книги / Хладноломкость металлоконструкций и деталей машин

Испытания проводились на растяжение и ударную вязкостьпри различных отрицательных температурах. Растяжение про­ водили на гагаринских образцах 0 6 мм. При этом были созданы условия, в различной степени усложняющие характер деформа­ ции, а именно: одна партия образцов испытывалась с перекосом 12°, вторая — с надрезом у головки образца, но без перекоса и третья партия с надрезом у головки образца и перекосом 12°, в результате чего одновременно с растяжением в надрезе проис­ ходил изгиб. Надрез был сделан на расстоянии 10 мм от головки. Радиус закругления надреза 0,1 мм, глубина 0,5 мм. Испыта­ ния проводились на машине ИМ-4А. Перекос создавался за счет специального вкладыша под верхней головкой образца с углом 12°

Пределы прочности и текучести определяли из диаграммы, записанной на машине.

При вычислении относительного удлинения в надрезе из­ меряли ширину надреза на поверхности образца до и после испытания; при определении относительного сужения измерял­ ся диаметр образца в надрезе до и после испытания. Измерение проводили с помощью инструментального микроскопа, позво­ ляющего отсчитывать размер с точностью до 0,01 мм.

Образцы испытывали в специальном термостате с реверсо­ ром, куда заливался авиационный бензин. Бензин и образец охлаждали сухим льдом или жидким азотом. Температуру из­ меряли термопарой медь — константан.

При испытании на ударную вязкость использовали образцы с надрезом Менаже.

Ударные образцы так же охлаждали до заданной темпера­ туры, как и образцы, предназначенные для испытаний на рас­ тяжение. Перенос образцов на опоры копра МК-30 и испытание их длилось 3—5 сек. За это время образец нагревался на 5— 10° С согласно ГОСТ 9455—60. В связи с этим образцы охлаж­ дались на соответствующее количество градусов ниже намечен­ ной температуры испытания.

Результаты испытания

Результаты механических испытаний на растяжение пред­ ставлены в таблице, где указаны средние значения 2—3 опытов, проведенных в одинаковых условиях. Из этих результатов вид­ но, что как термическая обработка, так и условия испытания (надрез и перекос) оказывают существенное влияние на свойства прочности и пластичности при отрицательных температурах.

При испытании образцов на растяжение с перекосом 12°,

			Испытания (5сз надреза с				Испытания с	надрезом
		Темпера­	перекосом ]2°, 0.19% С				без перекоса* 0,19% С
	Режим							% 1 4>. %
	термической	тура ис­
		пытания,	"в,	а у*	6.		аь,
	обработки					0/
		°С						» надрезе
			кгс/мм2 кгс/мм2		%		кгс/мм2

В СОСТОЯНИИ

поставки

После

закалки с 900э

После Оо1\а«/Ни1чякя глеи рЬ

900°

IIЛТПНЛ1/П

ио 1 пуска

600ЭС

•’г 20	38	23	40	70	49	150	46
— 30	—	—	—	—	—	—	—
— 70	47	36	38	69	62	87	28
— 85	—	—	—	—	—	—	—
— 100	—	—	—	—	—	—	—
— 120	54	48	38	65	87	81	17
— 196	34	34	0	0	99	9	1
"г 20	48	34	27	77	70	27	36
— 30	—	—	—	—	84	—	30
— 70	56	44	28	74	82	28	31
— 120	71	66	24	66	108	24	14
— 150	—	—	—	—	—	■—	—
— 196	99	98	11	33	142	11	2
— 196	—	—	—	—	—	—	—
+ 2 0	48	32	35	75	—	—	—
—30	—	—	—	—	—	—	—
—70	58	45	40	72	—	—	—
— 120	65	61	35	66		_
— 196	93	90	28	61	109	16	1
— 196	—	—	—	—	—	—	—

