Способ термомеханической обработки стальных изделий Советский патент 1992 года по МПК C21D8/00 

Изобретение относится к области механики деформируемого тела, а именно к сопротивлению материалов, и может быть использовано в машиностроении и строительной индустрии для повышения устойчивости и прочности конструкций и их элементов, работающих на скручивание.

Известен способ термомеханической обработки сплавов, в котором изделие предварительно подвергают нагреву до температуры на 10-15% ниже температуры плавления сплава, затем производят обжатие от 15 до 60% в одном направлении. При этом улучшается структура сплавов, повышается их прочность и упругие свойства.

Однако известный способ применим только к сплавам специального состава и не применим к стали с низким содержанием углерода, так как при деформации в указанных пределах материал разрушается. Кроме того, для данных сплавов неизвестно повышение критических нагрузок потери устойчивости при кручении. Под потерей устойчивости понимают стремительный рост деформации при почти неизменном напряжении сдвига.

Известен способ термомеханической обработки стали, а именно мартенситно- стареющей стали, в котором с целью улучшенияструктурыидеформационно-прочностных свойств материала производят обработку последовательно холодной пластической деформацией до 60%, нагревом до 70°С, вторичной деформацией в холодном состоянии до 30% и старением в течении 3 ч при 500°С.

Недостатком известного способа является неприменимость его к низкоуглеродистым сталям ввиду режимов обработки, кроме того, для данных сплавов не известно повышение критических нагрузок потери устойчивости при кручении.

Целью изобретения является повышение эксплуатационных характеристик изделий, работающих ьз кручение, за счет повышения напряжения потери устойчивости.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу термомеханической обработки стали, включающему холодную пластическую деформацию, нагрев, выдержку при заданной температуре и охлаждение,

сл

с

2

о

N5 СЬ О

пластическую деформацию осуществляют путем сдвига величиной 0,5-1%, нагрев ведут до 100-300°С, а выдержку проводят в течение 2 ч.

Предлагаемый способ термомеханической обработки низкоуглеродистой с тали существенно отличается от известных способов тем, что величина предварительной пластической деформации сдвига является малой, незначительно превосходящей деформацию на пределе текучести, а выдержка производится при относительно малых температурах. Таким образом, доминирующим является эффект старения с выделением частиц второй фазы.

Выбор интервала остаточной деформации 0,5-1% можно считать оптимальным, так как ниже 0,5% деформации эффекты -старения не проявляются достаточным образом, а при превышении 1% деформации образцы теряют устойчивость. В то же время внутри этого интервала остаточной деформации (для фиксированного уровня температуры старения) наблюдается устойчивая картина прироста напряжения потери устойчивости. Строят график зависимости напряжения потери устойчивости гпу от остаточной деформации у ост. Полученная кривая относится к серии опытов, в которых проводят старение образцов в течение 2 ч при 200°С.

Строят график температурной зависимости напряжения потери устойчивости гпу . Величина остаточной деформации в этих опытах равна 0,6%. При температуре ниже 100°С эффекты старения (для фиксированного времени старения) проявляются медленно, а выше 300°С начинают работать механизмы обратного растворения, что сопровождается ухудшением свойств матери- зла.

Способ осуществляют следующим образом.

Трубчатые образцы из низкоуглеродистой стали (Ст.-З), имеющие внутренний диаметр 22 мм, наружный 23 мм и длину рабочей части 110 мм, испытывают на кручение в специальном приспособлении, которое смонтировано на прессе Амслера. Кручение производят до относительного пластического сдвига 0.5-1 % со скоростью закручивания 5 кг/м/мин. Затем с этой же скоростью крутящий момент сбрасывают и образец помещают в термостат, где нагревают до температуры 100-300°С со скоростью 10 град/мин. При этой температуре образец выдерживают в течение 2 ч, затем нагрев прекращают, после чего образец остывает до комнатной температуры вместе с

термостатом. После окончания обработки образец используют в нужных целях.

П р и м е р 1. Часть трубчатых образцов диаметром йвнутр 22 мм, снаружи. 23 мм

и длиной 110 мм подвергают скручиванию до потери устойчивости со скоростью 5 кг/м/мин. Касательные напряжения г имеютследующиезначения:0;4;б.7;9,4;12;14;14,6;15,3 кгс/мм2. Имсоответствуют следующие величины деформации сдвига: 0;0,1;18:0,23;0,3;0.5;0,9; а при величине г 15,3 кгс/мм отмечена потерей устойчивости (без старения).

П р и м е р 2. Партию образцов по примеру 1 подвергают холодной деформации скручиванием до относительного сдвига, равного 0,5-1%, со скоростью 5 кг/м/мин. Затем образцы с этой же скоростью разгружают и половину партии помещают в термостат, где нагревают со скоростью 10 град/мин до 100-300°С. При этой температуре образцы выдерживают 2 ч, затем выключают термостат для инерционного остывания образцов. После этого образцы

подвергают скручиванию до потери устойчивости.

Для половины партии, не прошедшей старения и подвергнутой только холодной деформации, получают следующие результаты: при напряжении сдвига г , равному последовательно 0;5,2; 7,9, 11,8: 14,5; 15,8 кгс/мм2 и далее полная разгрузка получают следующие величины деформации: 0; 0,2; 0,26; 0,3; 0,42; 1,22 соответственно, и при

полной разгрузке величина остаточной деформации равна ,6%.

