Принципы легирования улучшаемой стали Термическая обработка

Данная группа сталей имеет широкое применение в машиностроении. Поэтому эти стали иногда называют машиностроительными. Они применяются для изготовления тяжело нагруженных деталей различных механизмов.

Определяющие свойства

Детали машин и механизмов работают в условиях сложного нагруженного состояния. Они одновременно испытывают статические нагрузки растяжения, сжатия, изгиба и кручения, а так же подвергаются динамическому и циклическому воздействию. Наиболее часто детали выходят из строя по причинам динамического разрушения, усталостного разрушения и износа. Самым опасным видом разрушения является поломка детали, то есть разрушение в результате динамического воздействия или усталости. Такая внезапная поломка ответственной детали может повлечь за собой катастрофу, связанную с увечьем или смертным случаем людей. Поэтому детали должны обладать высокой конструкционной прочностью.

Так как конструкционную прочность детали можно определить только в условиях её работы непосредственно в узле машины, этот метод не приемлем для контрольных испытаний. он требует наличия готовой машины и связан с большими затратами времени. Данный метод применяется для улучшения качества машин и механизмов в процессе их обкатки (испытаний).

Существуют два метода выбора материалов и способа их обработки для получения высокой конструкционной прочности деталей.

1. Статистический подход. Он оправдывает себя, когда существует большая база экспериментальных и эксплуатационных данных по различным узлам каких либо машин (например, автомобилей).

2. Синтез. Применяется при разработке новых конструкций и устранении недостатков в существующих конструкциях в процессе испытаний. Мы будем рассматривать именно этот метод.

Чтобы выбрать материал и технологию обработки необходимо проанализировать работу детали в узле машины и выявить те причины, которые с наибольшей вероятностью могут привести к ограничению долговечной работы конкретной детали.

Рис. 90. Диаграмма механического состояния материалов при различных способах нагружения: А и Б – жестком, В – мягком; 1 – вдавливание, 2 – сжатие, 3 – кручение, 4 – растяжение. S_от– сопротивление отрыву, t_ср– сопротивление срезу, t_Т – предел текучести

Для большинства деталей конструкций таковыми являются износ деталей, хрупкое динамическое разрушение или усталостное разрушение.

Износ деталей во многом определяется точностью их изготовления, способом смазки и свойствами поверхностных слоев сопряженных поверхностей.

Усталостное разрушение учитывается при проектировании детали. Предел выносливости во многом зависит от свойств материала, важными из которых являются вязкость, отсутствие структурных и поверхностных концентраторов и чувствительность материала к наличию концентраторов напряжений.

Прочность материала ( ) в сложно нагруженном состоянии не является определяющим свойством, так как изменение размеров в упругой области напряжений от изгиба или кручения зачастую бывают больше, чем от растяжения или сжатия.

По этим причинам для деталей машиностроения главным свойством является ударная вязкость, которая определяет безаварийность работы детали и всей машины в целом.

Характер разрушения материала при сложном нагружении описывается диаграммой механического состояния – диаграммой Я.Б. Фридмана (рис. 90).

Если принять _max = _т, а _max = _в (где _max и _max– максимальные тангенциальные и нормальные действующие напряжения, а _т и _в вязкая и хрупкая прочность материала, то на характер разрушения большое значение оказывает отношение . С увеличением этого отно­ше­ния возрастает склонность стали к хрупкому разру­шению.

Согласно теории Гриффитса, хрупкое разрушение происходит в результате распространения хрупкой трещины размером с под действием нормального напряжения :

где Е – модуль Юнга, – величина поверхностного натяжения, – коэффициент Пуассона и с – размер трещины.

Ирвен ввел в это уравнение работу пластической деформации Р при вязкохрупком разрушении материалов, что характерно для металлов.

.

Выражение является характеристикой материала и определяет его склонность к хрупкому разрушению. К_1с называют коэффи­ци­ентом интенсивности развития трещины. Данный коэффициент не применяется в конструкторских расчетах, но, зная его величину, можно сравнивать материалы по надежности. Однако, измерение К_1с связано с большими трудностями и по этой причине он не находит широкого применения при выборе сталей в процессе проектирования деталей.

Рис. 91. Зависимости вязкости от прочности сталей с различным легированием: 1 – углеродистая сталь обычного качества; 2 – качественная углеродистая сталь; 3 – марганцовистая сталь; 4 – Cr-Mo – сталь; 5 – Cr-Ni-Mo – сталь.

На практике широко пользуются другими характеристиками, прямо или косвенно связанными с вязкостью стали: ударной вязкостью (KCU, МДж/м²) и относительным удлинением ( %), получаемыми при испытании сталей на растяжение с разрывом.

Между вязкостью стали и твердостью (наиболее распространенным способом оценки свойств) нет однозначной корреляции. Значение вязкости во многом зависит от легирования не только углеродом, который повышает прочность и твердость стали в закаленном состоянии, но во многом определяется содержанием таких элементов, как марганец, хром, никель и молибден. На рис. 91 схематически показана зависимость между статической вязкостью и прочностью сталей, легированных различными элементами. Видно, что лучшим сочетанием при леги­ровании является комбинация Cr – Ni – Mo. Стали, легированные этими элементами, используются для деталей высокой ответственности.

Вязкость стали определяется прежде всего свойствами феррита. Карбидная фаза повышает твердость и прочность стали. Чтобы сталь имела высокую вязкость и достаточную прочность, необходимо выполнить следующие требования:

1. Сталь должна иметь ферритную основу.

2. Феррит должен иметь мелкозернистое строе­ние.

3. Карбидная фаза должна иметь глобулярную форму.

Вязкость и прочность стали определяются размером ферритного зерна, составом твердого раствора размерами и плотностью распределения глобулярных карбидов. Такую структуру стали можно получить после термической обработки – улучшения.