Получение и исследование физико-химических, химических и механических свойств сплава СЧ 15

      Испытания проводились по стандартной методике, три звена от каждой плавки разрывались, а остальные звенья плавки поставлялись ОАО “Красная Гвардия” для изготовления комбинированных смычек цепей. Смычки подвергались заводским стендовым испытаниям на цементных печах.

 

     6.9.Методика исследования жаростойкости сплава

      Нагрев и выдержка при высоких температурах металлов и сплавов в атмосфере воздуха или продуктов сгорания различных видов топлива вызывает их окисление с образованием на поверхности металла слоя окислов различного состава, толщины и структуры. Глубина окисленного дефектного слоя зависит от состава сплава, температуры испытания и длительности нагрева. Существует две методики определения жаростойкости сплава:

1. По увеличению массы  за счет поглощения кислорода  при образовании окислов, если  окислы сохранять;

2. По убыли, если их  удалять. 

Существующие методики для  определения жаростойкости сплавов  оценивают лишь глубину окисленного  слоя, составляющего, как правило, не более 30% от общей глубины поверхностного слоя, подвергающегося существенным изменениям в результате газовой  коррозии.

     В настоящей работе цель испытания СЧ15 на жаростойкость должна быть выражена как определение долговечности работы данного сплава. Испытания на жаростойкость проводились в окислительной атмосфере воздуха. Температуры испытаний приняты согласно плана работы, а именно: 900, 1000, 1100 °С. Необходимо подчеркнуть, что испытания на жаростойкость при этих температурах являются одними из наиболее достоверных, так моделируют тяжелые температурные условия, в которых применяются исследуемые сплавы.

    Принят метод, при котором характеристикой жаростойкости является увеличение массы испытуемого образца. За количественную характеристику жаростойкости принята величина изменения массы образца (в граммах) за время испытания (час) при температурах 900, 1000, 1100 °С к единице поверхности (м²), т.е. г/м² час. Для испытания на жаростойкость применяли образцы цилиндрической формы с диаметром образца 10 мм и высотой 20 мм. На рис.6.13. представлена фотография образцов для испытания на жаростойкость.

Рис.6.13. Образцы для испытания  на жаростойкость.

      Непосредственно перед испытанием образцы обезжиривались в ацетоновой ванне, промывались в спирте, эфире, затем их помещали в эксикатор и выдерживали в нем до постоянной массы, после чего образцы взвешивали на аналитических весах с точностью до 0,0001 г. Из каждой плавки для испытания на жаростойкость использовали по шестнадцать образцов (четыре образца для каждого варианта легирования). В атмосфере сухого воздуха печи образцы выдерживались в течении ста часов при температурах 900, 1000, 1100 °С. Каждый образец помещался в предварительно прокаленную при 1000 °С и взвешенную на аналитических весах фарфоровую лодочку. В лодочке из платиновой проволочки сделаны специальные подставки под образцы с целью избежания даже минимального соприкосновения тела образца с телом фарфоровой лодочки. Таким образом, соприкосновение образца с подставкой происходит только в двух точках.

       Прибор марки ЭПДФ-107 с терморегулятором позволял обеспечивать постоянство температуры по всему объему силитовой печи. Как известно, количество окисливающегося металла зависит от количества кислорода, вступившего в контакт с поверхностью образца. В связи с этим, при испытании на окалиностойкость предусмотрен свободный доступ воздуха в печное пространство. После 25 часов выдержки при температурах 900…1100°С фарфоровая лодочка с образцом каждого варианта, извлекалась из печи и охлаждалась на воздухе. В целях устранения потери окалины при охлаждении, образец, находящийся в лодочке, накрывался другой лодочкой, а после полного своего охлаждения помещался в эксикатор и выдерживался в течение 1 часа и затем взвешивался.

По увеличению массы определялся  весовой показатель потери массы  для каждой плавки.(6.1)

                                                                                                        (6.1)

где : 

Р₀ – масса образца до испытания, г;

Р₁ – масса образца после испытания, г;

S – площадь поверхности образца, м²;

t – время выдержки образца в печи, ч.

 

 

 

      

   6.10. Методика исследования на жидкотекучесть

 

  

 В моем листе приведена методика исследования на жидкотекучесть.

      Для количественного определения жидкотекучести используются  специальные пробы, которые учитывают реальные технологические условия литья и формирования отливок. Все пробы можно разделить на три группы:

– пробы постоянного сечения (спиральная, прутковая, лабиринтная, U-

образная и другие);

– пробы переменного сечения (клиновая, шариковая);

– комбинированные.

