2802.Трещиностойкость железоуглеродистых сплавов

Рис. 3.72. Зависимость работы зарождения aз и развития ap трещины для

стали 17ГС от температуры испытания: а – после горячей прокатки; б – после термоулучшения (закалка +отпуск при 600оС); α = 90о – поперечные

образцы, α = 45 о, α= 0 о – продольные образцы

Рис. 3.73. Зависимость вида излома (В, %) для стали 17ГС от температуры испытания: I – после термоулучшения (закалка + отпуск при 600 оС);

II – после нормализации; III – после прокатки; α = 90о – поперечные образ-

цы (сплошная линия); α = 45 о – штриховые линии; α = 0 о – продольные образцы (штрих-пунктирные линии)

281

горячей прокатки – минус 20 оС, после нормализации – минус 60 оС и в улучшенном состоянии – минус 100 оС. Следовательно, эффект от подходящего расположения листового материала в данной конструкции по отношению к действующим усилиям при отсутствии трещин можно ожидать только при температуре Т > Ткα.

Проведенные исследования показывают, что трещиностойкость листовой низкоуглеродистой стали при ударном нагружении в данном случае практически не зависит от ориентации плоскости движения самой трещины по отношению к направлению прокатки.

3.12. Влияние размера зерна, количества перлита и игольчатых структур на трещиностойкость углеродистых сталей

Измельчение зерна является одним из эффективных факторов, благоприятствующих повышению трещиностойкости низкоуглеродистых и низколегированных сталей. Особенно важно то обстоятельство, что увеличение трещиностойкости сопровождается одновременным повышением предела текучести материала. На рис. 3.74 [39]

показано снижение критической температуры Tê12àð , °С, при уменьше-

нии диаметра d ферритного зерна с 6 до 14 номера. Эта зависимость имеет вид

Необходимо отметить, что с уменьшением размера зерна интенсивность, с которой снижается указанная критическая температура, растет. Так, например, измельчение зерна с 6 до 7 номера и с 11 до 12 номера снижает критическую температуру на 10 и 25 оС соответственно.

Зависимость предела текучести σ0,2 , МПа, от диаметра зерна d представлена на рис. 3.75 [39] и описывается уравнением

282

Рис. 3.74. Влияние размера ферритного зерна в низкоуглеродистых сталях на критическую температуру хрупкости

Уменьшение размера зерна и в этом случае является причиной немонотонного роста предела текучести. Так, увеличение номера зерна от 6 до 7 и от 11 до 12 ведет к возрастанию σ0,2 соответственно

на 25 и 60 МПа.

При наличии разнозернистости в структуре раньше всего начинают охрупчиваться самые крупные зерна, и они лимитируют верхний порог хладноломкости по виду излома (В, %). При дополнительном снижении температуры начинают хрупко разрушаться все более мелкие зерна. Таким образом, начало процесса хрупкого разрушения определяется не средним размером зерна, а размером крупных зерен.

Из представленных на рис. 3.76 данных видно, что увеличение содержания перлита в структуре уменьшает трещиностойкость стали, повышая критические температуры. Аналогичное влияние оказывает и появление игольчатых структур в нормализованных низкоуглеродистых сталях (рис. 3.77).

283

Рис. 3.75. Влияние размера ферритного зерна

внизкоуглеродистых сталях на предел текучести

Всвязи с изучением влияния размера зерна в низколегированных сталях на их трещиностойкость интересно обратить внимание на результаты, полученные в [192].

Исследовали зависимость между размером действительного ферритного зерна и трещиностойкостью низколегированных нормализованных литых и катаных сталей. Изучали литые стали 20Л, 20ГЛ

и20ГСЛ. Образцы вырезали из специально отлитой плиты переменного сечения размером 20(45) х 260 х 400 мм после того, как была отрезана массивная прибыль. Размеры этой прибыли и клинообразное сечение обеспечивало получение плотного литого металла.

Катаные стали содержали 0,2 % С, 0,2 % Si и 1,2 % Mn. Определяли

работу, израсходованную на развитие трещины ар, по методике Отани при испытании стандартных образцов на трехточечный ударный изгиб.

Были построены сериальные зависимости ар ≈ f оС, на которых по критериальным значениям ар = 15 Дж/см2 определяли критические темпера-

284

разница в состоянии границ является причиной того, что при одном и том же размере зерна литые стали обладают лучшей трещиностойкостью, чем катаные.

