Підвищення фізико-механічних властивостей графітизованих сталей

Як незалежні змінні було обрано вміст кремнію, міді й алюмінію, при цьому локальна область визначення факторів була прийнята з апріорних розумінь на підставі проведеного літературного аналізу. Як залежні змінні були прийняті: параметр форми графіту г; границя міцності в; відносне видовження ; статична тріщиностійкість К1С й коефіцієнти циклічної в'язкості руйнування Kth та Kfc.

Металографічний аналіз отриманих сплавів у литому стані показав різнорідність мікроструктур у залежності від хімічного складу і, головним чином, від вмісту кремнію. Так, у сталях з низьким вмістом кремнію у литому стані спостерігалася структура, типова для заевтектоїдних сталей, яка представлена фазами перліту і вторинного цементиту. У сталях з підвищеним рівнем кремнію (2, 49... 2, 57%) структура була представлена перлітом із пластинчастим графітом у феритній облямівці.

 

Таблиця 1

Кодування факторів при дослідженні області оптимуму за допомогою центрального композиційного ортогонального плану 23

Інтервали варіювання та рівні факторів Досліджувані фактори

Х1 (Si) Х2 (Cu) Х3 (Al) 

Нульовий рівень: Х=0 1, 75 1, 0 0, 15

Інтервали варіювання 0, 75 0, 5 0, 1

Верхній рівень: Х=+1 2, 5 1, 5 0, 25

Нижній рівень: Х=-1 1, 0 0, 5 0, 05

 

Після графітизуючого відпалювання сталі мали перліто-феритну структуру металевої основи і, у залежності від хімічного складу, компактну, пластівчасту й пластинчасту форму графіту.

При вмісті кремнію 0, 96... 1, 11% сталь мала перліто-феритну структуру металевої основи і пластівчастий графіт відпалу, на відміну від феритної структури і пластинчастого графіту при 2, 49... 2, 57% кремнію. Тут кремній як сильний графитизатор сприяв виділенню вуглецю у вигляді включень графіту пластинчастої форми в процесі кристалізації.

Результати експериментів показали, що оптимізувати форму і розташування графітної фази можна легуванням міддю й алюмінієм. Так, збільшення присадки міді до 1, 5% привело до утворення компактних включень графіту, при цьому їхня кількість на одиницю площі знижувалася. Більш ефективно діяв алюміній: при збільшенні його присадки до 0, 25% відбулося зниження параметра форми графітових включень г з 2, 2 до 1, 4. При цьому в структурі утворювалися практично глобулярні графітові включення, достатньо однорідні за розмірами. Графітові включення, при вмісті варійованих елементів на нульовому рівні матриці планування експерименту (1, 74% Sі, 0, 97% Cu і 0, 153% Al), мали переважно компактну форму, при цьому дрібні глобулі групувалися окремими, досить великими групами та розташовувалися у вигляді ланцюжків.

У результаті аналізу механізму руйнування було встановлено, що зародження і розвиток мікротріщин у сталі з пластинчастим графітом відбувалося цілком по включеннях графіту. Для сталі з пластівчастим графітом у початковий момент навантаження характерна незначна пластична деформація металевої матриці. Локальне відносне видовження між реперними точками, що розташовані через 0, 5 мм одна від одної, до моменту розриву досягло 8, 5%, у той час загальне видовження зразка склало близько 4%. Значна локальна деформація характерна для низькокремністої сталі з глобулярним графітом: у момент руйнування вона перевищувала 16%, при загальній деформації 8%.

Про роль графіту в зародженні і поширенні мікротріщин судили за величиною коефіцієнтів зв'язку мікротріщин із включеннями КN, КL (відповідно відносна кількість та відносна сумарна довжина мікротріщин, що проходили через графітові включення), і коефіцієнта участі включень у процесах тріщиноутворення КГ (відносна кількість графітових включень, що спричинили утворення мікротріщин). Отримані результати (рис. 1) показали, що участь графітної фази в процесах тріщиноутворення й руйнування сталей знижується зі зміною форми графітових включень у напрямку від пластинчастої до пластівчастої і глобулярної, що погоджується з відомими даними для графітизованих чавунів, але, внаслідок меншої кількості графітної фази в структурі, графітизовані сталі перевищують чавуни за пластичністю в середньому у два рази.

В результаті аналізу мікромеханізму руйнування сталей при випробуваннях на малоциклову витривалість встановлено, що при циклічному навантаженні мають місце аналогічні закономірності, що й при статичному: найбільшою мірою процесам тріщиноутворення сприяли включення графіту пластинчастої і некомпактної пластівчастої форми, які були ініціаторами зародження мікротріщин. Швидкість зародження і росту мікротріщин в області глобулярних включень значно відставала від швидкості зародження і росту мікротріщин в області включень пластівчастої і пластинчастої форми, що обумовило вищу довговічність сталей із глобулярним графітом (рис. 2).

Різноманітність мікроструктури металевої основи і графітової фази зумовили широкий діапазон міцності (43... 570 МПа) і статичної тріщиностійкості (9, 6... 62, 1 ) досліджених сталей. При цьому помітно змінювалось їх відносне видовження (1... 9%) і в меншому ступені – твердість (170... 200 НВ). Найкращі властивості мали сталі складу, близького до наступного: 1, 6% С; 1, 0% Sі; 0, 25% Al; 0, 5 і 1, 5% Cu. За міцністю вони відповідали перліто-феритним чавунам марок ВЧ50 і ВЧ60, перевершуючи їх за пластичністю у 1, 2... 2, 5 рази, та за статичною тріщиностійкостю К1С у 1, 2... 1, 3 рази.

Графітизовані сталі з 2, 5% Sі мали переважно пластинчастий графіт, внаслідок чого за рівнем механічних властивостей відповідали сірим чавунам марок СЧ15 і СЧ20; легування міддю й алюмінієм не суттєво поліпшувало їхні механічні властивості. Таким чином вміст кремнію має бути не більше 1, 0%.