книги / Хладноломкость металлоконструкций и деталей машин
..pdfИспытания проводились на растяжение и ударную вязкостьпри различных отрицательных температурах. Растяжение про водили на гагаринских образцах 0 6 мм. При этом были созданы условия, в различной степени усложняющие характер деформа ции, а именно: одна партия образцов испытывалась с перекосом 12°, вторая — с надрезом у головки образца, но без перекоса и третья партия с надрезом у головки образца и перекосом 12°, в результате чего одновременно с растяжением в надрезе проис ходил изгиб. Надрез был сделан на расстоянии 10 мм от головки. Радиус закругления надреза 0,1 мм, глубина 0,5 мм. Испыта ния проводились на машине ИМ-4А. Перекос создавался за счет специального вкладыша под верхней головкой образца с углом 12°
Пределы прочности и текучести определяли из диаграммы, записанной на машине.
При вычислении относительного удлинения в надрезе из меряли ширину надреза на поверхности образца до и после испытания; при определении относительного сужения измерял ся диаметр образца в надрезе до и после испытания. Измерение проводили с помощью инструментального микроскопа, позво ляющего отсчитывать размер с точностью до 0,01 мм.
Образцы испытывали в специальном термостате с реверсо ром, куда заливался авиационный бензин. Бензин и образец охлаждали сухим льдом или жидким азотом. Температуру из меряли термопарой медь — константан.
При испытании на ударную вязкость использовали образцы с надрезом Менаже.
Ударные образцы так же охлаждали до заданной темпера туры, как и образцы, предназначенные для испытаний на рас тяжение. Перенос образцов на опоры копра МК-30 и испытание их длилось 3—5 сек. За это время образец нагревался на 5— 10° С согласно ГОСТ 9455—60. В связи с этим образцы охлаж дались на соответствующее количество градусов ниже намечен ной температуры испытания.
Результаты испытания
Результаты механических испытаний на растяжение пред ставлены в таблице, где указаны средние значения 2—3 опытов, проведенных в одинаковых условиях. Из этих результатов вид но, что как термическая обработка, так и условия испытания (надрез и перекос) оказывают существенное влияние на свойства прочности и пластичности при отрицательных температурах.
При испытании образцов на растяжение с перекосом 12°,
|
|
Испытания (5сз надреза с |
Испытания с |
надрезом |
||||
|
Темпера |
перекосом ]2°, 0.19% С |
без перекоса* 0,19% С |
|||||
Режим |
|
|
|
|
|
% 1 4>. % |
||
термической |
тура ис |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|||
пытания, |
"в, |
а у* |
6. |
|
аь, |
|
||
обработки |
0/ |
|
||||||
°С |
» надрезе |
|||||||
|
кгс/мм2 кгс/мм2 |
% |
кгс/мм2 |
В СОСТОЯНИИ
поставки
После
закалки с 900э
После Оо1\а«/Ни1чякя глеи рЬ
900°
IIЛТПНЛ1/П
ио 1 пуска
600ЭС
•’г 20 |
38 |
23 |
40 |
70 |
49 |
150 |
46 |
— 30 |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— 70 |
47 |
36 |
38 |
69 |
62 |
87 |
28 |
— 85 |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— 100 |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— 120 |
54 |
48 |
38 |
65 |
87 |
81 |
17 |
— 196 |
34 |
34 |
0 |
0 |
99 |
9 |
1 |
"г 20 |
48 |
34 |
27 |
77 |
70 |
27 |
36 |
— 30 |
— |
— |
— |
— |
84 |
— |
30 |
— 70 |
56 |
44 |
28 |
74 |
82 |
28 |
31 |
— 120 |
71 |
66 |
24 |
66 |
108 |
24 |
14 |
— 150 |
— |
— |
— |
— |
— |
■— |
— |
— 196 |
99 |
98 |
11 |
33 |
142 |
11 |
2 |
— 196 |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
+ 2 0 |
48 |
32 |
35 |
75 |
— |
— |
— |
—30 |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
—70 |
58 |
45 |
40 |
72 |
— |
— |
— |
— 120 |
65 |
61 |
35 |
66 |
|
_ |
|
— 196 |
93 |
90 |
28 |
61 |
109 |
16 |
1 |
— 196 |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
Испытания с надрезом и перекосом 12°
|
°ь, |
|
6.% |
|
Ф.% |
кгс/мм2 |
|
о надрезе |
|||
|
|
|
|||
