Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,674

МЕТОДИКА ОЦЕНИВАНИЯ ВЛИЯНИЯ СОДЕРЖАНИЯ АЛЮМИНИЯ НА ВЫНОСЛИВОСТЬ И ДРУГИЕ МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАЛОУГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

Алексеев К.В. 1 Дарвейш С.М. 1 Добролюбов А.Н. 1 Лебедев Е.Л. 1 Самойлов Н.С. 1
1 ФГКВОУ ВПО «Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского»
В работе представлены методика и результаты оценивания влияния на механические свойства нашедших в настоящее время широкое применение в машиностроении малоуглеродистых сталей (трип-сталей) содержащегося в них алюминия. С этой целью проведены механические испытания ряда трип-сталей на одноосное растяжение, ударную вязкость, а также определены их твердость и выносливость. В результате механических испытаний для каждого исследуемого образца получены зависимости прочности и пластичности, ударной вязкости и выносливости от содержания в стали алюминия. Анализ данных зависимостей показывает следующее. Наиболее высокая прочность (sВ = 853,42 МПа) наблюдается у исследуемых сталей с наибольшим содержанием алюминия. Однако для этих сталей характерно снижение характеристик пластичности (δ = 19,459 %; φ = 52,16 %). С другой стороны, наиболее высокая пластичность (δ = 21,622 %; φ = 69,75 %) наблюдается у стали, которая, в свою очередь, характеризуется самой низкой прочностью (sВ = 788,35 МПа). Результаты определения твердости изучаемых сталей качественно согласуются с характером изменения прочности. С точки зрения обеспечения максимальных показателей ударной вязкости, оптимальным можно считать содержание алюминия в стали 0,062 %, так как интегральный показатель механических характеристик, а именно работа разрушения, имеет в данном случае максимальное значение. Определено, что в отличие от других механических характеристик изменение содержания алюминия в рассматриваемых пределах на выносливость исследуемых сталей практически не влияет.
трип-сталь
механические испытания
механические характеристики
1. ГОСТ 1497-84 Металлы. Методы испытаний на растяжение. – М.: Стандартинформ, 2008.
2. ГОСТ 25.506-85 Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении. – М.: Стандартинформ, 2003.
3. ГОСТ 977-88 Отливки стальные. Общие технические условия. – М.: Стандартинформ, 2005.
4. Захарова Е.Г. Влияние алюминия на механизмы деформации, деформационное упрочнение и разрушение высокопрочных монокристаллов стали Гадфильда: Автореф. дис. канд. физ.-мат. наук. – Томск, 2005.
5. Металлы и сплавы: Справ. – СПб: НПО «Профессионал», 2003. – 1066 с.
6. Науменко В.В. Влияние азота и кремния на механические и коррозионные свойства низкоуглеродистой аустенитной стали для применения в сильноокислительных средах: Автореф. дисс. канд. техн. наук. – М., 2012.
7. Самойлов Н.С., Самойлов А.Н. Ускоренные методы определения выносливости и термостойкости. – СПб.: НПО «Профессионал», 2012. – 324 с.
8. Шкатов В.В. Моделирование фазовых и структурных превращений при термической обработке проката из раскисленных алюминием низкоуглеродистых сталей: Автореф. дисс. канд. техн. наук. – Липецк, 2007.

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

al1a.tif а)

al1b.tif 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

al2a.tif а) al2b.tif б)

Рис. 2. Характер разрушения образцов: а) зона начального разрушения методом среза; б) зона окончательного разрушения методом отрыва

al3.wmf

Рис. 3. Зависимость характеристик прочности и пластичности исследуемых сплавов от содержания алюминия

al4.wmf

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.


Библиографическая ссылка

Алексеев К.В., Дарвейш С.М., Добролюбов А.Н., Лебедев Е.Л., Самойлов Н.С. МЕТОДИКА ОЦЕНИВАНИЯ ВЛИЯНИЯ СОДЕРЖАНИЯ АЛЮМИНИЯ НА ВЫНОСЛИВОСТЬ И ДРУГИЕ МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАЛОУГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 6-3. – С. 433-437;
URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=38636 (дата обращения: 29.03.2024).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674