книги / Сопротивление материалов деформированию и разрушению. Ч. 1
.pdfРис. 2.24. Изменение температуры перехода из хрупкого состояния |
в |
пластич |
|||||||||
ные под действием кислорода (/), |
азота |
(2) и углерода (3) |
|
|
|
|
|||||
На рис. 2.23 показаны температурные зависимости относительного |
сужения |
||||||||||
поперечного сечения образца для хрома с различным содержанием углерода, |
азота, |
||||||||||
кислорода и серы [25]. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
На рис. 2.24 показано изменение критической температуры хрупкости для мо |
|||||||||||
либдена в зависимости от содержания кислорода, азота и углерода [136]. |
|
|
|||||||||
Т а б л и ц а |
2.11. |
Влияние способов выплавки на свойства сталей |
и сплавов |
||||||||
|
Способ |
Длительные испытания на разрыв |
Кратковременные испытания |
||||||||
Сплав |
|
а, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
выплав |
|
|
|
|
Tt К |
V |
|
|
|
||
|
ки * |
т. к |
МПа |
t, Ч |
Ô. % |
% |
с. % |
4». % |
|||
|
Л1Па |
||||||||||
ЭИ696М |
о д |
|
— |
|
_ |
|
293 |
•980 |
12 |
|
14 |
|
в д |
— |
— |
— |
— |
293 |
970 |
18 |
|
20 |
|
|
о д |
973 |
400 |
232 |
6,2 |
10 |
973“ |
— |
— |
|
— |
|
о д |
973 |
400 |
135** |
— |
— |
— |
— |
— |
|
— |
|
в д |
973 |
400 |
1500** |
— |
— |
—■ |
— |
— |
|
— |
|
о д |
1023 |
300 |
157 |
13 |
40 |
— |
— |
--- |
|
--- |
|
в д |
1023 |
300 |
176 |
23 |
52 |
— |
— |
— |
|
— |
ЭИ617 |
о д |
1123 |
200 |
82 |
3—5 |
8—12 |
1073 |
780 |
5,0 |
|
1<~ |
|
в д |
1123 |
200 |
105 |
6—12 12—25 |
1073 |
810 |
11 |
|
16 |
|
|
ЭШ |
1123 |
200 |
117 |
— |
— |
1073 |
810 |
7,4 |
|
14 |
|
ОИ |
1123 |
200 |
81 |
— |
— |
1073 |
с20 |
13 |
|
16 |
|
ВИ |
1123 ( |
200 |
99 |
— |
— |
•j/3 |
800 |
10 |
|
15 |
ЭИ929 |
ОИ |
1173 ' |
220 |
100— |
— |
— |
1073 |
850 |
5 |
|
11 |
|
ЭШ |
1173 |
220 |
175 |
— |
— |
1073 |
610 |
11 |
|
21 |
|
120 |
1073 |
850 |
8 |
|
12 |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
1073 |
620 |
18 |
|
26 |
ЭИ696М-Л |
ОИ |
1073 |
180 |
47 |
15 |
37 |
1173 |
900 |
7 |
|
13 |
|
ВИ |
1073 |
180 |
86 |
20 |
45 |
1173 |
900 |
16 |
|
24 |
* ОД — открытая дуговая плавка; ВД— вакуумный дуговой переплав; ЭШ — электрошл* ковый переплав; ОИ—открытая индукционная плавка; ВИ — вакуумная индукционная плавка
** Образцы с надрезом, радиус 0,10 мм.
Существенное влияние, хотя и менее заметное, чем для, рассмотренных выше тугоплавких металлов, оказывают примеси и на другие сплавы, в частности на жа ропрочные стали и сплавы. На'рис. 2.25 показано влияние различных методов вы плавки жаропрочного сплава на содержание в нем кислорода, азота и водорода. Из рисунка видно, что в зависимости от метода выплавки содержание вредных приме сей может существенно изменяться [175]. В табл. 2.11 приведены данные по влиянию способов выплавки на свойства некоторых сталей и сплавов [175].
Рис. 2.25. Влияние различных методов выплавки жаропрочного сплава на содержа ние в нем кислорода, азота и водорода:
1 — открытая дуговая печь; 2 — то же + вакуумная дуговая печь; 3 — индукционная ва куумная печь: 4 — двойной вакуумный переплав; 6 — открытая дуговая печь с последующей дегазацией в вакууме
Нестабильность свойств материала в процессе его производства и обработки мо жет проявляться также в разупрочнении, перестарении, образовании различных частиц выделений, образовании фаз, структурных превращений, что может сущест венно влиять на его работоспособность.
