В настоящее время широкое применение в машиностроении приобретают углеродистые стали с различным содержанием алюминия и кремния. Данные стали получили название «трип-стали» и отличаются от традиционных углеродистых сталей хорошим сочетанием технологических и эксплуатационных свойств [5, 8]. Однако вопросы влияния содержания алюминия на механические свойства трип-сталей с целью обоснования их практического применения для конкретных целей изучены недостаточно.
Цель исследования
Цель исследования заключается в определении зависимости механических характеристик ряда трип-сталей от содержания в них алюминия, для чего выполнялись испытания на одноосное растяжение, ударную вязкость, а также определялись их твердость и выносливость. Оценивание именно этих свойств обусловлено условиями практического применения данных материалов.
Материалы и методы исследования
Исследования проводились для четырех наиболее характерных углеродистых сталей с содержанием алюминия и кремния, химический состав которых показан в табл. 1.
Отливки, которые были использованы при изготовлении образцов для механических испытаний, выполнялись согласно [3]. Были использованы отливки двух видов, а именно:
– отливки, предназначенные для изготовления образцов для испытаний на одноосное растяжение;
– отливки, предназначенные для изготовления образцов для испытаний на растяжение и ударную вязкость.
Необходимо отметить, что фазовый состав исследуемых сплавов в основном ферритный с включениями цементита по границам зерен. Кроме этого, для фазового состава важно наличие твердых растворов или химических соединений легирующих элементов в железе. Основное отличие представленных для анализа сплавов заключается в различном содержании алюминия. Анализ влияния этого элемента в сочетании с влиянием кремния на механические характеристики и коррозионную стойкость трип-сталей и был проведен в представленной работе.
Испытания на одноосное растяжение выполнялись в соответствии с [1]. Для испытаний использовалась установка ИР-5113-100. Геометрические параметры образцов для испытаний на одноосное растяжение показаны в табл. 2.
При испытаниях на одноосное растяжение образцы устанавливались в захваты установки и подвергались растяжению со скоростью деформирования 1 мм/мин. Испытания проводились при комнатной температуре по пять образцов для каждой стали.
Испытания на ударную вязкость выполнялись согласно [2]. Для испытаний использовались маятниковый копер МК-15 и образцы с концентратором напряжения в виде надрезов U-образной формы.
Твердость образцов исследуемых сталей определялась с помощью твердомера Роквелла.
Пределы выносливости исследуемых сталей σ‒1 по известным значениям пределов прочности σВ определялись, исходя из ранее установленных закономерностей связи между выносливостью материала и его прочностью [7]. С этой целью была использована номограмма для определения коэффициента корреляции при расчете предела выносливости по известной величине предела прочности металлических материалов [7].
Для нашего случая по известным значениям пределов прочности с использованием данной номограммы определяются значения коэффициентов корреляции а, и по известной формуле [7] вычисляются пределы выносливости σ‒1:
σ‒1 = аσВ, Мпа.
Результаты исследования и их обсуждение
В результате испытаний на одноосное растяжение для каждого образца была получена диаграмма «напряжения (усилия) – деформация». Вид данной диаграммы и «шейка» образца после разрушения показаны на рис. 1.
Анализ диаграммы «напряжение (усилие) – деформация» показал, что для данных сплавов отсутствует характерная для обычных углеродистых сталей «площадка текучести», что говорит об отсутствии в них интенсивной деформации по плоскостям скольжения [4].
Разрушение образцов происходило на начальном этапе путем среза с последующим хрупким отрывом (рис. 2).
Зависимость прочностных характеристик (временного сопротивления разрыву σВ) и характеристик пластичности (относительного удлинения после разрыва δ и относительного сужения после разрыва φ) исследуемых сплавов показаны на рис. 3.
