книги / Трещиностойкость железоуглеродистых сплавов

Рис. 3.72. Зависимость работы зарождения aз и развития ap трещины для

стали 17ГС от температуры испытания: а – после горячей прокатки; б – после термоулучшения (закалка +отпуск при 600оС); α = 90о – поперечные

образцы, α = 45 о, α= 0 о – продольные образцы

Рис. 3.73. Зависимость вида излома (В, %) для стали 17ГС от температуры испытания: I – после термоулучшения (закалка + отпуск при 600 оС);

II – после нормализации; III – после прокатки; α = 90о – поперечные образ-

цы (сплошная линия); α = 45 о – штриховые линии; α = 0 о – продольные образцы (штрих-пунктирные линии)

281

горячей прокатки – минус 20 оС, после нормализации – минус 60 оС и в улучшенном состоянии – минус 100 оС. Следовательно, эффект от подходящего расположения листового материала в данной конструкции по отношению к действующим усилиям при отсутствии трещин можно ожидать только при температуре Т > Ткα.

Проведенные исследования показывают, что трещиностойкость листовой низкоуглеродистой стали при ударном нагружении в данном случае практически не зависит от ориентации плоскости движения самой трещины по отношению к направлению прокатки.

3.12. Влияние размера зерна, количества перлита и игольчатых структур на трещиностойкость углеродистых сталей

Измельчение зерна является одним из эффективных факторов, благоприятствующих повышению трещиностойкости низкоуглеродистых и низколегированных сталей. Особенно важно то обстоятельство, что увеличение трещиностойкости сопровождается одновременным повышением предела текучести материала. На рис. 3.74 [39]

показано снижение критической температуры Tê12àð , °С, при уменьше-

нии диаметра d ферритного зерна с 6 до 14 номера. Эта зависимость имеет вид

T ap	= 50,44 − 11,20 d −1/2 .	(3.1)
к12

Необходимо отметить, что с уменьшением размера зерна интенсивность, с которой снижается указанная критическая температура, растет. Так, например, измельчение зерна с 6 до 7 номера и с 11 до 12 номера снижает критическую температуру на 10 и 25 оС соответственно.

Зависимость предела текучести σ0,2 , МПа, от диаметра зерна d представлена на рис. 3.75 [39] и описывается уравнением

σ0,2 = 178 + 26 d −1/2 .

(3.2)

282

Рис. 3.74. Влияние размера ферритного зерна в низкоуглеродистых сталях на критическую температуру хрупкости

Уменьшение размера зерна и в этом случае является причиной немонотонного роста предела текучести. Так, увеличение номера зерна от 6 до 7 и от 11 до 12 ведет к возрастанию σ0,2 соответственно

на 25 и 60 МПа.

При наличии разнозернистости в структуре раньше всего начинают охрупчиваться самые крупные зерна, и они лимитируют верхний порог хладноломкости по виду излома (В, %). При дополнительном снижении температуры начинают хрупко разрушаться все более мелкие зерна. Таким образом, начало процесса хрупкого разрушения определяется не средним размером зерна, а размером крупных зерен.

Из представленных на рис. 3.76 данных видно, что увеличение содержания перлита в структуре уменьшает трещиностойкость стали, повышая критические температуры. Аналогичное влияние оказывает и появление игольчатых структур в нормализованных низкоуглеродистых сталях (рис. 3.77).

283

Рис. 3.75. Влияние размера ферритного зерна

внизкоуглеродистых сталях на предел текучести

Всвязи с изучением влияния размера зерна в низколегированных сталях на их трещиностойкость интересно обратить внимание на результаты, полученные в [192].

Исследовали зависимость между размером действительного ферритного зерна и трещиностойкостью низколегированных нормализованных литых и катаных сталей. Изучали литые стали 20Л, 20ГЛ

и20ГСЛ. Образцы вырезали из специально отлитой плиты переменного сечения размером 20(45) х 260 х 400 мм после того, как была отрезана массивная прибыль. Размеры этой прибыли и клинообразное сечение обеспечивало получение плотного литого металла.

