«Ответы на вопросы материаловедению»

 

1. Ударная вязкость. Понятие. Испытание на ударную вязкость

 

Для оценки склонности материалов к хрупкому разрушению широко применяют испытания на ударный изгиб образцов с надрезом, в результате которых определяют ударную вязкость. Ударная вязкость оценивается работой, затраченной на ударный излом образца и отнесенной к площади его поперечного сечения в месте надреза.

Согласно ГОСТ 9454–78, для определения ударной вязкости применяют призматические образцы с надрезами различных типов. Самыми распространенными типами являются образцы с U-образным (рис. 1, а) и V-образным (рис. 1, б) надрезами.

Испытания на ударную вязкость проводят на маятниковом копре (рис. 2).

Работа К, МДж, затраченная на ударный излом образца, может быть определена по следующей формуле:

где G – вес маятника; h₁ – высота подъема маятника до испытаний; h₂ – высота подъема маятника после испытаний.

Рис. 1. Образцы для испытаний на ударную вязкость:

а – с U-образным надрезом; б – с V-образным надрезом

Рис. 2. Схема испытаний на ударную вязкость:

а – схема маятникового копра; б – расположение образца на копре;

1 – корпус; 2 – маятник; 3 – образец

 

Указатель на шкале копра фиксирует величину работы К и проградуирован с учетом потерь (трение в подшипниках, сопротивление стрелки указателя, сопротивления воздуха и др.).

Ударная вязкость обозначается символом КС, МДж/м², и подсчитывается как отношение работы К к площади поперечного сечения образца в надрезе F. Если образец с U-образным надрезом, то к символу добавляется буква U (KCU), а если с V-образным надрезом, то добавляется буква V (KCV).

Вместе с тем ударная вязкость является сложной механической характеристикой и состоит из двух составляющих: удельной работы зарождения трещины КС_з и удельной работы ее распространения КС_p , т.е.

Для охрупченных материалов основная часть работы идет на зарождение трещины, а работа распространения трещины незначительна. Для пластичных материалов работа распространения трещины имеет преобладающее значение. Анализ составляющих ударной вязкости позволяет более рационально выбрать материал и определить его назначение.

Существует несколько методов определения составляющих ударной вязкости. Наиболее широкое распространение получили методы Б.А. Дроздовского и А.П. Гуляева. По методу Б.А. Дроздовского испытывают ударные образцы с V-образным надрезом с заранее выращенной усталостной трещиной. Считается, что при разрушении образца вся работа динамического излома расходуется на распространение трещины, т.е. при таком испытании определяется величина КС_р.

Рис. 3. Схема определения составляющих ударной вязкости по методу А.П. Гуляева

 

Работа зарождения трещины КС₃ в этом случае подсчитывается как разность между полной ударной вязкостью образца без усталостной трещины КС и работой ее распространения КС_р.

По методу А.П. Гуляева испытывают несколько ударных образцов, имеющих различный радиус округления в вершине надреза r. После испытаний и подсчета ударной вязкости каждого образца строится график (рис. 3). Экстраполируя прямую на ось ординат, получают удельную работу распространения трещины КС_р. В этом случае образец с радиусом надреза, близким к нулю, отождествляется с образцом, имеющим усталостную трещину.

При сравнении оба метода дают достаточно близкие значения составляющих ударной вязкости.

2. Отпуск закаленной стали. Виды отпуска, их назначение, область применения и режимы проведения

 

Отпуск заключается в нагреве закаленной стали до температур ниже Ас₁, выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью. Отпуск является окончательной операцией термической обработки, в результате которой сталь получает требуемые механические свойства. Кроме того, отпуск полностью или частично устраняет внутренние напряжения, возникающие при закалке. Эти напряжения снимаются тем полнее, чем выше температура отпуска. Так, например, осевые напряжения в цилиндрическом образце из стали, содержащей 0,3% С, в результате отпуска при 550°С уменьшаются с 60 до 8 кгс/мм². Так же сильно уменьшаются тангенциальные и радиальные напряжения.

Наиболее интенсивно напряжения снижаются в результате выдержки при 550°С в течение 15–30 мин. После выдержки в течение 1,5 ч напряжения снижаются до минимальной величины, которая может быть достигнута отпуском при данной температуре.

Скорость охлаждения после отпуска также оказывает большое влияние на величину остаточных напряжений. Чем медленнее охлаждение, тем меньше остаточные напряжения. Быстрое охлаждение от 600°С создает новые тепловые напряжения. По этой причине изделия сложной формы во избежание их коробления после отпуска при высоких температурах следует охлаждать медленно, а изделия из легированных сталей, склонных к обратимой отпускной хрупкости, после отпуска при 500–650°С во всех случаях следует охлаждать быстро.

Основное влияние на свойства стали оказывает температура отпуска. Различают три вида отпуска.

