Способ повышения прочностных свойств стали и сопротивления потери устойчивости

Авторы патента:

C21D8/00 - Изменение физических свойств путем деформации в сочетании или с последующей термообработкой (закалка кованых или прокатанных изделий без дополнительного нагрева C21D 1/02)

Владельцы патента RU 2512677:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет (ВолгГАСУ) (RU)

Изобретение относится к исследованию прочностных свойств металлов и может найти применение при расчете элементов конструкций и деталей машин. Сущность: осуществляют деформационное старение образца, приложение статической нагрузки без изменения знака нагружающей силы и знака деформации до полного прохождения пластических деформаций на площадке текучести с выходом в зону упрочнения, нагрев и выдержку при заданном температурном режиме. Пластическая деформация составляет 1-2%, а сам процесс деформационного старения состоит из нескольких циклов, количество которых обусловлено окончанием прохождения равномерной деформации по длине образца. При нагружении образца используют сжимающую нагрузку. Технический результат: повышение прочностных свойств стали и сопротивления потере устойчивости при статических сжимающих нагрузках за счет повышения критического напряжения, вызывающего потерю устойчивости сжатых стержней.

Заявляемое изобретение относится к исследованию прочностных свойств металлов и может найти применение при расчете элементов конструкций и деталей машин.

Известен способ повышения прочностных свойств стали, деформирующейся с образованием площадки текучести, включающий деформационное старение: деформирование металла путем приложения растягивающих статических нагрузок на величину площадки текучести, нагрев и выдержка при заданной температуре, при этом процесс деформационного старения осуществляется в несколько циклов [Гурьев А.В., Кукса Л.В. Об одной особенности деформации стали на площадке текучести после деформационного старения. - Физика металлов и металловедение. - Том 16, вып.4. - 1963. - с.589-595 - прототип].

Недостатком способа является применение деформационного старения только для случая деформирования металла путем приложения растягивающих статических нагрузок, при этом происходит увеличение предела текучести при растяжении. Однако способ не обеспечивает увеличение предела текучести при сжатии из-за влияния эффекта Баушингера, который заключается в том, что происходит снижение прочностных свойств материалов в результате изменения знака нагружения, если первоначальная нагрузка вызвала наличие пластических деформаций.

Техническая задача - повышение прочностных свойств стали и сопротивления потере устойчивости при статических сжимающих нагрузках за счет повышения критического напряжения, вызывающего потерю устойчивости сжатых стержней.

Решение технической задачи достигается тем, что в способе повышения прочностных свойств стали и сопротивления потере устойчивости, включающем деформационное старение образца: приложение статической нагрузки без изменения знака нагружающей силы и знака деформации до полного прохождения пластических деформаций на площадке текучести с выходом в зону упрочнения, нагрев и выдержку при заданном температурном режиме, при этом пластическая деформация составляет 1-2%, а сам процесс деформационного старения состоит из нескольких циклов, количество которых обусловлено окончанием прохождения равномерной деформации по длине образца, в котором при нагружении образца используют сжимающую нагрузку.

Сущность способа заключается в том, что повышение прочностных свойств металла при статических сжимающих нагрузках достигается за счет деформационного старения, при котором металл подвергают деформированию сжимающей силой до наступления предела текучести и полного прохождения пластических деформаций на площадке текучести, последующему нагреву и выдержке при заданной температуре. При этом пластическая деформация составляет 1-2%, что существенно ускоряет процессы распада компонентов пересыщенного твердого раствора и происходит дополнительное выпадение упрочняющей дисперсной фазы в местах скопления дислокации - дефектов кристаллической структуры металла. Дополнительное закрепление дислокации затрудняет прохождение пластических деформаций в металле, что приводит к повышению его прочностных свойств - предела текучести. Деформационное старение проводят в несколько циклов, количество которых задается требованием к прочностным свойствам металла. Количество циклов упрочнения ограничено окончанием прохождения равномерной деформации по длине образца, при котором происходит насыщение упрочнением.

