Спосіб термічної обробки високоміцних низьколегованих вуглецевих сталей

Реферат: Спосіб термічної обробки високоміцних низьколегованих сталей з підвищеним вмістом вуглецю (0,6…0,7 % С) включає нагрів вище температури аустенізації і швидкого охолодження. Здійснюють формування бейнітно-мартенситної структури за охолодження та ізотермічну витримку. UA 105440 U (12) UA 105440 U UA 105440 U 5 10 15 20 25 30 Корисна модель належить до галузі машинобудування і може бути використана при термічній обробці виробів з високоміцних низьколегованих сталей з підвищеним вмістом вуглецю (0,6…0,7 %С), які працюють в умовах циклічного навантаження і мають високу конструкційну міцність. Відомі способи термічної обробки вказаних сталей не дозволяють отримати їх підвищену конструкційну міцність, тобто одночасно високі значення їх характеристик міцності і тріщиностійкості [1]. Відомий спосіб термічної обробки високовуглецевих (0,6…0,7 %С) сталей, який полягає в гартуванні з наступним відпуском за різних температур [2, 3]. Недоліком цього способу є те, що за низького відпуску (при 100…200 °C) мартенситна структура сталі зумовлює її високу міцність, але низьку тріщиностійкість. Це пов'язано з наявністю в мартенситній структурі значних залишкових гартівних напружень. За високого відпуску (при 500…600 °C) вони релаксують, проте отримувана сорбітно-перлітна структура має підвищену тріщиностійкість за низької міцності. Найближчим аналогом є спосіб термічної обробки, коли формують бейнітну [4] або бейнітномартенситну [5] структури, що дає змогу оптимізувати співвідношення міцності і тріщиностійкості сталі за циклічного навантаження (циклічної тріщиностійкості). Проте відомі сталі з такими структурами є низько- і середньо вуглецеві (0,2…0,4 %С). Бейнітні сталі з високим вмістом вуглецю (0,6…0,7 %С) ще маловивчені [6], а дані про міцність і циклічну тріщиностійкість бейнітно-мартенситних сталей в літературі відсутні. Задачею корисної моделі є спосіб термообробки, який забезпечує оптимальне поєднання високої міцності і циклічної тріщиностійкості, тобто конструкційної міцності, низьколегованих високовуглецевих (0,6…0,7 %С) сталей з бейнітно-мартенситною структурою. Поставлена задача вирішується тим, що сталь нагрівають до температури аустенізації (вище точки АС3), охолоджують із заданою швидкістю для формування бейнітно-мартенситної структури та витримують заданий час в інтервалі температур початку і кінця мартенситного перетворення, і тільки після цього охолоджують до кімнатної температури, згідно з корисною моделлю, умови охолодження забезпечують так, щоб в інтервалі температур 600…500 °C швидкість охолодження (W 6/5) була 5…6 °C/сек, а ізотермічну витримку 2…3 год. проводять при температурі 100 °C. Згідно з корисною моделлю, забезпечують бейнітно-мартенситну структуру сталі, в якій 3. вміст мартенситу не перевищує 30…50 %, а її показник [  K  K ]  1313  103 МПа м. B 35 40 50 55 fc термічної обробки: діаграма 1 - відома термообробка (гартування і відпуск 2 год. при 180 °C [3]); діаграма 2 - запропонований спосіб термообробки. В таблиці наведено дані про границю міцності  В , поріг втоми K th , циклічну в'язкість руйнування K fc , значення локальних внутрішніх напружень 45 th На Фіг. 1 показано схему термічного циклу обробки сталі: а - відомий; б - запропонований спосіб; W 6/5 - швидкість охолодження в інтервалі температур 600…500 °C. На Фіг. 2 показано зміну тонкої (дислокаційної) структури мартенситу сталі 65Г: а - відома термообробка; б - запропонований спосіб. На Фіг. 3 показано діаграми швидкостей росту втомної тріщини в сталі 65Г за асиметрії R=0,1 і частоти f=10…15 Гц циклу навантаження та зміну її характеристик циклічної тріщиностійкості: порогу втоми AKth і циклічної в'язкості руйнування K fc залежно від режиму м  лок в мартенситі, розраховані по спеціальній методиці за густиною дислокацій, визначеною згідно тонкої структури, поданої на