книги из ГПНТБ / Термопластическое упрочнение конструкционных сталей, работающих при низких температурах

щего касательного напряжения, а вторая — от величины при­ ложенного растягивающего напряжения.

Существующие дислокационные теории зарождения и раз­ вития трещин не описывают удовлетворительно условий рас­ пространения трещины до полного разрушения. Они в зна­ чительной степени идеализированы и не учитывают ряда особенностей, присущих реальным поликристаллическим ме­ таллам. В частности, они не учитывают наличия границ зерен, которые действуют как эффективные барьеры, пре­ пятствующие распространению микротрещины из одного зер­ на в другое.

Распространение трещины всегда связано со взаимодей­ ствием с препятствующими дислокациями, эффект которого в значительной степени зависит от того, закреплены дислока­ ции или свободны. При закрепленных дислокациях, располо­ женных в стороне от распространяющейся трещины, имеет место дальнодействующее взаимодействие, вызываемое поля­ ми упругих напряжений дислокаций. Оно не оказывает заметного сопротивления распространению трещин [25]. Близ­ кодействующее взаимодействие заметно влияет на распро­ странение трещин и наблюдается, когда закрепленные дисло­ кации пронизывают плоскость скола. В этом случае вы­ свобождается энергия упругих искажений при пересечении трещиной краевых и винтовых дислокаций, а также образу­ ются ступеньки, которые оказывают сильное сопротивление распространению скола.

При свободных дислокациях у вершины распространяю­ щейся трещины, в области высоких локальных напряжений, произойдет пластическое течение, которое будет снижать ло­ кальные напряжения, тем самым препятствуя распростране­ нию трещин [26, и др.].

Робертсон [27] установил, что для распространения хруп­ кой трещины необходимо два условия: а) температура ниже критического значения; б) напряжение выше критического значения.

Мотт [28] определил, что скорость распространения хруп­ кой трещины стремится к постоянной величине — скорости звука в данном материале. Существует критическая скорость распространения трещины, ниже которой хрупкая трещина останавливается пластической деформацией в ее вершине. Это объясняется тем,что при низкой скорости распростране­ ния трещины время нагружения единичного объема металла у ее вершины будет достаточным для того, чтобы произошло пластическое течение, снижающее локальные напряжения.

Большое значение для развития трещины и дальнейшего хрупкого разрушения имеет неоднородность пластической де­ формации, которая может наблюдаться в пределах одного зерна и объясняется локализацией пластического течения

20

вследствие того, что деформация происходит не по всей дли­ не образца или не на одинаковую величину. При понижении температуры степень локализации пластической деформации значительно возрастает.

ВЛИЯНИЕ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА ХЛАДОСТОЙКОСТЬ СТАЛИ

Упрочняющие методы обработки, как правило, направле­ ны на повышение прочности, жаропрочности, прочности при ползучести и циклических нагружениях. Вследствие упрочне­ ния в большинстве случаев понижаются характеристики плас­ тичности и хрупкой прочности. Влияние различных методов ТМО и МТО на хрупкую прочность стали рассматривалось рядом исследователей [8,29,30 и др.]. Охрупчивание стали в результате упрочняющих обработок исследовалось в основ­ ном при положительных температурах по изменению уров­ ня ударной вязкости [31, 32], по энергии, затрачиваемой на сопротивление трещины [29, 30], по чувствительности к над­ резу и предварительно созданной трещине при статическом изгибе [33].

Установлено, что, изменяя степень деформации и темпе­ ратуру, можно добиться оптимального соотношения характе­ ристик прочности и пластичности, однако данных о влиянии термопластической обработки на переход сталей в хрупкое состояние при понижении температуры далеко не достаточно.

Вработе [29] дана сложная зависимость изменения плас­ тичности и вязкости от степени пластической деформации. Указывается на неблагоприятные интервалы степени дефор­ мации в пределах от 30 до 60%, однако, если их избежать, можно повысить значения ударной вязкости и пластичности. Утверждается, что большое влияние на пластические свойст­ ва оказывает измельчение размеров зерна аустенита: созда­ ется повышенная плотность дислокаций, положительно влия­ ющая на пластичность и вязкость.

