Повышение конструктивной прочности деталей ударных механизмов

ПОВЫШЕНИЕ КОНСТРУКТИВНОЙ ПРОЧНОСТИ ДЕТАЛЕЙ УДАРНЫХ МЕХАНИЗМОВ

, к. т.н., доц.,

, магистрант гр. Маг-36, , магистрант гр. Маг-36,  , гр. НТ - 201

Новосибирский государственный технический университет, 630073,  Новосибирск,  пр. Карла Маркса, 20,
тел.[phone]

E-mail:*****@***com

В настоящие время актуальной задачей является создание новых способов упрочнения деталей машин ударного действия. Новые типы высокопроизводительных ударных механизмов  должны обладать рядом характеристик таких как,  высокая прочность, износостойкостью, значительное сопротивление разрушению при воздействии циклических и динамических нагрузках. Известные способы упрочнения не позволяют обеспечить длительный срок эксплуатации [1].

Высокие уровень механических свойств, может быть,  достигнут сочетанием операций пластической деформации и термического упрочнения [2]. Так же  эффективным методом является создание в стали смешанных структур, где ряд компонентов обеспечивает высокую прочность, ряд сопротивление распространению трещины. На кафедре материаловедения в машиностроении НГТУ разработан новый способ высокотемпературной термомеханической обработки стали с мартенситно-бейнитным превращением аустенита (ВТММБ), который может быть использован для повышения механических свойств тяжелонагруженных деталей горных машин, изготовленных из легированных конструкционных сталей [3]. Суть обработки заключается в горячей деформации стали со степенью 35 - 40 % в аустенитной области, последующего быстрого ее охлаждения в расплаве солей в область мартенситного превращения, в результате чего в стали формируется структура, состоящая кристаллов мартенсита и переохлажденного аустенита (рис.1). На заключительной стадии обработки сталь нагревают и выдерживают при температуре промежуточного превращения с последующим охлаждением на воздухе. В результате термообработки в стали формируется мелкодисперсная структура, состоящая из отпущенного мартенсита  и нижнего бейнита.

Материалом для исследования была выбрана сталь марки 40Х2Н2МА, которая широко применяется в производстве ответственных деталей ударных машин. Результаты сравнивали со свойствами закаленной и отпущенной при 400 ̊С стали, , а так же упрочненной  высокотемпературной термомеханической обработкой с закалкой на мартенсит и отпуском при температуре 400 ̊С. (ВТМО). Все используемые процессы обработки обеспечивали формирование в стали структуры с высокими показателями прочности.

Рис. 1. Схема термомеханической обработки с матненситно-бейнитным превращением аустенита.

Высокотемпературая термомеханическая обработка с мартенситно-бейнитным превращением аустенита (ВТММБ) приводит к формированию в стали фрагментированной структуры (рис. 2), состоящей из локальных областей с различной травимостью. В зависимости от направления вырезки образцов в структуре стали наблюдаются либо чередующиеся темные и светлые полосы шириной 50…70 мкм  либо фрагментированные ячейки аналогичного размера. В светлых областях со средней микротвердостью HV 367 сталь имеет структуру нижнего бейнита, в темных областях с микротвердостью HV409 - отпущенного мартенсита. Фактически области с кристаллами мартенсита имеют форму эллиптических цилиндров различного размера, которые окружены структурой нижнего бейнита.

Рис. 2. Микроструктура стали 40Х2Н2МА после ВТММБ обработки ( продольный шлиф)

Формирование полос в структуре в стали, упрочненной по технологии ВТММБ, вероятно, обусловлено процессами, происходящими в легированном аустените при его горячей деформации. Образование полос в структуре стали может быть обусловлено тем, что рекристаллизационные процессы в различных областях деформированного аустенита протекают с различной скоростью. Процесс зарождения и роста новых зерен преимущественно начинается у границ деформированных зерен и в полосах сдвига внутри них [2]. На определенном этапе деформационной выдержки вблизи границ аустенитных зерен формируются вытянутые области из мелких равноосных рекристаллизованных зерен, которые разделены нерекристализованными объемами металла (рис. 3 б). Если сталь с такой структурой быстро охладить до температуры начала мартенситного превращения, мартенситные кристаллы в первую очередь будут появляться в рекристаллизованных зернах аустенита (рис.3 в), так как в дефектной структуре деформированного аустенита развитие мартенситного превращения затруднено [2]. В случае неполного мартенситного превращения в стали может быть получена структура, состоящая из сегрегационных областей с кристаллами мартенсита и зон остаточного аустенита между ними. Последующий нагрев такой структуры до температуры промежуточного превращения приведет к отпуску мартенсита и превращению переохлажденного аустенита в структуру бейнита. В случае  высокотемпературной термомеханической обработки с закалкой на мартенсит в стали может  получена структура, состоящая из вытянутых областей мартенситных кристаллов различной дисперсности [4].

Рисунок 3. Схема образования полос в структу ре стали: а - структура деформированого аустенита; б - формирование областей рекристаллизованных зерен аустенита вблизи границ деформированных зерен; в - преимущественное выделение мартенситны кристаллов в рекристаллизованных зернах аустенита, г - превращение оставшегося аустенита в бейнит и формирование мартенситно-бейнитной структуры

Исследования механических свойств показали, что использование технологии высокотемпературной термомеханической обработки со смешанным мартенситно-бейнитным превращением аустенита позволяет обеспечить высокие показатели конструктивной прочности стали, однако приводит к существенной анизотропии механических свойств. Сталь со структурой, состоящей из вытянутых областей высокопрочного, но хрупкого отпущенного мартенсита и более вязкого нижнего бейнита, аналогична композиционному материалу. Если полосы в структуре стали, упрочненной по технологии ВТММБ, ориентированы перпендикулярно направлению изгибающей силы, то такая сталь имеет  ударную вязкость в 2 раза выше, чем после термомеханической обработки с закалкой на мартенсит (ВТМО) и в 2,5 раза выше, чем после закалки и отпуска (таблица 2).

Таблица 1. Механические свойства стали 40Х2Н2МА после различных видов термического упрочнения

Способ термического упрочнения	HRC	σ0,2, МПа	σв, МПа	KCU, Дж/cм2	Долговечность, цикл
Закалка с отпуском, Tотп = 400 °C	45	1207	1484	48.5	86400
ВТММБ	47	1439	1597	111	500700
ВТМО	46	1446	1483	59	100500

Высокотемпературная термомеханическая обработка с мартенситно-бейнитным превращением аустенита является эффективным способом увеличения ударной вязкости и трещиностойкости среднеуглеродистой легированной стали и может быть применена для повышения конструктивной прочности тяжелонагруженных деталей ударных механизмов. При сопоставимых прочностных характеристиках сталь, упрочненная по технологии ВТММБ, по показателям ударной вязкости в 2,5 раза превосходит закаленную и отпущенную сталь и в 2 раза сталь, обработанную по технологии ВТМО.

Список литературы:

1. , Методы повышения надежности деталей ударных машин //ФТПРПИ 2012 - № 4 - С. 94 – 101.

2. , Термомеханическая обработка стали/ ,  , - М: Металлургия, 1983.-480c.

3. , . Комбинированная термомеха-ническая обработка стали с мартенсито-бейнитным превращением аустенита// Обработка металлов.- 2013. - №2.- С 62-68.

4. D. Y. Wei, J. L. Gu, H. S. Fang, B. Z. Bai, Z. G. Yang Fatigue behavior of 1500 MPa bainite/martensite duplex-phase high strength steel //International Journal of Fatigue. 2004. - V. 26. - P. 437–442.