книги / Методы оценки трещиностойкости конструкционных материалов

трещиной еще не получили широкого распространения, что обус­ ловлено как трудностями изготовления цилиндрического образ­ ца с кольцевой трещиной, так и недостаточной разработкой обору­ дования и методики проведения таких испытаний.

На основании предложенной в параграфе 2 гл. VI методики

[95]подготовка цилиндрического образца с кольцевой трещиной

киспытанию практически легко реализуема в лабораторных

изаводских условиях. Испытание на ударное растяжение таких образцов можно осуществить на стандартных копрах (МК-5, МК-30

идр.), если дооборудовать молот копра так, как это предложено в работах [97, 99] (см. рис. 74—76).

При ударном растяжении цилиндрического образца с кольце­ вой трещиной или образца другой конфигурации, ослабленного трещиной, обычно определяют удельную работу, приходящуюся на единицу поверхности излома указанного образца, т. е. опре­ деляют ударную вязкость образца с трещиной при растяжении. Эту характеристику сопротивления материала хрупкому разруше­

нию обозначим через а(тРу. Она выражается через энергию разру­ шения образца формулой

где А в — общая энергия разрушения образца при ударе: d — диаметр перешейка — области излома.

Рассмотрим методику испытания и устройство для ее реализа­ ции. Конструкция приспособления для реализации ударного рас­ тяжения цилиндрического образца с кольцевой трещиной показана на рис. 80 и состоит из следующих узлов [97]: молота 1, двух захва­ тов 2 и 7, поперечной траверсы 3, цилиндрической пружины 4, кольца 5 и сферической гайки 8. Образец 6 крепится с помощью захватов в отверстии, высверленном в корпусе молота. Для устра­ нения перекосов и с целью самоцентровки образца захваты уста­ навливаются с некоторыми зазорами и предусмотрены сферические поверхности захватов. Образец с захватом 2 вставляют со стороны прорези молота в отверстие и закрепляют сферическим захватом 7. Между захватом 7 и корпусом молота может помещаться дина­ мометр 9 (см. рис. 74), дающий возможность измерять нагрузку при ударном разрушении образца. В процессе пролета молота поперечная траверса ударяется об опоры копра, образец разру­ шается, а на шкале копра фиксируется работа, затраченная на его разрушение. Если подсоединить датчик нагрузки к электронноосциллографической аппаратуре, можно измерить разрушающую нагрузку при ударном разрушении образца (см. параграф 1 настоя­

щей главы).

Для испытания материалов при заданной температуре цилинд­ рический образец с кольцевой трещиной устанавливают в захват 2, охлаждают в камере при определенной температуре в течение 10— 15 мин вместе с захватом и ударником, а затем быстро (7—10 сек)

Рис. 80. Схемы молота (а) и приспособления для реализации ударного растяжения (б).

закрепляют в отверстии молота и разрывают. Описанная ме­ тодика может быть применена для установления критических температур хладноломкости конструкционных материалов на основе анализа температурной зависимости работы распространения тре-

щины а$у = / (Гисп).

Проведенные ниже экспериментальные исследования по опре­ делению критической температуры хладноломкости путем ударного растяжения цилиндрических образцов с кольцевыми трещинами показывают, что данный метод является простым и эффективным средством оценки склонности конструкционных материалов к хрупкому разрушению. Поэтому указанный метод может быть реко­ мендован для широкого использования.

3.Оценка склонности некоторых сталей

кхладноломкости

Существенное влияние на склонность к хрупкому разрушению стали оказывает ее химический состав, в частности содержание углерода. Повышение содержания углерода в сталях резко понижает ударную вязкость образцов как в отожжен­ ном и нормализованном, так и в термически улучшенном состоянии.

стойкости сталей за счет совершенствования процессов конечного раскисления [151—153]. Проиллюстрируем это на примере [23,

ферромарганцем и ферросилицием металл выливали в стопорный ковш. Раскислители (алюминий, силикокальций и ферроцерий) вводили в 350-килограммовые заливочные ковши, которые напол­ няли металлом из стопорного ковша. Это позволило исключить влияние посторонних факторов (химсостава, температуры и др.) и получить металл, отличающийся только вариантом конечного раскисления, обеспечивающего разные уровни его газонасыщенности, механические свойства и хладостойкость.

От каждого варианта отбирали литые образцы (ГОСТ 977—65) для определения механических свойств металла. Состав раскислителей и уровень газонасыщенности стали при различных вариан­ тах конечного раскисления представлены в табл. 14. Сталь, рас­ кисленная только марганцем и кремнием, а также присадками

оптимальной с точки зрения газонасыщенности. Дальнейшее сни­ жение газонасыщенности получили при комплексном раскислении стали алюминием совместно с силикокальцием и ферроцерием.

Наиболее низкий уровень газонасыщенности имела сталь после трехкомпонентного раскисления алюминием, силикокальцием и ферроцерием.

Неметаллические включения. В стали, раскисленной только ферромарганцем и ферросилицием, неметаллические включения представляли собой сульфиды, оксисульфиды и силикаты, дезо­ риентированно расположенные в металлической матрице. Сульфи­ ды имели глобулярную или близкую к ней форму (тип I). При кри­ тических концентрациях в стали алюминия (присадка 0,02%) сульфиды в виде пленок располагались по границам зерен (тип II). Появлялись остроугольные включения корунда. Более высокие концентрации алюминия в стали (вариант № 3) существенно меня­ ли природу и характер расположения неметаллических включений. При этом сульфиды имели угловатую форму (тип III) и произволь­ но располагались в металлической матрице.