Таблица 1
Химический состав исследуемых сталей
№ сплава |
C |
Si |
Mn |
P |
S |
Al |
Cr |
Ni |
Mo |
Cu |
V |
Nb |
B |
Ti |
N |
1 |
0,088 |
0,29 |
1,64 |
0,008 |
0,0083 |
0,031 |
0,2 |
0.51 |
0,40 |
0,018 |
0,028 |
0,026 |
0,0017 |
0,001 |
0,0049 |
2 |
0,088 |
0,30 |
1,62 |
0,007 |
0,0080 |
0,062 |
0,2 |
0,48 |
0,41 |
0,018 |
0,027 |
0,026 |
0,0016 |
0,001 |
0,0043 |
3 |
0,089 |
0,30 |
1,63 |
0,007 |
0,0071 |
0,091 |
0,2 |
0,50 |
0,40 |
0,018 |
0,028 |
0,026 |
0,0000 |
0,001 |
0,0050 |
4 |
0,088 |
0,30 |
1,66 |
0,008 |
0,0060 |
0,120 |
0,2 |
0,50 |
0,40 |
0,019 |
0,028 |
0,026 |
0,0018 |
0,002 |
0,0044 |
Таблица 2
Геометрические параметры образцов для испытаний на одноосное растяжение
Параметр, обозначение |
Номинальное значение, мм |
Отклонение, мм |
|
Диаметр рабочей части |
d0 |
6 |
± 0,06 |
Диаметр захватов |
d1 |
М10 |
|
Радиус |
R |
5 |
± 0,05 |
Длина рабочей части |
Lc |
36 |
+ 2/– 0 |
Общая длина |
Lt |
65 |
± 2 |
Отклонение формы поперечного сечения |
t |
0,03 |
а)
б)
Рис. 1. Диаграмма растяжения для исследуемых сплавов и характер «шейки» образца после разрушения: а) диаграмма «напряжение (усилие) – деформация» для исследуемых сплавов; б) «шейка» образца после разрушения
а)
б)
Рис. 2. Характер разрушения образцов: а) зона начального разрушения методом среза; б) зона окончательного разрушения методом отрыва
Рис. 3. Зависимость характеристик прочности и пластичности исследуемых сплавов от содержания алюминия
Рис. 4. Зависимость ударной вязкости исследуемых сплавов от содержания алюминия
Таблица 3
Результаты определения твердости исследуемых сталей
№ сплава |
1 |
2 |
3 |
4 |
||||||||
Значение твердости, HRC |
13 |
11 |
15 |
10 |
13 |
11 |
12 |
15 |
12 |
14 |
12 |
16 |
Среднее значение, HRC (HB) |
13 (201) |
12 (197) |
13 (201) |
14 (203) |
Таблица 4
Результаты определения пределов выносливости
№ сплава |
σВ, МПа |
а |
σ‒1, МПа |
1 |
808,5 |
0,318 |
257,0 |
2 |
788,4 |
0,328 |
258,0 |
3 |
809,6 |
0,317 |
256,0 |
4 |
853,4 |
0,303 |
259,0 |
Результаты испытаний на ударную вязкость показаны на рис. 4.
Согласно представленным результатам, ударная вязкость зависит от содержания алюминия в исследуемых сплавах [6].
Результаты определения твердости исследуемых сталей приведены в табл. 3.
Результаты определения пределов выносливости исследуемых сталей приведены в табл. 4.
Выводы
Анализ полученных в результате исследований зависимостей показывает следующее.
Наиболее высокая прочность (σВ = 853,42 МПа) наблюдается у исследуемых сплавов с наибольшим содержанием алюминия. Однако для этих сплавов характерно снижение характеристик пластичности (δ = 19,459 %; φ = 52,16 %). С другой стороны, наиболее высокая пластичность (δ = 21,622 %; φ = 69,75 %) наблюдается у сплава № 2, который, в свою очередь, характеризуется самой низкой прочностью (σВ = 788,35 МПа).
Интегральный показатель механических характеристик, а именно работа разрушения, имеет максимальное значение для сплава с содержанием алюминия 0,062 %. Поэтому данное содержание алюминия можно считать оптимальным с точки зрения обеспечения максимальных показателей ударной вязкости. При увеличении или уменьшении содержания алюминия по сравнению с вышеупомянутым значением ударная вязкость снижается. Возможно, что снижение ударной вязкости при увеличении содержания алюминия объясняется наличием химических соединений алюминия с другими легирующими элементами исследуемых сплавов, например, CuAl2, NAl и др. Наблюдается увеличение ударной вязкости для сплава № 2 и снижение данного параметра для сплавов № 3 и 4. Данная зависимость может объясняться тем, что для сплава № 2 повышение пластичности имеет превалирующее значение для увеличения работы разрушения, чем снижение прочности. Для сплавов № 3 и 4 снижение характеристик пластичности в большей степени повлияло на работу разрушения по сравнению с повышением прочности.
Результаты определения твердости исследуемых сталей качественно согласуются с характером изменения прочности.
Изменение содержания алюминия в рассматриваемых пределах на выносливость сталей практически не влияет, в отличие от некоторых других механических характеристик, рассмотренных в данной работе (σВ, φ).
Рецензенты:
Козлов В.В., д.т.н., профессор, профессор кафедры ФГКВОУ ВПО «Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского» Министерства обороны РФ, г. Санкт-Петербург;
Садин Д.В., д.т.н., профессор, профессор кафедры ФГКВОУ ВПО «Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского» Министерства обороны РФ, г. Санкт-Петербург.