Технические науки: механика

Святуха А.А., Кравцов М.К., Резниченко Н.К.

Украинская инженерно-педагогическая академия, г. Харьков

Влияние режимов закалки на механические свойства деталей, изготовленных из среднеуглеродистых сталей.

Как известно механические свойства среднеуглеродистых сталей регламентируются только после их нормализации, а также после закалки и отпуска. В условиях производства детали машин различного назначения изготавливают из металлопроката поставляемого в нормализованном состоянии. Поэтому в зависимости от условий работы заготовки деталей машин подвергают закалке с последующим отпуском при температурах 200-550⁰ С. В данном интервале температур протекают различные фазовые превращения, благодаря которым механические свойства изменяются в широких пределах. Так, после закалки и отпуска при 500⁰ С образуется микроструктура сорбита отпуска, обладающая высокой пластичностью, но относительно небольшой статической прочностью. После отпуска при 200⁰ С микроструктура состоит из мартенсита, обладающего повышенной хрупкостью. Так как большинство деталей машин работают в условиях как статических, так и динамических нагрузок, то они должны обладать наряду с высокой прочностью и относительно высокой пластичностью. В этой связи выбор температуры отпуска должен производится исходя из условий работы конкретной детали, т.е. температура отпуска должна обеспечивать возможность получения оптимального сочетания прочности и пластичности необходимого для надежной работы детали.

Несмотря на широкое применение закалки с последующим отпуском для различных деталей машин в условиях их массового производства, температура отпуска назначается исходя из твердости, предусмотренной техническими усло-виями чертежа конкретной детали. При этом, в технических условиях чертежа детали твердость устанавливается без учета колебаний углерода в химическом составе стали в пределах, предусмотренных соответствующим ГОСТом и таких элементов как марганец, сера, фосфор и др. Причем установленная твердость может соответствовать двум разным микроструктурам, например, малоуглеро-дистому мартенситу и трооститу, а каждой из этих структур свойственна опре-деленная прочность и пластичность. Поэтому более правильно выбор темпера-туры отпуска необходимо осуществлять исходя из конкретной микроструктуры или по экспериментальным данным характеризующих зависимость механичес-ких свойств от температуры отпуска.

С этой целью проведены исследования зависимости изменения механи-ческих свойств среднеуглеродистых сталей от температуры отпуска, имеющие важное практическое значение.

Изменение s_в, s₀, d_% от температуры отпуска исследовали на стандартных образцах в соответствии с ГОСТ 1497-73, ударную вязкость определяли по методике ГОСТ 9454-78. Значение твердости определяли на ударных образцах после их испытания, а микроструктуру исследовали на шлифах, изготовленных из образцов прошедших испытания на микроскопе МИМ 8 при увеличении 500. Величину зерна оценивали по шкале зернистости, предусмотренной ГОСТ 5639-82. Установлено [1…3], что температура закалки для среднеуглеродистых сталей должна быть равна температуре А_С3, плюс 20…30⁰С. В этой связи в соответствии с диаграммой состояния железо-углерод закалку образцов производили с температуры 840⁰С и охлаждением в воде с последующим отпуском в лабораторной печи в интервале температур 200…600⁰С через 50⁰С и выдержкой 2 часа, Постоянство температуры обеспечивалось с помощью потенциометра КСП-3 с точностью ± 5ºС, а температура закалки контролировалась потенциометром ЭПП-09 с помощью нихром-константиновой термопары диаметром 0,17 мм, приваренной точечной сваркой к образцу – свидетелю. В каждом режиме отпуска обрабатывалось по 5 образцов, изготовленных из стали 40, как для определения статической прочности, так и ударной вязкости.

Исследования микроструктуры по методике ГОСТ 5639-82 показали, что при длительности выдержки 30 мин. при температуре закалки 840⁰С образуется, в основном, мелкозернистый аустенит с величиной зерна 7…8 балла. Следует отметить, что в поле шлифа наибольшее число зерен соответствовало 7-му баллу. После закалки микроструктура состояла из мелкоигольчатого мартенсита, имеющего твердость 5500 НВ.