Для металлов, например для стали, деформирующейся с образованием площадки текучести значения предела текучести σ_Т, предела пропорциональности σ_пц и предела упругости σ_уп одинаковы: σ_Т=σ_пц=σ_уп. [Кукса Л.В., Черепенников А.В. О действительном виде зависимости критического напряжения от гибкости для сталей при расчетах на устойчивость // Наука, техника и технология XXI века (НТТ- 2007): Материалы III Международной научно-технической конференции. Т.II. - Нальчик Каб.-Балк. ун-т, 2007. - с.14-18].

При этом критическое напряжение σ_кр, при котором происходит потеря устойчивости сжатых стержней, напрямую зависит от гибкости λ исследуемого образца:

где µ - коэффициент приведенной длины стержня, зависящий от способа закрепления;

l - длина стержня;

i_min - минимальный радиус инерции поперечного сечения стержня.

Зависимость критического напряжения σ_кр, от гибкости λ состоит из 2-х частей. В первой части критическое напряжение σ_кр зависит от предела текучести σ_Т, во второй части определяется по формуле Эйлера. Применимость формулы Эйлера для определения критического напряжения σ_кр определяется следующей зависимостью:

где Е - модуль упругости при растяжении и сжатии;

λ - гибкость стержня;

σ_Т - предел текучести.

Отсюда следует, что:

где λ₀ - наименьшее значение гибкости, при которой применима формула Эйлера.

Если гибкость стержня λ больше λ₀, то критическое напряжение определяется по формуле Эйлера. Если гибкость стержня λ меньше λ₀, то критическое напряжение определяется значением предела текучести: σ_кр=σ_Т. Увеличение предела текучести σ_Т приводит к увеличению критического напряжения σ_кр, что приводит к повышению сопротивляемости потере устойчивости образца.

Таким образом, увеличение предела текучести стали в предлагаемом способе приводит к повышению прочностных свойств стали и сопротивления потере устойчивости при сжимающих нагрузках, что и является новым техническим результатом заявляемого изобретения.

Осуществление способа.

Металлический образец круглого поперечного сечения подвергают деформации на машине для испытания на сжатие статической сжимающей силой без изменения знака нагружающей силы и знака деформации, чтобы исключить влияние эффекта Баушингера до наступления предела текучести и полного прохождения пластических деформаций на площадке текучести. Затем образец помещают в муфельную печь, нагревают до температуры 300°C и выдерживают при этой температуре в течение 60 минут. Для получения заданного значения предела текучести процесс деформационного старения повторяют несколько раз.

Пример конкретного исполнения.

Металлический образец из Ст.3 круглого поперечного сечения диаметром 17 мм на установке для испытания на сжатие нагружали сжимающей силой F=75 кН до наступления площадки текучести и полного ее прохождения. При этом относительная продольная деформация составила 1%, напряжение предела текучести при сжатии σ_Т составило 330 МПа. Затем образец помещали в муфельную печь, нагревали до температуры 300°C и выдерживали при этой температуре в течение 60 минут. Охлаждение образца осуществляли вместе с печью. После этого образец снова нагружали сжимающей силой F=80 кН и деформировали на величину площадки текучести. При этом относительная продольная деформация составила 1%, напряжение предела текучести при сжатии σ_Т составило 352 МПа. Затем образец нагревали до температуры 300°C и выдерживали при этой температуре в течение 60 минут. После двух циклов деформационного старения из упрочненного образца изготовили образец для испытания на устойчивость диаметром 9.95 мм и гибкостью 40, при котором критическое напряжении равнялось пределу текучести. Затем образец подвергали сжатию в специальном устройстве для испытания на устойчивость. Критическая сила, при достижении которой образец потерял устойчивость, составила F_кр=29,6 кН, критическое напряжение σ_кр составило 381 МПа. Для сравнения изготовили образец для испытания на устойчивость с такими же геометрическими размерами из неупрочненной стали и подвергали его сжатию. Значение критической силы, при которой он потерял устойчивость, составило F_кр=25,6 кН, значение критического напряжения σ_кр=330 МПа.

Результаты испытаний приведены в таблице.

