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

Показано, что высокое значение работы зарождения тре­ щины может определять достаточную хладостойкость метал­ ла [43], тем самым испытания образцов Менаже предостав­ ляют необходимые гарантии от хрупкого разрушения. Другие исследователи [44—46] утверждают, что оценка склонности к хладноломкости по испытаниям на образцах Менаже не от­ вечает действительным условиям процесса хрупкого разру­ шения, и предлагают производить оценку по виду излома образцов, связывая это с тем, что работа распространения трещины является характеристикой вязкой составляющей разрушения. При этом определение переходной температуры хрупкости по виду излома считается достаточным критерием для оценки сопротивляемости хрупкому разрушению.

Однако в результате многочисленных исследований было установлено, что подобный подход к оценке хрупкости метал­ лов требует дифференцирования материалов на высокопроч­ ные и малопрочные. Применительно к высокопрочным сплавам необходимость дополнительных экспериментальных исследо­ ваний подтверждается тем фактом, что при высоких значени­ ях ударной вязкости составляющая работы распространения трещины ничтожно мала по сравнению с работой зарождения, вследствие чего определение доли вязкой составляющей зна­ чительно затрудняется.

Следует отметить весьма существенную субъективность оценки процента вязкой составляющей в изломе. В этой свя­ зи представляют интерес работы Гриффитса — Ирвина, по­ ложившие начало интенсивному развитию теории линейной механики разрушения. На основе анализа поля напряжения в районе трещины Ирвин [49] предложил в качестве крите­ риев относительное локальное повышение растягивающего напряжения у ведущего конца трещины К\ и энергию рас­ пространения трещины при увеличении ее на единицу длины G1С. Вычисление коэффициента интенсивности напряжений К\ в вершине острой трещины предполагает наличие в ма­ териале трещины или других дефектов. Коэффициент К\е определяется в момент перехода процесса разрушения на не­ стабильную, лавинообразную стадию. По значениям крите­ риев Ки и G\c можно предсказать критический размер тре­ щины для данного рабочего напряжения. По изменению па­ раметров Gic или Ки при понижении температуры можно определить критическую температуру хрупкости стали, кото­ рая характеризует работоспособность последней при наибо­ лее жестких режимах эксплуатации.

Параметр Ки определяют на плоских образцах с полуэллиптической или усталостной трещиной или с одним боковым

30

где On — номинальное разрушающее напряжение; Д — на­ ружный диаметр образца; Ко — коэффициент, зависящий от формы образца и геометрии надреза (для образцов с доста­ точно острым надрезом из материалов, у которых oN не пре­ вышает ат более чем на 10%, /Со=0,414).

По данным [29], критерий Ирвина Ки можно принять для выбора оптимального режима ТМО.

В работе [50] предлагается определять возможность хруп­ кого разрушения деталей и узлов сравнением вычисленных коэффициентов интенсивности напряжений Ки в условиях плоской деформации. Подтверждается, что испытания на ударную вязкость на образцах IV типа дают достаточно объективную оценку склонности материалов к хрупкому раз­ рушению и позволяют переходить к количественным крите­ риям для расчета критических размеров дефектов, существу­ ющих или предполагаемых на деталях конструкций.

Данные [48] показывают, что оценка работоспособности материала по критерию Ирвина Ки и изменению ударной вязкости в зависимости от температуры являются наиболее жесткими отборочными испытаниями по сравнению с други­ ми методами оценки склонности стали к хрупкому разруше­ нию и, следовательно, могут служить достаточной гарантией высокой работоспособности материала при низких темпера­

нению критерия Ирвина Ки и ударной вязкости с понижени­ ем температуры.

Критерий Ирвина Ки определялся при комнатной темпе­

упрочненных состояний, имеющих наиболее высокие показа­ тели ударной вязкости. Образцы имели весьма острый над­ рез радиусом R = 0,025 мм (см. рис. 8) и отношение площади сечения в месте надреза к площади сечения тела образца один к двум.

