книги из ГПНТБ / Тепловые процессы при обработке металлов и сплавов давлением учеб. пособие для студентов металлург. спец. вузов

вале рабочих температур, прочностью и вязкостью, сохраняющими­ ся при разогреве. Для выбора материала, удовлетворяющего этим условиям, и разработки оптимального режима термической обра­ ботки представлялось целесообразным установить эти показатели для серии сталей в условиях, близких к тепловым воздействиям на ножи горячей резки.

Исследование сопротивления термической усталости проводили на стали марок У7А, 50Г2, 6ХС, 6ХВ2С, 5ХНМ и ЗХ2В8Ф. Заготов-

900,

800

700

500

Время, сек

Рис. 9.6. Изменение температуры по сечению образцов при многократных

ки подвергали отжигу по режимам, оптимальным для каждой ста­ ли. Благодаря этому структура стали приближалась к равновесно­ му состоянию. Испытание на термостойкость проводили на образ­ цах, имеющих форму параллелепипеда сечением 32X32 и высотой 42 мм (рис. 9.5). Помимо отожженных испытывали также образцы, подвергнутые закалке и отпуску при температурах 400 и 600° С.

В процессе испытаний образцы разогревали соответственно до 850° С (режим / ) , 700° С. (режим / / ) , 500° С (режим / / / ) и 400° С (режим IV), после чего охлаждали в проточной воде.

Продолжительность нагрева и охлаждения предварительно ус­ танавливали на контрольных образцах из стали марок У7А и 6ХВ2С. Для этого в контрольных образцах изготовляли три отвер­ стия диаметром 1,5 и глубиной 26 мм: одно — по оси образца, а два других — на расстоянии соответственно 4 и 10 мм от его боковой поверхности. Отверстия были предназначены для ввода платино- родий-платиновых термопар. Провода термопар изолировали при помощи жидкого стекла и асбеста (неизолированным оставляли

390

лишь горячий спай термопары). Затем термопары вводили в отвер­ стия и при помощи планок плотно прижимали к донной части. Тем­ пературу поверхности образца измеряли термопарой, плотно при­ жатой к поверхности специальной пружиной.

Для записи электродвижущей силы термопар при нагреве и ох­ лаждении использовали безинерционный 14-канальный осцилло­ граф марки Н-700. Это обеспечивало возможность определения температуры в точках контакта горячего спая термопары с образ­ цом в любой момент времени. Периодически показания осцилло­ графа проверяли контрольным гальванометром. Запись осцилло­

точками Л и Г достигает 345° С; к концу нагрева разность темпера­ тур резко снижается, и по истечении 100 сек ее величина не превос­ ходит 30° С. Разность температур между точками В и Г во всем ис­ следованном диапазоне времени нагрева невелика; в то же время разность температур между точками А я Б достигает значительной величины. Значительно большая разность температур отмечается в первый период охлаждения образцов. Величина градиента тем­ ператур между точками Л и Г по истечении 5 сек охлаждения до­ стигает 450° С. С течением времени разность температур резко сни­ жается и к концу цикла составляет 30—60° С.

Результаты осциллографирования нагрева и охлаждения образ­ цов по режимам //, / / / и IV (температуры нагрева соответственно 700, 500 и 400° С) приведены на рис. 9.7—9.9. Записи характера из­ менения температуры проведены при следующем числе циклов: для нагрева до температуры 700° С — 3 цикла, до 500° С — 7 циклов, до 400° С — 14 циклов.

Приведенные диаграммы показывают, что температура внутрен­ них и поверхностных слоев образцов изменяется асинхронно друг к другу. Погружение образца в воду и интенсивное охлаждение по­ верхности не всегда приводит к снижению температуры внутренних слоев. В большинстве случаев температура осевой части изделия в течение 5—10 сек продолжает повышаться; лишь в последующем отмечается ее снижение. Стабилизация характера распределения температур по сечению образцов зависит от максимальной темпера­ туры нагрева поверхности и времени прогрева образца. При тем­ пературе нагрева 850°С повторяемость изменения температур на­ блюдалась со второго цикла, при температуре 700° С — с третьего цикла, при температуре 500° С — с четвертого и пятого циклов, при температуре 400° С — с седьмого цикла. С увеличением числа цик-

391

Рис. 9.9. Изменение температуры по сечению образцов при многократных циклических испытаниях по режиму IV.

Обозначения те же, что и на рис. 9.6

лов несколько повышалась температура внутренних слоев, разность температур между поверхностью и сердцевиной образца изменялась незначительно. Из сказанного следует, что количество циклов до установления теплового равновесия в образце тем больше, чем ко­ роче продолжительность и ниже максимальная температура цикла.

Рис. 9.10. Распределение температур по сечению образцов в отдельные моменты цикла при испыта­ нии на термостойкость:

/—IV — режимы испытаний. Цифры у кривых — время от начала цикла, сек.

температура при нагреве; температура при охлаждении

При заданном режиме наивысшая температура в точке А об­ разца при повторных циклах достигала одинаковой величины; в точках же Б, В и Г при повторных циклах температура несколько повышалась (особенно при низкой температуре цикла). Максималь­

393

+ Д з о т а х уменьшался. Изменение при повторных циклах Д ^ т а х бы­ ло тем больше, чем меньше продолжительность цикла и ниже тем­ пература разогрева образца и чем больше перепад температуры по сечению образца в конце периода нагрева. Перепад температуры в слое, примыкающем к поверхности образца (АБ), с увеличением количества циклов изменялся незначительно.