о ^ а? о |
0.12 |
0,19 |
0.12 |
0,19 |
|
% с |
% с |
% с |
% |
с |
|
49 |
50 |
150 |
192 |
44 |
|
62 |
60 |
138 |
189 |
37 |
|
66 |
60 |
95 |
143 |
28 |
|
74 |
— |
107 |
— |
31 |
|
69 |
— |
74 |
__ |
22 |
|
17 |
68 |
14 |
19 |
|
0 |
16 |
11 |
11 |
0 |
|
0 |
73 |
63 |
134 |
146 |
1 |
36 |
73 |
71 |
137 |
164 |
|
26 |
83 |
76 |
106 |
ИЗ |
|
35 |
92 |
91 |
87 |
65 |
|
26 |
107 |
— |
37 |
— |
|
18 |
31 |
19 • |
10 |
0 |
|
1 |
91* |
127** |
2* |
0** |
|
0* |
62 |
56 |
138 |
221 |
|
39 |
67 |
62 |
141 |
193 |
|
37 |
73 |
68 |
117 |
- 179 |
|
29 ' |
89 |
79 |
56 |
102 |
|
17 |
23 |
19 |
14 |
0 |
|
4 |
— |
105** |
— |
0 ** |
|
— |
0,12 % с
40
36
37
—
—
9
0
38
38
33
23
—
0
0**
52
47
42
29
0
0**
♦Образец с надрезом, перекос 5°.
♦♦ То же, без перекоса.
но без надреза удается выявить существенное влияние термичес кой обработки на повышение свойств прочности, а также заметить переход стали без термической обработки в хрупкое состояние.
Предел прочности при температуре испытания -1-20° после термической обработки увеличивается примерно на 25%. Пре дел текучести в этом случае увеличивается на 40—45%.
С понижением температуры испытания происходит сущест венное увеличение пределов прочности и текучести. У термичес ки обработанной стали (закаленной с 900° и закаленной с 900° и отпущенной при 600°) предел прочности при температуре
—196° почти в 2 раза больше предела прочности при комнат ной температуре. Предел текучести в этом случае увеличивается почти в 3 раза.
Сталь без термической обработки (в состоянии поставки) при низких температурах ведет себя значительно хуже. До темпе ратуры — 120° происходит некоторое увеличение прочности, а при дальнейшем понижении температуры прочность сильно падает, что может быть связано с резким понижением пластич ности (относительного удлинения и сужения) в этом интервале температур.
Испытания на растяжение с надрезом без перекоса показа ли, что при понижении температуры от -г20 до —196° предел прочности увеличивается почти в 2 раза, как у стали в состоя нии поставки, так и после закалки с 900°.
Пластичность в надрезе очень резко уменьшается с пониже нием температуры. Закалка с 900° в данных условиях испытания существенного влияния на пластичность в надрезе не оказывала.
Особенно сильно влияние термической обработки и темпера туры на свойства прочности и пластичности сказывается при испытании на растяжение с надрезом и перекосом (наиболее сложные условия деформации при статических испытаниях).
При обычной температуре + 2 0 ° закалка сильно повышает предел прочности и очень слабо уменьшает пластичность.
Отпуск при 600° несколько снижает предел прочности и повышает пластичность. Однако общее изменение свойств при отпуске невелико.
Сравнение свойств после закалки и отпуска с свойствами в исходном состоянии показывает, что предел прочности сохра няет повышенное значение, а пластичность практически не из меняется.
При понижении температуры испытания для образцов с над резом и перекосом во всех состояниях удалось обнаружить пере ход в хрупкое состояние и резкое понижение предела прочности. Однако для исходного состояния (без термической обработки)
Изменение ударной вязкости в зависимости от температуры испытания стали марки Ст.Зкп (0,19% С):
а — в состояннл поставки; б — после закалки с 900°С; о — после закалки с 900е я отпуска 600°С; г—для стали марки Ст. Зкп с содержанием углерода 0,12% в состоянии поставки; д — после закалки с 900°С; е — после закалки с 900° и отпуска 600°С.
предел прочности увеличивается при понижении температуры до —85°. Заметное уменьшение пластичности начинается с —30° При — 100° наблюдается слабое уменьшение предела проч ности, а при —120° предел прочности и характеристики пластич-
й о с т и уменьшаются в несколько раз. При —196° металл пол ностью переходит в хрупкое состояние.