2.1.9. Экономичность производства материалов и изделий из них. Хотя это требование и не связано непосредственно со способностью материалов сопротивлять ся деформированию и разрушению, тем не менее во многих случаях, особенно при производстве массовой техники для народного хозяйства, это требование определяю щее при выборе тех или иных материалов, технологий их производства и обработки.
Ш
|
стали и сплавы; тугоплавкие металлы и спла |
|||||||||
|
вы; другие цветные сплавы. |
|
|
|
||||||
|
2.2.1. |
|
Стали. Стали, как и чугуны, явля |
|||||||
|
ются сплавами железа и углерода. Чугуны |
|||||||||
|
соответствуют более |
высоким |
процентным со |
|||||||
|
держаниям углерода |
(выше 2,11 %) в сплаве. |
||||||||
|
Для получения заданных |
свойств |
в |
сталь |
||||||
|
и чугун вводятся легирующие элементы. Из |
|||||||||
|
меняя содержание углерода и легирующих |
|||||||||
|
примесей в сталях, |
а |
также |
используя |
раз |
|||||
|
личные |
виды |
термической обработки, можно |
|||||||
|
получить различные структуры и фазовые |
|||||||||
|
состояния |
(феррит, |
аустенит, |
цементит, |
гра |
|||||
|
фит) в сталях, обеспечивающие большое раз |
|||||||||
|
нообразие |
их свойств, |
в том |
числе |
механи |
|||||
|
ческих. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Металловедению сталей посвящено много |
|||||||||
|
специальной литературы [35, 68, 126, 189]. |
|||||||||
|
Здесь приведены лишь некоторые примеры |
|||||||||
|
влияния состава и обработки на механические |
|||||||||
свойства сталей. На рис. 2.27 показано |
влияние |
углерода |
на |
механические |
||||||
свойства сталей |
[69], откуда видно, что увеличение углерода |
во всем |
рассмотренном |
|||||||
диапазоне приводит к снижению пластичности |
ô, ф и ударной вязкости KCV, к |
уве |
||||||||
личению твердости НВ и немонотонному изменению предела |
прочности |
сгв. |
||||||||
Первоначально |
предел прочности увеличивается |
с повышением |
содержания |
угле |
||||||
рода; начиная с содержания углерода около 1 % предел прочности уменьшается, что связано, очевидно, с увеличением роли структурных дефектов при уменьшении плас тичности.
На рис. 2.28 показано влияние фосфора на механические свойства технически чистого железа [69]. Присутствие фосфора, как и серы, а в некоторых случаях — азота, водорода, кислорода, приводит к резкому снижению пластичности и ударной вязкости, в связи с чем нежелательно. Наличие всех этих примесей, как правило, связано с невозможностью их полного исключения в процессе производства стали.
На рис. 2.29 показано влияние таких легирующих элементов, как марганец, кремний, никель, молибден, вольфрам, хром, на предел прочности (а), относитель ное удлинение (б) и удельную вязкость (<?) одной из фазовых составляющих стали— феррита [69]. Как видно из рисунка, влияние различных легирующих элементов на различные механические свойства феррита неоднозначно и в то же время весьма существенно. Комбинируя набором легирующих элементов и их содержанием, мож-
Рис. 2.28. Влияние фосфора на механические свойства (а), ударную вязкость и по рог хладноломкости (б) железа:
1 — 0,0008; 2 — 0,05; 3 — 0,124 % Р
но варьировать свойства сталей в широком диапазоне. Весьма существенно можно изменять механические свойства сталей, подвергая ее различным термическим обра боткам.
Втабл. 2.12 [85] приведены операции термической обработки и их назначение. Видно, какое большое разнообразие методов термической обработки сталей сущест вует в практике и как существенно можно влиять на свойства сталей этими методами.
Вкачестве примера на рис. 2.30 показано влияние температуры отпуска на ме
ханические свойства закаленной стали с 0,44 % С (а) и твердость стали |
с различ |
ным содержанием хрома (б) [69]. Из данных, приведенных на рис. 2.30, |
а, видно, |
что в результате выбора температуры отпуска после закалки можно изменять в ши роком диапазоне механические свойства сталей при такой общей закономерности, как снижение характеристик прочности и твердости и увеличение характеристик пластичности и ударной вязкости с увеличением температуры отпуска.