Таблица
Примеры	Гибкость, λ	Критическая сила F_кр, кН	Критическое напряжение σ_кр, МПа	Прирост критического напряжения, %
1. Образец из упрочненной стали по заявляемому способу	40	29,6	381	15,5
2. Образец из неупрочненной стали	40	25,6	330	-

Из таблицы видно, что после двух циклов деформационного старения увеличение критического напряжения при статических сжимающих нагрузках для упрочненного образца, по сравнению с неупрочненным образцом, составило 15,5%, что существенно повышает прочностные свойства и сопротивление потере устойчивости стержня и может найти применение в технике.

Способ повышения прочностных свойств стали и сопротивления потере устойчивости, включающий деформационное старение образца: приложение статической нагрузки без изменения знака нагружающей силы и знака деформации до полного прохождения пластических деформаций на площадке текучести с выходом в зону упрочнения, нагрев и выдержку при заданном температурном режиме, при этом пластическая деформация составляет 1-2%, а сам процесс деформационного старения состоит из нескольких циклов, количество которых обусловлено окончанием прохождения равномерной деформации по длине образца, отличающийся тем, что при нагружении образца используют сжимающую нагрузку.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для изготовления внутренних оболочек теплообменников, а именно блока сопла камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя.

Способ получения естественного феррито-мартенситного композита // 2495141

Изобретение относится к области металлургического и термического производства, а именно к обработке стали с получением структуры естественного феррито-мартенситного композита - структура, включающая пластичную ферритную матрицу и дискретные твердые волокна - слои мартенсита, и может быть использовано для получения материала, используемого для броневой защиты воинского персонала, БТР, БМП, блокпостов, от поражения при стрельбе из стрелкового оружия и гранатометов.

Способ комплексной обработки высокопрочных аморфно-нанокристаллических сплавов // 2492249

Изобретение относится к области черной металлургии, конкретнее к обработке лент из аморфно-нанокристаллических сплавов, и может быть использовано, например, при изготовлении деталей в электронике и приборостроении.

Рельс из высокоуглеродистой перлитной стали с отличной пластичностью и способ его получения // 2488643

Изобретение относится к области металлургии, а именно к рельсу из высокоуглеродистой перлитной стали. .

Способ получения заготовок сталей аустенитного класса с нанокристаллической структурой // 2488637

Изобретение относится к области металлургии, преимущественно к обработке металлов давлением, а именно к технологии получения заготовок сталей аустенитного класса с нанокристаллической структурой, и может быть применено при изготовлении сосудов высокого давления для теплоэнергетики и химической промышленности.

Способ изготовления инструментального композиционного материала // 2483123

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано в машиностроении для производства дешевого инструмента, в частности выглаживателей для деталей из цветных металлов.

Способ упрочнения наплавленной быстрорежущей стали // 2483120

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к упрочняющей обработке наплавленной быстрорежущей стали на поверхности заготовки, применяемой для изготовления инструмента повышенной стойкости.

Способ деформационно-термической обработки аустенитных нержавеющих сталей // 2482197

Изобретение относится к области металлургии, преимущественно к области деформационно-термической обработки аустенитных нержавеющих сталей. .

Способ получения заготовок сталей аустенитного класса // 2468093

Изобретение относится к области металлургии, в частности к обработке металлов давлением, а именно к технологии получения заготовок из стали аустенитного класса, и может быть применено при изготовлении сосудов высокого давления для теплоэнергетики и химической промышленности.

Устройство для термосиловой обработки маложестких валов // 2462518

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для термосиловой обработки (ТСО) маложестких осесимметричных деталей типа «вал». .

Стальной рельс и способ его изготовления // 2519180

Изобретение относится к области металлургии, а именно к стальному рельсу, применяемому при железнодорожной перевозке грузов. Рельс выполнен из стали, содержащей в мас.%: от более чем 0,85 до 1,20 С, от 0,05 до 2,00 Si, от 0,05 до 0,50 Mn, от 0,05 до 0,60 Cr, Р ≤ 0,0150, Fe и неизбежные примеси - остальное. Не менее 97% поверхностной части головки, находящейся в области от поверхности угловой части головки и верхней части головки как исходной точки до глубины 10 мм, имеет перлитную структуру. Твердость по Виккерсу перлитной структуры составляет HV 320-500. Значение отношения CMn/FMn, составляет от 1,0 до 5,0, где CMn [ат.%] - концентрация Mn в цементитной фазе в перлитной структуре, FMn [ат.%] - концентрация Mn в ферритной фазе. Головная часть рельсов обладает одновременно высокими значениями износостойкости и ударной вязкости. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 13 ил., 3 табл., 1 пр.

