Ударная вязкость стали 09г2с после равноканального углового прессования и последующей закалки при ра

Ударная вязкость стали – что это такое, испытание металлов, обозначение, с какой целью определяют, с

Иногда самый прочный материал, например, чугун, становится хрупким при воздействии определенных механических внешних нагрузок, в то время как мягкий алюминий (все мы гнули алюминиевые ложки в детском саду) в ряде случаев оказывается более приспособленным, не крошится и не ломается. В статье мы расскажем, почему так происходит, а также поговорим про испытания металлов на ударную вязкость – что это такое за характеристика для стали, в каких единицах измеряется.

Что такое ударопрочность и как её измеряют

Представим ситуацию. По дороге с быстрой скоростью едет автомобиль. Он постоянно на протяжении всего пути испытывает вибрации и осевую нагрузку на ряд деталей, подвеску. При этом все хорошо, все узлы работают правильно. Затем водитель не справляется с управлением и попадает в яму. Запчасти выходят из строя, так как внутренние напряжения и силы, во-первых, увеличиваются, во-вторых, получаются разнонаправленными.

Прочность в данной ситуации оказалась низкой, так как она деформировалась, вышла из строя. Так как разные сплавы неодинаково переносят механические и химические влияния, то для различных целей (автомобилестроение, станкостроение, обыкновенные штамповочные детали, гвозди и пр.) необходимо применять различные металлы.

Обозначение ударной вязкости – какую способность материала характеризует: что так называют

Определимся с терминологией. это способность воспринимать и поглощать кинетическую энергию. Часто такая приложенная сила ведем к разрушениям, но по отношению к этому веществу – только к пластичным или непластичным деформациям.

Обычно испытания проводятся в лаборатории опытным путем. Заготовки одинаковых размеров в нейтральных условиях (чтобы больше не оказывалось ни температурного, ни иного влияния) подвергают нагрузкам, увеличивая их. Затем наблюдают за поведением металла. Проверяют подверженность противодействию, поэтому последней проверкой является та, от которой на опытном образце появились трещины, отломалась часть.

Второй вариант – математические вычисления. Это более точный процесс, то при этом необходимо руководствоваться многочисленными нюансами – от размеров, угла приложения силы, до воздействий извне.

В чем измеряется и как обозначается

Физическое обозначение КС. Этими буквами подписывается параметр на схемах и чертежах, а также подставляется в формулы. Единица измерения в системе интернациональных единиц – кДж/м2, но чаще используется значение, выраженное в Дж/см2.

Сейчас будет уместно привести формулу, по которой производится математический расчет.

  • А – это сила, работа, приложенная для воздействия, измеряется в джоулях.
  • F – это площадь поперечного сечения образца, в квадратных метрах.

Это упрощенный алгоритм вычисления, в то время как в лабораторных условиях учитываются толщину и массу, степень термической обработки, а также экспериментируют с другими показателями.

От чего зависит ударная вязкость и испытание материалов на удельное значение

Первый параметр, который сильно меняет результаты исследований, это температура. Еще раньше было известно, что при нагреве сплавы становятся более мягкими, податливыми к деформированию, именно по этой причине при ковке используют термообработку. А вот при очень низких температурах или при большом перепаде повышается хрупкость.

В связи с этим обычно определяется оптимальный температурный режим – те максимальные и минимальные значения эксплуатации, во время которых можно достичь лучших показателей. Затем постепенно исследователи снижают градусы вплоть до минуса 80 или 100. В каждый из этапов остывания заготовки подвергают проверке.

Получается диаграмма, согласно которой можно определить хладноломкость, ломкость, прочность, температуру пластичных деформаций. Второе значение – это химический состав компонентов – наличие легирующих веществ и величина углерода. согласно этому всю сталь разделяют на марки.