Существенное влияние на твердость, а также другие характеристики |
механи |
|
ческих свойств, соответствующих различным температурам отпуска, |
могут |
оказы |
вать легирующие элементы, в частности хром. Как видно из рис. 2.30, |
б, с увеличе |
|
нием содержания хрома снижается интенсивность уменьшения твердости при повы шении температуры отпуска.
В последние годы удалось получить весьма высокие характеристики прочности сталей путем термомеханической обработки, совмещающей интенсивный наклеп ма териала при высоких температурах и структурные превращения процесса быстрого охлаждения [44]. Различают высокотемпературную термомеханическую обработку
Т а б л и ц а 2.12. Классификация операций термической обработки стали
Операция |
Назначение |
Отжиг |
Снижение твердости и увеличение вязкости и пластич |
рекристаллизацион- |
|
ный |
ности холоднообработаиной (тянутой, катаной или |
|
штампованной) стали |
низкотемпературный Снятие внутренних напряжений, снижение твердости
полный |
Создание мелкозернистости, понижение твердости и по |
|
|
вышение вязкости (пластичности), снятие внутренних |
|
неполный |
напряжений |
проката н |
Для улучшения обрабатываемости резанием |
||
|
поковок. Применяется вместо полного отжига для |
|
изотермический |
заэвтектоидной стали |
легирован |
Для улучшения обрабатываемости резанием |
||
ной стали и сокращения длительности отжига. Устра нение внутренних напряжений
на зернистый цеменПонижение твердости и улучшение обрабатываемости тит инструментальной и шарикоподшипниковой стали
Закалка с самоотпуском
светлая
местная
поверхностная
ступенчатая
изотермическая
Отпуск
низкий
средний
высокий
Обработка холодом
Диффузионный отжиг
Нормализация
Высокая нормализация
Закалка при непрерывном
охлаждении (обыч ная закалка)
с подстуживанием
струйчатая в двух средах
Для уменьшения внутренних напряжений и замены по следующего низкого отпуска
Для предупреждения обезуглероживания, окисления и сохранения чистоты поверхности
Создание высокой твердости, где это требуется, и со хранение вязкости остальной части изделия
Создание твердой износостойкой поверхности Снижение внутренних напряжений и предупреждение
закалочных трещин и деформаций изделий Уменьшение термических и структурных напряжений,
предупреждение образования трещин, деформаций
Снижение внутренних напряжений, увеличение вязкости и уменьшение твердости изделий, получение заданной структуры и свойств
Снижение внутренних напряжений, сохранение высокой твердости и износостойкости
Снижение внутренних напряжений, повышение предела упругости и пластичности
Получение высокой вязкости и пластичности при доста точной прочности
Устранение остаточного аустенита для стабилизации размеров, повышение твердости и износостойкости Устранение химической неоднородности (ликвации) у
легированной стали Измельчение зерна, разрушение карбидной сетки и
подготовка к дальнейшим операциям термической обработки
Улучшение обрабатываемости резанием низкоуглеродистой легированной стали
Повышение прочности и твердости
Для снижения внутренних термических напряжений (по сравнению с полученными при обычной закалке)
Для повышения скорости охлаждения Для снижения структурных напряжений
Т а б л и ц а 2.13. Влияние НТМО на характеристики |
прочности и пластичности конструкционных материалов |
|
||||
Сталь |
стп, МПа |
(JQ2» МПа |
6. % |
Ф. % |
HRC |
KCV, К/, м/см2 |
50ХН4М * 37XH3A
40ХН5С открытой плавки *
40ХН5С вакуумной плавки из электролитических материалов *
42ХН5СМФ * 31ХН5С вакуумной плавки
ЗЗХН5С вакуумной плавки ЗОХНМА ЗОХГНА ЭИ 142 **
37XH3A * 40ХН7С * 50ХН4М *
42ХН5С открытой плавки * Конструкционная Конструкционная Е ЭИ961 (1Х12НВМФА) * * *
Хромистая ВНС6 * * •
35ХНЗМФА * * *
40Х5ВФ ***
1400/2600
1800/2450/2480
1930/2120
1390/1800
2030/2300
1730/2120
1800/2200
1800/2100
2100/2430
2550/3060
2080/2080
2380/2700
2400/2600
1850/2310
1330/2660
1800/2800/2900
1420/1800
1850/2200
1800/2700
1960/2680
1000/1750
—
1230/1710
_
1570/2050
1330/1580
1470/1950
1500/1800
1800/2280
—
1670/2360
1540/1860
1750/1750
1440/2050
1290/2000
1500/2200
—
—
150/2С,00
161/2500
♦Деформация ковкой (во всех остальных случаях — прокаткой)