       Мерой жидкотекучести во всех пробах является степень заполнения полости формы сплавом.

      При исследовании жидкотекучести СЧ15 необходимо следить за тем, чтобы основные параметры поддерживались постоянными. Это относится, прежде всего, к поддержанию постоянной температуры или постоянного перегрева над ликвидусом, к материалу формы, ее размерам и конфигурации заливаемой полости.

        Исследования на жидкотекучесть с применением всех проб проводятся применительно к конкретным условиям литейного процесса. Поэтому формы для получения проб могут быть песчаные и металлические,  при необходимости и из керамических смесей. Результаты отдельных проб могут, конечно,являться относительными и не могут взаимно сопоставляться; каждая из них подчеркивает значение различного рабочего свойства расплава (поверхностного натяжения, вязкости, характера кристаллизации).

    Пробы постоянного сечения. Для определения жидкотекучести с помощью проб постоянного сечения (круглого или трапецеидального) длину и

площадь сечения полости  формы устанавливают такими, чтобы металл к моменту остановки не заполнил всю полость до конца. Мерой жидкотекучести в этих пробах является длина полученного прутка в выбранных условиях заливки и охлаждения. Наиболее широко распространены спиральная (рис.6.14.), U-образная (рис.6.15.) и прутковая пробы (рис.6.16.).

   

  С п и р а л ь н а я п р о б а (рис.6.14.) состоит из чаши 1, фильтра 2, сто-

яка 3, металлоприемника 4 и спирального канала 5, трапецеидального сечения с небольшими выступами 6. О величине жидкотекучести судят по пути, пройденному металлом до затвердевания, т.е. длине прутка. Небольшие выступы 6, нанесенные через 50 мм, облегчают измерение спирали. В соответствии с ГОСТ жидкотекучесть по спиральной пробе определяют заливаемым в песчано-глинистые сырые и сухие формы, а также в металлические формы сплавом. Первые пробы такого вида появились в 1920-е гг. Спиральный канал позволяет получить длинные прутки в сравнительно небольших по габаритам формах. Отклонение длины пробы от среднего значения составляет около 8 % без чаши. При установке мерной чаши со стопором отклонения могут быть уменьшены до 3,5 % .

      U-о б р а з н а я п р о б а (рис.6.15., проба Ю.А. Нехензи, А.М. Самарина,С.К. Кантеника) имеет вертикальное расположение канала постоянного сечения. Высота подъема металла в канале пробы является количественной характеристикой жидкотекучести. Эта проба позволяет одновременно оценивать усадку сплава и склонность к образованию трещин.

   

     П р у т к о в а я п р о б а (рис.6.16.) имеет обычно цилиндрический канал диаметром 5 мм, выполненный в песчано-глинистой форме. Металл поступает в канал из буферного резервуара, заполняемого из литниковой воронки. Заполнение воронки и вхождение металла в канал значительно зависят от условий заливки. Проба должна устанавливаться точно по уровню. Воспроизводимость определения жидкотекучести в этой пробе низкая (отклонения до15 %)

                                

 

Рис.6.14. Схема  спиральной пробы               Рис.6.15. Схема U-образной пробы

 

Рис.6.16. Схема  прутковой пробы

 

 

     6.11. Определение хладноломкости и трещиностойкости материала

    Хладноломкость. Различают верхнюю tB и нижнюю tH границы порога хладноломкости. В этом интервале температур происходит переход от вязкого волокнистого излома к хрупкому кристаллическому. Часто порог хладноломкости определяют по температуре испытания, при которой в изломе имеется 50% вязкой волокнистой составляющей Г50. Чем выше порог хладноломкости, тем больше склонность металла к хрупкому разрушению; например, если он выше 20 °С, металл хрупко разрушается при комнатной температуре. Изделия следует эксплуатировать при температурах выше порога хладноломкости, когда хрупкое разрушение исключается. На порог хладноломкости оказывают влияние величина зерна, химической состав, масштабный фактор (размеры изделия), концентраторы напряжений, скорость нагружения и т.д. Для эксплуатации в северных условиях необходимы детали из сталей с низким порогом хладноломкости — северного исполнения. Снижение порога хладноломкости достигается легированием никелем.

 

Рис.6.17.Образец для определения  коэфициэнта трещиностойкости  Kic

 Определение трещиностойкости. Трещиностойкостъ характеризует способность материала сохранять свою работоспособность (не разрушаться) при наличии трещины. Трещина в материале может возникнуть в результате усталости, быть следствием металлургического дефекта и т.п. Трещина является концентратором напряжений, напряжения в ее вершине значительно превосходят средние аср, т.е. расчетные, следовательно, они тем больше, чем длиннее и острее трещина. Если напряжения в устье трещины таковы, что вызывают ее распространение, происходит разрушение материала, даже если расчетные напряжения ниже предела текучести. 