Если деталь подвергалась сварочному присоединению, то велика вероятность образования мартенсита. Такая металлическая микроструктура игольчатого типа может привести к снижению прочности. И последний показатель, который исследователи меняют, – это скорость проведения деформаций. От быстроты напряжений и их последовательности также зависит результат.

Образцы для испытаний материалов на ударную вязкость

Не все предметы можно подвергать тестированию. Так как есть идеально выверенный до тысячной эталон килограмма, так и в лабораторию поставляются только одинаковые, созданные по ГОСТ подопытные экземпляры. Они могут быть трех типов:

  • Бруски Шарпи. Это металлопрокат, имеющий квадратное сечение со стороной в 10 мм. В длину он должен составлять ровно 55 мм. Внутри нет полого отверстия, но есть разрез в виде литеры U.Он изображен на чертеже ниже:
  • Брусок Менаже. Предыдущие параметры такие же, отличается только разрез, который выполнен в форме буквы V. Такой острый конец выреза приводит к тому, что деформации или разрушения появятся скорее, чем у предыдущего. поэтому проверки необходимы для определения эксплуатационных характеристик систем, подверженных постоянным высоким нагрузкам, например, элементам станка или автомобиля.
  • Т-образный разрез применяется в случаях, когда необходима еще большая сложность и точность, поэтому распил производится в форме литеры Т.

Есть несколько разновидностей процедур. Ее выбор зависит от того, с какой целью определяют ударную вязкость материала. От этого будет выбрано тестирование:

  • способ закрепления на стенде;
  • использование гири или молота в качестве инструмента;
  • тип разреза.
Читайте также:  BMW Z4 (E89) - фото, цена, характеристики БМВ Z4 (2015-2016)

Маятниковый копер

Это один из наиболее регулярных экспериментов, поэтому мы опишем его начиная с подготовительного этапа, заканчивая оценкой. Первое и важное правило – все экспериментальные бруски должны быть полностью идентичны по размерам, а также следует их изготавливать одновременно, при одинаковых условиях – как с точки зрения химического состава сплава, так и со стороны металлообработки. Результативность может быть оценена по одной из характеристик:

  • разлом, трещины – эта реакция свойственна либо хрупким сталям, например, чугуну (он очень прочный, но имеет внутренние напряжения);
  • вмятины, царапины – их можно увидеть на пластичном материале, который хорошо подвергается деформациям в ходе динамических или статических воздействий.

Отбор образцов

Вся технология изготовления заготовок для опытов прописана в соответствующем нормативном документе – ГОСТ 7565. Следует полностью ориентироваться на нормативы в нем, но иногда поступает особый технический заказ, например, когда предопределены особые условия эксплуатации детали. Тогда можно проделать процедуру по требованиям, однако, важно, чтобы температурный режим оставался в границах неизменности кристаллической решетки.

Определение: в чем измеряется ударная вязкость

Первые испытания с маятником были предложены Жоржем Шарпи, именно по этой причине его метод используется до сих пор и назван его именем. Его мысль заключалась в следующем: надрез увеличивает чувствительность. Проверка сопровождается охлаждением окружающих условий, а вместе с тем переходом металла от пластичного состояния в хрупкое.

Метод Шарпи

Он заключается в двух последовательных действиях:

  • надрез бруска;
  • влияние с различной скоростью и массой.

Соответственно приведем формулу по Шарпи КС = К / F, где:

  • К – это работа, то есть сила, которая обычно складывается из веса гири и скорости его движения.
  • F – это площадь воздействия.

Алгоритм проведения (схема) испытания на ударную вязкость

  • Заготовка крепится двумя концами на двух копрах так, чтобы надрез был напротив того места, куда будет направлена сила.
  • Маятник поднимается на верхнюю часть – максимальный размах.
  • При падении с этой высоты происходит разрушение образца с последующим поднятием на меньшее расстояние.

Методика проведения

Важны следующие нюансы:

  • точность установки бруска с погрешностью не более 0,5 мм;
  • необходимо оборудовать площадку эксперимента оборудованием для определения силы;
  • нагрев или охлаждение требуется производить постепенно.

