CC BY
15
УДК 539.43: 669.14.017
И. В. Акимов, И. П. Волчок
ПОВЫШЕНИЕ КОНСТРУКТИВНОЙ ПРОЧНОСТИ ГРАФИТИЗИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ
В работе исследовано влияние Мп, Сг, М, Мо и термической обработки на структуру и механические свойства графитизированных сталей. Проведен фрактографический анализ изломов образцов после циклического нагружения. Определен оптимальный химический состав сталей для изделий, работающих в условиях повышенной вероятности внезапного разрушения и в условиях циклических нагрузок.
Введение
В ряде энергетических установок, в частности в двигателях внутреннего сгорания для определенной группы деталей (коленчатые валы, блоки цилиндров, гильзы, поршневые кольца и т.д.) используются графитизированные чугуны, преимущества которых (низкая себестоимость, высокая технологичность, низкая чувствительность к концентраторам напряжений и т.п.), как и их недостатки (низкие прочность, пластичность, статическая и циклическая тре-щиностойкость) связаны с высоким содержанием углерода (2,5...3,8 %) и наличием графитовых включений в структуре. В связи с этим значительный интерес для промышленности представляет малоизученный и потому недостаточно используемый класс конструкционных материалов - графитизированных
сталей, имеющих по сравнению с чугунами в 2......3
раза меньшее содержание углерода и, как результат, более высокие показатели механических и служебных свойств [1].
Сопротивление графитизированных сталей разрушению при статических и циклических нагрузках является одним из факторов, определяющих надежность и долговечность изготовленных из них изделий. В связи с этим анализ ми-кромеханизма разрушения при статических и циклических нагрузках этого материала представляет теоретический и практический интерес.
В литературе [1-4] имеются сведения о влиянии легирования и термической обработки на предел прочности ств, относительное удлинение 5, ударную вязкость КС графитизированных сталей и в то же время отсутствуют данные о влиянии этих факторов на статическую и циклическую вязкость разрушения, определяющих надежность материала в процессе эксплуатации. Наши исследования [5] показали, что модифицирование алюминием до 0,28 % позволяет оптимизировать форму графитовых включений и повышать предел прочности ст относительное уд -линение 5 и коэффициент интенсивности напряже-
ний Кю графитизированных сталей.
Методика исследований
Данная работа посвящена исследованию влияния легирования Мп, Сг, N1 и Мо на структуру, механические свойства, статическую и циклическую трещиностойкость графитизированных сталей, модифицированных алюминием. С этой целью в 120-килограммовой индукционной печи с основной
футеровкой выплавляли стали состава: 1,38......1,40
%С; 0,85......0,90 %Б1; 0,26......0,28 %А1;
0,029......0,031 %Р; 0,022......0,027 %Б. Содержание легирующих элементов изменяли в диапазонах, приведенных в табл. 1. Жидкий металл разливали в сухие песчано-глинистые формы.
Таблица 1—Расчетный химический состав гра-
ь Вариант . . „,
фити|ированМпх%г;
6
0,80
0,80
0,80
1,:
, %
0,0
0,30
0,30
0,30
0,30
0,60
N1, %
0,0
0,0
1,2
1,2
1,2
1,2
Мо, %
0,0
0,0
0,0
0,0
0,32
0,32
Структура сталей в литом состоянии соответствовала заэвтектоидным железоуглеродистым сплавам с невысокой степенью графитизации. Согласно [6], стали с наличием в структуре вторичного цементита в виде мелких скоплений и разорванной сетки не обладают требуемыми показателями прочности, пластичности и ударной вязкости. В связи с этим, с целью графитизации вторичного цементита, стали подвергали отжигу по режиму: нагрев 850 °С, выдержка 3 ч, охлаждение с печью. После графитизи-рующего отжига структура состояла из пластинчатого перлита и включений графита вермикулярной и шаровидной формы. Данная структура являлась исходной для последующей термической обработки.
