CC BY
16ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
УДК 539.4:620.2
ПОВЫШЕНИЕ КОНСТРУКТИВНОЙ ПРОЧНОСТИ ДЕТАЛЕЙ УДАРНЫХ МАШИН ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКОЙ
С СОЗДАНИЕМ В СТАЛИ СМЕШАННОЙ СТРУКТУРЫ
А.И. ПОПЕЛЮХ, к.т.н., доцент, А.М. ТЕПЛЫХ, аспирант, Д. С. ТЕРЕНТЬЕВ, аспирант, А.Ю. ОГНЕВ, аспирант, НГТУ, Новосибирск
Предложена термическая обработка углеродистых сталей со смешанным мартенсито-бейнитным превращением аустенита. Выявлены режимы, обеспечивающие оптимальное сочетание характеристик прочности и трещиностойкости стали . Применение обработки наиболее целесообразно при изготовлении деталей ударных механизмов.
Thermal treatment of carbon steels with mixed martensite bainite transformation of austenite is offered. The conditions providing the optimal combination of strength and cracking resistance characteristics are found. The use of this treatment is most efficient at manufacturing parts of impact mechanisms.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА, МАРТЕНСИТ, БЕЙНИТ, УДАРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ, ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ.
В настоящее время в промышленном производстве и строительстве активно применяются механизмы, использующие для реализации своих служебных характеристик энергию удара. Наиболее нагруженными деталями таких механизмов являются ударники, к которым предъявляются повышенные требования, касающиеся обеспечения механических свойств. С целью сохранения геометрических размеров ударника необходим высокий уровень предела текучести, а для обеспечения продолжительной работы требуется значительное сопротивление усталостному разрушению [1]. Авторами предложен способ термической обработки деталей ударных механизмов, позволяющий сочетать высокие прочностные характеристики стали со значительным уровнем трещиностойкости при многократном ударном воздействии.
Один из возможных способов получения в сталях высокого комплекса прочностных свойств в сочетании с высоким уровнем трещиностой-кости заключается в термической обработке с
образованием смешанных структур. Очевидно, что схема термической обработки стали, позволяющей получить смешанную структуру с такими характеристиками, должна обеспечивать получение высокопрочных структур - мартенсита и бейнита. Негативные отзывы о возможности применения сталей со структурами такого типа для изготовления деталей ударных систем, по нашему мнению, связаны с реализацией известной схемы, основанной на распаде переохлажденного аустенита с образованием на первом этапе некоторой доли бейнита и мартенситном превращении оставшейся части аустенита [3]. При использовании данной схемы бейнитное превращение развивается в первую очередь в обедненных углеродом зонах, а дальнейшее мартенситное превращение происходит в зонах с повышенным содержанием углерода. В результате в конечной структуре наблюдается высокий уровень внутренних напряжений.
Продолжение на 22 с.
Л* /- ' v
XII МЕЖРЕГИОНАЛЬНАЯ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННАЯ ВЫСТАВКА
М £Т4 /И&о SPA GO ТКА:
смнки
А€Ж4ГНЛ1>ОАНЫП СВАРОЧНЫЙ (йОРГМ
в который входят:
КОНКУРС СВАРЩИКОВ РОССИИ
МЕЖДУНАРОДНАЯ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ
МЕЖРЕГИОНАЛЬНАЯ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННАЯ ВЫСТАВКА
450080, Россия, Республика Башкортостан, г. Уфа а/я 144 Тел.: (347) 256-51-80, 256-51-86, 256-54-61 Факс: (347) 290-87-07 БАШЭКСПО E-mail: welding@bashexpo.ru, mash@bashexpo.ru
выставочный центр http://www.bashexpo.ru
¥ПОД ПАТРОНАЖЕМ ТОРГОВО-ПРОМЫШЛЕННОЙ ПАЛАТЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ПРАВИТЕЛЬСТВО УДМУРТСКОЙ РЕСПУБЛИКИ АДМИНИСТРАЦИЯ ГОРОДА ИЖЕВСКА УДМУРТСКАЯ ТОРГОВО-ПРОМЫШЛЕННАЯ ПАЛАТА ВЫСТАВОЧНЫЙ ЦЕНТР 'УДМУРТИЯ"
20-23 ОКТЯБРЯ 2009 ГОДА
VIII Международная специализированная выставка
МАШИНОСТРОЕНИЕ.
