книги из ГПНТБ / Ромадин К.П. Материаловедение [учебное пособие]

Жаропрочность это способность металлов и сплавов сопро­

тивляться началу и развитию пластической деформации и раз­ рушению под действием постоянных или переменных длитель­

ных механических нагрузок при высоких температурах.

Численно жаропрочность выражается тремя характеристика­

ми: кратковременной прочностью, длительной прочностью и ползучестью.

Испытания на растяжение при высоких температурах, произ­

водимые при обычном статическом нагружении, когда нагрузка возрастает в течение короткого промежутка времени, исчисляе­ мого минутами, называются кратковременными испытаниями.

Кратковременные испытания не характеризуют в полной ме­

ре свойства металлов и сплавов при высоких температурах, а

жение, под действием которого при высокой температуре проис­ ходит разрушение образца через определенное, заданное время,

например, через 100, 200 или 300 часов. Эти напряжения соответ­

5ремя, час

Фиг. 43. Кривая длительной прочности

ние—время до разрушения, показывает, что с увеличением

времени испытания разрушающее напряжение уменьшается.

Испытания на длительную прочность в большей мере, чем

кратковременное, приближаются к эксплуатационным условиям

50

работы материала в конструкции. Однако они также недоста­

точны для полной оценки жаропрочности.

Наиболее важными, но івместе с тем и наиболее длительны­

ми испытаниями при высоких температурах являются испыта­

ния на ползучесть.

Ползучесть — это свойство металлов и сплавов медленно и не­

прерывно пластически деформироваться при высоких темпера­

турах под действием постоянной длительно действующей на­ грузки.

При испытании на ползучесть с течением времени измеряет­

ся деформация образца, а температура и напряжение остаются постоянными.

На фиг. 44 приведена типичная кривая ползучести.

Наиболее важным на этой кривой является прямолинейный

участок Ьс, соответствующий установившейся ползучести. Чем

круче этот участок, тем ниже жаропрочность материала.

Напряжение, которое вызывает за определенный промежуток

времени -при высокой температуре заданное суммарное удлине­

ние или заданную скорость деформации, называется пределом

ползучести.

Для обозначения предела ползучести пользуются следующей

записью: ¾,2∕ιoo=25 кг/мм.2, что означает: напряжение, равное

25 кг/мм2, при данной температуре, например при 800°, вызыва­

ет суммарную деформацию ,в 0,2% за 100 часов. Следовательно,

при определении предела ползучести необходимо учитывать

температуру испытания, величину деформации, нагрузку и вре­

мя действия нагрузки.

Для испытания па ползучесть применяются специальные

машины, обеспечивающие нагрев образцов и постоянство тем­

пературы, а также длительное нагружение и возможность точ­

ного измерения деформации с течением времени.

должительность работы которых ограничивается 200—300 часа-

Раздел третий

ТЕРМИЧЕСКАЯ и ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ

ОБРАБОТКА СТАЛИ

I.ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ

1.Назначение и сущность термической обработки

Термическая обработка заключается в нагреве стали до опре­

деленной температуры, выдержке при этой температуре и по­

следующем охлаждении. Целью термической обработки являет­ ся придание стали желаемого строения и необходимых свойств.

Температура нагрева, скорость нагрева, время выдержки при

данной температуре и скорость охлаждения определяются со­ ставом стали, размерами обрабатываемого изделия и теми свой­

ствами, которые желательно получить.

Режимы термической обработки удобно изображать графи­

термической обработке может осуществляться в самых широких пределах. В одном случае требуется упрочнить сталь, например,

закалить инструмент на высокую твердость с целью придания ему высоких режущих свойств; и другом случае ставится зада­

ча разупрочнить сталь, например, отжечь материал для после»

53

дующей его обработки резанием или восстановить пластичность холоднокатанного нагартованного материала.

Основополжником теории термической обработки является

выдающийся русский ученый Д. К. Черное, который, наблюдая

изменение цвета каления стали при ее нагревании и охлаждении и регистрируя температуру «на глаз», обнаружил критические точки а и b (точки Чернова).

В развитии учения о термической обработке и создании но­

вых видов термической обработки советские ученые ДОСТИГЛИ больших успехов. Они внесли большой вклад в теорию терми­

ческой обработки, выяснили важнейшие закономерности в стро­

ении закаленной стали, разработали новые виды термической обработки и т. д.

2. Основные виды термической обработки стали

Основными видами термической обработки стали являются

отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

Отжиг и нормализация являются предварительной терми­

ческой обработкой, закалка и отпуск ■— окончательной термиче­

ской обработкой. Цель предварительной термической обработ­

ки заключается в измельчении зерна стали, равномерном рас­

пределении углерода, уничтожении внутренних напряжений, увеличении пластичности' и снижении твердости. Цель оконча­

дением, как правило, вместе с печью.

После отжига получается строение, соответствующее диа­ грамме железо—углерод (см. фиг. 23), т. е. перлит и феррит для доэвтектоидной стали, перлит для эвтектоидной и перлит и

цементит для заэвтектоидной стали. После отжига кованых

или штампованных изделий из углеродистой стали материал

становится мягким и сравнительно легко может обрабатывать­

ся резанием. Отжиг литых изделий приводит к измельчению

структуры материала и улучшению его механических свойств.

