|
Качество стали 35 и подобных доэвтектоидных сталей определяется не только их химическим составом, но и способом выплавки. Строение и свойства стали во многом зависят от технологии процесса выплавки и последующей термической и термомеханической обработки.
Наличие в стали примесей вызывает различные ликвационные явления. В местах скопления примесей металл становится менее прочным. Неравномерное распределение примесей приводит к анизотропности механических свойств стали в отдельных микрообъемах. Вследствие этого их разрушение при микроударном воздействии происходит неравномерно.
Эрозионная прочность углеродистой стали в литом состоянии определяется в основном свойствами двух структурных составляющих - феррита и перлита. Раствор феррита кроме углерода может иметь и другие элементы (например, кремний, хром и др.), значительно влияющие на его свойства. Свойства перлита зависят в основном от формы цементита; его зерна, находящиеся в перлите, могут иметь глобулярную или пластическую форму. Исследования показывают, что сопротивляемость стали гидрозрозии зависит от свойств отдельных структурных составляющих и их взаимосвязанности в общей структуре сплава.
Ранее указано, что феррит в углеродистой стали является наиболее слабой структурной составляющей. Он первым начинает разрушаться при микроударном воздействии. Преимущественное разрушение феррита при испытании особенно сильно проявляется в сталях, структура которых включает либо ферритную сетку, либо избыточный феррит. Увеличение количества феррита в структуре углеродистой стали приводит к ее интенсивному разрушению при испытании. Разрушение феррита чаще всего начинается на границах зерен, а иногда и внутри зерна. В случае, когда прочность зерна выше прочности его границ, разрушение развивается сначала по границам, а затем переходит и в зерно. Феррит может обладать различными механическими свойствами в зависимости от содержания растворенных в нем легирующих элементов. Его склонность к упрочнению и разупрочнению зависит от свойств легирующих элементов.
Рис. 1. Диаграмма, отражающая влияние легирования феррита
на его сопротивляемость гидроэрозии (длительность испытания 4 ч):
1 - феррит нелегированный (НВ 60); 2 - легированный никелем (НВ 125);
3 - легированный хромом (НВ 146)
Рис. 2. Зависимость потерь массы углеродистой стали от
продолжительности струеударных испытаний в начальный
период разрушения при глобулярной (кривая 1) и пластинчатой
(кривая 2) форме карбида в перлите
На рис. 1 приведена диаграмма, отражающая влияние легирования феррита (хромом и никелем) на его сопротивление микро-ударному разрушению в отожженном состоянии. Следует отметить, что легирование феррита в большинстве случаев приводит к измельчению его зерен.
Перлит по сравнению с нелегированным ферритом обладает большей эрозионной прочностью. Поскольку перлит представляет собой механическую смесь феррита и цементита, то его свойства, а следовательно, и сопротивление разрушению зависят от свойств этих составляющих, их дисперсности и формы. Установлено, что перлит с карбидами пластинчатой формы обладает значительно большей эрозионной стойкостью, чем перлит с карбидами глобулярной формы (таблица 1). Глобулярная форма уменьшает поверхность карбидной фазы, поэтому ее участие в сопротивлении разрушению резко снижается. При наличии в перлите карбидов глобулярной формы основное поле занято ферритом принимающим на себя большую часть нагрузки, вследствие чего сопротивление пластической деформации снижается. Процесс интенсивного разрушения такой стали начинается после непродолжительного периода накапливания деформаций (рис. 2).
Таблица 1
Влияние формы карбида в перлите на эрозионную стойкость углеродистой стали
| Форма карбида |
НВ |
Инкубационный период, ч |
Потери массы за 10 ч испытания мг |
Пластинчатая
Глобулярная |
202
170 |
4
1 |
178,4
846,2 |
Металлографические исследования показывают, что разрушение перлита при глобулярной форме карбида чаще всего начинается на границах с карбидом и развивается в сторону феррита. Трещины и очаги разрушения наиболее часто образуются около скоплений карбидов, где феррит обеднен легирующими элементами. В этих местах разрушение феррита развивается быстро и приводит к выкалыванию отдельных карбидов и их скоплений.
Перлит с карбидами пластинчатой формы разрушается равномерно. В этом случае сталь оказывает большое сопротивление пластической деформации, так как пластинчатый перлит обладает более высокими упругими свойствами.
При пластинчатой форме карбида феррито-карбидная смесь более однородна, и каждая из ее составляющих принимает почти одинаковое участие в сопротивлении микроударному разрушению. Исследования показали, что с увеличением дисперсности ферритокарбидной смеси возрастает ее сопротивление гидроэрозии.
В качестве конструкционного материала для деталей, работающих в условиях гидроэрозии, применяют доэвтектоидные стали. Более высокое содержание углерода в стали не рекомендуется по технологическим соображениям. Качественные стали имеют более высокую эрозионную стойкость по сравнению со сталями обыкновенного качества.
Для работы в условиях микроударного воздействия следует применять спокойные стали, которые хорошо раскислены и благодаря этому имеют меньшую газонасыщен и ость. В сталях обыкновенного качества значительно развита ликвация; кроме того, в этих сталях обычно не регламентируется максимально допускаемое количество неметаллических включений и остатков продуктов раскисления стали. Скопление этих примесей отрицательно сказывается на эрозионной стойкости стали. Поэтому для работы в условиях гидроэрозии целесообразно применять качественные углеродистые стали. Для получения сравнительных данных по эрозионной стойкости этих сталей были проведены испытания одинаковых по химическому составу обыкновенной и качественной углеродистых сталей. Ниже указано содержание элементов (%) сталей Ст4 и 35.