Закалка стали, а также закалка с отпуском существенно по нижают температуру перехода в хрупкое состояние. До темпе ратуры испытания —120 ---- 150° пределы прочности увеличи ваются, заметное снижение пластичности начинается от —70°. При температуре испытания —196° наблюдается резкое сни жение пределов прочности, которые все же сохраняю! более высокое значение, чем у стали в исходном состоянии, и почти полное отсутствие пластичности.
Испытания с надрезом и перекосом показывают, что темпе ратура перехода стали в хрупкое состояние (начало заметного снижения относительного удлинения и сужения) очень близка по своему значению к температуре перехода в хрупкое состоя
ние |
при |
динамических испытаниях. |
На рисунке приведены результаты испытаний на ударную |
||
вязкость |
при температурах от -г20 до —120° С. |
|
У стали в состоянии поставки (без термической обработки) |
||
переход |
в хрупкое состояние начинается при температурах |
|
—10 |
---- 20° С. Сталь переходит полностью в хрупкое состоя |
|
ние |
при |
—40 ---- 50°С. |
Для стали, прошедшей закалку, а также закалку с отпуском, |
температура начала перехода в хрупкое состояние примерно одинакова и равна —60 ---- 70°С. Сталь переходит полностью в хрупкое состояние при —85 ---- 100°С.
Содержание углерода в стали (в исследованных пределах) существенного влияния на температуру перехода в хрупкое со стояние и на величину ударной вязкости при низких темпера турах не оказывает.
Характер излома образцов при испытании на ударную вяз кость существенно изменялся с понижением температуры ис пытания.
У образцов в исходном состоянии вязкий — волокнистый излом сохранялся до —20° С. При —30° и ниже появлялся крис таллический характер излома, что соответствовало началу пере хода в хрупкое состояние. С дальнейшим понижением темпера туры площадь участков с волокнистым изломом резко умень шалась.
Образцы из стали в закаленном состоянии, а также после за калки и высокого отпуска при —60° еще имели волокнистый из лом. В интервале температур —60 ---- 100° часть образцов име ла волокнистый излом, а часть кристаллический. У образцов с волокнистым изломом значение ударной вязкости в этом интер
вале температур было высоким, а у образцов с кристаллическим изломом — низким.
При температуре ниже —100° С все образцы имели хрупкий кристаллический излом.
На образцах Менаже после испытания их на ударную вяз кость измерялась твердость по Бринелю шариком 0 5 мм. Ниже
приведены результаты измерения |
твердости. |
Режим термической обработки |
ИВ 5/750 |
В состоянии поставки . |
119— 131 |
После закалки с 900°С |
156 — 170 |
То же, и отпуска 600°С |
140 — 150 |
Изучение микроструктуры показало, что термически не об работанная сталь имеет сравнительно мелкие зерна феррита и перлита. После закалки и после закалки и отпуска сталь по своей структуре практически одинакова (при увеличении в 600 раз), состоит из мелких зерен феррита и участков сорбита. Гра ницы между ферритом и сорбитом сильно размыты, что явля ется положительным фактором.
В ыв о д ы
Испытания стали Ст. Зкп на растяжение в различных услови ях и на ударную вязкость после различной термической обработ ки показали, что термическая обработка оказывает существен ное влияние на механические свойства как при комнатной, так и при низких температурах. При всех видах испытаний терми ческая обработка увеличивает предел прочности при комнат ной температуре на 20.—30%, а предел текучести на 40—50%.
Наиболее сильно повышает предел прочности и текучести закалка с 900° в воде без отпуска. Термическая обработка оказы вает очень сильное влияние на пластичность и вязкость при низких температурах.
После закалки температурный интервал перехода стали в хрупкое состояние сдвигается примерно на 50° в сторону низких температур, что обеспечивает высокую ударную вязкость при температурах —60 ---- 70°С.
По литературным данным 16—81 низколегированные стали и даже низкоуглеродистые стали с 3—4% № в прокатанном со стоянии имеют предел текучести 30—35 кгс/мм* и предел проч ности 55 — 65 кгс/мм2 и, следовательно, по этим свойствам мало отличаются от термически обработанной стали Ст. Зкп.
