Материал: Физико-химические проблемы и высокие технологии строительного материаловедения. Колодяжный С.А
Серия «Физико-химические проблемы и высокие технологии строительного материаловедения» Выпуск № 2(13), 2016
мелкозернистого бетона с различными наполнителями при заданном силовом загружении (вида нагружения и величины напряжения).
Список литературы
1.Баженов Ю.М. Способы определения состава бетона различных видов: учебное пособие для вузов / -М.: Стройиздат, 1974. 560 с.
2.Жданов А.Е., Пучин А.В., Ярцев В.П. Влияние многотоннажных отходов промышленности на прочность и долговечность мелкозернистого бетона / Состояние современной строительной науки – 2008: сб.науч.статей VI Междунар. научн.-практ. интернет-конф. Полтава. 2008. С.165-168.
3.Пучин А.В., Ярцев В.П. Влияние асбестоцементных отходов на прочностные характеристики мелкозернистых бетонов / Материалы и технологии ХХI века: Перспективные материалы, их структура и свойства: сб.науч.статей VI Междунар. научн.- практ. конф. Пенза. 2007. С.33-35.
4.Ильин В.О., Жирков А.В., Ярцев В.П. Повышение прочности мелкозернистого бетона введением отходов стекла / Эффективные строительные конструкции: теория и практика: сб.ст. V Междунар.научн.-техн.конф. Пенза, 2006. С. 262-264.
5.Ратнер С.Б., Ярцев В.П. Физическая механика пластмасс. Как прогнозируют работоспособность? - М.: Химия, 1992. 320 с.
_______________________________________________________________________________
Ярцев Виктор Петрович – д.т.н., заведующий кафедрой «Конструкции зданий и сооружений» Тамбовского государственного технического университета. E-mail: Jarcev21@rambler.ru. Тел.8(4752)63-03-80
Репина Елена Ивановна – аспирант кафедры «Конструкции зданий и сооружений» Тамбовского государственного технического университета. E-mail: rep-ka@yandex.ru. Тел.8(4752)63-03-80
Соуди Небрас И. Ю. – магистрант кафедры «Конструкции зданий и сооружений» Тамбовского государственного технического университета Шеверда Вадим Викторович – магистрант кафедры «Конструкции зданий и сооружений» Тамбовского государственного технического университета
11
Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета
УДК 539.87
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОНСТРУКЦИОННОЙ ЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ 18ХГТ
А.А. Лукин, А.К.Тарханов, О.А. Лукин
Приведены результаты испытаний образцов из стали 18ХГТ на ударную вязкость и растяжение при комнатной и пониженной (77 К) температурах.
Ключевые слова: термическая обработка, ударная вязкость, хромомарганцевые стали, пластическая деформация, разрушение, твердость, структура, характер разрушения.
THE STUDY OF THE STRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTIES OF STRUCTURAL ALLOY STEEL 18HGT
A.A. Lukin, A.K. Tarkhanov, O.A. Lukin
The results of tests of samples of steel 18HGT on the impact strength and tensile at room and low (77 K) temperatures.
Keywords: heat treatment, impact strength, promomagazine steel, plastic deformation, fracture, hardness, structure, fracture properties.
Введение. Хромомарганцевые стали применяют во многих случаях вместо дорогих хромоникелевых. Однако эти стали менее устойчивы к перегреву и имеют меньшую вязкость по сравнению с хромоникелевыми. Недостатком этих сталей является склонность к внутреннему окислению при газовой цементации, что приводит к снижению твердости слоя
ипредела выносливости. Бор повышает прокаливаемость и прочность стали, но снижает ее вязкость и пластичность [1]. Наиболее распространенным направлением изменения свойств сплавов являются изменение химических свойств и рациональный выбор термической обработки [2].
