Файл: Термопластическое упрочнение конструкционных сталей, работающих при низких температурах..pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 30.10.2024
Просмотров: 47
Скачиваний: 0
Показано, что высокое значение работы зарождения тре щины может определять достаточную хладостойкость метал ла [43], тем самым испытания образцов Менаже предостав ляют необходимые гарантии от хрупкого разрушения. Другие исследователи [44—46] утверждают, что оценка склонности к хладноломкости по испытаниям на образцах Менаже не от вечает действительным условиям процесса хрупкого разру шения, и предлагают производить оценку по виду излома образцов, связывая это с тем, что работа распространения трещины является характеристикой вязкой составляющей разрушения. При этом определение переходной температуры хрупкости по виду излома считается достаточным критерием для оценки сопротивляемости хрупкому разрушению.
Однако в результате многочисленных исследований было установлено, что подобный подход к оценке хрупкости метал лов требует дифференцирования материалов на высокопроч ные и малопрочные. Применительно к высокопрочным сплавам необходимость дополнительных экспериментальных исследо ваний подтверждается тем фактом, что при высоких значени ях ударной вязкости составляющая работы распространения трещины ничтожно мала по сравнению с работой зарождения, вследствие чего определение доли вязкой составляющей зна чительно затрудняется.
Следует отметить весьма существенную субъективность оценки процента вязкой составляющей в изломе. В этой свя зи представляют интерес работы Гриффитса — Ирвина, по ложившие начало интенсивному развитию теории линейной механики разрушения. На основе анализа поля напряжения в районе трещины Ирвин [49] предложил в качестве крите риев относительное локальное повышение растягивающего напряжения у ведущего конца трещины К\ и энергию рас пространения трещины при увеличении ее на единицу длины G1С. Вычисление коэффициента интенсивности напряжений К\ в вершине острой трещины предполагает наличие в ма териале трещины или других дефектов. Коэффициент К\е определяется в момент перехода процесса разрушения на не стабильную, лавинообразную стадию. По значениям крите риев Ки и G\c можно предсказать критический размер тре щины для данного рабочего напряжения. По изменению па раметров Gic или Ки при понижении температуры можно определить критическую температуру хрупкости стали, кото рая характеризует работоспособность последней при наибо лее жестких режимах эксплуатации.
Параметр Ки определяют на плоских образцах с полуэллиптической или усталостной трещиной или с одним боковым
надрезом |
[48]. В последнем случае Ки определяется |
по |
формуле |
_ |
(5) |
|
К и ^ о , ш < у » У Д , |
30
где On — номинальное разрушающее напряжение; Д — на ружный диаметр образца; Ко — коэффициент, зависящий от формы образца и геометрии надреза (для образцов с доста точно острым надрезом из материалов, у которых oN не пре вышает ат более чем на 10%, /Со=0,414).
По данным [29], критерий Ирвина Ки можно принять для выбора оптимального режима ТМО.
В работе [50] предлагается определять возможность хруп кого разрушения деталей и узлов сравнением вычисленных коэффициентов интенсивности напряжений Ки в условиях плоской деформации. Подтверждается, что испытания на ударную вязкость на образцах IV типа дают достаточно объективную оценку склонности материалов к хрупкому раз рушению и позволяют переходить к количественным крите риям для расчета критических размеров дефектов, существу ющих или предполагаемых на деталях конструкций.
Данные [48] показывают, что оценка работоспособности материала по критерию Ирвина Ки и изменению ударной вязкости в зависимости от температуры являются наиболее жесткими отборочными испытаниями по сравнению с други ми методами оценки склонности стали к хрупкому разруше нию и, следовательно, могут служить достаточной гарантией высокой работоспособности материала при низких темпера
турах. |
Поэтому оценка склонности упрочненных сталей Ст. 3 |
и Ст. |
5 к хрупкому разрушению производилась нами по изме |
нению критерия Ирвина Ки и ударной вязкости с понижени ем температуры.