По данным [1; 7-9], коагуляция цементита перлитной фазы при отжиге на зернистый перлит обеспечивает значительное повышение показателей пла-
1
2
3
4
5
© И. В. Акимов, И. П. Волчок, 2008
стичности 5, у и ударной вязкости КС графитизи-рованных сталей. С целью повышения указанных характеристик, а также критического коэффициента интенсивности напряжений и циклической трещи-ностойкости стали подвергали сфероидизирующе-му отжигу по режиму, предусматривающему а ^ у превращение: нагрев 850 °С, выдержка 30 мин, охлаждение с печью до 600 °С, нагрев 720 °С, выдержка 1 ч, охлаждение с печью до 600 °С, нагрев 720 °С, выдержка 1 ч, дальнейшее охлаждение с печью.
Полученные результаты
Как показал металлографический анализ, во всех вариантах сталей включения графита имели вид мелких (10......40 мкм) равномерно распределенных
выделений шаровидной и вермикулярной формы (рис. 1, а); металлическая матрица практически полностью была представлена зернистым перлитом (рис.1, б).
Рис. 1. Типичная структура графитизированных сталей после графитизирующего и сфероидизирующего отжигов:
а - нетравленный шлиф; б - травленный шлиф
С увеличением содержания легирующих элементов монотонно возрастали прочность, твердость и условный предел текучести при одновременном снижении относительного удлинения (табл. 2). Такое изменение свойств можно объяснить твердора-створным упрочнением металлической матрицы легирующими элементами.
Таблица 2 - Механические свойства сталей после сфероидизирующего отжига
№ варианта по табл. 1 МПа °0,2 , МПа 5, % НВ К1С, МПа -л/м
1 418 288 8,3 195 33,9
2 582 334 7,6 197 38,3
3 697 348 7,5 217 40,6
4 775 433 5,0 241 39,8
5 917 479 4,5 255 36,6
6 920 525 3,0 255 34,7
Критический коэффициент интенсивности напряжений изменялся от 33,9 мпал/м до 40,6 мпа-Ум и имел максимальное значение для стали, комплексно легированной 0,8 %Мп; 0,3 %Сг и 1,2 %№.
В сталях вариантов 5 и 6 положительное влияние Мо на коэффициент интенсивности напряжений не обнаруживалось, что можно объяснить значительным охрупчиванием металлической матрицы марганцем, хромом и молибденом и, в связи с этим, снижением уровня трещиностойкости.
Анализ кинетических диаграмм исследуемых сталей (рис. 2) показал, что размах интенсивности напряжений, при котором усталостная трещина не развивается, изменялся в незначительном диапазоне: ДКЙ = 6,5......8,0 МПа^/м . В то же время критическое значение коэффициента циклической вязкости разрушения ДК в значительной степени зависело от их химического состава. Так, ДК ^ нелегированной
стали не превышало 38 МП^>/м . С увеличением содержания хрома до 0,3 % указанный параметр составил
50 МПал/м , при комплексном легировании 0,3 %
хрома и 1,2 % никеля ДКр возрос до 58 МПал/м .
При фрактографическом исследовании изломов установлено, что преимущественным механизмом разрушения графитизированных сталей является
микроскол. В сталях 1-го......3-го вариантов на фоне
участков скола были обнаружены интенсивные деформационные гребни, свидетельствующие о значительной энергоемкости разрушения в процессе роста усталостной трещины (рис. 3, а-в).
С увеличением содержания легирующих элементов (Мп, Сг, Мо) показатель ДК^С снижался. Для 4-го, 5-го и 6-го варианта стали он составил соответственно 40, 39 и 40 МПал/м. Снижение данного параметра, вероятно, связано со значительным ох-рупчиванием металлической матрицы после легирования стали указанными элементами. При этом изменялся и микрорельеф поверхности разрушения: при фрактографическом исследовании изломов были обнаружены значительные по площади участки внутризеренного скола веерного типа, свидетельствующие о снижении энергоемкости разрушения (рис. 3, г-е).
