

личился

всего с

5 до 7

кГ/мм2.

 

 

10*

147

Жидкостное алитирование (покрытие детали методом погруже­ ния детали в расплав алюминия) приводит к образованию на дета­ л я х слоя, состоящего из чистого алюминия на поверхности и ин-

терметаллидного промежуточного слоя, возникающего в резуль­

тате

взаимодействия

расплавлен­

ного

алюминия

с

обрабатываемой

деталью. На углеродистых сталях

толщина

 

интерметаллидного

слоя

колеблется в зависимости от режи­

мов

алитирования

до

нескольких

десятков

 

и

даже

сотен

 

микрон.

Обладая

повышенной

хрупкостью,

интерметаллидный

 

слой

 

снижает

пластичность,

выносливость

и

неко­

торые

другие характеристики сталей

В работе

[3]

исследовалось

 

влияние

жидкостного

алитирования

 

на

вы­

носливость

углеродистых

сталей в

воздухе и 3%-ном растворе

NaCl.

Испытания

проводились

на

образцах

диаметром

 

5

мм

при

чистом

изгибе

их с вращением. Установлено, что

алитирование

снижает

выносливость

образцов в воздухе с 24 до 21

 

кГ/мм2

(рис. 74).

 

В

3%-ном

растворе

NaCl

10 N, млн. условный

 

предел

усталости

возрас­

Рис. 74. Кривые

усталости об­

тает с 3 до 16

кГ/мм2.

 

 

 

разцов из стали

45

в воздухе

Д л я

повышения

пластичности

(J—3) и 3%-ном растворе NaCl

слоя за

счет уменьшения

толщины

(I-JII):

 

 

 

 

 

 

интерметаллидной

зоны в

ванну с

1,1 — без покрытия;

2, 11 — i али­

тирование в ванне

из чистого алю­

расплавленным

алюминием

вводили

миния; В, I I I — алитирование

в

до 7%

кремния.

В

этом

случае

расплаве, содержащем 7% кремния.

 

 

 

 

толщина

интерметаллидного

слоя

уменьшилась при всех прочих равных условиях получения

по-

крытий с 0,02

до

0,005

мм.

 

 

 

 

 

 

 

Алитирование

в кремнесодержащей ванне

значительно

уве­

личило выносливость стали при циклической деформации ее в уп­ руго-пластической области и не оказало существенного влияния на выносливость среднеуглеродистой стали по сравнению с алитированием из чистого расплава алюминия.

Комплексное насыщение углеродистой стали алюминием и бо­ ром (бороалитирование) в зависимости от соотношения компонен­ тов в реакционной смеси может увеличивать условный предел кор­ розионно-усталостной прочности при базе 5 X 107 циклов нагру­ жения до 2,5 раза [82].

148

Смотрите также файлы