книги / Новые конструкционные материалы низкоуглеродистые мартенситные и порошковые стали

где к - константа данного материала.

Существует также целый ряд зависимостей для вычисления прочно­ стных характеристик, учитывающих размеры и форму пор, неоднород­ ность распределения напряжений или предполагающих разрушение по межчастичным перешейкам, при этом только зависимостей экспоненци­ ального вида получено более 15 [26, 27].

Зарубежные исследователи часто связывают прочность не с общей пористостью, а с коэффициентом формы пор f используя уравнение рег­ рессии второго порядка [45], а влияние пористости на удлинение описы­

где 5 - относительное изменение удлинения; С - константа, мера чувстви­ тельности пластичности к концентрации пор.

В структуре порошковых материалов повышено содержание пор, включений метастабильных фаз, способствующих зарождению микротре­ щин в процессе нагружения. Это приводит к необходимости оценки свойств структурно-неоднородных материалов с помощью критериев ме­ ханики разрушения, учитывающих роль дефектов. В качестве основного критерия различные литературные источники и нормативные документы рекомендуют коэффициент интенсивности напряжений K\Q (вязкость раз­ рушения, трещиностойкость).

Этот коэффициент характеризует интенсивность поля напряжений пе­ ред вершиной трещины независимо от длины трещины и приложенных сил, учитывает способ нагружения, геометрию трещины и показывает, что локальные напряжения о всегда пропорциональны а1/2, где а - длина тре­ щины. Кроме того, механика разрушения предполагает существование ин­ дивидуального для каждого материала KQ, по достижении которого тре­ щина распространяется спонтанно [29, 30].

В широком интервале варьирования пористости для всех исследован­ ных марок порошкового железа [31, 32, 33, 34, 35] тенденции изменения механических свойств и вязкости разрушения не совпадают, что подтвер­ ждает недостаточность применения для оценки работоспособности только традиционных характеристик механических свойств. Более того, зависи­ мость A’ic(n) немонотонна с минимумом в интервале 3,5-8,0 % в зависи­ мости от размера пор и концентрации примесей.

Расчетное значение вязкости разрушения KQ определяют с учетом геометрии образца:

(5.14)

где b - функция геометрии образца.

Наименьшее из часто встречающихся на практике значений KQ полу­ чено для случая, когда трещина распространяется под действием напряже­ ний нормального отрыва. Вид испытаний, при котором трещина под дей­ ствием напряжений нормального отрыва, и принят за основной, а искомую величину в соответствии с ГОСТ 25.506-85 обозначают К\с. Указанный стандарт определяет условия испытаний и размеры образцов, однако кон­ кретно для порошковых материалов размеры образцов, гарантирующие корректное проведение эксперимента, могут значительно отличаться от принятых ГОСТом.

Наиболее жесткие требования ГОСТ 25.506-85 и зарубежные стан­ дарты предъявляют к толщине образцов. Хотя при испытании порошковых материалов толщина образца обычно меньше принятой по ГОСТ мини­ мально допустимой, другие факторы (отсутствие утяжки кромок и губ сре­ за, плоский излом ) указывают на достоверность результатов. Так, для же­ леза повышенной чистоты коэффициент пропорциональности 0 между

Mo-Cu стали Р = 1 ,6; для высокопластичной нержавеющей стали при по­ ристости 5 % Р = 0,04; для порошковых никелевых сталей р = 1,4 [33-42]. Поэтому пока не установлены размеры образцов, гарантирующие коррект­ ное проведение испытаний, достоверность полученных результатов необ­ ходимо проверять, сопоставляя данные испытаний образцов различных размеров. ГОСТ 25.506-85 рекомендует проводить испытания на образцах различной толщины или диаметра.

Для оценки сопротивления разрушению конструкции по испытанию стандартизированных образцов разработана следующая методика [43, 44]. Экспериментально определяют вязкость разрушения К\с и предел текуче­ сти <7Т образцов из исследуемого материала. Максимально допустимую ве­ личину напряжений для данного материала с заданным размером дефекта находят из выражения

где о - напряжение, действующее перпендикулярно поверхности трещины; Ф - эллиптический интеграл второго рода; ас - критическая глубина тре­ щины. Полный эллиптический интеграл можно найти из номограмм или

таблиц [43, 44], связывающих длину трещины и отношение oloT. Из выра­ жения (5.15) следует, что если для конструкционного материала известны К\с и предел текучести Оо,2» то Для любого рабочего напряжения всегда можно определить максимально допустимый размер дефекта а. И наобо­ рот, по известным К\с, &о,2> а несложно вычислить разрушающее напря­ жение.

Таким образом, использование наряду с традиционными механиче­ скими свойствами вязкости разрушения позволяет более полно определить поведение материала в процессе нагружения, т.е. в условиях эксплуатации. Особенно важно знать К\с для материалов, имеющих большое число де­ фектов - концентраторов напряжений, к таким материалам безусловно от­ носятся порошковые стали и сплавы.

5.4.Калибрование порошковых деталей

Врезультате калибрования достигаются высокие значения точности размеров и класса шероховатости поверхностей деталей. Кроме того, про­ исходит упрочнение деформируемого поверхностного слоя деталей.

При калибровании для наружных поверхностей порошковых деталей припуск устанавливают больше, чем для внутренних, особенно в тех слу­ чаях, когда требуется сохранить поры на поверхности трения. Процесс осу­ ществляют в специальных пресс-формах, в качестве смазки применяют обычные масла или сухие смазывающие вещества. Оптимальная величина

угла наклона заходной части матрицы и пуансона 1 ,5-2,0°.