МЕТАЛЛУРГИЯ.
МЕТАЛЛООБРАБОТКА.
Тел./факс: (3412) 25-44-65, 25-48-68. 25-48-33, 25-47-33, 25-48-74 e-mail: metal@vcudmurtia.ru www.metal.vcudmurtia.ru
Место проведения: г. Ижевск, ул. Кооперативная. 9, ОАО «ЭКСПО Удмуртия» (ФОЦ «Здоровье»)
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
Рис. 1. Схема термической обработки с мартенсито-бейнитным превращением аустенита
Предложенная авторами схема формирования смешанной мартенсито-бейнитной структуры (рис. 1) в значительной степени устраняет недостатки, характерные для отмеченного выше процесса распада переохлажденного аустенита. После нагрева стали до аустенитного состояния производится охлаждение в мартенситную область со скоростью выше критической с целью образования в структуре определенной доли мартенсита. При последующем нагреве в область температур бейнитного превращения происходит отпуск образовавшегося мартенсита. Одновременно оставшаяся часть аустенита превращается в бейнит. Процесс образования мартенсита при такой схеме характеризуется своей незавершенностью, кристаллы мартенсита окружены аустенитом, обеспечивающим релаксацию внутренних напряжений. Кроме того, при такой термической обработке мартенсит образуется в микрообъемах, обеденных углеродом с повышенным положением точки начала мартенситного превращения. Таким образом, увеличивается доля реечного мартенсита, обладающего, по сравнению с двойникованным, большей релаксационной способностью и вязкостью разрушения.
Цель работы заключалась в изучении влияния режимов термической обработки со смешанным
ТЕХНОЛОГИЯ
мартенсито-бейнитным превращением аустенита на механические свойства углеродистых сталей. Сравнение эффективности различных режимов производилось по показателям предела текучести при испытаниях на растяжение, времени до разрушения образцов (долговечности) при испытаниях в условиях многократного динамического сжатия и характеристикам тре-щиностойкости (по второму участку кинетической диаграммы ударно-усталостного разрушения) [2]. В качестве исследуемого материала использовалась сталь У8, широко применяемая для изготовления деталей ударных механизмов (рис. 2).
Термическая обработка стали выполнялась следующим образом. Нагрев стали до аустенит-ного состояния осуществлялся в шахтной печи при температуре Та равной 800 °С. Затем происходило охлаждение со скоростью выше критической до температуры подстуживания Тп, находящейся в диапазоне температур начала и конца
Рис.2 . Структура стали У8 после термической обработки с мартенсито-бейнитным превращением аустенита
ТЕХНОЛОГИЯ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
мартенситного превращения. Для стали У8 этот диапазон составлял от 20 до 300 °С. После этого производился нагрев в область температур бей-нитного превращения с последующей изотермической выдержкой Тиз = 40 мин. Время выдержки было выбрано таким образом, чтобы полностью происходили процессы распада переохлажденного аустенита и отпуска полученного ранее мартенсита. Температура подстуживания Тп регламентирует объемные доли образующихся в структуре мартенсита и бейнита , а изменение температуры нагрева в области изотермического распада Тиз от 250 °С до 500 °С позволяет получать бейнит различной морфологии и изменять степень отпуска пересыщенного твердого раствора.