Сталь 18ХГТ цементуют при 910 - 930 0С, закаливают с 870 0С с охлаждением в масло
иподвергают отпуску при 180 - 200 0С. Конструкционная легированная сталь 18ХГТ (заменителями которой являются: 30ХГТ, 25ХГТ, 12ХН3А, 12Х2Н4А, 20ХН2М, 14ХГСН2МА, 20ХГР) используется в промышленности для изготовления цементуемых деталей ответственного назначения, от которых требуется повышенная прочность и вязкость сердцевины, а также высокая поверхностная твердость, работающих под действием ударных
нагрузок. Химический состав стали 18ХГТ в %: C − 0,17 - 0,23, Si − 0,17 - 0,37, Mn − 0,8 - 1,1,
Ni − до 0,3, S − до 0,035, P − до 0,035, Cr − 1 - 1,3, Ti − 0,03 - 0,09, Cu − до 0,3, Fe ~ 96:
марганец Mn повышает прочность, износостойкость, практически не снижая пластичность, а также увеличивает глубину прокаливаемости стали при термической обработке;
сера S снижает ударную вязкость и пластичность, а также предел выносливости; хром Cr повышает твердость, прочность, а при термической обработке увеличивает
глубину прокаливаемости, положительно сказывается на жаропрочности, жаростойкости, повышает коррозийную стойкость;
никель Ni действует так же, как и марганец. Кроме того, снижает значение коэффициента линейного расширения;
________________________________________________________________________________
© Лукин А.А., 2016
12
Серия «Физико-химические проблемы и высокие технологии строительного материаловедения» Выпуск № 2(13), 2016
азот N придает поверхности высокую твердость, износостойкость, устойчивость против коррозии и усталостную прочность;
медь Cu увеличивает коррозионную стойкость стали в атмосферных условиях и понижают порог хладноломкости.
Таблица 1
Физические свойства материала 18ХГТ.
|
|
T |
|
E 10- 5 |
|
|
α 10 6 |
|
λ |
|
ρ |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Град |
|
МПа |
|
|
1/Град |
Вт/(м·град) |
|
кг/м3 |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
20 |
|
|
2,11 |
|
|
|
|
37 |
7800 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
500 |
|
|
1,68 |
|
|
13,3 |
34 |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
800 |
|
|
1,29 |
|
|
|
|
29 |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
Механические свойства при Т=20 0С материала 18ХГТ. |
||||||||||||||
Сортамент |
σв |
|
|
σT |
|
δ5 |
|
ψ |
|
KCU |
|
Термообработка |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
- |
МПа |
|
МПа |
|
% |
|
% |
|
кДж / м2 |
|
- |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Сталь |
1520 |
|
1320 |
|
12 |
|
50 |
|
720 |
|
Закалка 8500C, масло; |
|
||||
|
|
|
|
|
отпуск 200 0C, воздух |
|
||||||||||
Сталь |
980 |
|
730 |
|
15 |
|
55 |
|
1130 |
|
Закалка 8500C, масло; |
|
||||
|
|
|
|
|
отпуск 200 0C, воздух |
|
||||||||||
E 10- 5 - модуль упругости; α - коэффициент линейного теплового расширения; λ |
- |
коэффициент |
|
теплопроводности; ρ - плотность материала; σв |
- предел прочности; σT - предел пропорциональности (предел |
||
текучести для остаточной деформации); δ5 - |
относительное удлинение при разрыве; ψ |
- |
относительное |
сужение; KCU - ударная вязкость, определенная на образце с U-образным концентратором при комнатной |
|||
температуре. |
|
|
|
Твердость стали 18ХГТ после отжига (ГОСТ 4543-71) - HB 10 −1 = 217 |
МПа. |
||
Высокая ударная вязкость (более 20-80 Дж/см2 у разных групп сплавов) характерна для: чистых по примесям, высокопластичных однофазных металлов и сплавов; гетерогенных по структуре сплавов с небольшим количеством избыточных фаз; гетерогенных по структуре сплавов c оптимальным размером и распределением избыточных фаз. Легирование чаще всего снижает ударную вязкость. Очистка от примесей, особенно приводящих к образованию хрупких избыточных фаз, повышает ударную вязкостью.
Ограниченность вариантов используемой термической обработки для стали 18ХГТ позволила достаточно обоснованно предложить расширение интервала температур закалки и ее технологий [3].