Катаные стали содержали 0,2 % С, 0,2 % Si и 1,2 % Mn. Определяли

работу, израсходованную на развитие трещины ар, по методике Отани при испытании стандартных образцов на трехточечный ударный изгиб.

Были построены сериальные зависимости ар ≈ f оС, на которых по критериальным значениям ар = 15 Дж/см2 определяли критические темпера-

284

туры Tê15ap . Полученные результаты представлены на рис. 3.78. На

рис. 3.78, а, б показаны экспериментальные точки, полученные соответственно для катаных и литых сталей, а также соответствующие линейные регрессионные зависимости, которые на рис. 3.78, в представлены совместно. Видно, что при одном и том же размере зерна литые стали имеют лучшую трещиностойкость. Этот, в известном смысле, неожиданный результат связан, вероятно, с тем обстоятельством, что в литом металле приграничные области соседних зерен значительно проникают одна в другую и при соответствующей пространственной разориентировке этих зерен граница, сформированная таким образом, оказывает большее сопротивлениеразвивающейся трещине.

Рис. 3.76. Влияние доли перлита на критическую температуру хрупкости

Рис. 3.77. Влияние количества иглообразных структур в низкоуглеродистых легированных сталях на критическуютемпературухрупкости

Прокатка, дробя, с одной стороны, грубую структуру литого металла, увеличивает его трещиностойкость, но, с другой стороны, ликвидируя это взаимное проникновение в приграничных областях соседних зерен, «сглаживая» границы между ними до известной степени, уменьшает трещиностойкость металлической матрицы. Вероятно,

285

разница в состоянии границ является причиной того, что при одном и том же размере зерна литые стали обладают лучшей трещиностойкостью, чем катаные.

Рис. 3.78. Зависимость критической температуры от размера ферритного зерна: 1 – катаные стали; 2 – литые стали

3.13.Циклическая трещиностойкость сталей

сферритомартенситной структурой

Стали с ферритомартенситной структурой являются относительно новым классом конструкционных материалов. Обычно это низкоуглеродистые, низколегированные стали, закаленные в воде после нагрева в межкритическом температурном интервале Ас1 – Ас3 (см. рис. 1.42). Образованное при этих температурах определенное количество аустенита в процессе закалки превращается в мартенсит. В результате в структуре присутствуют одновременно феррит и мартенсит. В зависимости от температуры нагрева под закалку их количество будет различным. При этом при более низких температурах нагрева аустенит содержит больше углерода, в результате чего образующийся мартенсит имеет пластинчатую структуру. Наоборот, при более высоких температурах (близких к Ас3) аустенит содержит меньше углерода, в результате чего полученный после закалки мартенсит является мартенситом реечного типа. Это хорошо видно нарис. 3.79.

286

Рис. 3.79. Изменение количества феррита (Ф, %) и мартенсита (М, %) в стали 09Г2Д в зависимости от температуры закалки: Ф, % – количество феррита; М, % – количество мартенсита; Мр, % – количество реечного (пакетного)

мартенсита; Мпл, % –количество пластинчатого мартенсита

Типичные структуры, полученные при различных температурах закалки стали 09Г2С из межкритического интервала, представлены на рис. 3.80 [274]. Для этих структур характерна мартенситная оболочка вокруг ферритного зерна (рис. 3.80, а) при низких температурах закалки.

Литературных данных [269–271] о циклической трещиностойкости таких сталей не особенно много, и они очень противоречивы, что в известном смысле естественно, если иметь в виду сложный набор различного количества структурных составляющих, которые можно получить (см. рис. 3.79).

Рассмотрим некоторые результаты, полученные при исследовании циклической трещиностойкости сталей 06Г2АФ и 09Г2Д [268]. Их химический состав представлен в табл. 3.27.