Испытания с надрезом и перекосом 12°

	°ь,		6.%		Ф.%
кгс/мм2			о надрезе
о ^ а? о	0.12	0,19	0.12	0,19
	% с	% с	% с	%	с
49	50	150	192	44
62	60	138	189	37
66	60	95	143	28
74	—	107	—	31
69	—	74	__	22
17	68	14	19		0
16	11	11	0		0
73	63	134	146	1	36
73	71	137	164		26
83	76	106	ИЗ		35
92	91	87	65		26
107	—	37	—		18
31	19 •	10	0		1
91*	127**	2*	0**		0*
62	56	138	221		39
67	62	141	193		37
73	68	117	- 179		29 '
89	79	56	102		17
23	19	14	0		4
—	105**	—	0 **		—

0,12 % с

40

36

37

—

—

9

0

38

38

33

23

—

0

0**

52

47

42

29

0

0**

♦Образец с надрезом, перекос 5°.

♦♦ То же, без перекоса.

но без надреза удается выявить существенное влияние термичес­ кой обработки на повышение свойств прочности, а также заметить переход стали без термической обработки в хрупкое состояние.

Предел прочности при температуре испытания -1-20° после термической обработки увеличивается примерно на 25%. Пре­ дел текучести в этом случае увеличивается на 40—45%.

С понижением температуры испытания происходит сущест­ венное увеличение пределов прочности и текучести. У термичес­ ки обработанной стали (закаленной с 900° и закаленной с 900° и отпущенной при 600°) предел прочности при температуре

—196° почти в 2 раза больше предела прочности при комнат­ ной температуре. Предел текучести в этом случае увеличивается почти в 3 раза.

Сталь без термической обработки (в состоянии поставки) при низких температурах ведет себя значительно хуже. До темпе­ ратуры — 120° происходит некоторое увеличение прочности, а при дальнейшем понижении температуры прочность сильно падает, что может быть связано с резким понижением пластич­ ности (относительного удлинения и сужения) в этом интервале температур.

Испытания на растяжение с надрезом без перекоса показа­ ли, что при понижении температуры от -г20 до —196° предел прочности увеличивается почти в 2 раза, как у стали в состоя­ нии поставки, так и после закалки с 900°.

Пластичность в надрезе очень резко уменьшается с пониже­ нием температуры. Закалка с 900° в данных условиях испытания существенного влияния на пластичность в надрезе не оказывала.

Особенно сильно влияние термической обработки и темпера­ туры на свойства прочности и пластичности сказывается при испытании на растяжение с надрезом и перекосом (наиболее сложные условия деформации при статических испытаниях).

При обычной температуре + 2 0 ° закалка сильно повышает предел прочности и очень слабо уменьшает пластичность.

Отпуск при 600° несколько снижает предел прочности и повышает пластичность. Однако общее изменение свойств при отпуске невелико.

Сравнение свойств после закалки и отпуска с свойствами в исходном состоянии показывает, что предел прочности сохра­ няет повышенное значение, а пластичность практически не из­ меняется.

При понижении температуры испытания для образцов с над­ резом и перекосом во всех состояниях удалось обнаружить пере­ ход в хрупкое состояние и резкое понижение предела прочности. Однако для исходного состояния (без термической обработки)

Изменение ударной вязкости в зависимости от температуры испытания стали марки Ст.Зкп (0,19% С):

а — в состояннл поставки; б — после закалки с 900°С; о — после закалки с 900е я отпуска 600°С; г—для стали марки Ст. Зкп с содержанием углерода 0,12% в состоянии поставки; д — после закалки с 900°С; е — после закалки с 900° и отпуска 600°С.

предел прочности увеличивается при понижении температуры до —85°. Заметное уменьшение пластичности начинается с —30° При — 100° наблюдается слабое уменьшение предела проч­ ности, а при —120° предел прочности и характеристики пластич-

й о с т и уменьшаются в несколько раз. При —196° металл пол­ ностью переходит в хрупкое состояние.