Если нагреть сталь выше линии PSK (выше точки Acl), но

ниже линии GSE (ниже точки Ac3 и Acm), то полной пере­

кристаллизации не произойдет. Такой отжиг называется не­

полным.

Отжиг рекристаллизационный, применяемый для нагарто-

ванных металлов и сплавов, т. е., подвергнутых холодной обра­

ботке давлением, состоит в нагреве до температур, лежащих

54

ниже точки Ac↑. Это низкий отжиг. В этом случае в сплаве про­

исходят процессы изменения структуры, в результате которых

сталь восстанавливает пластичность и становится способной

к дальнейшей обработке давлением в холодном состоянии. Тем-

ке при этой температуре и последующем охлаждении на возду­

хе (см. фиг. 47). После нормализации сталь приобретает нор­

мальную, мелкозернистую структуру; перлит получается очень

тонкого строения.

В зависимости от содержания углерода назначают тот или иной вид предварительной термической обработки (фиг. 48).

Если сталь содержит до 0,2% углерода, рекомендуется приме­

нять нормализацию. Если углерода в стали от 0,2 до 0,4% наз­ начают нормализацию с высоким отпуском во избежание появ­ ления напряжений и трещин при охлаждении (об отпуске см.

ниже). Если сталь содержит от 0,4 до 1,0% углерода, надо при­

55

менять отжиг, а для стали, содержащей углерода от 1,0 до 1,2%, — двойной отжиг.

При двойном отжиге первый нагрев выше линии SE (выше линии Acm диаграммы железо—углерод) дается для уничто­

жения цементитной сетки и более равномерного распределения

углерода; второй нагрев выше точки Acl — для получения мел­ козернистого строения.

Фиг. 48. Различные виды предварительной тер­

56

рактеристики прочности закаленной стали с увеличением содер­

жания углерода возрастают, а характеристики пластичности

резко снижаются.

Отпуск состоит в нагреве уже закаленной стали до темпера­

тур, лежащих ниже критических (ниже точки Ac1 ), выдержке

при этих температурах и последующем охлаждении на воздухе

(легированные стали охлаждают в воде или масле). Отпуск за­

каленной углеродистой стали на мартенсит приводит к повыше­

нию вязкости и снижению прочности и твердости. Закаленная

на мартенсит сталь при отпуске переходит в более стабильные

структуры — тростит или сорбит. До температуры 180—200°

мартенсит сравнительно устойчив. Это низкий отпуск для снятия

внутренних напряжений. При температурах отпуска, равных

300—400°, образуется тростит, а при температурах 500—600° —

сорбит. Это средний и высокий отпуск.

Следует, однако, иметь в виду, что изменение структуры и

свойств стали при отпуске зависит не только от температуры,

но и от времени отпуска. Кратковременный отпуск при высоких температурах может оказаться недостаточным для получения ожидаемой структуры, и высокая твердость практически может

сохраняться. И, наоборот, очень продолжительный отпуск мо­ жет привести к желаемым результатам при более низких тем­

пературах.

3. Строение и свойства закалочных структур

Мартенсит представлят собой продукт распада аустенита, об­

разующийся при резкой закалке в холодной воде. Под микро­

талей; детали вначале закаливаются на мартенсит, а затем от­

пускаются на тростит или сорбит.

57

При перегреве стали значительно выше точки Ac2 или при длительной выдержке в печи при нормальной температуре на­ грева под закалку зерна аустенита укрупняются и при закалке дают структуру грубоигольчатого мартенсита; в этом случае

сталь приобретает пониженную твердость и сильно сниженную

вязкость.

Тростит представляет собой очень мелкодисперсную механи­

ческую смесь феррита и цементита. Тростит может быть полу­

Обычно тростит встречается вместе с мартенситом и под мик­

обычная структура многих углеродистых инструментальных

сталей.

Сорбит представляет, собой мелкозернистую механическую смесь феррита и цементита. По сравнению с перлитом частицы

цементита в сорбите несколько мельче. По механическим свойст­

вам сорбит представляет собой структуру, сочетающую высо­

кую вязкость с достаточной прочностью; твердость сорбита по

Бринелю достигает 250—300 кг/мм2, а ударная вязкость равна

примерно 8—12 кгмісм2.

Сорбит обычно получают путем высокого отпуска при 500— 600° предварительно закаленной на мартенсит стали. Сорбит можно также получить путем закалки стали в очень мягких средах (горячее масло, горячая вода и т. п.). Под микроскопом

сорбит представляет собой млекозернистую однородную струк­

туру (фиг. 52).

58

При нагреве довэтектоидной стали выше точки Acy , но ни­

же точки Ae3 , т. е. ниже линии GS1 но выше линии PS диаграм­

наряду с аустенитом в структуре остается некоторое количество феррита. Такая закалка называется неполной закалкой.

Если в этих условиях нагрева закалку вести в воде, то аусте­ нит переходит в мартенсит и конечной структурой будет мартен­

(Λc3⅛30o).

де — мартенсита с цементитом. Такая з-акалка является также

неполной, но твердость стали при этом по сравнению с полной закалкой несколько повышена за счет присутствия в структурецементита, обладающего высокой твердостью (HB=

= 800 кг/мм2). Поэтому неполная за­

калка заэвтектоидной стали на прак­

ментитом (фиг. 54).

£>9