Сталь Ст4 Сталь 35
С ........ 0,39 0,40
Si......... 0,28 0,22
Мп ..... 0,58 0,68
Р.......... 0,043 0,040
S ........ 0,042 0,038
Несмотря на почти одинаковые механические показатели, потери массы образцов при испытании получаются разными. Качественная сталь 35 по сравнению с обыкновенной сталью Ст4 имеет значительно меньшие потери массы (табл. 2).
Таблица 2
Механические свойства и потери массы образцов из отожженных углеродистых сталей
| Сталь |
σт, МПа |
(σв, МПа |
δ, % |
НВ |
Потери массы образца за 10 ч испытания, мг |
Ст4
35 |
256,9
280,5 |
478,6
494,2 |
16
15 |
176
180 |
548,4
468,2 |
На практике низкая сопротивляемость гидроэрозии обыкновенных сталей была замечена сравнительно давно. Например, гребные винты, отлитые из такой стали, быстро разрушались, поэтому их начали отливать из высококачественных углеродистых сталей, выплавленных в электропечах. Как видно, наличие вредных примесей, а также различных металлургических дефектов приводит к снижению эрозионной стойкости стали.
Таблица 3
Эрозионная стойкость доэвтектоидных сталей в различном состоянии
| Сталь |
Термическая обработка |
НВ |
Инкубационный период, ч |
Потери массы образца за 10 ч испытания, мг |
| 25 |
Отжиг при 900° С
Закалка с 880° С, отпуск при 200° С
Закалка с 860° С, отпуск при 500° С |
143
332
228 |
1
4
3 |
694,8
128,3
268,2 |
| 30 |
Отжиг при 870° С
Закалка с 860° С, отпуск при 200° С
Закалка с 860° С, отпуск при 500° С |
146
387
248 |
1
6
3 |
536,6
18,8
198,4 |
| 40 |
Отжиг при 850° С
Закалка с 840° С, отпуск при 200° С
Закалка с 840° С, отпуск при 500° С |
164
477
269 |
2
7
4 |
418.4
7,8
136.5 |
| 50 |
Отжиг при 850° С
Закалка с 840° С, отпуск при 200° С
Закалка с 840° С, отпуск при 500° С |
164
495
262 |
2
7
4 |
388,8
6,2
129,7 |
| 60 |
Отжиг при 850° С
Закалка с 820° С, отпуск при 200° С
Закалка с 840° С, отпуск при 500° С |
202
578
277 |
3
8
4 |
332,1
5,6
109,4 |
| Примечание. Закалку производили в воде. |
В табл. 3 приведены сравнительные данные по эрозионной стойкости доэвтектоидных сталей различных марок, полученные при испытаниях на струеударной установке.
Сопротивляемость микроударному разрушению углеродистой стали зависит главным образом от содержания в ней перлита. По мере увеличения содержания перлита эрозионная прочность стали возрастает. Влияние структурных особенностей на сопротивляемость стали гидроэрозии отмечается также в работах ЦНИИТМАШа.
Рис. 3. Диаграмма, иллюстрирующая сопротивляемость
доэвтектоидных сталей микроударному разрушению в
различном состоянии (длительность испытаний 10 ч;
1, 2, ..., 9 - инкубационный период в часах)
Известно, что количество перлита в стали определяется содержанием в ней углерода;чем больше в стали углерода, тем больше в ее структуре перлита. В связи с этим доэвтектоидные стали с повышенным содержанием углерода имеют значительно более высокую эрозионную стойкость, чем низкоуглеродистые стали (рис. 3). Продолжительность периода накапливания деформаций также возрастает по мере увеличения содержания в стали перлита.
Закалка с низким отпуском приводит к резкому повышению эрозионной стойкости низкоуглеродистых сталей; причем стали с содержанием углерода 0,4% и более после закалки и отпуска показали практически одинаковую сопротивляемость гидроэрозии, а для сталей с более низким содержанием углерода характерно снижение эрозионной стойкости по мере уменьшения количества углерода. Высокий отпуск (при 500° С) приводит к резкому снижению эрозионной стойкости закаленной стали (для сталей с низким содержанием углерода это снижение гораздо меньше, так как их закалка менее эффективна).
Приведенные результаты показывают, что при выборе углеродистой стали в качестве конструкционного материала для деталей, подвергающихся гидроэрозии, следует отдавать преимущество качественным доэвтоидным сталям с повышенным содержанием углерода (например, стали 35, 40 и 45). Эти стали после соответствующей термической обработки обладают высоким сопротивлением струеударному воздействию. Однако их низкая коррозионная стойкость не позволяет рекомендовать их для изготовления деталей, работающих в условиях постоянно действующей агрессивной среды. В этих условиях влияние электрохимической коррозии настолько велико, что применение таких сталей становится невыгодным. Хорошие результаты получают в случае, если поверхность деталей, изготовленных из углеродистых сталей, можно защитить , от электрохимической коррозии нанесением диффузионных покрытий (например, хромом или титаном). |
НОВЫЕ ОБЪЯВЛЕНИЯ
НОВОСТИ
НОВЫЕ СТАТЬИ