Файл: Термопластическое упрочнение конструкционных сталей, работающих при низких температурах..pdf

щего касательного напряжения, а вторая — от величины при­ ложенного растягивающего напряжения.

Существующие дислокационные теории зарождения и раз­ вития трещин не описывают удовлетворительно условий рас­ пространения трещины до полного разрушения. Они в зна­ чительной степени идеализированы и не учитывают ряда особенностей, присущих реальным поликристаллическим ме­ таллам. В частности, они не учитывают наличия границ зерен, которые действуют как эффективные барьеры, пре­ пятствующие распространению микротрещины из одного зер­ на в другое.

Распространение трещины всегда связано со взаимодей­ ствием с препятствующими дислокациями, эффект которого в значительной степени зависит от того, закреплены дислока­ ции или свободны. При закрепленных дислокациях, располо­ женных в стороне от распространяющейся трещины, имеет место дальнодействующее взаимодействие, вызываемое поля­ ми упругих напряжений дислокаций. Оно не оказывает заметного сопротивления распространению трещин [25]. Близ­ кодействующее взаимодействие заметно влияет на распро­ странение трещин и наблюдается, когда закрепленные дисло­ кации пронизывают плоскость скола. В этом случае вы­ свобождается энергия упругих искажений при пересечении трещиной краевых и винтовых дислокаций, а также образу­ ются ступеньки, которые оказывают сильное сопротивление распространению скола.

При свободных дислокациях у вершины распространяю­ щейся трещины, в области высоких локальных напряжений, произойдет пластическое течение, которое будет снижать ло­ кальные напряжения, тем самым препятствуя распростране­ нию трещин [26, и др.].

Робертсон [27] установил, что для распространения хруп­ кой трещины необходимо два условия: а) температура ниже критического значения; б) напряжение выше критического значения.

Мотт [28] определил, что скорость распространения хруп­ кой трещины стремится к постоянной величине — скорости звука в данном материале. Существует критическая скорость распространения трещины, ниже которой хрупкая трещина останавливается пластической деформацией в ее вершине. Это объясняется тем,что при низкой скорости распростране­ ния трещины время нагружения единичного объема металла у ее вершины будет достаточным для того, чтобы произошло пластическое течение, снижающее локальные напряжения.

Большое значение для развития трещины и дальнейшего хрупкого разрушения имеет неоднородность пластической де­ формации, которая может наблюдаться в пределах одного зерна и объясняется локализацией пластического течения

20

вследствие того, что деформация происходит не по всей дли­ не образца или не на одинаковую величину. При понижении температуры степень локализации пластической деформации значительно возрастает.

ВЛИЯНИЕ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА ХЛАДОСТОЙКОСТЬ СТАЛИ

Упрочняющие методы обработки, как правило, направле­ ны на повышение прочности, жаропрочности, прочности при ползучести и циклических нагружениях. Вследствие упрочне­ ния в большинстве случаев понижаются характеристики плас­ тичности и хрупкой прочности. Влияние различных методов ТМО и МТО на хрупкую прочность стали рассматривалось рядом исследователей [8,29,30 и др.]. Охрупчивание стали в результате упрочняющих обработок исследовалось в основ­ ном при положительных температурах по изменению уров­ ня ударной вязкости [31, 32], по энергии, затрачиваемой на сопротивление трещины [29, 30], по чувствительности к над­ резу и предварительно созданной трещине при статическом изгибе [33].

Установлено, что, изменяя степень деформации и темпе­ ратуру, можно добиться оптимального соотношения характе­ ристик прочности и пластичности, однако данных о влиянии термопластической обработки на переход сталей в хрупкое состояние при понижении температуры далеко не достаточно.

Вработе [29] дана сложная зависимость изменения плас­ тичности и вязкости от степени пластической деформации. Указывается на неблагоприятные интервалы степени дефор­ мации в пределах от 30 до 60%, однако, если их избежать, можно повысить значения ударной вязкости и пластичности. Утверждается, что большое влияние на пластические свойст­ ва оказывает измельчение размеров зерна аустенита: созда­ ется повышенная плотность дислокаций, положительно влия­ ющая на пластичность и вязкость.