Критерий Ирвина Ки определялся при комнатной темпе
ратуре для всех состояний сталей Ст. 3 |
и Ст. Б и в диапазо |
не температур от +20 до — 100° С для |
состояний поставки и |
упрочненных состояний, имеющих наиболее высокие показа тели ударной вязкости. Образцы имели весьма острый над рез радиусом R = 0,025 мм (см. рис. 8) и отношение площади сечения в месте надреза к площади сечения тела образца один к двум.
Ударная вязкость определялась в диапазоне температур
от комнатной до — 100° С на маятниковом копре МК-30 |
(об |
разцы круглые с надрезами R= 1 мм и i? = 0,025 мм) |
(см. |
рис. 8). Возможность применения круглых образцов взамен стандартных доказана работами И. В. Кудрявцева, М. С. Блудорова [50] и М. Темери [51]. С целью выбора оптимально го соотношения наружного и внутреннего диаметров образцов нами проведены серийные ударные испытания на стандарт ных образцах типа I, ГОСТ 9454—60 и круглых образцах. Результаты ударных испытаний, идентичные со стандартны ми, получаются при наружном диаметре D — 11,3 мм и глу бине надреза 1,5 с /?== 1 мм и =0,025 мм для всех состоя ний исследуемых сталей.
31
Критическая температура хрупкости определялась по зоне резкого падения значений ударной вязкости при понижении температуры; если ударная вязкость падала плавно, без за метных зон перепада ее значений при понижении температу ры,— по уровню ударной вязкости 3 кГм/см2, так как такой критерий в настоящее время получил наибольшее распрост ранение при оценке хладноломкости сталей [52].
ХЛАДОСТОЙКОСТЬ СТАЛЕЙ СТ. 3 И СТ. 5 ПОСЛЕ ТЕРМОПЛАСТИЧЕСКОГО УПРОЧНЕНИЯ
СТАЛЬ СТ. 3
Состояние поставки. Характеристики прочности и .пластич ности (ов, gx, + 6) приводятся в табл. 4. Материал весьма пластичен, однако при понижении температуры (с +20 до
— 114° С) происходит заметное упрочнение: временное сопро тивление ов возрастает в 1,5 раза, а предел текучести от—-в 2,5 раза (рис. 11). При этом характеристики пластичности — относительное сужение и относительное удлинение — пада ют, а ниже — 50° С интенсивность снижения пластичности
<эв бт,кГ/мм2-
Рис. 11. Зависимость прочностных свойств стали Ст. 3 от температуры.
---------- временное сопротивление; — •— предел текучести; / — состояние поставки; 2 — однократная MTO; 3 — мно гократная MTO.
