LibRar.Org.Ua — Бібліотека українських авторефератів

Загрузка...

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

руйнування пластичних сталей ферито-перлітного класу.

При підвищенні вмісту кремнію до 2,5% критична тріщиностійкість DKfc істотно знижувалася, особливо при легуванні 1,5%Cu і 0,25%Al. По показниках DKfc=30...40 висококремністі сталі знаходилися на рівні звичайних високоміцних чавунів і наближалися до сірих чавунів високих марок. Мікрофрактографічний аналіз показав, що такі сталі руйнувалися значною мірою за механізмом транс- і міжкристалітного відколу.

При обробленні експериментальних даних за допомогою регресійного аналізу було отримано рівняння, які відображають залежність параметра форми графіту lг та механічних властивостей графітизованих сталей від вмісту кремнію, міді та алюмінію:



Аналіз отриманих рівнянь показав, що найвищими показниками конструктивної міцності володіли сталі з низьким вмістом кремнію. У зв'язку з цим проводили графічну оптимізацію по вмісту міді й алюмінію при вихідному вмісті кремнію на нижньому рівні поля варіювання (1,0%). Для цього будували графік двомірних перетинів поверхонь відгуку по двуфакторному поліному, в який попередньо було введено найбільш бажане числове значення досліджуваних параметрів: sв, К1С, DКfc (рис. 3). Побудовані криві в координатах Al - Cu утворюють область, яка відповідає діапазонам оптимального вмісту міді (0,9...1,4%) та алюмінію (0,20...0,25%).

Таким чином, відповідно до результатів проведеної оптимізації, графітизована сталь складу: 1,55...1,65%С; 0,20...0,25%Mn; 0,95...1,10%Sі; 0,9...1,4%Cu; 0,20...0,25%Al, що відлита у піщано-глинясті форми, у відпаленому стані буде мати границю міцності sв=500...550 МПа, коефіцієнт інтенсивності напружень К1С=55...60 та критичний коефіцієнт циклічної в'язкості руйнування DКfc=70...80.



Рис.3. Графічна оптимізація хімічного складу графітизованої сталі.


Відомо, що для деталей, які працюють в умовах теплового впливу (кокілі, виливниці, прокатні валки, гільзи циліндрів двигунів внутрішнього згоряння і т.п.) важливою характеристикою є теплопровідність. Її підвищення забезпечує збільшення швидкості відводу тепла із зони контакту матеріалу з високотемпературним середовищем, що, у свою чергу, призводить до зниження термічних напружень і інтенсивності термоерозійних процесів. Аналіз теплопровідності дослідних сталей показав наявність практично лінійної залежності між цим показником і параметром форми графітових включень l (рис. 4).

Четвертий розділ присвячений вивченню можливості підвищення якості графітизованих сталей внаслідок легування та термічного оброблення. Як легуючі елементи були обрані марганець та хром як найдешевші й доступніші елементи, що впливають на процеси графітизації і підвищують показники міцності; нікель та молібден – як елементи, що впливають на будову перлітної фази й забезпечують підвищення міцності, пластичності та в'язкості руйнування сталей; а також мідь, яка може впливати на форму та розміри графітових включень, забезпечувати твердорозчинне й дисперсійне зміцнення металевої основи та підвищувати теплопровідність й термостійкість чавунів.


Рис.4. Залежність теплопровідності від параметра форми графіту.


У 120-кілограмовій індукційній печі були виплавлені сплави з базовим хімічним складом: 1,38...1,42% С; 0,9...1,1% Si; 0,20...0,25% Al; 0,2...0,3% Mn; 0,029...0,031% P; 0,032...0,037% S (варіант 1 – вихідний), додатково леговані 0,3%Cr (варіант 2); 0,3%Cr та 1,2%Nі (варіант 3); 0,3%Cr, 1,8%Mn, 1,2%Nі (варіант 4); 0,3%Cr, 1,8%Mn, 1,2%Nі та 0,3%Mo (варіант 5); 0,6%Cr, 1,8%Mn, 1,2%Nі та 0,3%Mo (варіант 6).

Після графітизуючого відпалювання, одну партію експериментальних зливків піддавали нормалізуванню від 850С з наступним відпусканням (500С, 1 год), а іншу – трисхідчастому сфероідизуючому відпалюванню за режимом: нагрівання 850С, витримка 30 хв, охолодження з піччю 600С, нагрівання 720С, витримка 1 год, охолодження з піччю 600С, нагрівання 720С, витримка 1 год, охолодження з піччю.

Нормалізування сталей призвело до усунення крупнозернистої структури, отриманої при литті, і підвищенню дисперсності перліту. При цьому зі збільшенням вмісту легуючих елементів твердість монотонно зростала від НВ250 до НВ380, границя міцності sв від 556 до 1122 МПа і границя плинності s0,2 від 505 до 808 МПа, а відносне видовження d знижувалося від 4 до 1,6%. Отримані результати можна пояснити твердорозчинним зміцненням металевої матриці легуючими елементами. Статична тріщиностійкість К1С змінювалася в діапазоні 19,3...31,1 та мала максимальне значення при легуванні 0,3%Cr і 1,2%Nі. Отримані дані про вплив легування на К1С підтверджувалися і результатами фрактографічного аналізу, який показав, що в сталях варіантів 1 та 2 руйнування відбувалося по змішаному механізму транскристалітного відколу і ямкового відриву. В сталі 3-го варіанта переважав механізм ямкового відриву.

В сталях варіантів 5 та 6 підвищений вміст Mn та Cr призвів до значного окрихчення металевої матриці і зниженню рівня тріщиностійкості. Про це свідчила наявність на поверхні зламів мікрорельєфу межкристалітного відколу з низькою енергоємністю руйнування.

В результаті сфероідизуючого відпалювання металева матриця сталей практично повністю була представлена зернистим перлітом. Застосування даного термічного оброблення дозволило збільшити відносне видовження до 8,3% для сталі вихідного складу, та в'язкість руйнування К1С до 40,6 для сталі, легованої 0,3%Cr та 1,2%Nі. У той же час вони характеризувалися нижчими значеннями границі міцності (418...920 МПа), границі текучості (288...525МПа) та твердості (НВ195...НВ255) у порівнянні з нормалізованими сталями.

Фрактографічний аналіз зламів зразків після визначення К1С показав, що руйнування відбувалося переважно за механізмом внутризеренного відриву зі значною пластичною деформацією перед фронтом росту тріщини. Для сталі 3-го варіанта характерна наявність зони витягування.

Аналіз циклічної тріщиностійкості показав, що DКfc значною мірою залежав від хімічного складу сталей. Легування 0,3%Cr привело до підвищення зазначеного параметра з 38 до 50 . При комплексному легуванні 0,3% хрому та 1,2% нікелю DКfc підвищився до 58 . Переважним механізмом руйнування цих сталей був мікрозкол. У сталях 1-го...3-го варіантів на фоні ділянок відколу були виявлені інтенсивні деформаційні гребені.

Для вивчення впливу міді на властивості сталей, в індукційній печі ИСТ-120 виплавили сталь (1,30...1,39%С; 0,8...0,9%Si; 0,20...0,25%Mn;