**Деформация волочением проволоки диаметром 2 мм.
•** Деформация прокаткоЛ в несколько проходов
5/8 |
14/18 |
— |
2/3 |
|
|
|
|
3—4/4—7 |
23/20—25 |
50/52—54 |
— |
8/5 |
35/33 |
— |
— |
9/11 |
49/48 |
42/41 |
|
3/1,5 |
45/43 |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
10/5—7 |
38/20 |
— |
6,0/3,5 |
11/8 |
— |
— |
3,0/1,9 |
— |
— |
54/57 |
— |
6/4 |
— |
— |
— |
8,0/6,5 |
— |
— |
— |
6/8 |
9,18 |
— |
2/3 |
2,0/1,5 |
47/53 |
— |
|
0,5/5,8 |
— |
— |
- |
2,0/6,0 |
— |
59/60 |
0,5/3,0 |
— |
— |
46/50 |
5/7 |
— |
— |
49/57 |
4,5/5,5 |
10/11 |
41/38 |
51/58 |
6/5 |
14/9—10 |
42/30—32 |
51/60 |
6/4 |
I П р и м е ч а н и е . Перед косоП дано значение хар ктернстнки после стандартной обработки, после косой — после НТМО.
Рис. 2.31. Схема режима термомеханической обработки
(ВТМО), когда наклеп осуществляется при температуре выше порога рекристалли зации, и низкотемпературную (НТМО), когда деформация осуществляется в темпе ратурной области ниже порога рекристаллизации. Схематически режимы ВТМО и НТМО показаны на рис. 2.31, где М — температура мартенситного превращения; AL и А3 — температуры аустенитных превращений. Влияние НТМО и ВТМО на характеристики прочности и пластичности сталей по результатам обобщения лите ратурных данных, выполненного в работе [44], показано в табл. 2.13 и 2.14.
Используя большой арсенал методов формирования свойств сталей, в том числе механических, которые частично рассмотрены выше, в практике разработано ог ромное число сталей различных свойств и назначения, которые успешно использу ются в практике.
Вопрос классификации сталей является весьма сложным и неоднозначным. В ка честве основы такой классификации в одних случаях используется химический со став стали, в других — назначение стали и т. д. Не вдаваясь в подробности этого спе циального вопроса, приведем их классификацию (табл. 2.15) в соответствии со спра
вочником |
[157]. Для примера в табл. 2.16—2.19 приведены механические свойст |
|
ва углеродистой качественной стали |
[85], хромистых нержавеющих [86], подшипни |
|
ковых [86] и быстрорежущих сталей |
[86]. |
|
2.2.2. |
Сплавы алюминия. Некоторые физические свойства алюминия, магния |
|
и титана приведены в табл. 2.20 [66]. Особым преимуществом этих металлов, как от мечалось выше, является их низкая плотность. Температуры плавления у алюми ния и магния сравнительно низки, у титана — намного выше.
По данным работы [66], первый завод по производству алюминия был построен в 1854 г., магний начали выпускать в 1915 г., промышленный способ производства титана, используемый в настоящее время, разработан в 1937 г.
Механические свойства алюминия высокой частоты (ВЧ) и технического (Т) в нагартованном и отожженном состояниях приведены в табл. 2.21 [84], для кото
рых Е — 7,1 • 104 МПа, р, = 0,31, G = 2,7 • 104 МПа. |
Наиболее общая класси |
|
фикация алюминиевых сплавов заключается в их разделении на |
деформируемые, |
|
литейные, антифрикционные и порошковые материалы |
[157]. Основными легиру |
|
ющими элементами деформируемых сплавов являются медь, магний, |
марганец, цинк, |
|
кремний, а также титан, хром, бериллий, никель, цирконий, железо. Деформируемые сплавы подразделяются на неупрочняемые и упрочняемые термической обработкой.