Вработах [30, 31] исследуется зависимость критерия

Ирвина Ки от степени и температуры деформации сталей

термомеханической обработки, необходимо учитывать вели­ чину сопротивления распространению трещины.

С ростом температуры деформации улучшаются пласти­ ческие свойства стали, увеличивается ее сопротивление отры­ ву и, следовательно, снижается порог хладноломкости [31].

21

При температурах ниже рекристаллизации в результате плас­ тической деформации создается большая, но неоднородная плотность дислокаций. В процессе дальнейшей обработки дислокационная сетка не регулярна. Повышение температу­ ры деформации позволяет упорядочить дислокационную структуру, увеличить степень ее совершенства. Аналогйчные результаты дали опытные плавки хромомарганцевокремни­ стой стали с 0,29—0,58% С [33] и стали Х5М2СФ [32]. Наи­ более благоприятно влияет на характеристики ударной вяз­ кости и пластичности сталей высокотемпературная ТМО. Низ­ котемпературная ТМО на эти свойства сталей влияет слабо.

Ряд исследователей [34, 35] установили отрицательное влияние ММТО на хладостойкость стали. Д. С. Казарнов­ ский [36], изучая влияние предварительного деформирования растяжением на ударную вязкость образцов из мартеновской стали с 0,56—0,68% С, установил понижение ап в два раза при комнатной температуре. Изучена [35] ударная вязкость

ной углеродистой стали, а критическая температура хрупко­ сти сдвигается на 25° в сторону более высоких температур. Однако следует отметить низкие значения ударной вязкости исследованных ими сталей даже при положительных темпе­ ратурах как после отжига, так и после МТО и ММТО. Как следствие этого полученные значения ап при одинаковых тем­ пературах для разных состояний сталей находятся в преде­ лах разброса, получаемого при одном ударном испытании. Так, при температуре +20° С все результаты расположены в зоне от 0,8 до 3 кГ/см2 для всех трех состояний стали. С дру­ гой стороны, Блюменауэр [37], исследуя влияние деформа­ ции растяжением на 10% и старения при 250°С в течение часа на хладостойкость спокойной мартеновской стали, уста­ новил понижение критической температуры хрупкости и тем самым подтвердил положительное влияние деформационно­ го старения на склонность стали к хладноломкости.

Таким образом, наиболее благоприятное влияние на ха­ рактеристики пластичности и склонность сталей к хрупкому разрушению оказывает высокотемпературная термомехани­ ческая обработка. Для конкретной марки стали необходимо подбирать оптимальный режим ТМО: температуру и степень деформации. За критерий можно принять параметр и уро­ вень ударной вязкости при очень остром надрезе. Следует отметить, что недостаточно освещено изменение критерия Ирвина и показателей ударной вязкости при разных видах упрочняющих обработок в зависимости от понижения темпе­ ратуры, что, на наш взгляд, весьма важно при выборе опти­ мального режима ТМО и МТО.

22

ВЫБОР РЕЖИМА ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Для выбора оптимального режима термомеханической об­ работки, способствующей повышению хладостойкости, нами проводились исследования на сталях Ст. 3 и Ст. 5. Выбор этих марок сталей объясняется их широким применением в строительных конструкциях и технике, используемых в условиях Севера. Химический состав и механические харак­ теристики исследуемых сталей приводятся в табл. 2, 3.

Т а б л и ц а 2

Химический состав сталей Ст. 3 и Ст. 5 (ГОСТ 380—60)

на процесс создания дислокационной структуры и ее термо­ механическую стабилизацию. Отжиг придает всем исследуе­ мым образцам одинаковое структурное состояние.

Для сокращения объема экспериментальных работ при­ менялись в основном те режимы, которые, по литературным данным, должны привести к наиболее благоприятным струк­ турным состояниям с целью достижения наилучшего сочета­ ния прочности, пластичности и ударной вязкости. Для стали Ст. 3 проводились следующие обработки.

1. Механико-термическая обработка (МТО) по методике ИМЕТ: а) растяжение при комнатной температуре до конца площадки текучести; б) выдержка в разгруженном состоя­ нии в электропечи при температуре ,+100° С в течение 20 ч.

23