Пластичность и вязкость низколегированных и никелевых сталей в прокатанном состоянии при + 2 0 ° практически не пре
вышает соответствующих свойств термически обработанной ста ли Ст. Зкп.
Температура начала заметного снижения ударной вязкости в низколегированных и никелевых сталях, применяемых без тер мической обработки, равна —40 ---- 80° и, следовательно, ма ло отличается от соответствующей температуры для термически обработанной стали Ст. Зкп.
Термическое улучшение позволяет снизить температуру на чала перехода в хрупкое состояние низколегированной стали до —80 -г — 100° С, а никелевой стали с 3—4% № еще ниже. Вследствие этого легированные стали после термического улуч шения имеют существенное преимущество по сравнению с тер мически улучшенной сталью Ст. Зкп.
Это дает основание рекомендовать применение закаленной стали Ст. Зкп вместо низколегированных сталей там, где они использую гея в настоящее время в прокатанном состоянии (без термической обработки).
Стоимость одной тонны закаленной стали Ст. Зкп примерно на 19 руб. меньше стоимости стали НЛ2 [5].
При использовании термически обработанной стали Ст. Зкп взамен той же стали без термической обработки за счет повыше ния свойств прочности достигается экономия в расходе стали порядка 20%, которая соответствует снижению стоимости кон
струкции примерно |
на |
10%. |
1. Закалка стали |
Ст. |
Зкп существенно повышает ее проч |
ность как при комнатной, так и при низких температурах, не
вызывая |
при этом существенного снижения пластичности. |
2. В |
результате закалки пластичность и вязкость стали при |
отрицательных температурах значительно увеличиваются (тем пературный интервал перехода в хрупкое состояние сдвигает ся примерно на 50° в сторону низких температур).
3. Отпуск закаленных изделий сечением выше 20 мм не обя зателен, так как не даст существенного преимущества в ме ханических свойствах.
4. Механические свойства стали Ст. Зкп в закаленном со стоянии приближаются по своему значению к механическим свой ствам низколегированных и даже среднелегированных сталей,
применяемых без |
термической |
обработки. |
|
|||
|
|
Л И Т Е Р А Т У Р А |
|
|||
1. К. В. |
П о п о в . |
Влияние термической обработки |
на склонность стали |
|||
к хладноломкости. — Тр. |
Восп.-Сиб. фил. АН СССР, вып. 6, 1957. |
|||||
2. М. В. П р и д а н и е в, А. А. Б а т ь , |
Л. И. Г л а д ш т е й н в |
|||||
•X. Ш. |
Л е в и и з о н. |
Термически |
обработанная |
сталь марки Ст. Зкп |
||
для строительных |
конструкций.— Сталь, |
1958, № |
5. |
3. |
3. |
Н. |
К р а с и л ь щ и к о в , |
Н. В. |
Шми д т , |
Е. Н. |
Ш в а ч, |
|||||
|
Н. Г. |
П а в л е н к о , |
С. |
Е. |
Н е ч е п у р е и к о. |
Термическое упро |
||||||
4. |
чнение |
незакаливающейся |
углеродистой |
стали. Судпромгиз, |
1960. |
|||||||
О. Л. |
П е т р о в . |
Термическая обработка конструкционных малоуглеро |
||||||||||
5. |
дистых |
сталей. — Сталь, |
1959, |
№ |
1. |
|
Л. И. |
Г л а д ш т е й и, |
||||
М. |
В. |
П р и д а н ц е в, |
А. |
А. |
Б а т ь, |
|||||||
|
X. Ш. |
Л е в и н з о н. |
Закаленная сталь марки Ст. Зкп — новый перс |
|||||||||
|
пективный материал для |
стальных |
конструкций. — Строительная про |
|||||||||
6. |
мышленность, 1958, |
№ |
2. |
|
|
|
|
|
|
|
||
А. П. |
Т у л я к о в . |
К |
вопросу о хрупкости металлов при низких тем |
|||||||||
|
пературах. — Металлург, |
1938, |
№ |
7—8. |
|
|
|
|
7. И. И. Г е л ь п е р и н , Г. М. З е л и н с к и й , Л. Л. Р а п п о п о р т . Справочник по разделению газовых смесей методом глубокого охлажде ния. ГХИ. 1953.