Определение ударная вязкость и размерности при пониженных температурах

Мы уже объяснили, что после проведения ряда тестов, образуется определенная диаграмма. Кривая имеет два порога – минимум, хрупкость, которая наступает из-за переохлаждения, и максимум – когда нагрев изменяет кристаллическую решетку сплава.

Другие испытания

Вместо маятника может использоваться молот. Помимо ударопрочности заготовки из металла требуется проверить на растяжку и кручение, на излом. Все это дает полную комплексную картину о том или ином материале для строительства.

Таблица с показателями

Каждый раз проводить эксперименты не требуется, так как большинство из них уже произведено. Достаточно только пользоваться предложенными ГОСТами. Вот показатели различных наиболее распространенных марок стали:

Марка стали Толщина проката Ударная вязкость, Дж/см2, не менее
KCU KCV
Ст3пс 3,0 — 5,0 49 9,8
Ст3сп 5,1 — 10,0 108 34
Ст3Гпс 10,1 — 26,0 98 29
Ст3Гсп 26,1 — 40,0 88
Для Ст3кс — не нормируется

Определение порога хладноломкости

Для этого требуется продолжить проверки по методу Шарпи и зафиксировать ту отрицательную температуру, при которой увеличивается хрупкость. Порог не является моментальным, обычно он состоит из двух температурных точек – максимальной и минимальной.

Обработка полученных результатов

После тестирования будут получены либо разрушение, либо деформация. В первом случае это требуется зафиксировать, а затем продолжить тесты, но с использованием небольших усилий. А во втором следует подвергнуть итоги математическим вычислениям по указанной выше формуле.

В статье мы рассказали, как обозначается ударная вязкость и как ее узнать. В качестве завершения темы посмотрим видео:

На сайте компании «Рокта» вы сможете узнать о других свойствах металлов, а также найти широкий перечень оборудования для ленточного пиления. Переходите в наш каталог, чтобы узнать больше.

Чтобы уточнить интересующую вас информацию, свяжитесь с нашими менеджерами по телефонам 8 (908) 135-59-82; (473) 239-65-79; 8 (800) 707-53-38. Они ответят на все ваши вопросы.

УДАРНАЯ ВЯЗКОСТЬ СТАЛИ 09Г2С ПОСЛЕ РАВНОКАНАЛЬНОГО УГЛОВОГО ПРЕССОВАНИЯ И ПОСЛЕДУЮЩЕЙ ЗАКАЛКИ ПРИ РАЗНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ ИСПЫТАНИЯ

В последние годы интенсивно разрабатываются технологии получения металлических материалов с субмикрокристаллической (СМК) структурой, для получения которых используются методы интенсивной пластической деформации (ИПД). Одним из наиболее распространенных методов является равноканальное угловое прессование (РКУП) [1, 2]. Материалы, полученные методами ИПД, обладают рядом уникальных свойств, формирование СМК структур приводит к значительному росту механических свойств металлических материалов. Низколегированные стали, являясь важным классом конструкционных материалов, привлекают интерес исследователей к изучению физической природы повышения прочности и механизмах их разрушения на различных масштабных уровнях [3].

В качестве материала исследования была использована низколегированная конструкционная сталь 09Г2С (химический состав приведен в табл. 1). Химический анализ проведен на атомно-эмиссионном спектрометре «Foundry-Master» (WAS AG). Равноканальное угловое прессование (РКУП) осуществлялось в два прохода по маршруту А [2] при температуре 400°С.

Читайте также:  Зазор свечей зажигания - какой должен быть между электродами

Таблица 1

Химический состав стали 09Г2С

C – 0.06 Si – 0.54 Mn – 1.36 Cr – 0.16 Ni – 0.14
Co – 0.02 Cu – 0.20 Al – 0.02 Mo – 0.02 Fe –ост.