Низкотемпературный (низкий) отпуск проводят с нагревом до 150–200°С, реже до 240–250°С. При этом снижаются внутренние напряжения, мартенсит закалки переводится в отпущенный мартенсит, повышается прочность и немного улучшается вязкость без заметного снижения твердости. Закаленная сталь (0,5–1,3% С) после низкого отпуска сохраняет твердость в пределах HRC 58–63, а следовательно, высокую износостойкость. Однако такое изделие (если оно не имеет вязкой сердцевины) не выдерживает значительных динамических нагрузок.

Низкотемпературному отпуску подвергают поэтому режущий и измерительный инструмент из углеродистых и низколегированных сталей; а также детали, претерпевшие поверхностную закалку, цементацию, цианирование или нитроцементацию. Продолжительность отпуска обычно 1–2,5 ч, а для изделий больших сечений и измерительных инструментов. назначают более длительный отпуск.

Среднетемпературный (средний) отпуск выполняют при 350–500°С и применяют главным образом для пружин и рессор, а также для штампов. Такой отпуск обеспечивает высокие предел упругости, предел выносливости и релаксационную стойкость. Структура стали (0,45–0,8% С) после среднего отпуска – троостит отпуска или троостомартенсит с твердостью HRC 40–50. Температуру отпуска надо выбирать таким образом, чтобы не вызвать необратимой отпускной хрупкости.

Охлаждение после отпуска при 400–450°С следует проводить в воде, что способствует образованию на поверхности сжимающих остаточных, напряжений, которые увеличивают предел выносливости пружин.

Высокотемпературный (высокий) отпуск проводят при 500–680°С. Структура стали после высокого отпуска – сорбит отпуска. Высокий отпуск создает наилучшее соотношение прочности и вязкости стали.

Закалка с высоким отпуском по сравнению с нормализованным или. отожженным состоянием одновременно повышает пределы прочности и текучести, относительное сужение, и особенно ударную вязкость (табл. 1). Термическую обработку, состоящую из закалки и высокого отпуска, называют улучшением.

Улучшению подвергают среднеуглеродистые (0,3–0,5% С) конструкционные стали, к которым предъявляются высокие требования к пределу текучести, пределу выносливости и ударной вязкости. Однако износостойкость улучшенной стали вследствие ее пониженной твердости не является высокой. Улучшение значительно повышает конструктивную прочность стали, уменьшая чувствительность к концентраторам напряжений, увеличивая работу пластической деформации при движении трещины (работу развития трещины) и снижая температуру верхнего и нижнего порога хладноломкости.

 

Таблица 1

Влияние   термической   обработки   на   механические   свойства   углеродистой   стали с 0,42% С*

 

Термическая обработка	σв	στ	δ	ψ	ан, кгс·м/см2
	Кгс/мм2		%
Отжиг при 880°С Закалка с 880°С (охлаждение в воде) и отпуск:       при 300°С       при 600°С	55        130 62	35        110  43	20       12 22	52       35 55	9       3 14

 

* Заготовка диаметром 12 мм.

Отпуск при 550–600^сС в течение 1–2 ч почти полностью снимает остаточные напряжения, возникшие при закалке. Чаще длительность высокого отпуска составляет 1,0–6 ч – в зависимости от габаритных размеров изделия.

3. Понятие о процессах ОМД. Ковка. Применение

 

Обработка металлов давлением (ОМД) основана на использовании пластичности металлов, т.е. на их способности в определенных условиях воспринимать под действием внешних сил остаточную деформацию без нарушения целостности материала заготовки, поэтому она применима лишь к металлам достаточно пластичным.

Пластичнее других металлов свинец, он легко деформируется при нормальной температуре. Олово, алюминий, цинк, железо, низкоуглеродистая сталь также могут быть обработаны давлением без нагрева. Пластичность средне- и высокоуглеродистой сталей и других металлов в холодном состоянии недостаточна; при нагреве до определенных температур их пластичность повышается и способность к деформации возрастает. Некоторые металлы и сплавы (например, марганец, чугун и др.) непластичны даже при нагревании, они остаются хрупкими вплоть до расплавления. Такие металлы не могут обрабатываться давлением.

Основными видами обработки металлов давлением являются прокатка, прессование, волочение, ковка и штамповка.

КОВКА – способ обработки металла давлением, когда в результате многократного прерывистого ударного воздействия инструмента на заготовку (преимущественно нагретую) она приобретает заданные форму и размеры.

Заготовку детали, полученную обработкой металла давлением в операциях ковки или штамповки, называют поковкой. При ковке металл свободно течет в стороны, не ограниченные рабочими поверхностями инструмента. В качестве инструмента при ковке используют плоские или фигурные (вырезные) бойки. В отличие от штампов такие бойки универсальны, а поэтому при мелкосерийном производстве ковка экономически более выгодна.