3. В. Г. С а в и ц к и й , К. В. П о п о в , В. Ф. З а х а р о в , Г. М. Г ри т о р ь е в а. Влияние легирования малоуглеродистой стали хромом и марганцем на ее склонность к хрупкому разрушению. — Металловедение и термическая обработка, 1959, .№ 9.
Ю. я. М А С Л О В А ,
В. А . Б О Ч А Р О В , Т . А . К О Р О С Т О В Ц Е В А
ВЛИЯНИЕ ХРОМА, МАРГАНЦА И РЕЖИМОВ ТЕРМООБРАБОТКИ
НА ХЛАДНОЛОМКОСТЬ СТАЛИ МАРКИ ЗОХ2ГН2
Изучение хладноломкости проводилось на среднелегирован ной литой стали марки 30Х2ГН2 методом определения величины
ударной вязкости на |
образцах типа |
Менаже размером |
10 X |
X 10 X 55 мм при |
температурах |
испытания +20, |
—20, |
—40, —60° С и работы статического изгиба на образцах разме
ром 10 X |
10 X 55 мм с |
угловым |
надрезом |
(угол раскрытия |
|
60°, глубина надреза 2 мм, |
г = 0,2 |
мм) при |
температурах ис |
||
пытания —20, —40, —60, —80° С. |
|
|
|||
Сталь |
выплавлялась |
в |
75-тонной основной мартеновской |
печи.
Удельную работу деформации при статическом изгибе опре деляли методом планиметрирования площадей диаграмм, полу ченных при испытании образцов на 12-тонной машине ЦНИИТМАШ.
Анализируя результаты испытания на статический изгиб, определяли величину удельной работы отдельных участков диаграммы изгиба и наличие кристаллической составляющей в изломах образцов.
I. Скорость нагружения и ударная вязкость
Как известно, надежность работы металла при низких тем пературах или при больших скоростях нагружения (при ударе) характеризуется главным образом склонностью к хрупкому раз рушению.
|
|
|
Мы сопоставили нагру |
|||||
|
|
жение деталей |
при |
боль |
||||
|
|
ших ударных скоростях со |
||||||
|
|
значением величины |
удар |
|||||
|
|
ной вязкости. Испытуемые |
||||||
|
|
детали были разделены на |
||||||
|
|
две группы: к I группе от |
||||||
|
|
несли |
детали, |
выдержав |
||||
|
|
шие нагружение |
без |
раз |
||||
|
|
рушения |
при |
|
больших |
|||
|
|
скоростях, |
и ко |
|
II |
груп |
||
|
|
пе — детали, разрушивши |
||||||
|
|
еся |
при низких скоростях |
|||||
|
Л деталей |
нагружения. |
|
|
|
|||
|
|
На рис. |
1 представлено |
|||||
Рис. 1. |
Ударная вязкость деталей 1л II |
|
||||||
изменение |
величины удар |
|||||||
групп |
(I группа — выдержали нагрузку |
ной вязкости при темпера |
||||||
при максимальной скорости, II группа — |
турах |
+ 2 0 |
и —60° С для |
|||||
не выдержали нагрузки при минимальной |
||||||||
|
скорости) |
деталей обеих групп. |
Как |
|||||
|
|
видно |
из |
графика, |
если |
|||
при температуре + 2 0 ° С значения |
ударной вязкости |
для |
дета |
|||||
лей I и II групп несильно отличаются |
по |
величине, |
то |
при |
||||
— 60° С величина ударной вязкости |
для |
деталей |
I группы зна |
чительно выше.
Таким образом, склонность исследуемой стали к хладнолом кости, определенная по величине ударной вязкости при темпера туре —60° С, может характеризовать прочность и надежность конструкций, работающих на удар при больших скоростях на гружения.
II.Влияние Сг и М п
Практика показала, что в изломах конструкционных дета лей, изготовленных из плавок, выплавленных на верхнем пределе по Сг и Мп, наблюдается большое количество кристалличес кой сыпи. Проводилось исследование влияния Сг и Мп на хлад ноломкость стали путем определения величины ударной вязкос ти образцов, изготовленных из деталей.
На рис. 2, 3 представлено изменение величины ударной вяз кости и количество волокнистой составляющей в ударных об разцах для плавок с разным содержанием Сг и Мп. Как видно из графиков, с увеличением содержания Сг и Мп величина удар ной вязкости падает и увеличивается в изломах ударных образ цов количество кристаллической составляющей.