7.1 Термическая и химико – термическая обработка сталей

Для повышения механических и других свойств стали применяют термическую и химико – термическую обработку, а также механическое упрочнение [1].

Термическая обработка – процесс нагревания и охлаждения металла при определенных температурных режимах: отжиг, нормализация, улучшение, закалка и отпуск.

Отжиг и нормализацию используют для снятия внутренних напряжений в заготовках после литья, процессов обработки металлов давлением, улучшения механических свойств и облегчения обработки.

Улучшение применяют для повышения прочности стали и уменьшения хрупкости.

Закалку используют для повышения прочности, твердости и износостойкости деталей машин (). Различают объемную и поверхностную закалку ТВЧ.

Малоуглеродистые стали с содержанием углерода до 0,25% не закаливаются. Поэтому их подвергают химико – термической обработке: цементации, азотированию, цианированию.

Цементация – насыщение поверхностного слоя углеродом глубиной до 2 мм ().

Азотирование – насыщение поверхностного слоя азотом ().

Цианирование – насыщение поверхностного слоя диффузионным способом углеродом и азотом.

Механическое упрочнение достигается дробеструйной обработкой, накаткой роликом и т.д. При этом на поверхности детали создаются напряжения сжатия с помощью наклепа. Вследствие наклепа повышается твердость поверхности, прочность (предел выносливости пружин повышается на 50%, зубьев зубчатых колес из стали 40Х – на 20%).

8 Виды испытаний свойств материала

Для изучения свойств материалов и установления значения предельных напряжений (по разрушению или по пластическим деформациям) производят испытания образцов материала вплоть до разрушения. Испытания производят при нагрузках следующих категорий: статической, ударной и циклической (испытание на усталость или выносливость). По виду деформации, испытываемой образцом, различают испытания на растяжение, сжатие, кручение и изгиб. Значительно реже проводят испытания на сложное сопротивление, например на сочетание растяжения и кручения.

Целью испытания на растяжение является определение механических характеристик материала. При испытании автоматически записывается диаграмма зависимости между растягивающей образец силой и удлинением образца (рис.12). Эту диаграмму называют условной диаграммой растяжения (или диаграммой условных напряжений), так как напряжения и относительные удлинения вычисляются соответственно по отношению к первоначальной площади сечения и первоначальной длине образца.

Рисунок 12 – Диаграмма растяжения

Как видно, вначале на участке ОА до некоторого напряжения , называемого пределом пропорциональности, деформации растут пропорционально напряжениям. Следовательно, до предела пропорциональности сохраняет силу закон Гука. Для стали Ст3 предел пропорциональности =210МПа. При дальнейшем увеличении нагрузки диаграмма становится криволинейной.

Однако если напряжения не превосходят определенного значения предела упругости , то материал сохраняет свои упругие свойства, т. е. при разгрузке образец восстанавливает свою первоначальную форму и размеры.

Для стали СтЗ предел упругости = 220 МПа. Разница между пределом пропорциональности и пределом упругости невелика, и на практике обычно не делают различия между ними.

Если нагрузку увеличивать еще дальше, то наступает такой момент (точка С), когда деформации начинают расти практически без увеличения нагрузки.

Горизонтальный участок СД диаграммы называется площадкой текучести.

Напряжение, при котором происходит рост деформаций без увеличения нагрузки, называется физическим пределом текучести и обозначается .

Для стали СтЗ предел текучести = 230 МПа.

Ряд материалов при растяжении дает диаграмму без выраженной площадки текучести: для них устанавливается так называемый условный предел текучести.

Напряжение, при котором остаточная деформация равна 0,2%, называется условным пределом текучести.

Условный предел текучести обозначается . К материалам, для которых определяется условный предел текучести, относятся дюралюминий, бронза, высокоуглеродистые и легированные стали (например, для стали 37ХНЗА = 1000 МПа).

Как показывают исследования образцов стали, текучесть сопровождается значительными взаимными сдвигами кристаллов, в результате чего на поверхности образца появляются линии (так называемые линии Людерса — Чернова), наклоненные к оси образца под углом примерно 45° (рис.13, а).

а б

Рисунок 13 – Образцы сталей после испытаний на растяжение

Удлинившись на некоторую величину при постоянном значении силы, т. е. претерпев состояние текучести, материал снова приобретает способность сопротивляться растяжению (упрочняется) и диаграмма за точкой Д поднимается вверх, хотя гораздо более полого, чем раньше (см. рис. 12).

Точка Е диаграммы соответствует наибольшему условному напряжению, называемому пределом прочности или временным сопротивлением. Для стали Ст3 предел прочности составляет =380МПа. У высокопрочных сталей величина предела прочности достигает 1700 МПа (Сталь 40ХМНА).

При достижении напряжением величины предела прочности на образце появляется резкое местное сужение, так называемая шейка (рис. 13, б). Площадь сечения образца в шейке быстро уменьшается и, как следствие, падает усилие и условное напряжение. Разрыв образца происходит по наименьшему сечению шейки.