Проведенные исследования по определению оптимального соотношения в смешанной структуре мартенситной и бейнитной фазы показывают, что увеличение количества бейнита приводит к уменьшению характеристик прочности и твердости с одновременным увеличением характеристик трещиностойкости. Если в стали сохраняется до 60 % бейнитной составляющей, то по показателям трещиностойкости такая сталь незначительно уступает свойствам стали с полностью бейнитной структурой. При этом в структуре стали сохраняется мар-тенситный каркас, обеспечивающий высокие прочностные характеристики. Значительное влияние на механические свойства сталей оказывает морфология бейнита. Структура нижнего бейнита обладает значительным сопротивлением усталостному разрушению. Если в стали образуется структура верхнего бейнита с грубыми выделениями карбидной фазы, то сопротивление распространению трещин значительно снижается.
При изготовлении деталей ударных механизмов термообработку стали У8 целесообразно проводить по следующим режимам: нагрев до температуры аустенитизации Та = 800 °С, ускоренное охлаждение образца в ванне с расплавом селитры до температуры Тп = 270 °С, повторный быстрый нагрев образца в ванне с расплавленной селитрой до температуры Тиз =350 °С с выдержкой при этой
У,м/цикл
10* 9 а
7 6 5 4
3
2
20 30 40 50 60
ДК, МПа*м-1/2
Рис. 3 . Трещиностойкость стали У8 после различных видов термического упрочнения на одинаковый уровень твердости ИЯС 48.
1 - термообработка с мартенсито-бейнитным превращением аустенита; 2 - закалка с отпуском;
3 - изотермическая закалка
температуре в течение 40 минут. При вышеуказанных режимах в стали формируется структура, имеющая в своем составе 40 % мартенсита и 60 % нижнего бейнита.
Исследования сталей методами оптической и просвечивающей электронной микроскопии показывают, что структура, получаемая в результате реализации предлагаемой схемы термической обработки, имеет «игольчатое строение» и состоит из твердого раствора и карбидной фазы. Степень дисперсности фаз и области выделения цементита в основном определяются температурой изотермической выдержки.
Эффективность предлагаемого способа термической обработки оценивалась путем сравнения со свойствами стали У8 после закалки
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ТЕХНОЛОГИЯ
Механические свойства стали У8 после различных видов термического упрочнения
на одинаковый уровень твердости HRC 48
Вид термического упрочнения HRC свМПа с02МПа V, %
Закалка с отпуском Тотп = 350 оС 49 1740 1570 32
Изотермическая закалка. Тиз = 300 оС 48 1720 1470 25
Термообработка с М - Б превращением, Тп = 180 оС, Тиз= 350оС 48 1700 1510 40
и отпуска, а также после изотермической закалки. Сравнительный анализ свойств сталей после термического упрочнения различными способами при сопоставимом уровне твердости HRC 45... 48 и временном сопротивлении 5в = 1700.1740 МПа показывает, что создание смешанной мартенсито-бейнитной структуры (в пропорции 40 и 60 % соответственно) на 20.40 % увеличивает их пластичность (см. таблицу). Скорость роста трещин в сталях, упрочненных по предлагаемой технологии, меньше по сравнению со сталями, обработанными традиционными видами термического упрочнения в 1,3. 2 раза (рис. 3).
Таким образом, термическая обработка с мартенсито-бейнитным превращением аустени-та является одним из эффективных способов повышения комплекса механических свойств дета-
лей ударных механизмов и позволяет сочетать высокие прочностные характеристики стали со значительным сопротивлением усталостному разрушению.
Список литературы
1. Соколинский В.Б. Машины ударного разрушения (Основы комплексного проектирования). - М.: Машиностроение, 1982. - 184 с.
2. Попелюх А.И., Теняев И.К., Кощеев В.Г. Метод исследования свойств в условиях ударно-циклического нагружения // Структура и свойства упрочненных конструкционных материалов. - Новосибирск: НЭТИ, 1990. - С. 28-34.
3. Голованенко С.А., Фонштейн Н.М. Двухфазные низколегированные стали. - М.: Металлургия, 1986. - 207 с.
ВНИМАНИЮ АВТОРОВ!
Правила подготовки рукописей смотрите на третьей странице обложки журнала