Вработах [30, 31] исследуется зависимость критерия

Ирвина Ки от степени и температуры деформации сталей

термомеханической обработки, необходимо учитывать вели­ чину сопротивления распространению трещины.

С ростом температуры деформации улучшаются пласти­ ческие свойства стали, увеличивается ее сопротивление отры­ ву и, следовательно, снижается порог хладноломкости [31].

21

При температурах ниже рекристаллизации в результате плас­ тической деформации создается большая, но неоднородная плотность дислокаций. В процессе дальнейшей обработки дислокационная сетка не регулярна. Повышение температу­ ры деформации позволяет упорядочить дислокационную структуру, увеличить степень ее совершенства. Аналогйчные результаты дали опытные плавки хромомарганцевокремни­ стой стали с 0,29—0,58% С [33] и стали Х5М2СФ [32]. Наи­ более благоприятно влияет на характеристики ударной вяз­ кости и пластичности сталей высокотемпературная ТМО. Низ­ котемпературная ТМО на эти свойства сталей влияет слабо.

Ряд исследователей [34, 35] установили отрицательное влияние ММТО на хладостойкость стали. Д. С. Казарнов­ ский [36], изучая влияние предварительного деформирования растяжением на ударную вязкость образцов из мартеновской стали с 0,56—0,68% С, установил понижение ап в два раза при комнатной температуре. Изучена [35] ударная вязкость

ной углеродистой стали, а критическая температура хрупко­ сти сдвигается на 25° в сторону более высоких температур. Однако следует отметить низкие значения ударной вязкости исследованных ими сталей даже при положительных темпе­ ратурах как после отжига, так и после МТО и ММТО. Как следствие этого полученные значения ап при одинаковых тем­ пературах для разных состояний сталей находятся в преде­ лах разброса, получаемого при одном ударном испытании. Так, при температуре +20° С все результаты расположены в зоне от 0,8 до 3 кГ/см2 для всех трех состояний стали. С дру­ гой стороны, Блюменауэр [37], исследуя влияние деформа­ ции растяжением на 10% и старения при 250°С в течение часа на хладостойкость спокойной мартеновской стали, уста­ новил понижение критической температуры хрупкости и тем самым подтвердил положительное влияние деформационно­ го старения на склонность стали к хладноломкости.

Таким образом, наиболее благоприятное влияние на ха­ рактеристики пластичности и склонность сталей к хрупкому разрушению оказывает высокотемпературная термомехани­ ческая обработка. Для конкретной марки стали необходимо подбирать оптимальный режим ТМО: температуру и степень деформации. За критерий можно принять параметр и уро­ вень ударной вязкости при очень остром надрезе. Следует отметить, что недостаточно освещено изменение критерия Ирвина и показателей ударной вязкости при разных видах упрочняющих обработок в зависимости от понижения темпе­ ратуры, что, на наш взгляд, весьма важно при выборе опти­ мального режима ТМО и МТО.

22

ВЫБОР РЕЖИМА ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Для выбора оптимального режима термомеханической об­ работки, способствующей повышению хладостойкости, нами проводились исследования на сталях Ст. 3 и Ст. 5. Выбор этих марок сталей объясняется их широким применением в строительных конструкциях и технике, используемых в условиях Севера. Химический состав и механические харак­ теристики исследуемых сталей приводятся в табл. 2, 3.

Т а б л и ц а 2

Химический состав сталей Ст. 3 и Ст. 5 (ГОСТ 380—60)

на процесс создания дислокационной структуры и ее термо­ механическую стабилизацию. Отжиг придает всем исследуе­ мым образцам одинаковое структурное состояние.

Для сокращения объема экспериментальных работ при­ менялись в основном те режимы, которые, по литературным данным, должны привести к наиболее благоприятным струк­ турным состояниям с целью достижения наилучшего сочета­ ния прочности, пластичности и ударной вязкости. Для стали Ст. 3 проводились следующие обработки.

1. Механико-термическая обработка (МТО) по методике ИМЕТ: а) растяжение при комнатной температуре до конца площадки текучести; б) выдержка в разгруженном состоя­ нии в электропечи при температуре ,+100° С в течение 20 ч.

