О сопротивлении закаленных сталей изгибным нагрузкам

Углеродистые и низколегированные улучшаемые стали широко используются в машиностроении для изготовления деталей ответственных конструкций работающих в условиях действия нагрузок различного типа. Однако механические характеристики этих сталей ограничиваются значениями твердости и параметров, полученных в условиях растяжения, что не позволяет надежно прогнозировать конструктивную прочность материала.

В работе изучались свойства сталей 45 и 30ХГСА при действии статических изгибающих нагрузок, что давало возможность не только расширить знания об их сопротивлении такой схеме нагружения, но и одновременно исключить инструментальную ошибку возможную при испытаниях на растяжение материалов в охрупченном состоянии с одновременным выявлением элементов их пластичности, учитывая довольно высокое значение коэффициента мягкости испытаний такого типа, =2/3 [1].

= ,

где - максимальные касательные напряжения;

- наибольшее приведенное главное нормальное напряжение;

- наибольшее, наименьшее и среднее главные нормальные напряжения;

- коэффициент Пуассона.

Эксперименты проводились на цилиндрических образцах по схеме изгиба одной сосредоточенной силой (ГОСТ 2055-43).

Предел прочности при изгибе рассчитывался [2] как отношение изгибающего момента М=Р_оl/4 к моменту сопротивления сечения цилиндрического образца W=π , где Р – нагрузка; l – расстояние между опорами; - диаметр образца.

Результаты исследований с определением предела прочности при изгибе , стрелы прогиба ƒ и угла загиба β приведены в таблице.

Таблица

Сталь	Термообработка	, МПа	ƒ, мм	β, градус
45	Закалка в воду	2801	1,1	5
	Закалка в воду + отпуск 100оС	2445	0,44	2
	Закалка в воду + обработка холодом	1956	0,44	2
30 ХГСА	Закалка в воду	4482	2,2	10
	Закалка в воду + отпуск 100оС	4074	1,5	7
	Закалка в воду + обработка холодом	2448	0,44	2

Видно, что обе стали показали достаточно высокое сопротивление изгибным нагрузкам в закаленном состоянии, однако уменьшение количества остаточного аустенита после низкого отпуска и особенно после обработки холодом заметно снижало значение предела прочности при изгибе. Аналогично ведут себя и определенные такой методикой испытаний параметры пластичности (ƒ и β).

Сравнение механических свойств углеродистой и легированной сталей показало, что после закалки в воду сталь 30 ХГСА имеет предел прочности при изгибе примерно на 40% выше, чем у стали 45 при вдвое более высоких значениях стрелы прогиба и угла загиба. Проведение низкого отпуска снижало как прочностные так и пластические характеристики сталей, но у стали 30ХГСА эти снижения были значительно менее эффективными. Так стали 30 ХГСА снизился на 9% при 13%-ном снижении у стали 45, а значения ƒ и β уменьшились в полтора раза против 2,5 раз у стали 45. Однако закалка с обработкой холодом практически одинаково охрупчивала обе стали.

Из результатов исследований следует, что для повышения надежности стальных деталей прошедших закалку или закалку с низким отпуском целесообразно использовать сталь 30ХГСА, а после закалки с обработкой холодом можно с успехом применять более дешевую углеродистую сталь.

Литература

1. Фридман Я.Б. Механические свойства металлов, Т.1,2, М.: Машиностроение. 1974. 196 с

2. Золоторевский В.С. Механические свойства металлов, М.: Металлургия. 1983. 203 с.

Воронежский государственный технический университет

УДК 621.576.5

А.Н. Стрельников, В.А. Юрьева, А.Н. Семичев, А.Н. Осинцев

О механических свойствах конструкционных сталей при изгибе

Исследования проводились на стали 45 в условиях статического изгиба одной сосредоточенной силой при температурах в интервале от +20^оС до –196^оС.

Приведенные в таблице значения предела прочности при изгибе ( ), стреле прогиба (ƒ) и угле загиба (β) свидетельствуют о низких пластических свойствах стали 45 как после закалки в воду с обработкой холодом, так и после закалки в масло, если температура испытаний находится в отрицательной области.

Таблица

Термообработка	t , оС	, МПа	ƒ, мм	β, градус	Разрушение
Закалка в масло	+20	-	-	>90	без разрушения
	–70	1019	0,22	1	хрупко
	–100	487	0,22	1	хрупко
	–196	509	0,22	1	хрупко
Закалка в воду + обработка холодом	+20	1956	0,44	2	хрупко
	–70	407	0,22	1	хрупко
	–100	306	0,22	1	хрупко
	–196	306	0,22	1	хрупко

Закаленная в масло сталь при комнатной температуре испытаний деформировалась с образованием трещины без разрушения, что не позволило определить величину таким методом.

Но при снижении температуры до климатического минимума (–70^оС) и ниже сталь резко охрупчивалась, особенно если после закалки ее обрабатывали холодом.

Проведенные эксперименты показывают, что данную сталь надо с осторожностью применять в закаленном состоянии в области низких температур, даже в условиях статического нагружения изгибом.

В процессе эксплуатации детали конструкций подвергаются нагрузкам с различными скоростями, в то время как механические свойства материалов определяются, как правило, в условиях нагружения оговоренных ГОСТом.

Проведенные ранее исследования [1-3] показали заметную зависимость прочностных и пластических характеристик углеродистых и легированных сталей от скорости деформации растяжением.

Аналогичный эксперимент был поставлен на сталях 45 и 30ХГСА в условиях изгиба.

Из приведенных в таблице данных хорошо видна неодназначность влияния скорости изгибных нагрузок на прочностные и пластические параметры сталей после закалки в воду.

