Способ термомеханической обработки конструкционных сталей

ОП ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз Советск илСфциапистичесиинРеспублик и 943304(5)М, Кд,С 21 0 8/00 С 21 0 1/78 евеударетеанныЯ камнтет СССР в делам нзобретеннЯ н отнрытнЯ(54) СПОСОБ ТЕРИОИЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ 1Изобретение относится к металлургии, в частности к термической обработке конструкционных сталей обладающих эффектом вторичного твердения, и может быть использовано при изготовлении различных конструкций и деталей в машино- и судостроении с повышенным сопротивлением малоцикловым нагрузкам.В судостроении и машиностроении для изготовления Ответственных сварных конструкций и деталей, работающих в условиях повторно-статических нагрузок применяются конструкционные стали, имеющие после улучшения структуру мелкодисперсного сорбита. Эта структура обеспечивает удовлетворительный комплекс механических и усталостных свойств конструкционных сталей. Ввиду необходимости повышения ресурса работы конструкций находят применение новые конструкционные стали повышенной прочности. Однако применение более 2прочных сталей приводит к снижению ограниченной долговечности конструкции вследствие увеличения уровня циклических напряжений (при принятых 5равных относительных нагрузках).Увеличение уровня рабочих напряжений обусловливает снижение работоспособности стали, что уменьшает эффективность их внедрения.1 О Известен способ повышения сопротивления материала малоцикловомуразрушению - создание сжимающихнапряжений в зоне преимущественногозарождения трещин.с помощью методовпластической обработки 11,Однако этот способ повышает сопротивление зарождению усталостныхтрещин в локальном объеме, т.е. гО они носят местный характер. Крометого не всегда можно произвестиупрочняющие операции в сварных конструкциях вследствие труднодоступности мест упрочения.50 Известен способ термомеханической обработки сталей, преимущественно низколегированных и мартенситостареющих. В отличие от существующихспособов ВТИО по этому способу послегорячей пластической деформациисталь повторно нагревают до темпе"ратуры на 20-100 оС выше АсЗ и на70-100 С ниже температуры рекристаллизации Г 21Однако существующий способ обработки не предусматривает повышениямеханических свойств нового классасталей низкоуглеродистых с эффектомвторичного твердения. 35Кроме того, повышение усталостной прочности, определяемой обычнокак повышение предела усталости, невсегда равноценно увеличению стойкости материала в условиях повторностатических нагрузок, прикладываемых,с малой частотой нагружения. Длянового класса сталей с эффектом вторичного твердения, работающих приповышенных удельных нагрузках, такойрежим не обеспечивает необходимыхсвойств. Это обусловлено тем, чтооптимальные свойства сталей с эффек"том вторичного тг.ердения достигают ся в результате высокого отпуска, вотличие от низколегированных имартенситостареющих, где температураотпуска достигает 200-400 оС соответственно,Цель изобретения - повышение мало, 35цикловой усталости путем созданияФрагментированной структуры.Тонкую фрагментированную структуру, упрочненную мелкодисперснымиспециальными карбидами, получают привысокотемпературной термомеханической обработке (ВТИО) листов с после"дующим высокотемпературным циклическим отпуском.Поставленная цепь достигаетсятем, что изделия (листы) нагревают45и выдерживают при температуре аустенизации, которая должна быть в интервале температур Асплюс 60-160 Си выдержке при этой температуре втечение 1,5 ч, Этот интервал температур при аустенизации обеспечиваетполное растворение специальных карбидов в сталях типа 15 ХН 5 ИФ,15 ХН 10 ИФА и т,п., в то время не вызывает чрезмерного роста зерна,Закалка производится от температур вв интервале 850-750 С, причем нижняятемпературная граница еще гарантиру 044ет устойчивость аустенита вторично- твердеющих сталей, обеспечивая оптимальную структуру и механические свойства, Основное требование к закалке - немедленное охлаждение изделия в воде по окончании прокатки во избежания выпадения карбидов по границам аустенитных зерен.