LibRar.Org.Ua — Бібліотека українських авторефератів

Загрузка...

Головна Технологія металів. Машинобуд. → Підвищення фізико-механічних властивостей графітизованих сталей

тріщиностійкість К1С й коефіцієнти циклічної в'язкості руйнування DKth та DKfc.

Металографічний аналіз отриманих сплавів у литому стані показав різнорідність мікроструктур у залежності від хімічного складу і, головним чином, від вмісту кремнію. Так, у сталях з низьким вмістом кремнію у литому стані спостерігалася структура, типова для заевтектоїдних сталей, яка представлена фазами перліту і вторинного цементиту. У сталях з підвищеним рівнем кремнію (2,49...2,57%) структура була представлена перлітом із пластинчастим графітом у феритній облямівці.

Таблиця 1.

Кодування факторів при дослідженні області оптимуму за допомогою центрального композиційного ортогонального плану 23

Інтервали варіювання та рівні факторів

Досліджувані фактори


Х1 (Si)

Х2 (Cu)

Х3 (Al)

Нульовий рівень: Х=0

1,75

1,0

0,15

Інтервали варіювання

0,75

0,5

0,1

Верхній рівень: Х=+1

2,5

1,5

0,25

Нижній рівень: Х=-1

1,0

0,5

0,05


Після графітизуючого відпалювання сталі мали перліто-феритну структуру металевої основи і, у залежності від хімічного складу, компактну, пластівчасту й пластинчасту форму графіту.

При вмісті кремнію 0,96...1,11% сталь мала перліто-феритну структуру металевої основи і пластівчастий графіт відпалу, на відміну від феритної структури і пластинчастого графіту при 2,49...2,57% кремнію. Тут кремній як сильний графитизатор сприяв виділенню вуглецю у вигляді включень графіту пластинчастої форми в процесі кристалізації.

Результати експериментів показали, що оптимізувати форму і розташування графітної фази можна легуванням міддю й алюмінієм. Так, збільшення присадки міді до 1,5% привело до утворення компактних включень графіту, при цьому їхня кількість на одиницю площі знижувалася. Більш ефективно діяв алюміній: при збільшенні його присадки до 0,25% відбулося зниження параметра форми графітових включень lг з 2,2 до 1,4. При цьому в структурі утворювалися практично глобулярні графітові включення, достатньо однорідні за розмірами. Графітові включення, при вмісті варійованих елементів на нульовому рівні матриці планування експерименту (1,74%Sі, 0,97%Cu і 0,153%Al), мали переважно компактну форму, при цьому дрібні глобулі групувалися окремими, досить великими групами та розташовувалися у вигляді ланцюжків.

У результаті аналізу механізму руйнування було встановлено, що зародження і розвиток мікротріщин у сталі з пластинчастим графітом відбувалося цілком по включеннях графіту. Для сталі з пластівчастим графітом у початковий момент навантаження характерна незначна пластична деформація металевої матриці. Локальне відносне видовження між реперними точками, що розташовані через 0,5 мм одна від одної, до моменту розриву досягло 8,5%, у той час загальне видовження зразка склало близько 4%. Значна локальна деформація характерна для низькокремністої сталі з глобулярним графітом: у момент руйнування вона перевищувала 16%, при загальній деформації 8%.

Про роль графіту в зародженні і поширенні мікротріщин судили за величиною коефіцієнтів зв'язку мікротріщин із включеннями КN , КL (відповідно відносна кількість та відносна сумарна довжина мікротріщин, що проходили через графітові включення), і коефіцієнта участі включень у процесах тріщиноутворення КГ (відносна кількість графітових включень, що спричинили утворення мікротріщин). Отримані результати (рис.1) показали, що участь графітної фази в процесах тріщиноутворення й руйнування сталей знижується зі зміною форми графітових включень у напрямку від пластинчастої до пластівчастої і глобулярної, що погоджується з відомими даними для графітизованих чавунів, але, внаслідок меншої кількості графітної фази в структурі, графітизовані сталі перевищують чавуни за пластичністю в середньому у два рази.

В результаті аналізу мікромеханізму руйнування сталей при випробуваннях на малоциклову витривалість встановлено, що при циклічному навантаженні мають місце аналогічні закономірності, що й при статичному: найбільшою мірою процесам тріщиноутворення сприяли включення графіту пластинчастої і некомпактної пластівчастої форми, які були ініціаторами зародження мікротріщин. Швидкість зародження і росту мікротріщин в області глобулярних включень значно відставала від швидкості зародження і росту мікротріщин в області включень пластівчастої і пластинчастої форми, що обумовило вищу довговічність сталей із глобулярним графітом (рис.2).

Різноманітність мікроструктури металевої основи і графітової фази зумовили широкий діапазон міцності (43...570 МПа) і статичної тріщиностійкості (9,6...62,1) досліджених сталей. При цьому помітно змінювалось їх відносне видовження (1...9%) і в меншому ступені – твердість (170...200 НВ). Найкращі властивості мали сталі складу, близького до наступного: 1,6%С; 1,0%Sі; 0,25%Al; 0,5 і 1,5%Cu. За міцністю вони відповідали перліто-феритним чавунам марок ВЧ50 і ВЧ60, перевершуючи їх за пластичністю у 1,2...2,5 рази, та за статичною тріщиностійкостю К1С у 1,2...1,3 рази.



Рис.1. Залежність коефіцієнтів KN, KL та KГ від локальної деформації сталей з пластівчастим й глобулярним графітом.

Рис.2. Криві малоциклової втоми.

Графітизовані сталі з 2,5%Sі мали переважно пластинчастий графіт, внаслідок чого за рівнем механічних властивостей відповідали сірим чавунам марок СЧ15 і СЧ20; легування міддю й алюмінієм не суттєво поліпшувало їхні механічні властивості. Таким чином вміст кремнію має бути не більше 1,0%.

Значну структурну чутливість виявили характеристики циклічної тріщиностійкості, особливо у середньо- і високоамплітудних ділянках діаграми швидкостей росту втомної макротріщини. Зниження параметра форми графітових включень у низькокремністих сталях за рахунок легування алюмінієм до 0,25% призвело до підвищення критичної тріщиностійкості DKfc з 51 до 83 , що в 1,5...1,6 рази перевищує аналогічну характеристику кращих високоміцних чавунів перліто-феритного та перлітного класів. При цьому на фрактограмах спостерігався мікрорельєф зламу з інтенсивними деформаційними гребенями та наявністю ділянок з борозчастим мікрорельєфом, що є характерним для втомного