Известно, что РКУП приводит к увеличению прочностных характеристик материала [3, 4], но при этом, также, наблюдается значительное снижение пластичности, что негативно сказывается на способности материала сопротивляться разрушению под действием ударной нагрузки. Чтобы нивелировать отрицательно влияние интенсивной пластической деформации на ударную вязкость материала, предлагается провести после РКУП закалку по режиму: нагрев до 910°С, охлаждение в масло, отпуск в течении 15 минут при 680°С. Механические испытания, проведенные на универсальной машине «Инстрон-1195», показали повышение предела прочности после РКУП почти в 2,5 раза (σв(исх)=480 МПа, σв(РКУП)=1120 МПа), при снижении пластичности в 3 раза (δ(исх)=24,2%, δ(РКУП)=7,8%). Испытания на ударный изгиб проводились на маятниковом копре «Amsler RKP-450» при трех различных температурах: +20, -20 и -60°С. Из приведенных данных видно, что РКУП привел к резкому снижению ударной вязкости стали 09Г2С, которая сильно возрастает после закалки (табл. 2).

Таблица 2.

Ударная вязкость стали 09Г2С при разных температурах испытания

Температура испытаний Исходное состояние РКУП (2 цикла при 400°С) РКУП (2 цикла при 400°С) + закалка
+20°С 2580 кДж/м 2 122,765 кДж/м 2 3326,02 кДж/м 2
-20°С 2425 кДж/м 2 116,08 кДж/м 2 3264,06 кДж/м 2
-60°С 2075 кДж/м 2 66,825 кДж/м 2 3245,68 кДж/м 2

После определения ударной вязкости было проведено исследование макростроения изломов ударных образцов при помощи стереомикроскопа «Stemi 2000С». Образцы стали 09Г2С в исходном состоянии разрушились не полностью. В разрушенной части образцов разрушение вязкое с образованием ямочного микрорельефа (рис. 2). После РКУП при 400°С (2 прохода) образцы разрушились хрупко, поверхности всех изломов расположены к оси образцов под углом примерно 45°. Закалка после РКУП привела к росту ударной вязкости, образцы разрушены не до конца, излом вязкий ямочный.

Рисунок 2. Общий вид ударных изломов образцов стали 09Г2С в исходном состоянии после испытаний при температурах +20°С (а), -20°С(б) и -60°С(в).

Рисунок 3. Общий вид ударных изломов образцов стали 09Г2С после РКУП, при температуре испытаний +20°С (а), -20°С(б) и -60°С(в).

Рисунок 4. Общий вид ударных изломов образцов стали 09Г2С после РКУП и последующей закалки, при температуре испытаний +20°С (а), -20°С(б) и -60°С(в).

Резкое снижение ударной вязкости после РКУП может быть обусловлено текстурой, образовавшейся в ходе интенсивной пластической деформации материала. Зона долома характеризуется слабо выраженно «шиферностью», что также свидетельствует о наличии двойной текстуры в ферритной фазе [5]. Разрушение образцов под углом 45° обычно происходит при вязком разрушении чистым сдвигом, но исследование микрорельефа поверхностей излома, проведенное с использованием растрового электронного микроскопа JEOL JSM-7800F, показало, что разрушение произошло по механизму скола с образованием ручьистого микрорельефа. Таким образом, произошло внутризеренное (транскристаллитное) хрупкое разрушение (рис. 5).

Рисунок 5. Хрупкий транскристаллитный излом образцов стали 09Г2С после РКУП при температуре испытаний +20°С (а), -20°С(б) и -60°С(в).

После закалки происходит резкий рост сопротивления ударному разрушению во всем диапазоне температур (рис. 1), что связано со сменой основного механизма разрушения: хрупкий скол заменяется вязким ямочным разрушением (рис. 6). Ударная вязкость после закалки возросла в 27 раз (испытания при комнатной температуре) и почти в 50 раз при -60°С. В сравнении с исходным крупнозернистым состоянием, РКУП с последующей закалкой привел к росту ударной вязкости в 1,3 раза при комнатной температуре и в 1,6 раз при -60°С. В микрорельефе преобладают равноостные ямки и ямки сдвига разного размера.