Кроме того, высокотемпературный отпуск производится при температурах на 20-40 оС ниже точки Ас, в то время, как для стали неупрочненной ВТИО, температура отпуска находится на 70-90 С ниже точки Ас.Применение повышенных температур отпуска стало возможным прежде всего за счет того, что вторичнотвердеющие стали после ВТИО обладают более отпускоустойчивым мартенситом, в связи с чем необходима повышенная энергия активации для образования мелкодисперсных специальных карбидов в тонкофрагментированной структуре. Для обеспечения однородности структуры необходимо процесс отпуска повторить еще два раза, что приводит к полному разложению остаточного аустенита и превращению его последовательно в мартенсит после второго отпуска и затем в мелкодисперсный сорбит. Охлаждение после каждого отпуска, производится в воде. Предложенный способ обработки стали в сочетании с особенностями Фазовых превращений обеспечивает необходимую степень фрагментации тонкой структуры, увеличение плотности дислокаций и эффективное закрепление их карбидами, причеа отмечается большая степень разориентировки . фрагментов кристалла во всем обьеме металла,Опробывают следующие режимы ВТИО: нагрев пластин толщиной 50 мм до 900 о 1000 о и 1100 оС при выдержке 1,5 ч и многократную прокатку (от 35-55 раз) до температур, соответственно 650 о 700 о и 800 С. Отпуск производят при 600-620 С в течение 6 ч с охлаждением в воду. Время выдержки между ВТИО и отпуском не бо" лее 24 ч. Из листов толщиной 15 мм вырезают образцы для определения механических свойств, ударной вязкости и для испытания на малоцикловую усталость. Испытания проводят по отнулевому циклу при относительных напряжениях, равных 0,85 от предела текучести материала. Определяют параметры микроструктуры до5 943304 биспытания и после циклирования. Ре- вению при повторно-статических назультаты испытания приведены в таб- грузках во всем обьеме металла; повы лице (8 ТМО происходит от температу- шение работоспособности стали вследры 900 чС). ствие увеличения ударной вязкостиИспользование предложенного спосо-ее; зкономию дефицитных легирующих ба повышения малоцикловой усталости элементов,конструкционных сталей с эффектомвторичного твердения обеспечивает Изобретение может быть использопо сравнению с существующими спосо- вано для изготовления деталей, узлов бами следующие преимущества: воэ О и сварных несущих конструкций в обможность достижения высокой сопротив- ласти машиностроения, судостроения и ляемости стали усталостному раэру- энергетики. фрагментированная структура стали 15 ХН 5 МФ Исходная структура стали 15 ХН 5 МФПоказатели Плотность дислокации р 10"ОсмСредняяширинафрагмента,Угол ориента" ции фрагментов,Плотностьдислокацийф101 см1 О Угол раз- ориентации Фрагментов, д редняя ширина фраг", мента, гс мкм Без циклирования 0,4 1,95 0,2 Больше6-8 10 После циклирования 0,250,3 2,7 1,0 20 18000 Число цикловдо разрушения 54000 6кгс/мм 137 133 Водкг/мм 122,5 130 4 ф 10 Скгсм/см 12 135,Формула изобретенияСпособ термомеханической обработки конструкционных сталей, преимущественно с вторичным твердением, включающий аустенизацию, пластическую деформацию и отпуск, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью повйшения малоцикловой усталости, пластическую деформацию производят с температуры на 20-120 ОС выше точфф ки Ас, закалку - с температуры на20-120 ОС выше точки Ас, после чего проводят многократный отпуск при температуре на 20-40 С ниже точки7 943304 8Ас с охлаждением в воду после каж- , 1. Авторское свидетельство СССР дого отпуска. М 390890, кл. С 21 О 1/78, 1972.Источники информации, 2. Авторское свидетельство СССР, принятые во внимание при экспертизе И 558949, кл. С 2.1 О У/14 1975,Составитель Г. Шевченко Редактор М. Бандура Техред,Ж, Кастелевич КорректорЛ. Бокшане ве ее евр ее ее евЗаказ 5039/35 , Тираж 587 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 13035, Москва, Ж 35, Раущская наб., д. 4/5 филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,