23

2. Многократная механико-термическая обработка (ММТО), т. е. трехкратное повторение циклов МТО.

3. Механико-термическая обработка по режимам: а) плас­ тическая деформация растяжением на 6% при температурах 100, 300, 500 и 700° С; б) последующая выдержка в разгру­ женном состоянии при температуре деформации (700°) в те­ чение 20 ч, а после деформации — выдержка при 500° С.

Данные режимы механико-термической обработки выбра­ ны для достижения наиболее благоприятной дислокационной структуры. Известно, что управляющими факторами при этом являются степень, температура и скорость деформации. В на­ шем случае взяты постоянными степень и скорость дефор­ мации. Деформация производилась на величину остаточной деформации, равной 6%, на разрывной машине ГМС-50.

Однако получаемая в результате пластической деформа­ ции структура с большой плотностью дислокаций характе­ ризуется высокой метастабильностью вследствие неупорядо­ ченного и неравномерного распределения дислокаций по объему. Поэтому для наиболее благоприятного перераспре­ деления дислокаций деформированные образцы выдержива­ лись в разгруженном состоянии при температуре деформации в течение 20 ч.

4. Высокотемпературная термомеханическая обработка: а) пластическая деформация растяжением на 6% при темпе­ ратуре 930° С; б) после деформации при 930° С немедленная закалка в воде с температуры деформации; в) для части об­ разцов— последующий отпуск при температуре 500° С.

Для стали Ст. 5 проводились: 1) аустенизация при тем­ пературе 1110° С в течение 1 ч; 2) подстуживание до темпе­ ратуры деформации 950, 930 и 900° С; 3) пластическая де­ формация растяжением на 6 %; 4) немедленная закалка с температуры деформации в воде. Для части образцов произ­ водился последующий отпуск при температуре 500° С.

Деформация осуществлялась растяжением на разрывной машине ГМС-50. Нагрев образцов до нужной температуры производился трубчатой печью СУОЛ-04. Температура заме­ рялась и регулировалась с помощью термопары в комплекте с самопишущим и регулирующим потенциометром типа ПСР-1.

Для проведения ВТМО, где скорость охлаждения дефор­ мированного при высоких температурах металла имеет одно из решающих значений, были сконструированы скоросъемные захваты (рис. 5). Образцы охлаждались в закалочных ван­ нах со спокойной водой. Скорость охлаждения регулирова­ лась изменением уровня воды в ванне, а также подбором объема ванны.

Температура образцов регистрировалась начиная от вре­ мени прекращения деформации до погружения его в закалоч­ ную ванну. При данной конструкции захватов в момент

24

-------

Рис. 5. Принципиальная схема установки для проведения ВТМО.

/ — захват машины; 2 — переходник; 3 — палец; 4 — захват образца; 5 — образец; 6 — электропечь; 7 — по­ тенциометр; 8 — автотрансформатор.

погружения в воду температура образца выше Лс3. Как пока­ зано в работах [2, 4, 9] при такой скорости охлаждения де­ формированного при высоких температурах металла процес­ сы собирательной рекристаллизации не происходят, что ис­ ключает рост зерен аустенита. Жесткое крепление термопары к образцу с последующей его изоляцией от влияния темпе­ ратурного поля окружающей среды посредством шнурового асбеста позволяло контролировать температуру образца не только при нагреве, но и охлаждении. Степень деформации образца определялась по диаграммной записи разрывной ма­ шины. Принципиальная схема установки для осуществления ВТМО дана на рис. 5.

Испытания проводились на круглых образцах (рис. 6, а) . Такая форма образца позволяет достичь сравнительно рав-

25

данных условиях термомеханической обработки образец ис­ пытывался на твердость по длине его (см. рис. 6). Предва­ рительно перед этим образцы подвергались механической шлифовке. Как видно из рис. 6, наибольшее упрочнение по­ лучается на средней части образца длиной 60—80 мм. Поэто­ му для последующих испытаний на ударную вязкость, рас­ тяжение и по определению энергетического критерия Ирвина Ко образцы вырезались так, как показано на рис. б, б, 7, 8.