Рисунок 6. Ямочный микрорельеф поверхности излома стали 09Г2С после РКУП и закалки, при температуре испытаний +20°С (а), -20°С(б) и -60°С(в).

Установлено влияния РКУП и последующей обработки на прочность и ударную вязкость стали 09Г2С. Показано, что РКУП в 2,5 раза повышает прочность материала по сравнению с исходным состоянием, однако приводит к снижению пластических свойств почти в три раза, что крайне негативно сказывается на способности материала сопротивляться разрушению ударом, ударная вязкость материала снижается более чем в 20 раз при комнатной температуре и более чем в 30 раз при -60°С. Исследования макро- и микростроения изломов стали 09Г2С с субмикрокристаллической структурой после РКУП при 400°С (2 прохода) и последующей закалки показали, что смена механизма разрушения приводит к росту ударной вязкости в 1,3 раза при комнатной температуре и в 1,6 раз при -60°С. Таким образом, возможно экспериментально обосновать пути повышения ударной вязкости стали 09Г2С с субмикрокристаллической структурой путем оптимизации режимов РКУП и последующей обработки.

ИССЛЕДОВАНИЕ УДАРНОЙ ВЯЗКОСТИ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ И СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ, ЭКСПЛУАТИРУЮЩИХСЯ В УСЛОВИЯХ КРАЙНЕГО СЕВЕРА

Санников И.И. 1 , Коврова Д.Ф. 2 , Устинов Е.П. 3

Читайте также:  Бизнес план покраски дисков технология реставрации, оборудование

1 инженер, 2 заведующий кафедрой, 3 преподаватель, Кафедра технических дисциплин Колледж технологий Технологический институт ФГАОУ ВПО Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова

ИССЛЕДОВАНИЕ УДАРНОЙ ВЯЗКОСТИ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ И СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ, ЭКСПЛУАТИРУЮЩИХСЯ В УСЛОВИЯХ КРАЙНЕГО СЕВЕРА

Аннотация

В данной статье приведены результаты испытаний на ударную вязкость конструкционных сталей используемых в металлоконструкциях в условиях Крайнего Севера.

Ключевые слова: ударная вязкость, металлоконструкция, Крайний Север.

Sannikov I.I., Kovrova D.F., Ustinov E.P.

1 engineer, 2 head of the department, 3 teacher, North-Eastern Federal University in Yakutsk, Institute of Technology,College of Technologies, Chair of technological disciplines

RESEARCH OF IMPACT STRENGTH CONSTRUCTIONAL STEEL AND THE WELDED JOINTS WHICH ARE OPERATED IN THE CONDITIONS OF FAR NORTH

Abstract

Results of tests for impact resistance constructional staly used in a metalwork in the conditions of Far North are given in this article.

Keywords: impact resistance, metalwork, Far North.

Введение

Проблема оценки надежности и ресурса металлоконструкций, работающих в условиях низких климатических температур, на сегодняшний момент является наиболее актуальной задачей обеспечения техногенной безопасности сложных технических систем. Для металлоконструкций, эксплуатирующихся в условиях низких климатических температур, одним из основных требований является обеспечение хладостойкости материала. Обеспечение достаточной хладостойкости означает предотвращение хрупких разрушений элементов конструкций при нагрузках, существенно ниже расчетных.

Для сварных конструкций, эксплуатирующихся в условиях низких климатических температур, одной из определяющих характеристик материала является ударная вязкость. Так как ударная вязкость является одним из параметров, характеризующих хладноломкость металлов и сплавов, его способность сопротивлению хрупкому разрушению. Определение ударной вязкости особенно важно для металлов, которые работают при низких температурах и выявляют склонность к хладноломкости, то есть к снижению ударной вязкости при понижении температуры эксплуатации.