ра изменяется наиболее резко. Более плавное изменение темпера­ туры отмечается в конце периодов нагрева и охлаждения. В слое ВГ в течение всего периода нагрева и охлаждения разность темпе­ ратур относительно невелика. На ребрах исследуемых образцов изменение температуры более значительно, чем на гранях, так как нагрев и охлаждение происходят более интенсивно и ребра нагре­ ваются до более высоких температур.

При испытаниях на термостойкость образцы погружали в рас­ плавленную соль, нагретую до температуры 860° С, и после соответ­ ствующей выдержки, установленной экспериментально, охлаждали в воде. Для уменьшения окисления образцов поверхность ванны

394

покрывали мелко раздробленным древесным углем. Через каждые 25—100 циклов (в зависимости от режима испытаний) образцы подвергали глубокому травлению в 50%-ном водном растворе со­ ляной кислоты при температуре 65—80° С. При этом измеряли об­ разцы по сечению и высоте, а также производили другие необхо­ димые измерения. Момент появления трещин разгара устанавли-

вали визуально. Осмотр образцов производили после травления и по мере надобности без травления. Появление трещин после опре­ деленного числа циклов служило основным критерием сопротивле­ ния стали термической усталости.

Результаты испытания исследуемых сталей на термическую ус­ талость представлены на рис. 9.11 и 9.12. Здесь приведены лишь средние результаты испытаний серии образцов. Разброс результа­ тов отдельных испытаний достигал 20%.

Независимо от режима испытания после определенного числа циклов на поверхности образцов появлялись трещины. Вначале тре­ щины образовывались на ребрах; в последующем они развивались по граням в радиальном направлении; помимо этого, на гранях воз-

395

сти стали У7А и особенно 50Г2. Последняя при испытании по трем первым режимам показывает минимальное сопротивление цикличе­ скому изменению температуры. Повышенное сопротивление терми­ ческой усталости показывает сталь ЗХ2В8Ф. Однако при мягких ре­ жимах испытания эта сталь по термостойкости уступает стали 6ХВ2С. Это можно объяснить пониженной теплопроводностью вы­ соковольфрамовой стали.

Жесткость режима испытаний в большой степени влияет на сопротивление стали термической усталости. Так, при испытании по

шает 20—30%. В ряде случаев сталь, имеющая низкое сопротив­ ление термической усталости при испытании по жесткому режиму, обладает повышенной стойкостью при изменении условий испыта­ ния. Снижение температуры цикла практически всегда повышает сопротивление стали термической усталости.

Большое влияние на число циклов нагрев — охлаждение до об­ разования трещин оказывает термическая обработка образцов. По­ вышение температуры отпуска, как правило, увеличивает сопротив­

Помимо образования трещин при испытаниях на термическую усталость происходит заметное изменение формы и размеров об­ разцов. Образцы принимают бочкообразную форму. Суммарная высота образца несколько уменьшается. Размеры образцов измеря­ ли через каждые 100 циклов при испытаниях по всем четырем ре­ жимам. Максимальная деформация отмечается при испытании по / режиму. Малым сопротивлением деформации обладали образцы из углеродистой стали У7А, значительно большим — из сталей 6ХС и 5ХНМ. Стали 6ХВ2С и ЗХ2В8Ф лучше других сопротивляются из­ менению размеров. На рис. 9.14 приведены графики, иллюстрирую­ щие изменение размеров образцов.

Анализ кривых показывает существенное влияние химического состава, а следовательно, и напряженного состояния материала на абсолютную величину пластической деформации. При испытании сталей по более мягким режимам влияние химического состава проявляется еще отчетливей. Из рис. 9.14 следует, что деформация образцов по мере увеличения числа циклов испытаний непрерывно увеличивается. На деформацию оказывает влияние термическая об­ работка. Как правило, закалка с отпуском уменьшает степень деформации образцов.

Основным фактором, определяющим образование трещин разга­ ра, являются термические и фазовые напряжения, возникающие в образце при нагреве и охлаждении. Термические напряжения при прочих равных условиях зависят от коэффициента линейного рас­ ширения и теплопроводности материала. Коэффициенты линейного

397

расширения рассматриваемых сталей примерно одинаковы; тепло­ проводность легированных сталей в 2—3 раза ниже теплопроводно­ сти углеродистых. Легирующие элементы увеличивают градиент температур по сечению образцов, а следовательно, повышают вели-

5)

300 kOO 500 Число циклоЗ

Рис. 9.14. Изменение размеров образцов при испы­

чину возникающих напряжений. Казалось бы, легирующие элемен­

398

вала. Чем выше эти температуры, тем полнее протекает мартенситное превращение. Снижение температуры точек Асі и Асз под влия­

При охлаждении этой стали мартенситное превращение захватит весь объем образца; возникающие при этом объемные изменения приведут к большим напряжениям, а следовательно, и к образова­ нию микро- и макротрещин после небольшого числа циклов испы­ таний. Этим объясняется образование трещин на образце из стали 50Г2 после 150 (режим /) и 250 (режим // ) циклов.

399