Закалка стали, а также закалка с отпуском существенно по­ нижают температуру перехода в хрупкое состояние. До темпе­ ратуры испытания —120 ---- 150° пределы прочности увеличи­ ваются, заметное снижение пластичности начинается от —70°. При температуре испытания —196° наблюдается резкое сни­ жение пределов прочности, которые все же сохраняю! более высокое значение, чем у стали в исходном состоянии, и почти полное отсутствие пластичности.

Испытания с надрезом и перекосом показывают, что темпе­ ратура перехода стали в хрупкое состояние (начало заметного снижения относительного удлинения и сужения) очень близка по своему значению к температуре перехода в хрупкое состоя­

ние	при	динамических испытаниях.
На рисунке приведены результаты испытаний на ударную
вязкость		при температурах от -г20 до —120° С.
У стали в состоянии поставки (без термической обработки)
переход		в хрупкое состояние начинается при температурах
—10	---- 20° С. Сталь переходит полностью в хрупкое состоя­
ние	при	—40 ---- 50°С.
Для стали, прошедшей закалку, а также закалку с отпуском,

температура начала перехода в хрупкое состояние примерно одинакова и равна —60 ---- 70°С. Сталь переходит полностью в хрупкое состояние при —85 ---- 100°С.

Содержание углерода в стали (в исследованных пределах) существенного влияния на температуру перехода в хрупкое со­ стояние и на величину ударной вязкости при низких темпера­ турах не оказывает.

Характер излома образцов при испытании на ударную вяз­ кость существенно изменялся с понижением температуры ис­ пытания.

У образцов в исходном состоянии вязкий — волокнистый излом сохранялся до —20° С. При —30° и ниже появлялся крис­ таллический характер излома, что соответствовало началу пере­ хода в хрупкое состояние. С дальнейшим понижением темпера­ туры площадь участков с волокнистым изломом резко умень­ шалась.

Образцы из стали в закаленном состоянии, а также после за­ калки и высокого отпуска при —60° еще имели волокнистый из­ лом. В интервале температур —60 ---- 100° часть образцов име­ ла волокнистый излом, а часть кристаллический. У образцов с волокнистым изломом значение ударной вязкости в этом интер­

вале температур было высоким, а у образцов с кристаллическим изломом — низким.

При температуре ниже —100° С все образцы имели хрупкий кристаллический излом.

На образцах Менаже после испытания их на ударную вяз­ кость измерялась твердость по Бринелю шариком 0 5 мм. Ниже

приведены результаты измерения	твердости.
Режим термической обработки	ИВ 5/750
В состоянии поставки .	119— 131
После закалки с 900°С	156 — 170
То же, и отпуска 600°С	140 — 150

Изучение микроструктуры показало, что термически не об­ работанная сталь имеет сравнительно мелкие зерна феррита и перлита. После закалки и после закалки и отпуска сталь по своей структуре практически одинакова (при увеличении в 600 раз), состоит из мелких зерен феррита и участков сорбита. Гра­ ницы между ферритом и сорбитом сильно размыты, что явля­ ется положительным фактором.

В ыв о д ы

Испытания стали Ст. Зкп на растяжение в различных услови­ ях и на ударную вязкость после различной термической обработ­ ки показали, что термическая обработка оказывает существен­ ное влияние на механические свойства как при комнатной, так и при низких температурах. При всех видах испытаний терми­ ческая обработка увеличивает предел прочности при комнат­ ной температуре на 20.—30%, а предел текучести на 40—50%.

Наиболее сильно повышает предел прочности и текучести закалка с 900° в воде без отпуска. Термическая обработка оказы­ вает очень сильное влияние на пластичность и вязкость при низких температурах.

После закалки температурный интервал перехода стали в хрупкое состояние сдвигается примерно на 50° в сторону низких температур, что обеспечивает высокую ударную вязкость при температурах —60 ---- 70°С.

По литературным данным 16—81 низколегированные стали и даже низкоуглеродистые стали с 3—4% № в прокатанном со­ стоянии имеют предел текучести 30—35 кгс/мм* и предел проч­ ности 55 — 65 кгс/мм2 и, следовательно, по этим свойствам мало отличаются от термически обработанной стали Ст. Зкп.