Кроме перечисленных выше характеристик прочности материала при испытании на растяжение определяют также относительное остаточное удлинение при разрыве , являющееся важной характеристикой пластичности материала:

, (17)

где — первоначальная расчетная длина образца;

— расчетная длина образца после разрыва. Она измеряется после стыковки двух частей разорванного образца.

Для стали Ст 3 >21%. У высокопрочных сталей эта величина снижается до 7—10%. Величина , зависит от соотношения между длиной образца и его поперечными размерами. Поэтому в справочниках указывается, на каком образце определялась величина . Например, обозначает, что удлинение было определено на пятикратном образце, т. е. образце, у которого отношение расчетной длины к диаметру равно пяти.

Определенное таким путем удлинение является некоторым средним удлинением, так как деформации распределяются по длине образца неравномерно. Наибольшее удлинение возникает в месте разрыва. Оно называется истинным удлинением при разрыве:

Второй характеристикой пластичности материала является относительное остаточное сужение при разрыве

, (18)

где — первоначальная площадь поперечного сечения;

— площадь поперечного сечения в наиболее тонком месте шейки после разрыва.

Величина характеризует свойства пластичности более точно, чем , поскольку она в меньшей степени зависит от формы образца. Для стали Ст3 значение составляет 50—60%.

Как было отмечено выше, диаграммы растяжения для многих марок стали, а также сплавов цветных металлов не имеют площадки текучести.

Рассмотренная диаграмма растяжения (см. рис. 12) является характерной для так называемых пластичных материалов, т. е. материалов, способных получать значительные остаточные деформации , не разрушаясь.

Чем пластичнее материал, тем больше . К числу весьма пластичных материалов относятся медь, алюминий, латунь, малоуглеродистая сталь и др.

Менее пластичными являются дюраль и бронза, а слабопластичными материалами — большинство легированных сталей.

Материалы относят к пластичным при ; ; , где - ударная вязкость, которая характеризует пластичность.

Противоположным свойству пластичности является хрупкость, т. е. способность материала разрушаться при незначительных остаточных деформациях. Для таких материалов величина остаточного удлинения при разрыве не превышает 2—5%, в ряде случаев измеряется долями процента. Если ; ; , материал относят к хрупким. К хрупким материалам относятся чугун, высокоуглеродистая инструментальная сталь, камень, бетон, стекло, стеклопластики и др. Следует отметить, что деление материалов на пластичные и хрупкие является условным, так как в зависимости от условий испытания (скорость нагружения, температура) и вида напряженного состояния хрупкие материалы способны вести себя как пластичные, а пластичные — как хрупкие.

Например, чугунный образец в условиях всестороннего сжатия ведет себя как пластичный материал, т. е. не разрушается даже при значительных деформациях. И, наоборот, стальной образец с выточкой разрушится при сравнительно небольшой деформации.

Таким образом, правильнее говорить о пластичном и хрупком состояниях материала.

Предел выносливости - наибольшее напряжение, при котором образец выдерживает заданное число циклов перемены напряжений без разрушения.

Модуль продольной упругости при растяжении и при сдвиге - это отношение напряжения к соответствующей ему деформации образца в границах справедливости закона Гука.

Коэффициент Пуассона - отношение относительной поперечной деформации образца к относительной продольной деформации.

Твердость по Бринеллю (ДСТУ 9012-59), по Роквеллу (ДСТУ 9013-59), по Виккерсу (ГОСТ 2999‑75) - это условная величина, которая измеряется соответствующими приборами (твердомерами) и характеризует сопротивление внедрению в поверхность материала стандартного индентора: стального шара, вершин алмазных конуса и пирамиды. Твердость резины определяется в единицах Международной системы по ГОСТ 20403-75, в относительных единицах TIP (ТМ-2) или по Шору (ГОСТ 263-75). Чем больше твердость, тем выше статическая прочность материала.

Способность материала поглощать и передавать тепло характеризуется удельной теплоемкостью , , и коэффициентом теплопроводности . Эти характеристики необходимы при расчетах, связанных с тепловыделением и теплостойкостью материалов, механизмов и машин в целом.

Характеристикой смазочных материалов является вязкость – способность жидкости сопротивляться относительному сдвигу ее слоев под нагрузкой. Различают динамическую и кинематическую вязкость. Единица динамической вязкости в Международной системе (ISO) , представляет собой сопротивление (контактные напряжения) относительному перемещению двух слоев жидкости площадью , которые находятся один относительно другого на расстоянии и двигаются с относительной скоростью . Обычно, как правило, используются единицы в системе СГС – пуаз (сантипуаз), при этом . Отношение динамической вязкости жидкости к ее плотности называется кинематической вязкостью . Единица вязкости, 1, характеризует кинематическую вязкость жидкости плотностью , которая имеет динамическую вязкость . В системе СГС единица кинематической вязкости - 1 или стокс (сантистокс), при этом . С увеличением температуры вязкость снижается, с увеличением давления – увеличивается.

Сопротивление пластичных смазочных материалов называется прочностью и характеризуется пределом прочности , МПа (ГОСТ 7143-73). Показатель мягкости (ГОСТ 5346-78) определяется на приборе величиной внедрения в смазочный материал стандартного конуса за 5с.