Ковка может быть машинной, на молотах или прессах, и ручной. Ручная ковка применяется в основном в ремонтном деле для мелких работ. Ковкой получают поковки массой от 0,1 кг до 300 т. Крупные поковки (массой выше 1,5 т) получают из слитков только ковкой. Мелкие и средние поковки куют из сортового проката или блюмов.

Процесс ковки состоит из чередования в определенной последовательности основных и вспомогательных операций. Каждая операция определяется характером деформирования и применяемым инструментом. К основным операциям ковки относятся: осадка, протяжка (вытяжка), прошивка, отрубка, гибка, кручение, кузнечная сварка.

Осадка – операция уменьшения высоты заготовки при увеличении площади ее поперечного сечения. Разновидностью осадки является высадка, при которой металл осаживают лишь на части длины заготовки. Во избежание продольного изгиба высота осаживаемой заготовки должна быть не более 2,5 диаметра или толщины. Осадку применяют в тех случаях, когда требуется получить поковку большего поперечного сечения, чем у заготовки, как промежуточную операцию для увеличения проковки металла или когда необходимо изменить направление волокон в металле для улучшения качества изделия. Деформация металла при осадке характеризуется коэффициентом у ковки:

К_Н = h₀/ h₁;      К_Н = F₁/F₀,

где h и F – начальные (0) и конечные (1) высота и поперечное сечение заготовки.

Протяжка (вытяжка) – операция удлинения заготовки или ее части за счет уменьшения площади поперечного сечения (рис. 1, а). Протяжку можно производить плоскими и вырезными бойками. Протяжка имеет ряд разновидностей: разгонка, протяжка с оправкой, раскатка на оправке.

Разгонка – операция увеличения ширины части заготовки за счет уменьшения ее толщины (рис. 1, б).

 

Рис. 1. Схемы протяжки:

а – протяжка; б – разгонка; в – протяжка с оправкой; г – раскатка на оправке; 1 – плоский боек; 2 – вырезной боек; 3 – заготовка; 4 – оправка; 5 – подставка; стрелки к бойкам указывают направление удара

 

Протяжка с оправкой – операция увеличения длины пустотелой заготовки за счет уменьшения толщины ее стенок (рис. 1, в). Протягивают в одном направлении – к расширяющемуся концу оправки, что облегчает ее удаление из поковки.

Раскатка (раздача) на оправке – операция одновременного увеличения наружного и внутреннего диаметров кольцевой заготовки за счет уменьшения толщины ее стенок (рис. 1, г). После каждого нажатия заготовку поворачивают относительно оправки.

Прошивка – операция получения полостей в заготовке за счет вытеснения металла. Прошивкой можно получить сквозное отверстие или углубление (глухая прошивка, рис. 2, а).

Инструментом для прошивки служат прошивни сплошные (рис. 2, б) и пустотелые (сквозные, рис. 2, в). Пустотелые прошивни служат для прошивки отверстий большого диаметра (400+900 мм). Прошивка сопровождается отходом – выдрой.

 

Рис. 2. Схема прошивки:

а – глухая прошивка; б – сплошной прошивень; в – сквозной прошивень; 1 – боек; 2 – прошивень; 3 – заготовка

 

Отрубка – операция отделения части заготовки по незамкнутому контуру путем внедрения в заготовку деформирующего инструмента – прямого или фигурного топора либо зубила. Обрубку применяют:

для получения из заготовки большой длины нескольких коротких;

для образования в поковке уступов, заплечиков – надруба;

для удаления излишков металла на концах поковок, а также прибыльной и донной частей слитков и т.п.

Гибка – операция придания заготовке изогнутой формы по заданному контуру. Этой операцией получают угольники, скобы, крючки, кронштейны и т.п. Гибка сопровождается искажением первоначальной формы поперечного сечения заготовки и уменьшением его площади в зоне изгиба, называемым утяжкой. Для компенсации утяжки в зоне изгиба заготовке придают увеличенные поперечные размеры. Гибку осуществляют ударами кувалды по одному из концов заготовки, когда другой конец зажат между бойками. Крупные заготовки подвергают гибке в специальных гибочных штампах или на гибочных машинах, называемых бульдозерами.

Кручение – поворот одной части заготовки относительно другой на заданный угол. Применяется при изготовлении коленчатых валов, сверл и т.п. При кручении один конец заготовки зажимают между бойками, а на другую надевают вилку. Кручение производят ударами кувалды по противоположным концам вилки или при помощи крана.

Кузнечная сварка состоит в соединении в одно целое отдельных частей поковки различными способами: внахлестку, вразруб, встык. Место соединения предварительно подготавливают, нагревают до сварочной температуры (1275÷1400°С) и сваривают, применяя внешнее давление. Затем место сварки подвергают проковке и отделке при помощи обжимок. Кузнечную сварку применяют для низкоуглеродистых сталей (0,15÷0,25% мас. С) при ремонтных работах и при изготовлении поковок типа звеньев цепей и т.п.