Пластичность и вязкость низколегированных и никелевых сталей в прокатанном состоянии при + 2 0 ° практически не пре­

вышает соответствующих свойств термически обработанной ста­ ли Ст. Зкп.

Температура начала заметного снижения ударной вязкости в низколегированных и никелевых сталях, применяемых без тер­ мической обработки, равна —40 ---- 80° и, следовательно, ма­ ло отличается от соответствующей температуры для термически обработанной стали Ст. Зкп.

Термическое улучшение позволяет снизить температуру на­ чала перехода в хрупкое состояние низколегированной стали до —80 -г — 100° С, а никелевой стали с 3—4% № еще ниже. Вследствие этого легированные стали после термического улуч­ шения имеют существенное преимущество по сравнению с тер­ мически улучшенной сталью Ст. Зкп.

Это дает основание рекомендовать применение закаленной стали Ст. Зкп вместо низколегированных сталей там, где они использую гея в настоящее время в прокатанном состоянии (без термической обработки).

Стоимость одной тонны закаленной стали Ст. Зкп примерно на 19 руб. меньше стоимости стали НЛ2 [5].

При использовании термически обработанной стали Ст. Зкп взамен той же стали без термической обработки за счет повыше­ ния свойств прочности достигается экономия в расходе стали порядка 20%, которая соответствует снижению стоимости кон­

струкции примерно	на	10%.
1. Закалка стали	Ст.	Зкп существенно повышает ее проч­

ность как при комнатной, так и при низких температурах, не

вызывая	при этом существенного снижения пластичности.
2. В	результате закалки пластичность и вязкость стали при

отрицательных температурах значительно увеличиваются (тем­ пературный интервал перехода в хрупкое состояние сдвигает­ ся примерно на 50° в сторону низких температур).

3. Отпуск закаленных изделий сечением выше 20 мм не обя­ зателен, так как не даст существенного преимущества в ме­ ханических свойствах.

4. Механические свойства стали Ст. Зкп в закаленном со­ стоянии приближаются по своему значению к механическим свой­ ствам низколегированных и даже среднелегированных сталей,

применяемых без		термической		обработки.
		Л И Т Е Р А Т У Р А
1. К. В.	П о п о в .	Влияние термической обработки				на склонность стали
к хладноломкости. — Тр.			Восп.-Сиб. фил. АН СССР, вып. 6, 1957.
2. М. В. П р и д а н и е в, А. А. Б а т ь ,					Л. И. Г л а д ш т е й н в
•X. Ш.	Л е в и и з о н.		Термически	обработанная		сталь марки Ст. Зкп
для строительных		конструкций.— Сталь,			1958, №	5.

3.

3.

Н.

К р а с и л ь щ и к о в ,

Н. В.

Шми д т ,

Е. Н.

Ш в а ч,

Н. Г.

П а в л е н к о ,

С.

Е.

Н е ч е п у р е и к о.

Термическое упро­

4.

чнение

незакаливающейся

углеродистой

стали. Судпромгиз,

1960.

О. Л.

П е т р о в .

Термическая обработка конструкционных малоуглеро­

5.

дистых

сталей. — Сталь,

1959,

№

1.

Л. И.

Г л а д ш т е й и,

М.

В.

П р и д а н ц е в,

А.

А.

Б а т ь,

X. Ш.

Л е в и н з о н.

Закаленная сталь марки Ст. Зкп — новый перс­

пективный материал для

стальных

конструкций. — Строительная про­

6.

мышленность, 1958,

№

2.

А. П.

Т у л я к о в .

К

вопросу о хрупкости металлов при низких тем­

пературах. — Металлург,

1938,

№

7—8.

7. И. И. Г е л ь п е р и н , Г. М. З е л и н с к и й , Л. Л. Р а п п о п о р т . Справочник по разделению газовых смесей методом глубокого охлажде­ ния. ГХИ. 1953.

