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

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

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, %

/\., 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