В данной статье приведены результаты испытаний на ударную вязкость конструкционных сталей используемых в металлоконструкциях.

Методика проведения исследований

Для изготовления образцов на ударные испытания, были подготовлены сварные пробы из новой листовой стали 09Г2С толщиной 6 мм. Сварка листовых проб производилась ручным дуговым способом с помощью сварочного источника ФЭБ-315 «МАГМА». Для сварки использовался сварочный электрод марки LB-52U Ø3,2 мм для корневого шва, для облицовочного шва электрод Ø4 мм. Результат спектрального анализа химического состава приведен в таблице 1.

Вторая партия образцов были изготовлены из трубы Ø720 толщиной стенки 8 мм из стали 13Г1С-У. Кольцевые сварные швы проб получены ручной дуговой сваркой покрытыми электродами: для корневого шва – электрод марки LB-52U ø2,6 мм и для заполняющего и облицовочного шва электрод OK74 ø3,2 мм. Результат спектрального анализа химического состава приведен в таблице 1.

Третья группа образцов была изготовлена из рамы карьерного автосамосвала БелАЗ-756306. Химический состав в % соотношении представлен в таблице 3.

Примерная марка образца по химическому составу пробы соответствует стали марки 15ХСНД (ГОСТ 5758-82).

Таблица 1 – Химический анализ состава сталей

Для определения ударной вязкости сварных соединений были изготовлены образцы в областях металла шва (МШ), зоны термического влияния (ЗТВ) и основного металла (ОМ) (Рис. 1). Испытания проводили при температурах +20 ºС, -20 ºС, -40 ºС, -60 ºС, на инструментированном маятниковом копре «Amsler RKP450» соответствующая требованиям ГОСТ 10708-82 (Рис. 2). Для проведение испытаний в отрицательном диапазоне температур копер Zwick/Roell RKP450 оснащен криогенной камерой фирмы Lauda, позволяющей достигать температуры −80 °С. И оснащен станком CNB34-001A1 для нанесения надреза на образцах для ударных испытаний по Шарпи и Манеже.

Рис. 1 – Схема вырезки образцов основного металла, металла шва и ЗТВ.

Рис. 2 – Инструментированный маятниковый копер «Amsler RKP450»

Результаты испытаний

По результатам испытаний на ударный изгиб был составлен график зависимости ударной вязкости от температуры (Рис. 3, 4, 6).

Рис. 3 – График зависимости ударной вязкости от температуры основного металла, сварного шва и зоны термического влияния стали 09Г2С с V-образным надрезом.

Рис.4 – График зависимости ударной вязкости от температуры основного металла, сварного шва и зоны термического влияния стали 13Г1С-У с V-образным надрезом.

Рис. 5 – График зависимости ударной вязкости от температуры основного металла, сварного шва и зоны термического влияния стали 15ХСНД с U-образным надрезом.

Вывод

  1. По результатам испытаний образцов с V-образным надрезом наименьшее значение ударной вязкости обнаружена в металле шва и зоне термического влияния стали 09Г2С, так в металле шва ударная вязкость составляет 28 Дж/см 2 при температуре -60 о С и в ЗТВ 20 Дж/см 2 при температуре -40 о С и 16 Дж/см 2 при температуре -60 о С.
  2. Основной металл и зона термического влияния стали 13Г1С-У вплоть до температуры испытания -60°С сохраняет высокие значения ударной вязкости.

Литература

  1. Аммосов А.П., Аммосов Г.С. Вязкость разрушения в оценке распространения хрупкой трешины в стальных конструкциях при пониженной температуре/ Сварочное производство. 2008. №6. С 3-9.
  2. Ботвина Л.Р. Разрушение: кинетика, механизмы, общие закономерности. Москва; Издательство «Наука», 2008. 333 с.
Ссылка на основную публикацию
Adblock detector