Расчет параметров, ответственных за формирование конструктивной прочности низколегированной стали 08Г2СМБ

Расчет параметров, ответственных за формирование конструктивной прочности низколегированной стали 08Г2СМБ

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

Расчёт параметров ответственных за формирование конструктивной прочности низколегированной стали 08Г2СМБ

Студент: Хрулев Д.В.

Преподаватель: Полухина О.Н.

Екатеринбург, 2015

Введение

Легированные стали - это стали в состав которых помимо углерода и примесей целенаправленно вводят один или несколько легирующих элементов для обеспечения требуемой прочности, пластичности, вязкости и др. технологических и эксплуатационных свойств. Легирование производится с целью изменения механических свойств (прочности, пластичности, вязкости), физических свойств (электропроводности, магнитных характеристик, радиационной стойкости) и химических свойств (коррозионной стойкости).

Цель расчёта - на основании исследования микроструктуры и механических свойств низколегированной стали 08Г2СМБ, а также литературных данных установить параметры ответственные за формирование конструктивной прочности.

Уравнение Петча-Холла

Исходными данными для аналитического определения значений конструктивной прочности являются данные о химическом составе сплава, распределении элементов между фазами и количественные параметры структуры (размер фаз, их количество, распределение и соотношение).

Расчеты ведутся с упрощениями. Предел текучести можно рассчитать по уравнению Петча-Холла:

низколегированная сталь конструктивная прочность

σт = σi + Kу∙ d¹/²,

где σт - предел прочности, МПа;

σi - внутреннее упрочнение, МПа;- диаметр зерна, мкм; у - постоянная.

Исследование микроструктуры и фазового состава сталей позволило оценить величину отдельных факторов упрочнения исходя из аддитивного вклада в предел текучести отдельных упрочняющих факторов (1):

σт =σо+∆σт.р.+∆σп+∆σд.у.+∆σд+∆σз (1)

где σо напряжение трения решетки или напряжение Пайерлса-Набарро;

∆σт.р -твёрдорастворное упрочнение;

∆σп - перлитное упрочнение;

∆σд.у - дислокационное упрочнение;

.∆σд - дисперсионное упрочнение;

∆σз - упрочнение границами зёрен и субзёрен зернограничное упрочнение.

В различных сталях и сплавах вклад каждого из этих механизмов упрочнения в величину предела текучести будет различным. Кроме того, каждый из механизмов может воздействовать на материал самостоятельно или играть решающую роль. Так, твердорастворное упрочнение в a - железе, в основном обусловлено блокированием дислокаций атмосферами из атомов внедрения. Тогда как, в легированных феррите и аустените упрочнение происходит за счет создания локальных внутренних напряжений при замещении атомов железа атомами легирующего элемента с другими размерами и свойствами. Деформационное упрочнение в одних сталях в основном может быть обусловлено образованием дислокаций леса, а в других - дефектами упаковки, барьерами Ломер-Коттрелла и др. Дисперсионное упрочнение вызывается как когерентными, так и некогерентными выделениями, и эффективность упрочнения в этих случаях существенно отличается. Зернограничное упрочнение зависит от величины протяженности межзеренных границ, различного их строения, т.е. из-за барьерного воздействия на торможение дислокаций.

Напряжение трения решетки.

Сопротивление решетки движению свободных дислокаций или напряжение Паерлса-Набарро, в первом приближении может быть соотнесено с пределом текучести монокристалла металла, т.к. эта величина является минимальным напряжением для движения краевых дислокаций в кристалле и характеризует в нем силы трения.

Напряжение Пайерлса - Набарро рассчитывалось по формуле:

σо= 2∙ 10⁻⁴∙Ԍ,(2)

где G - модуль сдвига, для железа G = 84000 МПа.

Для стали 08Г2СМБ получили:

Твердорастворное упрочнение

В феррито-перлитных сталях свойства легированного феррита существенно предопределяют уровень их механических свойств. Можно приблизительно считать, что такие некарбидообразующие элементы, как Si, Ni, Р, целиком входят в состав феррита. Медь мало растворима в феррите и образует самостоятельную фазу. В феррите горячекатаных сталей (нормализованных), как показывают опытные данные, обычно - растворено -0,01-0,02 % (C+N). Остальное количество углерода и азота связано в цементит и специальные карбиды и нитриды. Из числа карбидообразующих элементов (Mn, Cr, Mo, Nb, V, Ti) практически целиком связаны в специальные карбиды Nb, V и Ti. Нитридообразую щий элемент Al обычно полностью связан в нитриды и неметаллические включения. Молибден и хром входят в состав карбидной фазы и частично растворены в феррите. Относительно слабый карбидообразующий элемент марганец самостоятельных карбидов в стали не образует и фактически целиком растворен в феррите.

Следовательно, в низколегированных феррито-перлитных сталях Mn, Si, Ni и P целиком растворены в феррите, V, Nb, Ti и Al полностью входят в состав карбонитридной фазы, а Cr и Mo распределены между ферритом и карбидами. Учитывая невысокую концентрацию Cr и Mo в низколегированных сталях и малые значения их коэффициентов упрочнения, влиянием этих элементов на прочность феррита можно пренебречь.