32
увеличивается |
|
(рис. 12). |
|
|
|
|
|
|
||||||
При |
— 114° С |
происходит |
|
|
|
|
|
|
||||||
полное |
|
хрупкое |
раз |
|
|
|
|
|
|
|||||
рушение. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Уменьшение прочности |
|
|
|
|
|
|
||||||||
при |
|
— 183° С |
|
до |
57,5 |
|
|
|
|
|
|
|||
кГ/мм2, вероятно, |
объяс |
|
|
|
|
|
|
|||||||
няется |
легкостью |
проте |
|
|
|
|
|
|
||||||
кания |
разрушения |
ско |
|
|
|
|
|
|
||||||
лом, связанногос механи |
|
|
|
|
|
|
||||||||
ческим |
|
двойникованием, |
|
|
|
|
|
|
||||||
так |
как |
степень развития |
|
|
|
|
|
|
||||||
его |
существенно |
возрас |
|
|
|
|
|
|
||||||
тает при понижении тем |
|
|
|
|
|
|
||||||||
пературы |
[6]. |
|
|
|
интен |
|
|
|
|
|
|
|||
Коэффициент |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
сивности напряжения Ки< |
|
|
|
|
|
|
||||||||
который |
при |
|
комнатной |
|
|
|
|
О |
|
|||||
температуре |
|
составляет |
-120 |
|
-АО |
+ 40 |
||||||||
85 кГ/мм3/2, |
с |
|
пониже |
|
|
|
|
|
•jп |
|||||
нием |
температуры |
пада |
Рис. 12. Изменение характеристик пла |
|||||||||||
ет, причем падение пара |
||||||||||||||
метра Ки возрастает пос |
стичности |
стали Ст. |
3 в зависимости от |
|||||||||||
|
|
температуры. |
|
|
||||||||||
ле —40° С |
(рис. |
13). При |
---------- |
относительное |
сужение; |
— •— •— от |
||||||||
понижении |
температуры |
носительное |
удлинение; |
1 — состояние |
постав |
|||||||||
ки; 2 — однократная MTO; 3 — многократная |
||||||||||||||
с —40 до ■—110° С пара |
|
|
MTO. |
|
|
|||||||||
метр |
К1с |
|
уменьшается |
|
|
|
|
|
|
почти вдвое, что указывает на уменьшение сопротивляемости
распространению трещины при низких температурах. |
||||
Ударная вязкость |
образцов |
с |
нормальным надрезом |
|
(рис. 14) |
значительно падает с понижением температуры, а в |
|||
интервале температур |
от —35 до |
—45° С наблюдается зона |
||
резкого |
падения ее значений. При |
комнатной температуре |
ударная вязкость составляет 10,0 кГм/см2, на границах верх
Л/с;лГ/ш?,7/'2 |
|
|
него и нижнего порогов име |
||||
|
|
|
ем |
значительный . |
разброс |
||
ЮО— |
V |
|
экспериментальных |
значе |
|||
|
|
|
ний ударной вязкости (от |
||||
|
|
|
0,8 до 3,7 кГ/см2). Критиче |
||||
|
V |
|
ская температура хрупкости |
||||
|
|
равна —35° С. |
|
|
|||
/ |
|
|
ма |
Материал |
показал весь |
||
-80 |
-40 |
О 20 |
высокую |
чувствитель |
|||
ность к концентраторам на |
|||||||
|
|
-Г- |
|||||
|
|
|
пряжений, что |
наблюдается |
|||
Рис. 13. Изменение критерия Ирвина |
при ударном испытании об |
||||||
разцов с остроугольным над |
|||||||
К\с стали Ст. 3 в зависимости от тем |
резом. При комнатной тем- |
||||||
пературы. |
|
||||||
1 — MTO при 500° С; 2 — состояние поставки. |
пературе ударная |
вязкость |
|||||
3 Заказ №133 |
|
|
|
|
|
33 |
ан,кГм/см:
Рис. 14. Зависимость ударной вязкости стали Ст. 3 от температуры!,
----------- образцы с надрезом R= 1 м м ; --------- - образцы с надрезом ^=0,025 мм, 1 — состояние поставки; 2 — отжиг; 3 — улучшение; 4 — однократная МТО; 5 — мно гократная мто.
таких образцов уменьшается более чем в три раза по срав нению с образцами с нормальным надрезом и составляет 3 кГм/см2. С понижением температуры ударная вязкость плавно падает и уже при —30° С приближается к нулевым значениям.
Из результатов экспериментов можно заключить, что сталь Ст. 3 в состоянии поставки обладает повышенной склон ностью к хрупкому разрушению, весьма чувствительна к концентраторам напряжений.
Отжиг. При отжиге исследуемой стали происходит неко торое разупрочнение (табл. 4) по сравнению с исходным сос тоянием, что связано с созданием в материале более крупных
зерен |
феррита и грубого строения |
пластинчатого |
перлита. |
||
Пластические |
свойства |
практически |
не изменяются. Пара |
||
метр |
К\с при |
комнатной |
температуре |
понижается |
на 10% |
(см. табл. 4), что говорит об охрупчивании материала. Это подтверждается и ударными испытаниями (см. рис. 14).
