РАЗДЕЛ 2
МЕТОДИКА ИСПЫТАНИЙ
2.1. Выбор средств и методов испытаний
Как показано в разделе 1, графитизированные стали являются перспективным конструкционным материалом, который может служить заменителем графитизированных чугунов, углеродистых сталей и бронз для деталей, работающих в условиях статических, динамических и циклических нагрузок, высоких температур и агрессивных сред.
Ограничение их применения в машиностроении связано с недостаточным исследованием данного конструкционного материала, особенно при работе в условиях знакопеременных и термоциклических нагрузок.
В связи с этим представляет интерес исследование влияния легирования и термической обработки на конструкционную прочность, как показатель, объединяющий в себе критерии материалоемкости (?в, ?т), надежности (?, К1С) и долговечности (термостойкость, малоцикловая выносливость, критический и пороговый коэффициенты циклической вязкости разрушения). С целью установления зависимостей "состав-структура-свойство" при проведении исследований применяли современные методы контроля химического состава, структуры и свойств графитизированных сталей.
2.2. Проведение плавок и применяемые материалы
Опытные плавки проводили в лабораторных условиях в индукционных печах ИСТ-60 и ИСТ-120 с основной футеровкой тигля.
Разливка жидкого металла осуществлялась в сухие песчано-глинистые формы, которые обеспечивали получение слитков высотой 180 мм с круглым (?100...120 мм) и прямоугольным (40?60 мм) поперечным сечением. Применение метода фракционной разливки позволило исключить действие посторонних факторов, связанных с изменением химического состава, температуры разливки, условий кристаллизации и т.п., и получить более достоверные результаты испытаний.
В качестве шихтовых материалов использовали чушковые литейные чугуны (ГОСТ 4832-80), стальной лом (ГОСТ 2787-86), кремний КР-1 (ГОСТ 19658-81), алюминий АД1 (ГОСТ 4784-97), электротехническую медь, электролитический никель, молибден ММ-2 (ТУ 48-19-73-78), хром металлический Х97 (ГОСТ 5905-79), ферромарганец ФМн75 (ГОСТ 4756-70).
Усвоение легирующих элементов К при расчетах шихты принимались согласно ?79, 80? в следующих интервалах: КС=95...97%; КSi=90...95%; КAl=50...60%; КCu=99...100%; КNi=98...99%; КMn=95...98%; КCr=95...98%; КMo=99...98%.
Термическую обработку образцов осуществляли в электрических печах сопротивления с нихромовыми или силитовыми нагревателями и автоматическим регулированием температуры.
Образцы для исследования свойств сталей вырезались из нижней части слитков после отрезки прибыльной части.
2.3. Контроль химического состава
Контроль содержания углерода осуществлялся химическим методом согласно ГОСТ 2604.1-77 с применением автоматического анализатора типа АН-7529. Контроль содержания остальных элементов выполнялся на искровом спектрометре "SPECTROLAB" производства Германии, который позволял определять химический состав сплава по основным элементам с точностью ?0,0001 масс. %.
Пробы для анализа химического состава вырезались из заготовок образцов для механических испытаний.
2.4. Металлографический анализ
Металлографический анализ производился на микроскопах МИМ-7, МИМ-8 и EPYTIP 2 (Карл Цейс Йена, ГДР) при увеличениях 100...500. Форму и размеры включений графита определяли на нетравленых шлифах. При этом для характеристики формы включений графита применяли параметр формы ? ?81?, который определяли по результатам металлографических исследований как среднее отношение максимальных размеров включений графита к минимальным. Оценку степени сфероидизации графита производили посредством определения фактора формы ?32, 81?. При этом сравнивали форму включений с предложенной шкалой форм включений графита и соответствующей им степенью сфероидизации.
Структуру металлической матрицы определяли на травленых шлифах ?82?. Количественный фазовый анализ металлической матрицы производился точечным методом ?83?.
Распределение избыточной медной фазы в медьсодежащих сталях исследовали на многоцелевом растровом электронном микроскопе исследовательского класса фирмы JEOL (Япония) JSM-6360LA в режиме цветного картирования CuK при ускоряющем потенциале 25 кВ.
Микрорельефы изломов образцов исследовались на растровом электронном микроскопе "JSMT 300" фирмы JEOL (Япония) при ускоряющем потенциале 20...25 кВ и диаметре электронного зонда 100 нм.
2.5. Механические испытания
Временное сопротивление (предел прочности) ?в, условный предел текучести ?0,2, относительное удлинение ? определяли в соответствии с ГОСТ 1497-84 на образцах с рабочим диаметром 5 мм и длиной 25 мм, полученных из слитков. Испытания проводили на разрывной машине УРМ-5 с максимальным усилием 50 кН.
Измерения твердости проводили по методу Бринелля (ГОСТ 9012-59) со следующими параметрами измерения: диаметр стального шарика D=10 мм; величина нагрузки Р=29800 Н; время выдержки индентора под нагрузкой ?=10 с.
Механические свойства каждого варианта исследуемого материала определялись по результатам испытаний 3...5 образцов, что обеспечивало достоверность испытаний не менее 90%.
2.6. Испытания на статическую трещиностойкость (вязкость разрушения)
Критические коэффициенты интенсивности напряжений К1С определяли на плоских прямоугольных образцах с краевой трещиной по схеме трехточечного изгиба (рис 2.1) согласно методике, разработанной в ФМИ им. Г.В. Карпенко НАН Украины, описанной в работах [84, 85] и вошедшей в ГОСТ 25.506-85.
Рис.2.1. Схема нагружения образца для определения К1С.
Образцы вырезали из металла опытных плавок. С помощью специально-заточенной фрезы толщиной 1,2 мм вырезали концентратор с углом при вершине ?60?. Образец по большим сторонам шлифовали на плоскошлифовальном станке. Усталостную трещину глубиной 9...11 мм наводили на электромагнитном вибростенде при частоте вибрации консольно-закрепленного образца 2 кГц и амплитуде 0,5 мм. Исследование вязкости разрушения проводились на машине для статических испытаний