Ударная вязкость определялась в диапазоне температур

рис. 8). Возможность применения круглых образцов взамен стандартных доказана работами И. В. Кудрявцева, М. С. Блудорова [50] и М. Темери [51]. С целью выбора оптимально­ го соотношения наружного и внутреннего диаметров образцов нами проведены серийные ударные испытания на стандарт­ ных образцах типа I, ГОСТ 9454—60 и круглых образцах. Результаты ударных испытаний, идентичные со стандартны­ ми, получаются при наружном диаметре D — 11,3 мм и глу­ бине надреза 1,5 с /?== 1 мм и =0,025 мм для всех состоя­ ний исследуемых сталей.

31

Критическая температура хрупкости определялась по зоне резкого падения значений ударной вязкости при понижении температуры; если ударная вязкость падала плавно, без за­ метных зон перепада ее значений при понижении температу­ ры,— по уровню ударной вязкости 3 кГм/см2, так как такой критерий в настоящее время получил наибольшее распрост­ ранение при оценке хладноломкости сталей [52].

ХЛАДОСТОЙКОСТЬ СТАЛЕЙ СТ. 3 И СТ. 5 ПОСЛЕ ТЕРМОПЛАСТИЧЕСКОГО УПРОЧНЕНИЯ

СТАЛЬ СТ. 3

Состояние поставки. Характеристики прочности и .пластич­ ности (ов, gx, + 6) приводятся в табл. 4. Материал весьма пластичен, однако при понижении температуры (с +20 до

— 114° С) происходит заметное упрочнение: временное сопро­ тивление ов возрастает в 1,5 раза, а предел текучести от—-в 2,5 раза (рис. 11). При этом характеристики пластичности — относительное сужение и относительное удлинение — пада­ ют, а ниже — 50° С интенсивность снижения пластичности

<эв бт,кГ/мм2-

Рис. 11. Зависимость прочностных свойств стали Ст. 3 от температуры.

---------- временное сопротивление; — •— предел текучести; / — состояние поставки; 2 — однократная MTO; 3 — мно­ гократная MTO.

32

ан,кГм/см:

Рис. 14. Зависимость ударной вязкости стали Ст. 3 от температуры!,

----------- образцы с надрезом R= 1 м м ; --------- - образцы с надрезом ^=0,025 мм, 1 — состояние поставки; 2 — отжиг; 3 — улучшение; 4 — однократная МТО; 5 — мно­ гократная мто.

таких образцов уменьшается более чем в три раза по срав­ нению с образцами с нормальным надрезом и составляет 3 кГм/см2. С понижением температуры ударная вязкость плавно падает и уже при —30° С приближается к нулевым значениям.

Из результатов экспериментов можно заключить, что сталь Ст. 3 в состоянии поставки обладает повышенной склон­ ностью к хрупкому разрушению, весьма чувствительна к концентраторам напряжений.

Отжиг. При отжиге исследуемой стали происходит неко­ торое разупрочнение (табл. 4) по сравнению с исходным сос­ тоянием, что связано с созданием в материале более крупных

(см. табл. 4), что говорит об охрупчивании материала. Это подтверждается и ударными испытаниями (см. рис. 14).

При нормальном надрезе ударная вязкость отожженных образцов при всех температурах (от +20 до —40° С) ста­ бильно ниже, чем образцов в состоянии поставки. Зона рез­

кость составляет 8,5 кГм/см2. В случае остроугольного надреза ударная вязкость отожженных образцов при комнатной тем-

34

понижении температуры.

Улучшение способствует значительному упрочнению при сохранении определенного запаса пластичности (см.табл. 4). Предел текучести возрастает в 1,3 раза. Критерий Ирвина Ки повышается незначительно.

Ударная вязкость образцов с нормальным надрезом пос­ ле режима улучшения повышается по сравнению с состояни­

кость составляет 11,0 кГм/см2, критическая температура хруп­ кости равна —45° С.

Чувствительность к острому надрезу несколько уменьша­ ется. Так, при остроугольном надрезе ударная вязкость при комнатной температуре составляет 7 кГм/см2 и плавно умень­ шается с понижением температуры. При этом ударная вяз­ кость стабильно выше, чем при отжиге и в состоянии поставки.