188М1727-0219 Вестникдвигателестроения№ 2/2008
- 195 -
Рис. 2. Кинетические диаграммы усталостного разрушения комплексно-легированных графитизированных сталей
г д е
Рис. 3. Микрофрактограммы изломов образцов графитизированных сталей вариантов (по табл. 1) и «10-6 м/цикл: 1(a); 2(6); 3(e);
4(г), 5(д), 6(е)
Выводы
Таким образом, исследования показали, что легирование марганцем, хромом, никелем и молибденом повышает механические свойства графити-зированных сталей в результате твердорастворного упрочнения. Установлено, что графитизированная
сталь состава: 1,38......1,40 %С; 0,85......0,90 %Б1;
0,7......0,8 %Мп; 0,25......0,3 %Сг; 1,0......1,2 %№;
0,25......0,28 %А1; 0,029......0,031%Р;
0.022.0,027%8 после сфероидизирующего отжига имела вязкость разрушения К1 с =
40......45 МП^л/м , и критический коэффициент циклической трещиностойкости ДKfc = 50......55
МПа->/м , что практически в 1,5 раза превышает аналогичные характеристики феррито-перлитных высокопрочных чугунов и дает возможность применять данную сталь для деталей, работающих в условиях повышенной вероятности внезапного разрушения и в условиях циклических нагрузок.
Перечень ссылок
1. Тодоров Р.П., Николов М.В. Структура и свойства отливок из графитизированной стали. - М.: Металлургия, 1976. - 168 с.
2. Жураковский В.М. Механические свойства и износостойкость графитизированной стали // МиТОМ. - 1978. - № 7. - С. 35-36.
3. Жураковский В.М., Самелек Б.В. и др. Формирование оптимальной структуры графити-зированной стали // Технология и организа-
ция производства. - 1986. - № 4. - С. 35-36.
4. Жураковский В.М. Организация трансформируемой структуры и обеспечение заданных свойств графитсодержащей стали: Автореф. дисс. докт. техн. наук / Ростовский-на-Дону институт сельскохозяйственного машиностроения, Минск, 1985. - 40 с.
5. Акимов И.В., Андрейко И.М. Влияние легирования на свойства графитизированных сталей / / Висок! технологи в машинобудувант: Зб. наук. праць НТУ «ХП1». - Харшв: Курсор, 2002. -Вип.1(5). - С. 17-24.
6. Коровина Г. В. Литая графитизированная сталь. - Свердловск: Машгиз, 1959. - 39 с.
7. Жураковский В.М. Механические свойства и износостойкость графитизированной стали // МиТОМ. - 1978. - №7. - С. 35-36.
8. Самелик Б.В. Исследование и разработка методов повышения технологических и эксплуатационных свойств литой графитизированной стали для ответственных деталей сельскохозяйственных машин: Автореф. дисс. канд. техн. наук / Новочеркасский политехнический институт им. С. Орджоникидзе. - Новочеркасск, 1982. - 22 с.
9. Садчиков В .Я. Исследование и разработка модифицированных графитизированных сталей и методов повышения их эксплуатационных свойств: Автореф. дисс. канд. техн. наук / Новочеркасский политехнический институт им. С. Орджоникидзе. - Новочеркасск, 1981. - 20 с.
Поступила в редакцию 28.05.2008
У po6omi до^джено вплив Mn, Cr, Ni, Mo та mepMi4H0i обробки на структуру та MexaHi4Hi властивостi графiтизованих сталей. Проведено фрактографiчний анализ зламiв зразюв пiсля ци^чного навантаження. Визначено оптимальний хiмiчний склад сталей для виро6iв, як працюють в умовах пiдвищеноi iмовiрностi раптового руйнування та в умовах ци^чного навантаження.
Influence of alloying by Mn, Cr, Ni, Mo and heat-treatment an structure and mechanical properties of graphitized steels has been investigated in the present work. Analysis of fractures of samples after cyclic loading was carried out. The optimum chemical composition of steel for parts working in conditions of increased probability of sudden destruction and cyclic loadings has been determined.
ISSN 1727-0219 Вестникдвигателестроения№ 2/2008
- 197 -
