Материаловедение. Технология конструкционных материалов: Практикум, страница 2

Таким образом, наряду с повышением временного сопротивления разрыву при растяжении и  важно обеспечить сохранение достаточных значений показателей пластичности и вязкости, определяющих надёжность материала и изделия. Имеются такие способы упрочнения, благодаря которым повышение прочности не сопровождается снижением пластичности или приводит лишь к незначительному ее снижению, например, глубокая очистка от вредных примесей, таких, как рафинирование жидким синтетическим шлаком в ковше (Ш), электрошлаковый переплав (ЭШ), вакуумно-дуговой переплав (ВД) и выплавка в вакуумных индукционных печах (ВИ). Однако они не нашли широкого применения из-за сложности и значительности затрат. К тому же уменьшение содержания примесей в приграничных областях зёрен повышает склонность сталей, очищенных такими способами к росту зерна аустенита при нагреве, вследствие чего даже незначительный перегрев при закалке может привести после окончательной термической обработки к более низкой конструктивной прочности по сравнению с ожидаемой. В качестве материала для изделий, эксплуатирующихся при низких температурах с высокими скоростями приложения нагрузки и наличием концентрации напряжений, нужно выбирать стали с добавками никеля и молибдена. Ванадий также повышает предел упругости и ударную вязкость при равной прокаливаемости. Охрупчиванию стали при отрицательных температурах способствует крупнозернистая структура, повышенное содержание кислорода (кипящие стали) и углерода. Таким образом, в случае, когда ударная вязкость и показатели хладноломкости являются определяющими требованиями, следует выбирать наследственно мелкозернистые спокойные стали с малым содержанием углерода, такие, как 18ХГТ. Значительно влияет на ударную вязкость даже малое изменение содержания углерода в поверхностном слое стали. Так, при нагреве стали 50 в контролируемой атмосфере с регулируемым потенциалом углерода, равным 0,7%, вследствие частичного науглероживания на глубину 0,2 мм значения показателей ударной вязкости снижаются на 20%. Обезуглероживание стали на ту же глубину не влияет на ударную вязкость и даже повышает вязкость стали типа 4ОХН2МА при твердости после упрочняющей термической обработки 52 HRC. Ударная вязкость чувствительна к изменениям микроструктуры стали. Наиболее значительная вязкость и минимальная хладноломкость наблюдаются у сталей, имеющих структуру продуктов распада мартенсита при отпуске. Так, для стали 4ОХН2МА после закалки и высокого отпуска при – 60 °С КСU = 0,6 МДж/м². У кованых изделий, приобретших в ходе пластического формоизменения волокнистую структуру, ударная вязкость при поперечном расположении волокон в 3–4 раза ниже, чем при продольном. Вместе с тем, эта разница существенно уменьшается при повышении твердости до 45 HRC. Изделия, работающие при крайне низких температурах, изготавливают из высоконикелевых низкоуглеродистых сталей (до 0,15% С; 9 и более % Ni). Такие стали обладают высокой устойчивостью к охрупчиванию с понижением температуры.

Хрупкое разрушение носит внезапный характер (скорость распространения хрупкой трещины для сталей достигает 2500 м/с) и может осуществляться при напряжениях в несколько раз меньших, чем условный предел текучести . Поэтому при выборе материала необходимо учитывать, что в целом, работа разрушения (а) состоит из двух составляющих: работы, затраченной на зарождение трещины (пластическую деформацию до зарождения трещины) а_з и работы распространения трещины а_р. Таким образом, а = а_з + а_р. Дефекты поверхности приводят к уменьшению а_з и могут наблюдаться случаи, когда а_з = 0. В этом случае надёжность изделия будет определять значение а_р материала.

Хладноломкость. Считается, что температура, при которой а_р уменьшается в 2 раза, соответствует температуре перехода материала в хрупкое состояние. Это так называемая температура полухрупкости Т₅₀, при которой только 50% составляющей излома является вязкой (волокнистой). Принимается, что при температуре ниже Т₅₀ работа, затрачиваемая на распространение трещины слишком мала, чтобы материал был надежным и в случае более низких температур эксплуатировать изделия не следует. Вследствие этого всегда необходим некоторый запас надёжности, называемый запасом вязкости, Т = Т_э – Т₅₀, где Т_э – температура эксплуатации изделия. Обычно считают достаточным запас вязкости, равный 40–60 °С, в связи с чем, например, в случае изделия, эксплуатирующегося при комнатной температуре следует выбирать режим термической обработки, обеспечивающий для данного материала температуру полухрупкости в пределах -20 – -40 °С. В случае эксплуатации изделия при отрицательных температурах следует помнить, что каждая 0,1% содержания углерода повышает порог хладноломкости стали на 20–30 °С. Сильно понижает порог хладноломкости стали никель. Увеличение содержания никеля на 1% обеспечивает понижение температуры полухрупкости Т₅₀ на 10 °С. Вместе с тем, выбор стали, содержащей значительное количество дефицитного и дорогостоящего никеля должен быть экономически оправдан.

Значительное влияние на порог хладноломкости оказывают присутствующие в стали примеси. Так, каждая 0,01% кислорода повышает температуру полухрупкости на 15 °С. В кипящей стали содержание кислорода близко к 0,1%. Поэтому кипящие стали, не рекомендуется применять в случае предполагаемой температуры эксплуатации изделия ниже –20 °С. Фосфор также повышает порог хладноломкости и уменьшает работу распространения трещины, причём негативное влияние фосфора тем больше, чем выше содержание углерода в стали. Поэтому для ответственных изделий в случае экономической оправданности можно применять более дорогие высококачественные стали, имеющие пониженное содержание фосфора. Закалка с последующим отпуск может способствовать понижению температуры перехода в хрупкое состояние (при условии сквозной прокаливаемости).