Фіг. 3, а також порівняно конструкційну міцність після різних режимів термообробки сталі 65Г на підставі добутку [ B  K th  K fc ] значень характеристик міцності і циклічної тріщиностійкості. Розглянемо приклад реалізації запропонованого способу, проведеної на сталі 65Г (мас. %: 0,64…0,66 С; 0,90…0,92 Мn; 0,17…0,21 Si; 0,17…0,19 Ni; 0,15…0,17 Cr; < 0,017 S; < 0,010 P). Виготовлені з цієї сталі стандартні циліндричні зразки (п'ятикратні 5 мм) для випробувань на статичну міцність і компактні зразки (базового розміру W=40 мм і товщини t=8 мм) для випробувань на циклічну тріщиностійкість піддають відомій термообробці (Фіг. 1а) гартуванням у масло (W 6/5=100…120 °C/сек.) з наступним низьким відпуском 2 год. при 180 °C та термообробці за запропонованим режимом (Фіг. 16), де задану швидкість охолодження (W 6/5=5…6 °C/сек.) та ізотермічну витримку 2…3 год. при 100 °C забезпечують спеціальним устаткуванням. Електронно-мікроскопічні дослідження тонкої структури показують, що порівняно з відомою термообробкою (Фіг. 2а) в сталі, термообробленій за запропонованим режимом (Фіг. 2б) суттєво знижується густина дислокацій в мартенситній фазі. При цьому границя міцності  В сталі 1 UA 105440 U зменшується (у 1,5 рази), але падають (у 5…6 разів) локальні внутрішні напруження м  лок (див. таблицю). Це зумовлює значне підвищення опору росту втомної тріщини (Фіг. 3, крива 2 проти кривої 1): поріг втоми K th і циклічна в'язкість руйнування K fc ростуть у ~ 3 рази. В 5 результаті конструкційна міцність сталі, яка характеризується показником [ B  K th  K fc ] збільшується у ~ 6 разів порівняно з відомою термообробкою (див. таблицю). Застосування запропонованого способу термічної обробки дозволить підвищити роботоздатність і знизити небезпеку крихкого руйнування за циклічних навантажень відповідальних елементів конструкцій з високоміцних низьколегованих сталей. Таблиця Характеристики Спосіб термообробки  В , МПа Відомий (гартування і відпуск 180 °C) Запропонований K th K fc МПа м м  лок , МПа [ B  K th  K fc ] . 3 1920 4,6 23 5420…5690 203 10 1250 13,3 79 920…1110 1313 10 . 3 10 15 20 25 Джерела інформації: 1. Романив О.Н. Вязкость разрушения конструкционных сталей. - М: Металлургия, 1979.176с. 2. Самоходский А.И. Технология термической обработки металлов. - М.: Машгиз.-1962.427с. 3. Ярема С.Я., Попович В.В., Зима Ю.В. Влияния структуры на сопротивления стали 65Г росту усталостной трещины // Физ.-хим. механика материалов.-1982. - №1. - с. 16-30. 4. Gianni A., Ghidini A., Karlsson Т., Ekberg A. Bainitic steel grade for solid wheels: metallurgical, mechanical and in-service testing // Proc. IMechE.-2009.-Vol. 223.-P. 163-171. 5. Lingamanaik S.N., Chen B.K. Prediction of residual stresses in low carbon bainitic-martensitic railway wheels using heat transfer coefficients derived from quenching experiments // Computational Materials Science.-2013.-77. -P. 153-160. 6. Остапі О.П., Андрейко І.М., Кулик В.В. та ін. Вплив режиму термічної обробки і асиметрії циклу навантаження на циклічну тріщиностійкість колісних сталей // Фіз.-хім механіка матеріалів.-2009. - №2. - С. 63-70. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 30 35 1. Спосіб термічної обробки високоміцних низьколегованих сталей з підвищеним вмістом вуглецю (0,6…0,7 % С), що полягає у нагріві вище температури аустенізації і швидкого охолодження, який відрізняється тим, що високу міцність і циклічну тріщиностійкість сталі забезпечують формуванням бейнітно-мартенситної структури за охолодження в інтервалі температур 600…500 °C зі швидкістю 5…6 °C/сек. та ізотермічної витримки 2…3 год. при 100 °C. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що забезпечують бейнітно-мартенситну структуру сталі, в якій вміст мартенситу не перевищує 30…50 %, а її показник [ B  Kth  K fc ]  1313103 МПа3∙м. 2 UA 105440 U Комп’ютерна верстка О. Рябко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3