3. В. Г. С а в и ц к и й , К. В. П о п о в , В. Ф. З а х а р о в , Г. М. Г ри­ т о р ь е в а. Влияние легирования малоуглеродистой стали хромом и марганцем на ее склонность к хрупкому разрушению. — Металловедение и термическая обработка, 1959, .№ 9.

Ю. я. М А С Л О В А ,

В. А . Б О Ч А Р О В , Т . А . К О Р О С Т О В Ц Е В А

ВЛИЯНИЕ ХРОМА, МАРГАНЦА И РЕЖИМОВ ТЕРМООБРАБОТКИ

НА ХЛАДНОЛОМКОСТЬ СТАЛИ МАРКИ ЗОХ2ГН2

Изучение хладноломкости проводилось на среднелегирован­ ной литой стали марки 30Х2ГН2 методом определения величины

ударной вязкости на	образцах типа	Менаже размером	10 X
X 10 X 55 мм при	температурах	испытания +20,	—20,

—40, —60° С и работы статического изгиба на образцах разме­

ром 10 X	10 X 55 мм с	угловым		надрезом	(угол раскрытия
60°, глубина надреза 2 мм,			г = 0,2	мм) при	температурах ис­
пытания —20, —40, —60, —80° С.
Сталь	выплавлялась	в	75-тонной основной мартеновской

печи.

Удельную работу деформации при статическом изгибе опре­ деляли методом планиметрирования площадей диаграмм, полу­ ченных при испытании образцов на 12-тонной машине ЦНИИТМАШ.

Анализируя результаты испытания на статический изгиб, определяли величину удельной работы отдельных участков диаграммы изгиба и наличие кристаллической составляющей в изломах образцов.

I. Скорость нагружения и ударная вязкость

Как известно, надежность работы металла при низких тем­ пературах или при больших скоростях нагружения (при ударе) характеризуется главным образом склонностью к хрупкому раз­ рушению.

			Мы сопоставили нагру­
		жение деталей				при		боль­
		ших ударных скоростях со
		значением величины						удар­
		ной вязкости. Испытуемые
		детали были разделены на
		две группы: к I группе от­
		несли		детали,		выдержав­
		шие нагружение					без	раз­
		рушения			при		больших
		скоростях,			и ко		II	груп­
		пе — детали, разрушивши­
		еся	при низких скоростях
	Л деталей	нагружения.
			На рис.		1 представлено
Рис. 1.	Ударная вязкость деталей 1л II
		изменение			величины удар­
групп	(I группа — выдержали нагрузку	ной вязкости при темпера­
при максимальной скорости, II группа —		турах		+ 2 0	и —60° С для
не выдержали нагрузки при минимальной
	скорости)	деталей обеих групп.						Как
		видно		из	графика,			если
при температуре + 2 0 ° С значения		ударной вязкости				для		дета­
лей I и II групп несильно отличаются			по	величине,			то	при
— 60° С величина ударной вязкости		для	деталей		I группы зна­

чительно выше.

Таким образом, склонность исследуемой стали к хладнолом­ кости, определенная по величине ударной вязкости при темпера­ туре —60° С, может характеризовать прочность и надежность конструкций, работающих на удар при больших скоростях на­ гружения.

II.Влияние Сг и М п

Практика показала, что в изломах конструкционных дета­ лей, изготовленных из плавок, выплавленных на верхнем пределе по Сг и Мп, наблюдается большое количество кристалличес­ кой сыпи. Проводилось исследование влияния Сг и Мп на хлад­ ноломкость стали путем определения величины ударной вязкос­ ти образцов, изготовленных из деталей.

На рис. 2, 3 представлено изменение величины ударной вяз­ кости и количество волокнистой составляющей в ударных об­ разцах для плавок с разным содержанием Сг и Мп. Как видно из графиков, с увеличением содержания Сг и Мп величина удар­ ной вязкости падает и увеличивается в изломах ударных образ­ цов количество кристаллической составляющей.