Таким образом, основными легирующими элементами, определяющими твердорастворное упрочнение феррито-перлитных сталей, являются Mn, Si, Ni и Р

∆σт.р=∑(ki ∙ Сi)

где ki - коэффициент упрочнения феррита, представляющий собой прирост предела текучести при растворении в нём 1 % (по массе) i-того легирующего элемента;

Сi - концентрация, % (по массе) i-того легирующего элемента растворённого в феррите.

Химический состав исследуемой стали, масс.%

Коэффициенты упрочнения феррита

По формуле (3) твердорастворное упрочнение для стали 08Г2СМБ составило:

∆σт.р ∑(0,08∙KiС+N)+(2∙KiMn)+(0,99∙KiSi)+(0,99∙KiMo)+(0,99∙KiNi) =

,08*4670+2*33+0,99*86+11*0,99+30*0,99=56,53Мпа

Дислокационное упрочнение.

Дислокационное упрочнение оценивалось с помощью электронно- микроскопических изображений, при этом учитывались доли феррита и упрочняющей структурной составляющей (УСС), найденные при металлографическом исследовании.

Рд=Ра∙∙qф+Русс∙qб/м

где Рд - плотность дислокаций (Ра - в феррите; Русс - упрочняющих структурных составляющих); qф и qб/м - доля феррита и УСС соответственно. По формуле (4) плотность дислокаций для стали составило:

Рд=0,82∙108+0,18∙1012=8,2∙1010 см²

Воспользуемся таблицей зависимости величины дислокационного упрочнения для различных значений плотности дислокаций:

Тогда

∆σд=100Мпа

Дисперсионное упрочнение

Основной особенностью структуры исследуемой стали является полосчатость. На рисунке 2 темные зёрна, являются «зернами» упрочняющей фазы, содержащие низкотемпературные продукты распада аустенита. Белые зёрна - зёрна избыточного феррита, который выделился из переохлаждённого аустенита при охлаждении. Полосы шириной 3... 15 мкм ограничены длинными слегка изогнутыми границами (рисунок 2 б), которые, очевидно, являются границами вытянутых бывших аустенитных зерен.

За упрочняющую структурную составляющую принимать темнотравящиеся области. Они состоят из нескольких очень мелких сросшихся зерен, оценить размер которых с помощью оптический микроскопии не удалось, поэтому для расчета брался размер всего участка.

Средний размер зерен упрочняющей фазы составляет 2,8... 1,8 мкм.

Количество упрочняющей фазы в стали 08Г2СМБ равняется 14... 18 %.

Выделения дисперсных частиц в исследованной стали, захваченные в экстракционные реплики представлены ниже

Вклад дисперсионного упрочения в предел текучести оценивался по механизму Орована:

∆σд.у=(9,8∙10³/λ)ln2λ(5)

где λ - расстояние между частицами.

Для стали 08Г2СМБ вклад дисперсионного упрочнения в σт:

∆σд.у=(9,8∙10³/800)ln2∙800=9,8∙10³∙ln1600/800=85МПа

Зернограничное упрочнение

В случае, когда упрочнение определяется только содержанием упрочняющей фазы и степень ее несоответствия с материалом матрицы, для расчета применяют выражение

Δσз= ky∙d¹/²

где ky - коэффициент характеризующий материал.

По литературным данным значения коэффициента ку для среднеуглеродистых сталей, определённые как тангенс угла наклона прямых в координатах от - d'1/2, находятся в пределах 0,57...0,73 МПа- м1/2.

На рисунке приведена графическая зависимость зернограничного упрочнения сталей от размера зерна при различных значениях коэффициента ку в указанных выше предела.

Из формулы видно, что чем меньше размер зерна, тем больше значение упрочняющего фактора, но существует мнение, что при сверхмелком зерне эффективность упрочнения снижается. Факторов, влияющих на размер зерна очень много. В основном к упрочнению стали приводит легирование.

С учетом размера зерен, оцененных с помощью металлографических исследований, вклад зернограничного упрочнения в стали составил: Δσз≈500 МПа

Расчёт предела текучести

Определим значение предела текучести для стали, пренебрегая перлитным упрочнением ∆σп, так как его влияние мало (<1%):

σт=16+56,43+85+100+500≈757,43МПа

Механические свойства стали 08Г2СМБ в исходном состоянии σт=705МПа

Вывод

Расчёт на основании исследования микроструктуры и механических свойств низколегированной стали 08Г2СМБ, а также литературных показал, что предел текучести соответствует заданному значению.

Список использованных материалов

1.     «ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ УПРОЧНЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛА С ПОМОЩЬЮ МЕТОДОВ ДИСЛОКАЦИОННОЙ ДИНАМИКИ» Ашихмин В.Н., Бастраков Г.А., Волегов П.С., Трусов П.В.,Пермь, Россия

2.      Электронный ресурс «Центральный металлический портал РФ» http://metallicheckiy-portal.ru/marki_metallov/stk/stal_konstrukcionnaa_nizkolegirovannaa

.        Теплухин Г.Н., Теплухин В.Г., Теплухина И.В. Материаловедение: учебное пособие / ГОУ ВПО СПБГТУРП. - СПб., 2010.

.        Электронный ресурс «МЕТАЛЛОЛОМ» http://mitalolom.ru/2012/04/13/nizkolegirovannye-stali/

.        Электронный ресурс «Омега металл» http://www.omegametall.ru/legir/