Таблица

Сталь	Скорость деформирования, мм/сек	, МПа	ƒ, мм	β, градус
45	0,1	1528	1	3
	1,0	2801	1,1	5
	10,0	917	3	6
30ХГСА	0,1	4074	1,8	4
	1,0	4480	2,2	10
	10,0	3361	2,5	12

Так если с ростом скорости нагружения равномерно повышалась пластичность, характеризуемая величинами ƒ и β, то предел прочности при изгибе имел максимум при скорости деформирования 1,0 мм/сек. Такое поведение свойств сталей можно связать с влиянием релаксационных процессов, которые определяют характер распространения трещины, меняя тип разрушения с интеркристаллического при малых скоростях деформирования на транскристаллитный при больших, что убедительно подтверждается фрактографическими исследованиями.

Литература

1. Семичев А.Н., Каськов С.А. Исследование динамической прочности конструкционной низколегированной стали: М.: Машиностроитель, №2. 2002. 21-22 с.

2. Семичев А.Н., Проскурин В.В., Рыбачев А.С. Исследование свойств стали 12Х18Н10Т при различных температурах и скоростях деформации: М.: Машиностроитель, №4. 2004. 41-42 с.

3. Семичев А.Н., Проскурин В.В., Осинцев А.Н. О влиянии температуры и скорости нагружения на характер деформации и разрушения высоколегированных сталей: Воронеж: ВГТУ. Теория и практика машиностроительного оборудования. Материалы IV региональной конференции. 1999. 11-12 с.

Воронежский государственный технический университет

УДК 620.192.4

А.Н. Осинцев, А.Н. Семичев

НИЗКОЛЕГИРОВАННЫЙ И КОМПЛЕКСНО-МОДИФИЦИРОВАННЫЙ ЧУГУН С ШАРОВИДНЫМ ГРАФИТОМ

Одной из основных задач машиностроения является внедрение безотходных, материало-, энерго-, и трудосберегательных процессов. В литейном производстве это может быть обеспечено за счет улучшения качества материала отливок и использования при их производстве в составе шихты собственных заводских отходов.

Одним из широко применяемых материалов в машиностроении является ковкий чугун вследствие его высокой эксплуатационной надежности и долговечности в условиях статических, динамических и знакопеременных нагрузок в широком диапазоне температур.

Технологический процесс получения этого чугуна во многом определяется длительностью графитизирующего отжига, продолжительность которого, при увеличении содержания хрома более 0,08 %, вследствие стабилизации карбидной фазы, резко увеличивается. Большая часть хрома вносится в чугун стальным ломом – одним из основных компонентов шихты. Большие средства затрачиваются на заводах и металлораздаточных базах на сортировку стального лома и отбор стали без хрома, а литейные цехи испытывают острый дефицит безхромистого стального лома, который не уменьшается, а наоборот, увеличивается, что связано с непрерывно растущим изменением в машиностроении низколегированных марок сталей.

На основании изучения литературных источников, показано, что, в случае компенсации отрицательного влияния хрома на графитизацию, (более 0,08 %) в сплаве не только допустимо, но даже желательно вследствие повышения прочности чугуна за счет формирования более компактной формы графитовых включений и упрочнения металлической основы. Экономически целесообразно увеличение содержания хрома в металле не специальным его вводом в жидкий чугун, а внесением в сплав шихтовыми материалам, при использовании в их составе отходов низколегированных марок сталей.

Как показали большинство исследователей, решающим фактором сокращения длительности графитизирующего отжига, является увеличение количества центров графитизации, обеспечивающее сокращение диффузионного пути углерода, что особенно важно в случае повышенного содержания хрома, стабилизирующего карбид. Наиболее эффективным и приемлемым методом получения повышенного количества графитных центров для сложных и разностенных отливок является модифицирование сплава.

Изыскание и разработка модифицирующих присадок, обеспечивающих образование повышенного количества центров графитизации без проведения специальной низкотемпературной обработки (НТО), позволит сократить длительность общего цикла графитизирующего отжига и повысить производительность действующих термических агрегатов. В последние годы накоплен большой экспериментальный материал, свидетельствующий о многогранном положительном влиянии РЗМ и Са на физико-механические, технологические и специальные свойства, содержащих и не содержащих графит железоуглеродистых сплавов. Сведения о влиянии этих элементов на отжиг и свойства ковкого чугуна ограничены и противоречивы, поэтому они не нашли практического применения при получении этого широко применяемого материала.

Исследования и совершенствования технологии получения отливок из ковкого чугуна посвящено значительное число работ, благодаря которым, заметно улучшено качество этого материала и в несколько раз сокращена продолжительность отжига. Но большинство этих исследований выполнены для низкохромистых чугунов, что и определяет весьма ограниченное производство отливок из ковкого чугуна с повышенным содержанием хрома. Необходимо отметить, что исследователями мало уделялось внимания улучшению, наряду с прочностью, пластичностью, вязкости и хладостойкости ковкого чугуна, недостаточное внимание уделено изучению влияния неметаллических включений (НМВ) на процесс графитизации и свойства этого материала, не изучена возможность нейтрализации отрицательного влияния вредных неконтролируемых примесей на отжиг и свойства, что может быть обеспечено комплексным микролегированием и модифицированием сплава.

Многие из этих проблем были решены и описаны в работах Ковале А.А. который теоретически и на практике показал, что микролегирование, обусловленное использованием отходов низколегированных марок сталей в составе шихтовых материалов, в сочетании с рациональным комплексным модифицированием является эффективным средством воздействия на структурообразование и формирование свойств ковкого чугуна.

Воронежский государственный технический университет

УДК 621.357:658

В.Н. Гадапов, В.В. Ванеев, Е.В. Павлов