Экспериментальная часть. Ударная вязкость – это сложная, комплексная характеристика, зависящая от совокупности прочностных и пластических свойств материала. Работа, затрачиваемая на пластическую деформацию и разрушение, определяется площадью под диаграммой динамического изгиба. Ее величина, следовательно, будет тем больше, чем выше пластичность и уровень напряжений течения на всем протяжении испытания.
Основным образцом по ГОСТ 9454-78 служит стержень с квадратным сечением 10х10 мм и длиной 55 мм. В образцах Шарпи U-образный надрез наносится посередине длины. Он имеет ширину и глубину 2 мм и радиус закругления 1 мм.
При ударных испытаниях образцов с надрезом напряжения и пластическая деформации концентрируются в ограниченной части объема образца вокруг надреза. Именно здесь поглощается практически вся работа удара.
13
Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета
Испытания проводились на механическом маятниковом копре МК-30А (ГОСТ 945478 по Шарпи). Номинальное значение потенциальной энергии маятника 300 Дж, диапазон измерения энергии от 30 до 240 Дж.
Величина работы деформации и разрушения определяется разностью потенциальных энергий маятника в начальный и конечный моменты испытания.
Испытания на ударную вязкость можно проводить при отрицательных и повышенных температурах. Методика этих испытаний регламентирована ГОСТ 9455-78. Эксперименты при отрицательных температурах производят с использованием тех же образцов, что и при комнатной. Образец выдерживают в жидком хладагенте не менее 15 мин при температуре на 2–6 0С ниже заданной, затем вынимают из ванны, устанавливают на копер и немедленно испытывают. Аналогичная методика используется при высокотемпературных испытаниях (ГОСТ 9454–78) [4]. Например, КСU −80150/3/5 – ударная вязкость, определенная на образце с U-образным концентратором при –80 0С на копре с максимальной энергией удара маятника 150 Дж при глубине концентратора 3 мм и ширине образца 5 мм.
В целях выяснения влияния температуры нагрева под закалку на размер зерна был выбран определенный интервал температур от 900 0С до 1200 0С и исследована структура стали 18 ХГТ после медленного охлаждения от температур 900 0С , 1000 0С, 1100 0С, 1200 0С.
Результаты и их обсуждение. Отжиг при температурах 900 – 1100 0С не приводит к заметному росту зерна, но твердость увеличивается. Однако высокотемпературный отжиг при 1200 0С заметно увеличивает размер зерна с № 5 до № 3 и снижает твердость стали (таблица 3).
Таблица 3 Зависимость различных механических характеристик от вида термической обработки
|
Вид термообработки |
σ0,2, |
σв, |
δ, |
ψ, |
|
SK, |
KCU, |
HRC |
|
|
|
МПа |
МПа |
% |
% |
|
МПа |
Дж/см2 |
|
|
|
Закалка, 900 0С |
962 |
1341 |
14 |
19 |
|
1589 |
10 |
44 |
|
|
10 мин в масло |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Закалка, 1000 0С |
1445 |
1588 |
15 |
47 |
|
2563 |
20 |
46 |
|
|
10 мин в масло |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Закалка, 1100 0С |
1198 |
1535 |
12 |
54 |
|
2819 |
70 |
43 |
|
|
10 мин в масло |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Закалка, 1200 0С |
1302 |
1491 |
10 |
47 |
|
2485 |
10 |
41 |
|
|
10 мин в масло |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Закалка, 900 0С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10 мин в масло, обработка |
1080 |
1345 |
12 |
22 |
|
1643 |
10 |
29 |
|
|
холодом |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Закалка, 1000 0С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10 мин в масло, обработка |
1363 |
1604 |
13 |
59 |
|
3398 |
80 |
41 |
|
|
холодом |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Закалка, 1100 0С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10 мин в масло, обработка |
1119 |
1546 |
23 |
56 |
|
3071 |
110 |
41 |
|
|
холодом |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Закалка, 1200 0С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10 мин в масло, обработка |
1107 |
1454 |
14 |
52 |
|
2649 |
20 |
42 |
|
|
холодом |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
σ0,2 - условный предел упругости; δ |
- относительное удлинение; SK |
- истинное сопротивление |
||||||||
разрыву; HRC - твердость по Роквеллу. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Такое состояние структуры дало основание для попыток расширить круг закалочных температур в целях возможного повышения равномерности распределения легирующих элементов и повышения степени легированности твердого раствора. Было решено проверить влияние закалки с повышенных температур в масло на механические свойства материала.