Рис. 3.78. Зависимость критической температуры от размера ферритного зерна: 1 – катаные стали; 2 – литые стали

3.13.Циклическая трещиностойкость сталей

сферритомартенситной структурой

Стали с ферритомартенситной структурой являются относительно новым классом конструкционных материалов. Обычно это низкоуглеродистые, низколегированные стали, закаленные в воде после нагрева в межкритическом температурном интервале Ас1 – Ас3 (см. рис. 1.42). Образованное при этих температурах определенное количество аустенита в процессе закалки превращается в мартенсит. В результате в структуре присутствуют одновременно феррит и мартенсит. В зависимости от температуры нагрева под закалку их количество будет различным. При этом при более низких температурах нагрева аустенит содержит больше углерода, в результате чего образующийся мартенсит имеет пластинчатую структуру. Наоборот, при более высоких температурах (близких к Ас3) аустенит содержит меньше углерода, в результате чего полученный после закалки мартенсит является мартенситом реечного типа. Это хорошо видно нарис. 3.79.

286

Рис. 3.79. Изменение количества феррита (Ф, %) и мартенсита (М, %) в стали 09Г2Д в зависимости от температуры закалки: Ф, % – количество феррита; М, % – количество мартенсита; Мр, % – количество реечного (пакетного)

мартенсита; Мпл, % –количество пластинчатого мартенсита

Типичные структуры, полученные при различных температурах закалки стали 09Г2С из межкритического интервала, представлены на рис. 3.80 [274]. Для этих структур характерна мартенситная оболочка вокруг ферритного зерна (рис. 3.80, а) при низких температурах закалки.

Литературных данных [269–271] о циклической трещиностойкости таких сталей не особенно много, и они очень противоречивы, что в известном смысле естественно, если иметь в виду сложный набор различного количества структурных составляющих, которые можно получить (см. рис. 3.79).

Рассмотрим некоторые результаты, полученные при исследовании циклической трещиностойкости сталей 06Г2АФ и 09Г2Д [268]. Их химический состав представлен в табл. 3.27.

287

Рис. 3.80. Микроструктура стали 09Г2Д после закалки от 750 °С (a); 800 °C (б) и 860 °C (в)

Таблица 3 . 2 7 Химический состав сталей 06Г2АФ и 09Г2Д

Термообработка состояла из закалки от температуры 750–950 °C, охлаждения в воде и отпуска при 200 °C в течение 2 часов. Испытывали поперечные образцы. Циклическую трещиностойкость изучали на компактных образцах (см. рис. 2.33) размером 62,5х60,0х10 мм. Испытания проводили с коэффициентом асимметрии R = 0,05 и частотой 14 Hz. Механические свойства представлены в табл. 3.28.

Результаты, полученные при исследовании циклической трещиностойкости, представлены на рис. 3.81 и 3.82. В начале координатной системы даны значения, полученные для горячекатаной структуры. Эти значения условно соединены пунктирной линией с результатами, полученными после закалки от 750 °C. Показаны изменения K в зависимо-

288

сти от температуры закалки (рис. 3.81, а и 3.82, а) и от процентного содержания мартенсита (рис. 3.81, б и 3.82, б) при данной скорости развития усталостной трещины (например, v = 10–8м/цикл).

Таблица 3.28 Механические свойства сталей 09Г2Д (A) и 06ГАФ(Б)

Рис. 3.81. Влияние температуры закалки (a) и процента мартенсита в структуре (б) на циклическую трещиностойкость стали 09Г2Д

Анализ этих данных показывает, что циклическая трещиностойкость стали 06Г2АФ во всех случаях больше, чем у стали 09Г2Д. При

этом наблюдаемая разница незначительна на низкоамплитудном участке диаграммы (около 3–5 МПа·м1/2 при v = 10–8 м/цикл), в то время как

289

на высокоамплитудном (около 10–15 МПа·м1/2 при v ≈ 10–6 м/цикл) становится существенной. Появление ~30 % мартенсита в структуре (tзак = 750 °C) повышает циклическую трещиностойкость по сравнению с горячекатаным состоянием. Дальнейшее увеличение количества мартенсита в структуре примерно до 50 % (tзак = 800 °C) ведет к известному уменьшению трещиностойкости. Наиболее высокая трещиностойкость для исследуемых сталей получается при наличии 60–70 % мартенсита в структуре (tзак = 860–900 °C).

Рис. 3.82. Влияние температуры закалки (a) и процента мартенсита

вструктуре (б) на циклическую трещиностойкость стали 06Г2АФ

Взаключение необходимо отметить, что эти стали, закаленные из нижней части межкритического температурного интервала (750–

780 °C), имеют хорошие пластические свойства ( σ0,2 ≈ 0,6, ψ ≈ 50 %)

σв

при достаточно высокой прочности. Это является причиной, из-за которой они все шире применяются для глубокой вытяжки в автомобильной промышленности. Их использование в качестве конструкционного материала с высокой прочностью и циклической трещиностойкостью требует режимов термообработки из верхней области межкритического температурного интервала (860–900 °C), которые обеспечивают в структуре ~70 % мартенсита и ~30 % феррита.

290