Материалы с высоким сопротивлением ударным нагрузкам

Введение

Механические свойства строительных материалов характеризуются способностью материалов сопротивляться всем видам внешних воздей-ствий с приложением силы.
Механические свойства характеризуются способностью материала сопротивляться всем видам внешних воздействий с приложением силы. По совокупности признаков различают прочность материала при сжатии, из-гибе, кручении, ударе и так далее, твердость, упругость, пластичность и истираемость.
Целью данной работы является изучение материалов с высоким со-противлением ударным нагрузкам.


1 Особенности материалов с высоким сопротивлением ударным нагрузкам

Сопротивление удару – способность материала сопротивляться раз-рушающему действию ударных нагрузок.
На сопротивление удару испытывают те каменные материалы, кото-рые в процессе эксплуатации в конструкциях подвергаются динамическим нагрузкам, например, в конструкции полов промышленных зданий, в до-рожных покрытиях.
В ряде случаев при эксплуатации абразивное изнашивание сочетает-ся с ударными нагрузками, что приводит к ускорению изнашивания. При ударно-абразивном изнашивании этом возможны два варианта взаимодей-ствия абразивных частиц с поверхностью:
1) абразивные частицы наносят удары по поверхности детали, одна-ко в целом нагрузки не могут привести к объемному разрушению детали;
2) абразивный износ сопровождается большими динамическими нагрузками, которые приводят к хрупкому разрушению детали [1].
Первый вариант реализуется при ударе “через абразивную частицу” (например, когда два мелющих шара при ударе один по-другому дробят расположенный между ними кусок железной руды). Примером второго варианта может быть случай, когда поток абразивных частиц с большой скоростью бьет по поверхности под углом, близким к 90о (в этом случае ударно-абразивное изнашивание по своему механизму фактически близко к абразивно-эрозионному изнашиванию).
В результате реализации первого варианта взаимодействия «частица – поверхность» вся поверхность покрывается лунками; износ резко воз-растает даже по сравнении с микрорезанием. Если энергия единичного удара превышает некоторый пороговый для конкретного материала уро-вень, то разрушение приобретает хрупкий характер с отделением крупных частиц от поверхности. В таких условиях применение сплавов с мартен-ситной основой ограничено. Чем выше энергия удара абразива, тем мень-ше мартенсита должно быть в структуре сплава (соответственно возрастает количество остаточного аустенита) [2].
Наиболее частое при эксплуатации в условиях первого варианта применяют литейную сталь Гадфильда (110Г13Л) и ее модификации (130Г13ФБЮЛ, 110Г13Х2Л и др.), имеющие структуру стабильного аустенита. Сталь Гадфильда уже свыше ста двадцати лет с успехом носит звание “стали №1” среди износоустойчивых сплавов. Уникальные свойства стали Гадфильда обусловили ее чрезвычайно широкое распространение в мире как материала для отливок, работающих в условиях ударно-абразивного изнашивания. Сталь содержит 0,9-1,2 % С и 11,5-15 % Мn. В литом состоянии его структура состоит из аустенита и карбидов цементит-ного типа (Fe, Мп)3С, залегающих в виде сетки по границам зерен. Дости-жение оптимальных свойств стали обеспечивается закалкой от 1050-1100 оС в воде. Высокая температура нагрева под закалку необходима для пол-ного растворения карбидов в аустените, а быстрое охлаждение - для предотвращения выделения карбидов и недопущения диффузного распада -фазы. Таким образом, в рабочем состоянии отливки с 110Г13Л имеют полностью аустенитную структуру (рис.1.1).


Рисунок 1.1 - Микроструктура стали Гадфильда после закалки от 1100 оС. х300
Начальная твердость отливок довольно низкая – 180…220 НВ. Под влиянием ударных нагрузок и пластической деформации поверхности проявляется характерная особенность марганцовистого аустенита - спо-собность интенсивно наклепываться с повышением твердости до 450…500 НВ. Многими учеными установлено, что упрочнение стали 110Г13Л пред-определяется интенсивным накоплением дефектов кристаллического стро-ения металла, измельчением блоков мозаики, взаимодействием атомов уг-лерода с дислокациями, выделением дисперсных карбидов по плоскостям скольжения; в то же время образование мартенсита деформации либо со-всем не фиксируется на поверхности, либо оно вносит очень незначитель-ный вклад в прирост твердости. После начального периода эксплуатации отливки из стали Гадфильда имеют на поверхности твердый износоустой-чивый слой толщиной в несколько миллиметров при очень вязкой сердце-вине (KCU+20 - до 2,5 Мдж/м2). Упрочненный поверхностный слой посте-пенно изнашивается, но тут же восстанавливается за счет пластической де-формации. Таким образом, сталь Гадфильда имеет уникальное соединение значительной износостойкости с высокой вязкостью, позволяющей выдер-живать без разрушения большие ударные нагрузки. Из стали Гадфильда изготовляют футеровочные плиты металлургического и мелющего обору-дования, рабочие органы дробилок, крестовины железнодорожных путей и т.п. Все эти изделия производят литьем, так как в связи с высокой спо-собностью к наклепу сталь Гадфильда характеризуется очень плохой об-рабатываемостью резанием [3].
Более высокую (в среднем в 1,5 раза) ударно-абразивную износо-стойкость при меньшей ударной вязкости имеют стали с метастабильным аустенитом (например, стали 110Г7Х2Л, 60Х5Г9, 80Г7Х3Л, 130Г9ХЛ и др.). Кроме деформационного наклепа аустенита, их упрочнение усилива-ется деф превращением. Кристаллы мартенсита деформации возникают по линиям скольжения и в местах их пересечения в объемах металла во-круг лунок.