     Трещиностойкостъ оценивается критерием Къ. Коэффициент трещиностойкости Kicсвязывает величину разрушающих напряжений, воздействующих на деталь, и длину трещины: Kic = 2арл/тс, где ар — разрушающие напряжения, которые следует учитывать в прочностных расчетах, при известной длине трещины. Таким образом, размерность коэффициента — МПа м1/2. Коэффициент трещиностойкости является характеристикой материала. Его определяют на специальных образцах с заранее образованной трещиной при внецентровом растяжении (рис.6.17).

 

       6.12. Определение ударной вязкости материала

Испытания на ударную вязкость относятся к динамическим видам испытаний. Для определения ударной вязкости используют стандартные образцы с надрезом U- или V-образной формы, который служит концентратором напряжений. В зависимости от формы надреза ударная вязкость обозначается KCU или KCV. Образец устанавливают на маятниковом копре (рис.6.18.) так, чтобы удар маятника был нанесен по стороне образца, противоположной надрезу, раскрывая его.

 

 

       Маятник поднимают на высоту Ль при падении он разрушает образец и поднимается на высоту h2. hx > h2, так как часть запасенной при подъеме энергии тратится на разрушение образца. Таким образом, работа разрушения составит: А = mG (hx — h2), кДж. Ее значение считывается со шкалы маятникового копра. Ударная вязкость — это относительная работа разрушения, т. е. работа удара, отнесенная к площади поперечного сечения образца F. Таким образом, KCU (KCV) = A/F, кДж/ м².

У многих металлов и сплавов, в первую очередь имеющих ОЦК и ГПУ решетки, с понижением температуры наблюдается переход от вязкого разрушения к хрупкому, проявляющийся в снижении ударной вязкости и изменении характера излома. Температурный интервал, в котором происходят эти изменения, называется порогом

хладноломкости или критической температурой хрупкости. В зависимости от структурного состояния металла и уровня прочности переход к хрупкому разрушению может быть плавным или резким. На рис.6.19.показана температурная зависимость порога хладноломкости крупнозернистой и мелкозернистой сталей.

 

     6.13. Испытания на ползучесть материала

     Ползучесть — это деформация материала во времени под действием постоянного напряжения. У металлов ползучесть наблюдается лишь при высоких температурах, у полимеров это может происходить и при комнатной температуре. При ползучести в металле происходят следующие процессы. В результате приложенной нагрузки возникает пластическая деформация, вызывающая наклеп. Вследствие наклепа происходит упрочнение материала, предел текучести при этом повышается и деформация приостанавливается. Однако при высокой температуре начинается процесс рекристаллизации (снятие наклепа) и деформация возникает вновь. Таким образом, при ползучести происходят два процесса: упрочнение металла за счет наклепа и снятие упрочнения под действием высокой температуры. После снятия наклепа и понижения значений предела текучести деформация развивается вновь.

 

 

 

Рис.6.20. Кривая ползучести

     Испытания на ползучесть выполняют на специальных установках при постоянной нагрузке. Образец устанавливают в захваты испытательной машины и помещают в печь. При этом автоматически производят измерение и запись длины образца, т.е. записывается кривая ползучести (рис.6.20.). На этой кривой участок OA соответствует деформации, возникшей в момент приложения нагрузки; АВ — участок неустановившейся ползучести; ВС — участок установившейся ползучести, когда металл деформируется с постоянной скоростью, которая характеризуется тангенсом угла наклона кривой; на участке Со процесс ползучести идет не просто с постоянной скоростью, а ускоряется, этот этап заканчивается разрушением в точке D. 

 

     В испытаниях на ползучесть определяют предел ползучести и длительную прочность. Предел ползучести — напряжение, вызывающее заданную деформацию г при данной температуре 1, т. е. регламентирующее величину остаточной деформации за определенное время т (участок ВС). Например, 1000 МПа означает, что предел ползучести, т. е. допуск на остаточную деформацию 0,2% за 100 ч при температуре испытаний 700 °С составляет 1000 МПа. Длительная прочность — напряжение, вызывающее разрушение при определенной температуре за определенное время (точка D), например, 200 МПа означает, что при напряжении 200 МПа и температуре 700 °С разрушение образца произойдет через 1000 ч.