Из части упрочненных образцов были изготовлены свар­ ные образцы с целью исследования влияния термомеханиче­ ской обработки на ударную вязкость в зависимости от тем-

26 t

наносились в зоне термического влияния сварки на расстоя­ нии 1,5 мм от границы шва (рис. 9).

Центрирование образцов и выдерживание зазора 2 мм производилось в патронах специально приспособленного то­ карного станка при 4 об/мин.

Для снятия искажений структуры в поверхностном слое, внесенных при токарном изготовлении, все образцы подвер­ гались электролитической полировке в растворе состава: ортофосфорной кислоты — 48%, серной — 40 и воды — 12%.

Для сравнения проводилась также термическая обработ­

После соответствующих упрочняющих и термических об­ работок исследовалось изменение характеристик прочности и пластичности упрочненных сталей Ст. 3 и Ст. 5 при пониже­ нии температуры. Определялось изменение временного сопро­ тивления (ав), предела текучести (ат), относительного суже­

27

-220 Б

Рис. 10. Схема установки для проведения испытаний при низких температурах.

1 — образец, 2 — термопара; 3 — терморегулятор; 4 — сосуд Дьюара.

ники с шаровой опорой. Такая конструкция переходников позволяет точно центрировать образец. В качестве хладоагента применяется спирт. Предварительная минусовая темпера­ тура создается непосредственной заливкой азота в ванну, дальнейшее регулирование температуры производится с по­ мощью термопары группы ХК 2, потенциометра 3 и сосуда Дьюара с жидким азотом 4 с вмонтированным внутри нагре­ вательным элементом. При увеличении температуры выше заданной потенциометром включается нагреватель и парьг азота охлаждают хладоагент. С достижением заданной тем­ пературы управляющие контакты потенциометра выключают нагреватель.

Прежде чем перейти к описанию методики исследования влияния упрочняющих обработок на склонность Ст. 3 и Ст. 5-

28

‘К хладноломкости, считаем необходимым рассмотреть суще­ ствующие методы оценки склонности сталей к хрупкому раз­ рушению.

Наиболее распространенным является метод ударной вяз­ кости, который позволяет получить сравнительные количест­ венные данные о вязкости стали и определить критическую температуру хрупкости.

Общая удельная работа разрушения ап слагается из двух составляющих: работы зарождения трещины а3, затраченной на преодоление упругой и пластической деформаций до за­ рождения трещины, и работы распространения трещины затраченной на преодоление пластической деформации в вер­ шине зарождающейся трещины. Предложен ряд методов раз­ деления работы разрушения на составляющие [38—41 и др.]. Одним из перспективных можно назвать метод определения составляющих работы разрушения осциллографированием процесса ударного нагружения [42]. Площадь полученной в координатах нагрузка — время осциллограммы является ин­ тегральным выражением работы разрушения. Прямая, про­ веденная нормально к оси абсцисс из точки, соответствую­ щей максимальной нагрузке, делит осциллограмму на две половины, площади которых численно соответствуют значе­ ниям работы зарождения и распространения разрушения.

Существуют методы, позволяющие непосредственно опре­ делять работу распространения трещины: методы Дроздовского [39], Отани [40]. В первом случае нанесение усталост­ ной трещины с заданными размерами исключает измерение работы зарождения при испытании на ударный изгиб, во вто­ ром— для зарождения трещины производится удар по над­ резанному образцу с незначительным запасом энергии и оп­ ределяется глубина возникшей трещины. Вторичный удар с обычным для стандартных испытаний запасом энергии нано­ сится для измерения работы, необходимой на распростране­ ние трещины.

Не будем подробно останавливаться на методах Гуляева [41] и Лифшпца, Рахманова [38]. Эти методы основаны на гипотезе о прямолинейной зависимости работы разрушения от остроты надреза [41] и угла изгиба образца [38]. Резуль­ таты разделения составляющих ударной вязкости различны­ ми методами противоречивы, но, как видно по эксперимен­ тальным исследованиям, метод Дроздовского наиболее полно отражает физическую природу разрушения материалов и обеспечивает высокую точность оценки склонности стали к хладноломкости. Определение значений составляющих удар­ ной вязкости позволяет производить сравнительную оценку склонности к хладноломкости металлов, однако назрела необходимость обоснованной количественной характери­ стики.

29