287

Рис. 3.80. Микроструктура стали 09Г2Д после закалки от 750 °С (a); 800 °C (б) и 860 °C (в)

Таблица 3 . 2 7 Химический состав сталей 06Г2АФ и 09Г2Д

Марка	C	Si	Mn	Cu	N	V
стали				мас. %
09Г2Д	0,10	0,30	1,65	0,27	–	–
06Г2АФ	0,08	0,24	1,32	–	0,022	0,08

Термообработка состояла из закалки от температуры 750–950 °C, охлаждения в воде и отпуска при 200 °C в течение 2 часов. Испытывали поперечные образцы. Циклическую трещиностойкость изучали на компактных образцах (см. рис. 2.33) размером 62,5х60,0х10 мм. Испытания проводили с коэффициентом асимметрии R = 0,05 и частотой 14 Hz. Механические свойства представлены в табл. 3.28.

Результаты, полученные при исследовании циклической трещиностойкости, представлены на рис. 3.81 и 3.82. В начале координатной системы даны значения, полученные для горячекатаной структуры. Эти значения условно соединены пунктирной линией с результатами, полученными после закалки от 750 °C. Показаны изменения K в зависимо-

288

сти от температуры закалки (рис. 3.81, а и 3.82, а) и от процентного содержания мартенсита (рис. 3.81, б и 3.82, б) при данной скорости развития усталостной трещины (например, v = 10–8м/цикл).

Таблица 3.28 Механические свойства сталей 09Г2Д (A) и 06ГАФ(Б)

Режим	Характеристики механических свойств
термообработки	σ0,2 МПа		σв МПа		δ, %		ψ, %
	А	Б	А	Б	А	Б	А	Б
Горячекатаная	325	425	575	520	28	28	64	70
Закалка от температуры, °C
750	530	445	825	660	16	21	40	57
780	525	400	830	630	15	23	42	63
800	585	380	855	620	12	24	41	64
830	750	405	1020	650	7	24	38	65
860	855	460	1100	715	7	17	41	66
900	925	600	1120	745	8	20	41	62
950	930	520	1100	690	8	23	42	67

Рис. 3.81. Влияние температуры закалки (a) и процента мартенсита в структуре (б) на циклическую трещиностойкость стали 09Г2Д

Анализ этих данных показывает, что циклическая трещиностойкость стали 06Г2АФ во всех случаях больше, чем у стали 09Г2Д. При

этом наблюдаемая разница незначительна на низкоамплитудном участке диаграммы (около 3–5 МПа·м1/2 при v = 10–8 м/цикл), в то время как

289

на высокоамплитудном (около 10–15 МПа·м1/2 при v ≈ 10–6 м/цикл) становится существенной. Появление ~30 % мартенсита в структуре (tзак = 750 °C) повышает циклическую трещиностойкость по сравнению с горячекатаным состоянием. Дальнейшее увеличение количества мартенсита в структуре примерно до 50 % (tзак = 800 °C) ведет к известному уменьшению трещиностойкости. Наиболее высокая трещиностойкость для исследуемых сталей получается при наличии 60–70 % мартенсита в структуре (tзак = 860–900 °C).

Рис. 3.82. Влияние температуры закалки (a) и процента мартенсита

вструктуре (б) на циклическую трещиностойкость стали 06Г2АФ

Взаключение необходимо отметить, что эти стали, закаленные из нижней части межкритического температурного интервала (750–

780 °C), имеют хорошие пластические свойства ( σ0,2 ≈ 0,6, ψ ≈ 50 %)

σв

при достаточно высокой прочности. Это является причиной, из-за которой они все шире применяются для глубокой вытяжки в автомобильной промышленности. Их использование в качестве конструкционного материала с высокой прочностью и циклической трещиностойкостью требует режимов термообработки из верхней области межкритического температурного интервала (860–900 °C), которые обеспечивают в структуре ~70 % мартенсита и ~30 % феррита.

290