После присадки силикокальция существенно изменялся харак­ тер включений. Остроугольные кристаллические включения корун­ да оказались внутри глобулярных сульфидных оболочек. Таким образом, присадка силикокальция способствовала переходу вклю­ чений из типа III в тип I.

После дополнительного раскисления стали ферроцерием включе­ ния имели глобулярную форму (или близкую к ней). Замечатель­ ным свойством редкоземельных металлов является их способность не только глобуляризировать сульфиды, но и полностью очищать от них границы зерен (сульфиды типов II и III приводятся к типу I). Наиболее чистый металл с неметаллическими включениями гло­ булярной формы получался при комплексном раскислении опти­ мальными присадками алюминия, ферроцерия и силикокальция.

Механические характеристики стали, раскисленной различны­ ми вариантами, определяли после нормализации (880° С) и отпус­ ка (650° С). Результаты испытаний показали, что форма неметалли­ ческих включений — важный фактор, определяющий уровень механических свойств стального литья. Наиболее благоприят­ ной форме неметаллических включений (глобулярной) соответст­ вовали высокие показатели механических характеристик, самые

низкие свойства по всем показателям имела сталь, раскислен­ ная «критическими» присадками алюминия, вызывающими обра­ зование по границам зерен пленочных сульфидов типа II (табл. 15).

Высокий уровень свойств имела сталь без присадок алюминия (тип II включений), однако отливки при этом имеют ситовидную пористость. Свойства стали, раскисленной оптимальными присад­ ками алюминия (0,1%), приближались к показателям стали с типом I включений. Силикокальций и ферроцерий существенно по­ высили пластичность и вязкость. Самые высокие показатели плас­ тичности и вязкости имела сталь после трехкомпонентного рас­ кисления алюминием, силикокальцием и ферроцерием. Плотность стали и состав неметаллических включений для различных ва­ риантов конечного раскисления представлены в табл. 16.

Критическую температуру хладноломкости стали 45Л опреде­ ляли двумя методами: методом .построения сериальных кривых зависимости ударной вязкости ан от температуры испытания и ме­

тодом построения экспериментальных зависимостей а(тРу от темпе­ ратуры испытания при ударном растяжении цилиндрических образцов с кольцевыми трещинами. По первому методу за крити­ ческую температуру хладноломкости принимали наиболее низкую температуру, при которой указанная сталь еще удовлетворяла зна­ чениям ударной вязкости ан = 3 кГ!см2, предусмотренным ГОСТ 977-65.

Полученные экспериментальные зависимости ан (Гисп) пред­ ставлены на рис. 86, где кривые 1—6 относятся к вариантам № 1 — 6 конечного раскисления стали 45Л (см. табл. 15).

По второму методу за критическую температуру хладноломкос­ ти принимали температуру, при которой наступает резкое измене­

ние (уменьшение) величины акР\при Гисп < О- На рис. 87 представлено изменение а(тРу от температуры испыта­

ния для четырех вариантов конечного раскисления стали 45Л.

При сравнении зависимостей ан (Тисп) и ДтРу (ТИСп) для одинако­ вых вариантов раскисления легко заметить более пологий харак­ тер кривых температурной зависимости ударной вязкости от температуры образцов Менаже, по сравнению с кривыми темпера­

турной зависимости у (Тасп), полученными при ударном рас­ тяжении цилиндрических образцов с кольцевыми трещинами. Так как для большинства конструкционных материалов характер тем­ пературной зависимости не позволяет четко установить критиче­ скую температуру хладноломкости, то на основе многолетней прак­ тики критерием хрупкой прочности принято считать величину ударной вязкости ан = 3 кГм/см2, что легло в основу соответству­ ющего ГОСТа. Таким образом, критическую температуру хлад­ ноломкости исследуемых сталей (см. рис. 86) определяли по точкам пересечения зависимостей ударной вязкости от температуры и зна­ чения ударной вязкости аа = 3 кГм/см2.

В отличие от кривых ан (Гисп) (см. рис. 86) изменение а^Гу при понижении температуры позволяет довольно четко установить

/2 J пературы хладноломкости на осно­

ве анализа температурной зависи­ мости сопротивляемости стали 45Л

влияния способа выплавки стали на ее склонность к хладнолом­ кости. С этой целью была исследована сталь 28ХЗСНМВФА, цилиндрические образцы для ударных испытаний на растяжение из которой вырезали из различных полуфабрикатов: плиты тол­ щиной 16 мм открытой выплавки, прутка диаметром 110 мм ва­ куумно-дугового переплава и прутка диаметром 90 мм открытой выплавки. Вырезку образцов производили так, что во всех слу­ чаях трещина располагалась перпендикулярно к направлению прокатки. Образцы подвергали закалке с температуры 980° С в воду и отпуску при температуре 280° С в течение 2 ч. После обра­ зования кольцевых усталостных трещин проводили эксперименты на ударное растяжение в диапазоне температур от +20 до —80° С. Температурные зависимости работы распространения трещины для исследуемых вариантов указанной стали изображены на рис. 88. Из данных видно, что сталь вакуумно-дугового переплава (кривая 2)

листовая открытой выплавки (кривая 1) по а£Ру не уступает стали вакуумно-дугового переплава, изготовленной в виде прутка диа­ метром 110 мм. Аналогичные данные для этих вариантов получе­ ны также по трещиностойкости при статическом испытании ци­ линдрических образцов с кольцевыми трещинами (см. гл. VI).