14
Серия «Физико-химические проблемы и высокие технологии строительного материаловедения» Выпуск № 2(13), 2016
Полученные значения по определению σв, σ0.2, ψ, δ, SK, HRC (таблица 3) позволяют сделать вывод, что повышение температуры нагрева под закалку от 900 0С до 1000 0С, дает возможность улучшить практически все механические характеристики (σв и σ0.2 на 20 %, SK на 60 %, ψ на 150 %, а HRCс 44 до 46 единиц), однако увеличение температуры до 1100 0С, дает дальнейшее возрастание только SK и с некоторым их падением при температуре закалки с 1200 0С.
Однако, сравнение с данными механических свойств полученных после закалки по стандартному режиму (с 900 0С) показало, что только относительное удлинение при закалке с 1100 0С и 1200 0С и твердость после закалки с 1200 0С дали значения меньше, чем при температуре закалки с 900 0С, а все остальные характеристики, все время остаются выше нежели после стандартной обработки с 900 0C.
Изменения свойств в зависимости от закалочных температур, наблюдались и при испытании образцов обработанных холодом, только в этом случае значения свойств выше, чем после закалки с 900 0С, причем максимальные значения выявлены после закалки с 1000 0С (таблица 3).
Анализ характера разрушения образцов закаленных в масло, показывает повышенную долю вязкой составляющей в изломе после закалки с температур 1000 0С и 1100 0С в то время как проведение закалки с 900 0С обеспечивает хрупкое разрушение, что сохраняется и для образцов обработанных холодом, когда явно хрупкий излом, в образце закаленном с 900 0С, заменяется на типично вязкий «чашка — конус» у образца закаленного с 1000 – 1100 0С.
Заключение. Металлографические исследования структуры показали заметное увеличение размера зерна лишь при температуре нагрева свыше 1100 0С. Установлено, что закалка с 1000 0С обеспечивает наиболее высокое значение всех параметров, получаемых при испытании образцов на растяжение.
Выявлено изменение характера разрушения от хрупкого после закалки с 900 0С и с 1200 0С до явно вязкого с типичной схемой разрушения «конус-чашка» после закалки с 1000
0С и с 1100 0С.
По результатам металлографических исследований установлена близость структуры закаленной стали после всех видов закалки с несколько большей четкостью проявления мартенсита при закалке с 1000-1100 0С и уменьшением карбидных частиц с ростом закалочной температуры.
Исследования ударной вязкости показали значительное возрастание этого параметра после закалки с 1000 - 1100 0С как в масло, так и с последующей обработкой холодом, причем сформированная путем такой закалки структура после стандартного режима отпуска дает заметное повышение всех пластических и прочностных характеристик, что позволяет считать такой режим оптимальным.
Список литературы
1.Арзамасов Б.Н., Макарова В.И., Мухин Г.Г. Материаловедение.− М, МГТУ им. Н.Э.
Баумана, 2001.− 632 с.
2.Шивандин Е.М. Склонность хрупкости низколегированных сталей. – М: Металлургия, 1983.
3.Нитцше К. Испытания металлов. – М: Металлургия, 1967.
4.Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение.− М, «Машиностроение», 1990.
527 с.
Лукин Анатолий Александрович - к.ф.-м.н., доцент, кафедры материаловедения и физики металлов Воронежского технического государственного университета. E-mail: toto_luk@mail.ru
Тарханов Андрей Константинович - к.ф.-м.н., доцент, кафедры физики Воронежского государственного технического университета. E-mail: anvetkin@yandex.ru
Лукин Олег Анатольевич - к.ф.-м.н., доцент, кафедры экономики Московского института инженеров транспорта (МИИТ Воронежский филиал) ollukin@mail.ru
15