При нормальном надрезе ударная вязкость отожженных образцов при всех температурах (от +20 до —40° С) ста бильно ниже, чем образцов в состоянии поставки. Зона рез
кого |
падения ударной |
вязкости наблюдается в |
диапазоне от |
|
—20 |
до |
—30° С. Критическая температура хрупкости повы |
||
шается |
на 15° С, при |
комнатной температуре |
ударная вяз |
кость составляет 8,5 кГм/см2. В случае остроугольного надреза ударная вязкость отожженных образцов при комнатной тем-
34
|
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а 4 |
Механические характеристики различных состояний стали Ст. 3 |
|||||||
Состояние |
|
ав , кГ/мм2 |
ат. , кГ/мм'2 |
Ф, % |
|
6, % |
/\.1с, кГ/мм3/2 |
Состояние |
по |
43,5 |
26,5 |
59,5 |
|
27,5 |
85,0 |
ставки . |
. |
|
|||||
Отжиг . . |
. |
41,5 |
25,5 |
57,0 |
|
26,5 |
74,5 |
Улучшение |
|
52,0 |
35,5 |
56,5 |
|
23,0 |
87,5 |
МТО . . . |
. |
47,0 |
24,5 |
54,0 |
|
21,5 |
72,5 |
ммто „ . |
. |
51,5 |
— |
48,5 |
|
15,0 |
75,0 |
МТО-100 . |
. |
54,0 |
51,0 |
57,0 |
|
11,0 |
71,5 |
МТО-ЗОО . |
. |
53,0 |
50,0 |
56,0 |
|
9,0 |
76,5 |
МТО-500 . |
. |
60,5 |
46,5 |
59,0 |
|
16,5 |
112,5 |
ВТМО-700 . |
. |
52,5 |
41,2 |
59,0 |
. |
13,0 |
77,0 |
ВТМО-930 . |
. |
72,0 |
55,5 |
53,5 |
. |
9,0 |
73,5 |
ВТМО-930 |
|
62,5 |
30,0 |
57,0 |
|
12,5 |
84,5 |
с отпуском |
|
||||||
Сварное соеди |
|
|
|
|
|
105 |
|
нение |
|
— |
|
— |
|
— |
|
пературе |
составляет 5 |
кГм/см2 и плавно |
|
уменьшается при |
понижении температуры.
Улучшение способствует значительному упрочнению при сохранении определенного запаса пластичности (см.табл. 4). Предел текучести возрастает в 1,3 раза. Критерий Ирвина Ки повышается незначительно.
Ударная вязкость образцов с нормальным надрезом пос ле режима улучшения повышается по сравнению с состояни
ем постазки (см. рис. 14). Зона |
резкого падения значений |
|
ударной вязкости наблюдается |
в диапазоне |
температур от |
—45 до —55° С. При комнатной |
температуре |
ударная вяз |
кость составляет 11,0 кГм/см2, критическая температура хруп кости равна —45° С.
Чувствительность к острому надрезу несколько уменьша ется. Так, при остроугольном надрезе ударная вязкость при комнатной температуре составляет 7 кГм/см2 и плавно умень шается с понижением температуры. При этом ударная вяз кость стабильно выше, чем при отжиге и в состоянии поставки.
Механико-термическая обработка (МТО) способствует упрочнению стали Ст. 3, при этом пластичность падает (см. табл. 4). С понижением температуры прочность возрастает (см. рис. 11), а характеристики пластичности резко снижа ются, особенно при температурах ниже —40° С (см. рис. 11, 12). Критерий Ирвина Ки меньше, чем в исходном состоя нии, и составляет 72,5 кГ/мм3/2, т. е. меньше в 1,2 раза.
з* |
35 |