Вторую половину партии, прошедшая стадию холодной деформации и имеющая остаточную деформацию 0,6%, подвергают

старению при 300°С в течение 2 ч, после чего образцы испытывают до потери устойчивости после старения.

При касательных напряжениях г , равных последовательно 0; 3,9; 6,6; 9,2; 11,8;

14,5 15,84; 17,8; 18,1 кгс/м/мм2, величина деформации сдвига составляет соответственно 0;0,13; 0,23; 0,31; 0,38; 0,45; 0,51; 0,57%, а при величине напряжения сдвига г 18,1 кгс/мм2 отмечена потеря устойчивости образца.

П р и м е р 3, Образец по примеру 1, подвергают холодной деформации кручением до относительного сдвига г , равного последовательно 0, 2,51; 3,76; 6,28; 8,78;

11,30; 12,53; 13,80; 14,43; 14,46 кг/мм2 и далее полная разгрузка, получают следующие величины деформации у. 0; 0,08; 0,12; 0,20 ;0,28; 0,34; 0,39; 0.56; 0,78% соответственно, а при полной разгрузке величина остаточной деформации равна 0,46- 0.5%

Образец, прошедший стадию холодной деформации и имеющий остаточную деформацию 0,46%, подвергают старению при 100°С в течение 2 ч, после чего испытывают на потерю устойчивости после старения.

При касательных напряжениях г , равных последовательно: 0; 2,51; 3,76; 6,28; 8,78; 10,04; 11,30; 13,80; 15,06; 15,49; 15,59 кгс/м/мм величина деформации сдвига составляет соответственно: 0; 0,06; 0,14; 0,23; 0,28; 0,36; 0,38: 0,44; 0,51; 1,31%, а при ве личине напряжения сдвига г - 15,59 кгс/мм2 отмечена потеря устойчивости.

Результаты испытаний образцов до потери устойчивости без старения приведены в табл.1.

П р и м е р 4. Образец 2, как в примере 1, подвергают холодной деформации скручиванием до относительного сдвига на кручение в области пластической деформации 1,07% со скоростью 5 кг/м/мин. При напряжении сдвига г , равном последовательно: 0:2,46; 3,69; 6,15; 7,38; 9,84; 12,30; 13,53; 14,76; 15,99; 16,24 кгс/мм и далее полная разгрузка (с той же скоростью), получают следующие величины деформации у : 0; 0,07; 0,11; 0,20; 0,23; 0.31; 0,36; 0,40: 0,44; 0,76; 1,66% соответственно, и при полной разгрузке величина остаточной деформации V 1,07%.

Затем образец 2, прошедший стадию холодной деформации и имеющий остаточную деформацию у 1,07%, подвергают старению при 100°С в течение 2 ч. после чего образцы испытывают на потерю устойчивости.

При касательных напряжениях т, равных последовательно 0; 246; 3,69; 6,15; 7,38; 9,84; 12,30; 14,76; 15,99; 17,64; 17,74; 17,78 кгс/мм2 величина деформации сдвига составила соответственно: 0; 0,06; 0,14; 0,23; 0,29; 0,37; 0,45; 0,54; 0,56; 0,68; 1,01 %, а при величине напряжения сдвига г 17,78 кгс/мм2 отмечена потеря устойчивости образца.

0

Результаты испытаний образцов после холодной пластической деформации приведены в табл.2.

Результаты испытаний образцов до потери устойчивости после старения при 300°С в течение 2 ч при остаточной деформации 0,6% приведены в табл.3.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого способа заключается в существенном повышении несущей способности конструкций, в которых используется низкоуглеродистые стали, обработанные предлагаемым способом. Экспериментальным путем установлено достигнутое повышение 5 этой характеристики на 18,3%, в то время как прототип не позволяет достичь такой устойчивости на низкоуглеродистых сталях из-за того, что при указанных в ней режимах обработки образцы разрушаются. Таким образом, предлагаемый способ позволит увеличить несущую способность элементов конструкции при меньшей затрате материала или повысить предельно допустимые нагрузки при тех же размерах. Кроме того, появляется возможность использовать низкоуглеродистые стали без специальных добавок, повышающих предел устойчивости. Достигаемое повышение эксплуатационных характеристик оказывается малочувствительным к незначительным колебаниям

0

5

0

углерода в сплаве.

Формула изобретения Способ термомеханической обработки

стальных изделий, преимущественно тонкостенных из низкоуглеродистой стали, включающий холодную пластическую деформацию, нагрев, выдержку при заданной температуре и охлаждение, отличающ и и с я тем, что, с целью повышения эксплуатационных характеристик изделий, работающих на кручение, за счет повышения напряжения потери устойчивости, холодную пластическую деформацию

осуществляют путем сдвига величиной 0,5- 1,0%, нагрев ведут до 100-300°С, а выдержку проводят в течение 2 ч.

Таблица1

Таблица2

Использование: повышение эксплуатационных характеристик тонкостенных изделий из низкоуглеродистой стали за счет повышения напряжения потери устойчивости, Сущность изобретения: изделия подвергают холодной пластической деформации сдвига величиной 0,5-1,0%, затем нагревают до 100-300°С, выдерживают при этой температуре в течение 2 ч и охлаждают, 3 табл.

Примечание. Потеря устойчивости - стремительный рост деформации при почти неизменном напряжении сдвига.

Та бл и цаЗ