Анализ экспериментальных данных, сведенных в таблицу, показы-вает, что после отпуска при температуре 200⁰С в течение 2 часов сталь 40 обла-дает максимальной статической прочностью и твердостью при пластичности 5% и ударной вязкости КСК 0,25 МДж/м².

Таблица

Зависимость механических свойств закаленной стали 40

от температуры отпуска.

Т1^0С отпуска	sв, МПа	s0, МПа	d, %	КСК МДж/м^2	y, %	НВ
200	1620	1410	5	0,25	20	5400
250	1580	1340	6	0,18	21	5250
300	1510	1215	8	0,30	25	5050
350	1415	1165	10	0,43	30	4700
400	1360	1000	11	0,51	38	4025
450	1270	830	14	1,08	47	3750
500	985	670	16	1,37	56	3100
550	790	550	19	1,50	60	2800
600	650	480	21	1,62	62	2450

Как следует из анализа экспериментальных данных, приведенных в таб-лице, с повышением температуры отпуска до 600⁰С происходит дальнейшее по-нижение статической прочности и твердости, и значительное повышение плас-тичности стали 40. Такая зависимость связана с процессом коагуляции, а имен-но кристаллы цементита укрупняются за счет распада мелких кристаллов. Ско-рость этого процесса увеличивается с повышением температуры. Происходят изменения в структуре феррита. В этих условиях уменьшается плотность дисло-каций, постепенно увеличивается протяженность границ кристаллов феррита, а из-за их увеличения и благодаря этому форма кристаллов феррита приближает-ся к равновесной. Таким образом, с повышением температуры постепенно сни-жается фазовый наклеп, возникающий при мартенситном превращении и если при температуре 300… 450⁰С образуется структура троостита отпуска, то в интервале температур 450… 600⁰С формируется микроструктура сорбита отпус-ка, обладающая высокой пластичностью при относительно невысокой статичес-кой прочности и твердости.

По результатам проведенных испытаний построен график зависимости механических свойств закаленной стали 40 от температуры отпуска, приведен-ный на рис. 1 .

Рис. 1 – Изменение механических свойств стали 40 от температуры отпуска

Из анализа графика следует, что при отпуске закаленной стали 40 в интервале температур 200…600⁰С статическая прочность, твердость и пластичность определяется многими факторами, а именно: уменьшением тетрогональности мартенсита, степени фазового наклепа, образованием и укрупнением карбидных частиц, образованием и ростом кристаллов феррита и степенью дисперсности кристаллов карбида и феррита. При температурах 200…300⁰С процессы карбидного превращения протекают медленно из-за ма-лой скорости диффузии углерода. С повышением температуры от 300⁰С до 600⁰С скорость диффузии углерода непрерывно повышается, что и обуславли-вает ускорение распада мартенсита и формирование структур отпуска. Анало-гичные процессы протекает при отпуске большинства среднеуглеродистых сталей.

ВЫВОДЫ

На основании анализа экспериментальных данных можно сделать следу-ющие выводы:

1. Оптимальным соотношением статической прочности, твердости и пластичности сталь 40 обладает после отпуска при 350⁰С

2. Полученные результаты исследований позволяют выбирать режим отпуска деталей машин, изготовленных из среднеуглеродистых сталей, исходя из условий их эксплуатации с учетом долговечности и надеж-ности работ.

ЛИТЕРАТУРА

1. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение / М.: Машиностроение, 1980, 493 с.

2. Новиков И.Н. Теория термической обработки металлов. М.: Металлургия, 1978, 391 с.

3. Бернштейн М.Л. Металловедение и термическая обработка стали: В 2^х т. /М.Л. Бернштейн, А.Г. Рахштид.- М.: Металлургия, 1983. - Т.2. - 365 с.