Способ изготовления упругих элементов с использованием метода анизотропного ориентирования наноструктуры в материале // 2524028

Изобретение относится к технологии машиностроения и может быть использовано в производстве пружин из закаливаемых марок стали. Для повышения качества пружин и снижения энергозатрат осуществляют скоростной нагрев прутка до температуры выше точки Ac3 фазовых превращений, пластическую деформацию прутка винтовым обжатием с закручиванием в направлении сжатия витка пружины, немедленную горячую навивку пружины при температуре выше Ac3 с немедленной повитковой закалкой и отпуск с обеспечением анизотропно ориентированной структуры стали. 1 з.п. ф-лы, 1 пр.

Способ термомеханической обработки сталей аустенитного класса // 2525006

Изобретение относится к области металлургии конструкционных сталей и сплавов, а именно к термомеханической обработке аустенитных коррозионно-стойких хромоникелевых сталей. Техническим результатом изобретения является повышение прочностных свойств стали при относительно невысоких температурах деформации с сохранением однородной аустенитной структуры. Для достижения технического результата способ включает пластическую деформацию методом прокатки, причем предварительно заготовку стали подвергают гомогенизационному отжигу в интервале температур 1273-1373 К в течение 30 минут, с последующим охлаждением в воде. Прокатку проводят в два этапа: первый этап - в интервале температур 673-973 К до истинной степени деформации от 0,5 до 1 с последующим отжигом в интервале температур 673-873К и временем выдержки от 1 до 2 часов с последующим охлаждением на воздухе, второй этап - в интервале температур от 673-773 К до истинной степени деформации более 2 с последующим охлаждением на воздухе. 1 табл., 2 ил.,1 пр.

Способ обработки изделия из тонкого листа // 2533251

Изобретение относится к области металлургии и машиностроения и может найти применение при изготовлении закаленных тонколистовых деталей. Способ включает установку заготовки в полость штампа, электронагрев её в штампе и одновременное с нагревом растяжение изделия, последующее охлаждение в штампе, при этом растяжение осуществляют до напряжений, превышающих предел текучести материала изделия. Получаемое в результате такого способа обработки структурное состояние металла заготовки позволяет значительно повысить весь комплекс прочностных свойств металла, таких как пределы упругости, текучести и прочности, обеспечив одновременно больший запас прочности и пластичности. Наряду с названными свойствами в значительной степени повышается ударная вязкость при комнатной и низкой температурах, понижаются порог хладноломкости и чувствительность к отпускной хрупкости. 1 ил.

Способ изготовления наплавленного режущего инструмента // 2539499

Изобретение относится к инструментальному производству, а именно изготовлению металлорежущего инструмента с применением наплавки. Способ изготовления наплавленного режущего инструмента включает механическую и термическую обработку корпуса, наплавку быстрорежущей сталью рабочего слоя, его поверхностное пластическое деформирование и высокотемпературный отпуск. Согласно изобретению при поверхностном пластическом деформировании осуществляют упрочнение металла зоны термического влияния наклепом, а высокотемпературный отпуск наплавленного металла выполняют локальным. Техническим результатом изобретения является сокращение расхода быстрорежущей стали, затрат на наплавку и термическую обработку, повышение технологичности и производительности процесса изготовления наплавленного режущего инструмента. 4 ил.

Способ стабилизации геометрических параметров маложестких валов // 2543029

Изобретение относится к способам термосиловой обработки маложестких осесимметричных деталей типа «вал». Для повышения качества деталей осуществляют статическое силовое воздействие на вал в процессе полного цикла термообработки, который разделяют на подциклы, при этом один конец вала закрепляют жестко, а второй конец - с возможностью перемещения, в течение каждого из подциклов прикладывают силовое воздействие ко всему валу, производят нагрев вала в пределах участка, затем осуществляют закручивание в одну сторону данного участка с последующим его охлаждением, затем цикл повторяют для другого участка с его закручиванием в другую сторону за пределом действия закона упругости. 4 ил.