Механико-термическая обработка (МТО) способствует упрочнению стали Ст. 3, при этом пластичность падает (см. табл. 4). С понижением температуры прочность возрастает (см. рис. 11), а характеристики пластичности резко снижа­ ются, особенно при температурах ниже —40° С (см. рис. 11, 12). Критерий Ирвина Ки меньше, чем в исходном состоя­ нии, и составляет 72,5 кГ/мм3/2, т. е. меньше в 1,2 раза.

Ударная вязкость при нормальном надрезе понижается по сравнению с состоянием поставки: с понижением температу­ ры плавно уменьшается без заметной зоны резкого падения. При комнатной температуре ударная вязкость образцов с

кучести приближается по своему значению к временному со­ противлению, и материал становится прочнее почти вдвое. Критерий Ирвина К и выше, чем при МТО (75 кГ/мм3/2). При понижении температуры аналогично предыдущему состоянию изменяются характеристики прочности и пластичности (см.

рис. 11, 12).

Показатели ударной вязкости по сравнению с МТО как для нормального, так и для остроугольного надреза улучша­ ются, но они ниже, чем у улучшенного состояния. Критиче­ ская температура хрупкости при нормальном надрезе состав­ ляет —25° С. Таким образом, порог хладноломкости понизил­ ся на 15° С по сравнению с однократной МТО.

Механико-термическая обработка при повышенных темпе­ ратурах (100, 300, 500 и 700° С) с последующей выдержкой в разгруженном состоянии при температуре деформации, а для последнего случая при 500° С показывает, что наибольшее упрочнение МТО дает при 500° С (см. табл. 4). В то же время сохраняется значительный запас пластичности. При пониже­ нии температуры сталь после такой обработки упрочняется,

эффициент Ки намного выше, чем всех указанных состояний, а при понижении температуры изменяется незначительно, понижение Ки наблюдается после —80° С (см. рис. 13).

Параметр К\с при обработке по режиму МТО = 500 уве­ личивается в 1,3 раза по сравнению с состоянием поставки, что говорит об увеличении сопротивляемости распростране­ нию трещины.

Механико-термическая обработка способствует образо­ ванию полигональной структуры. С увеличением температу­ ры деформирования и последующей выдержки при 500° С об-

36

Рис. 15. Изменение механических характеристик стали Ст. 3 в зависимости от температуры.

в ряды [4], которая равномерно охватывает весь объем ме­ талла. В результате уменьшается вероятность локализации пластической деформации. При нагружении подводимая энер­ гия равномерно поглощается всем объемом, что затрудняет возникновение локальной концентрации напряжений, следовательно, упрочненный материал более пластичен. Увеличи­

У отожженных образцов ан = 8,5 кГм/см2. Критические тем­ пературы хрупкости составляют соответственно —22, —35,

— 65, —40, и —20° С. Из всех состояний менее чувствителен к концентраторам напряжений материал, обработанный при температуре 500° С (см. рис. 16).

При температуре +20° С ударная вязкость образцов с ост­ рым надрезом после механико-термической обработки имеет следующие значения при:

38

гичными данными основнбго материала, из которого сварива­

сварка не оказывает существенного влияния на свойства уп­ рочненного материала вследствие получения устойчивой и стабильной дислокационной структуры, так как надрезы, как сказано выше, наносились в наиболее слабой зоне — зоне термического влияния сварки.

СТАЛЬ СТ. 5

Состояние поставки. Характеристики пластичности и проч­ ности приводятся в табл. 5. С понижением температуры наб­ людается незначительное упрочнение, однако характеристики пластичности интенсивно падают (рис. 19). Критерий Ирви­ на Ки, составляющий при комнатной температуре 95 кГ/мм3'2, с понижением температуры весьма заметно уменьшается. Интенсивность падения увеличивается с температуры —40° С (рис. 20). Ударная вязкость в случае нормального надреза при комнатной температуре составляет 13,2 кГм/см2. Зона резкого падения ударной вязкости — в диапазоне температур

—35°~52°С. При остроугольном надрезе ударная вязкость понижается при комнатной температуре до 9,0 кГм/см2. Кри­ тическая температура хрупкости повышается на 15° С (рис. 21).

39