Калибрование обеспечивает получение 6—7-го квалитетов точности, 7-го класса шероховатости и выше, упрочняет поверхностный слой изде­ лий, отличается высокой производительностью и легко поддается автома­ тизации. При калибровании детали проталкиваются вниз (через прессформу) или выталкиваются вверх.

Значения калибровочных припусков представлены в табл. 5.3.

После калибровки следует термическая обработка. Упрочняющая термическая обработка порошковых сталей эффективна только при их от­ носительно невысокой пористости.

5.5. Термическая обработка порошковых сталей

Термическая обработка является эффективным методом улучшения физико-механических, технологических и некоторых других свойств по­ рошковых сталей.

Основные закономерности термической обработки порошковых мате­ риалов, процессы, протекающие при их нагреве и охлаждении, такие же, как и закономерности обработки компактных материалов. Однако из-за пористости, неоднородности структуры требуется корректировка, а в ряде случаев и изменение режимов, условий и приемов термической обработки спеченных сталей.

Наиболее часто применяются такие виды термической обработки по­ рошковых сталей, как закалка, отпуск, отжиг и нормализация.

Закалка. Для большинства компактных сталей температура закалки устанавливается на диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов по критическим точкам Лс\ и Асу Положение критических точек порошковых сталей определяет не только химический составом, но и пористость, гомо­ генность структуры. Поэтому при отсутствии справочных данных для пра­ вильного выбора температуры закалки необходимо в каждом отдельном случае находить критические точки или устанавливать температуру по ре­ зультатам экспериментов. Оптимальная температура нагрева порошковых сталей под закалку, как правило, значительно выше температуры нагрева компактных материалов (табл. 5.4).

Таблица 5.4 Критические точки и оптимальные температуры закалки спеченных сталей

Как видно из табл. 5.5, при увеличении содержания легирующих эле­ ментов твердость сталей снижается, что обусловливается уменьшением ко­ личества углерода в твердом растворе.

Таблица 5.5 Содержание углерода в твердом растворе закаленных сталей

В связи с повышением температуры закалки порошковых сталей воз­ растает количество остаточного аустенита, который становится более од­ нородным и устойчивым.

Для уменьшения количества аустенита производится обработка холо­ дом в течение 0,5-1,5 ч непосредственно после закалки. Обрабатываются изделия из высокоуглеродистых и легированных сталей (табл. 5.6). Однако обработка холодом, несмотря на уменьшение количества остаточного ау­ стенита, не приводит к повышению твердости. Твердость материалов после обработки остается несколько ниже твердости беспористых сталей после закалки с оптимальных температур.

Таблица 5.6 Влияние обработки холодом на твердость и структуру порошковых сталей

Продолжительность нагрева порошковых сталей, как и компактных, зависит от размеров изделий и скорости превращений аустенита в нагре­ том металле.

Нагрев спеченных сталей под закалку сопровождается их обезуглеро­ живанием и окислением, поэтому его рекомендуется производить в защит­ ной среде, в качестве которой используют инертные и восстановительные атмосферы (азот, аргон, эндогаз и др.), углеродсодержащие засыпки (дре­ весный уголь, графит и т.д.). Использование защитной атмосферы при на­

которая почта всегда ниже, чем у компактных сталей аналогичного хими­ ческого состава. Например, твердость HRC закаленных образцов из по­ рошковой стали У8 с пористостью 13 % составляет 48-52, из компактной кованной стали У8 - 61-63.

Однако основной причиной понижения твердости и прочности по ме­ ре роста пористости закаленных сталей является ускорение распада пере­ охлажденного аустенита, так как резко увеличивается удельная поверх­ ность; кроме того, при одинаковой пористости мелкие поры в большей степени ускоряют перлитное и бейнитное превращение, чем крупные [45, 46,47, 48].

В качестве закалочных сред при закалке порошковых сталей приме­ няют воду, водные растворы солей, масло и т.д. Пористость спеченных ма­ териалов приводит к снижению скорости их охлаждения в жидких средах, что необходимо учитывать при проведении закалки. Масло как закалоч­ ную среду рекомендуют для закалки мелких деталей, изготовленных из ле­ гированных сталей, имеющих низкую критическую скорость закаливания. Закалку железоуглеродистых порошковых сталей нужно производить в во­ де, причем наиболее высокая твердость материалов обеспечивается при интенсивном перемешивании воды. На поверхности спеченных образцов образуется мартенситно-бейнитная структура, которая переходит в трооститную, а затем в сорбитную. Однако уже при закалке в масле сталей с пористостью 10—15 % при тщательном микроскопическом исследовании их в структуре обнаруживают микротрещины [45], поэтому закалке в жид­ ких средах следует подвергать железоуглеродистые детали плотностью не ниже 7,2-7,4 г/см3. Величина пористости, с которой возможно применение закалки, определяется скоростью охлаждения: чем больше скорость охла­ ждения, тем выше минимальная плотность, позволяющая успешно закали­ вать сталь.

Индукционный нагрев (табл. 5.7) может быть рекомендован лишь для деталей плотностью 7,2-7,4 г/см3, но требования к скорости охлаждения принципиально не изменяются, более того, вероятность образования зака­ лочных трещин возрастает.