Способ термомеханической обработки низколегированной стали // 2544730

Изобретение относится к металлургии, преимущественно к области термомеханической обработки низколегированных сталей, и может быть использовано для изготовления ответственных элементов конструкций, крепежных изделий различного назначения. Для повышения твердости, прочности, вязкости разрушения, обрабатываемости стали и получения стали с мелкозернистой структурой заготовку из стали 9ХС подвергают ковке и закалке с температур ковки, затем нагревают под деформацию до Ac1 - (5-15)ºC со скоростью от 80 до 100 град/мин, выдерживают при этой температуре от 2 до 2,5 ч и проводят деформацию со степенью от 30 до 60%, после деформации нагревают под закалку до Ac1 + (40-50)ºC и охлаждают в масло. 1 табл.

Способ термомеханической обработки экономнолегированных сталей // 2548339

Изобретение относится к области термомеханической обработки и может быть использовано для изготовления ответственных элементов конструкций, крепежных изделий различного назначения. Для повышения комплекса механических свойств конструкционных сталей с устранением склонности их к обратной отпускной хрупкости и достижения высоких механических и эксплуатационных свойств заготовку из стали 35ХГСФ подвергают холодной пластической деформации со степенями обжатия 10-30%, затем её нагревают до субкритических температур Ac1 - (5÷5)°C со скоростью 5÷20 град/мин и выдержкой при этих температурах 1,5÷3 часа. Далее с субкритической температуры производят нагрев заготовки под закалку до температуры Ac3+(30÷40)°C, закаливают в масло и подвергают отпуску при 500÷550°C. 1 табл.

Способ термосиловой обработки длинномерных осесимметричных деталей и устройство для его осуществления // 2552206

Изобретение относится к термосиловой обработке маложестких осесимметричных заготовок типа «вал». Для повышения качества заготовок осуществляют силовое воздействие на заготовку за пределом действия закона упругости в пределах выбранного участка заготовки, управление пределом текучести при силовом воздействии производят путем регулирования температурного воздействия на участок заготовки, деформирование заготовки производят изгибом, заготовку перегибают знакопеременно, одновременно с деформированием изгибом ведут вращение заготовки с одновременной ее осевой подачей, причем изгибающий момент не должен быть приложен на расстоянии более пяти диаметров заготовки от места перегиба с фиксацией проработанного участка заготовки в поперечном направлении. Устройство для реализации способа содержит нагревательный элемент и опорные ролики, последовательно установленные приводы осевой подачи и вращения заготовки, сдвоенные силовые ролики, механизм поворота и поперечного смещения заготовки, выполненный в виде стола, связанный с приводом поперечного смещения заготовки и имеющий связанную с приводом поворота муфту и жестко закрепленную в ней направляющую трубу для фиксации в ней заготовки, при этом нагревательный элемент установлен между силовыми роликами, а направляющая труба устанавливается от места изгиба заготовки со стороны пары силовых роликов на расстоянии, не превышающем пяти диаметров заготовки. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

Способ поверхностного закалочного упрочнения режуще-деформирующим инструментом // 2556897

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам поверхностного упрочнения с получением закалочных структур. Для повышения износостойкости деталей машин из закаливаемых металлов, преимущественно из железоуглеродистых сплавов, и создания на поверхности детали полностью или частично закаленного поверхностного слоя с однородными свойствами по его толщине инструментом в виде резца, имеющим режущую и деформирующую кромки послойно подрезают поверхностный слой детали с сохранением его механической связи с деталью по своей узкой стороне, при этом пластически деформируют подрезанные слои рабочими поверхностями инструмента, после чего подрезанные слои укладывают на деталь деформирующей кромкой инструмента. В процессе подрезания поверхностного слоя, его пластического деформирования и трения об инструмент, соответствующим выбором геометрических параметров инструмента и технологических параметров обработки достигают нагрева подрезанного слоя выше температур фазовых превращений для данного обрабатываемого материала. Охлаждение подрезанного слоя осуществляется кондуктивным теплоотводом в заготовку или охлаждающими технологическими средами. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.