Основные литейные |
алюминиевые сплавы базируются |
на системах |
А1 — Mg, |
||
Al — Si, AI — Cu, Al — Si — Си, |
Al — прочие компоненты (в том |
числе |
никель, |
||
цинк, железо). Высокая |
удельная |
прочность алюминиевых |
сплавов |
явилась осно |
|
вой использования этих сплавов в качестве конструкционных материалов, но прежде всего в авиационной и космической технике. Высокая теплопроводность, низкий мо дуль упругости, сравнительно высокая прочность при повышенных температурах,
|
низкая |
плотность выделяют |
алюминиевые |
||||||||
|
сплавы |
как |
перспективный |
материал |
|
для |
|||||
|
подшипников скольжения. |
|
|
|
|
||||||
|
Новыми конструкционными материа |
||||||||||
|
лами являются алюминиевые сплавы, из |
||||||||||
|
готавливаемые методами |
порошковой |
ме |
||||||||
|
таллургии,— спеченные |
алюминиевые |
по |
||||||||
|
рошок (САП) и сплав (САС). По сравнению |
||||||||||
|
с обычными |
алюминиевыми |
сплавами эти |
||||||||
|
материалы |
обладают |
повышенной |
проч |
|||||||
|
ностью при |
573...773 К и сохраняют свою |
|||||||||
|
прочность после длительных выдержек при |
||||||||||
|
773 К. Механические свойства САП |
опре |
|||||||||
|
деляются содержанием в нем оксида |
алю |
|||||||||
|
миния (А12Оэ). Свойства САС |
зависят от |
|||||||||
|
содержания в них Si, Ni и Fe, являющихся |
||||||||||
Рис. 2.32. Начальные участки диаграмм |
составными |
элементами |
мелкодисперсных |
||||||||
порошков, полученных распылением |
алю |
||||||||||
растяжения сплавов В95Т (а) и Д16АТН |
|||||||||||
миниевых сплавов с повышенным содер |
|||||||||||
(б) при комнатной и высоких темпера |
|||||||||||
жанием Si, Ni и Fe. |
|
|
|
|
|
|
|||||
турах |
|
|
|
|
|
|
|||||
Помимо |
высокой |
удельной |
прочности |
||||||||
|
|||||||||||
|
сплавов алюминия, о чем говорилось выше, |
||||||||||
к положительным свойствам ряда алюминиевых сплавов |
как |
конструкцион |
|||||||||
ных материалов, относятся хорошая коррозионная стойкость, |
высокая |
технологи |
|||||||||
ческая пластичность и сравнительно неплохая |
пластичность, |
особенно |
для дефор |
||||||||
мируемых сплавов, реализуемая в процессе |
|
разрушения, |
разнообразие |
меха |
|||||||
нических свойств сплавов различного состава и |
состояния. Особо следует отметить, |
||||||||||
что алюминиевые сплавы не подвержены охрупчиванию при отрицательных тем пературах.
В табл. 2.22 приведены химический состав и механические свойства некоторых
деформируемых алюминиевых сплавов после закалки и старения [69]. |
На рис. 2.32 |
|||||
Т а б л и ц а 2,15. |
Классификация сталей |
|
|
|
||
Сталь |
|
|
|
Группа сталей |
|
|
Углеродистая |
Обыкновенного |
качества для |
маталлоконструкций и |
|||
|
деталей машин |
|
|
|
||
|
Качественная |
конструкционная |
и.высокой |
обрабатывав? |
||
|
Конструкционная |
повышенной |
||||
|
мости резанием |
|
|
|
||
|
Рессорно-пружинная |
|
|
|||
|
Для |
холодной |
штамповки |
|
|
|
|
Для |
холодной |
высадки |
|
|
|
|
Для |
литых деталей машиностроения |
|
|||
|
‘Для котлостроения и сосудов, работающих под давле |
|||||
|
нием |
|
для мостостроения |
|
||
|
Конструкционная |
|
||||
|
Для |
армирования |
железобетонных конструкций |
|||
|
Свариваемая для |
судостроения |
|
|
||
|
Низколегированная |
|
|
|||
-Легированная |
Конструкционная |
|
|
|
||
|
Конструкционная повышенной и высокой обрабатывае |
|||||
|
мости резанием |
|
|
|
||
|
Рессорно-пружинная |
|
|
|||
|
Для холодного выдавливания и высадки |
|
||||
|
Для |
холодной штамповки |
|
|
||
|
Для |
подшипников |
|
|
||
|
Конструкционная |
литейная |
|
|
||
|
Литейная со специальными свойствами |
|
||||