Теплофизика высоких температур, 2019, T. 57, № 3, стр. 397-403

ВВЕДЕНИЕ

Исследованные в настоящей работе стали используются как в закаленном, так и в отожженном состояниях. Поэтому представляет интерес характер поведения исследованных свойств в широком температурном диапазоне, в том числе в области фазового перехода.

Исследованные в настоящей работе стали относятся к конструкционным и инструментальным сплавам, нашедшим широкое применение в современной промышленности. Указанные стали используются как в закаленном, так и отожженном состояниях. Кроме того, отличительной особенностью является наличие в них высокотемпературного фазового превращения, в связи с чем экспериментальные исследования свойств сталей проводились в диапазоне от комнатной температуры до ~1100°С на закаленных и отожженных образцах.

Для учета теплового расширения образцов дополнительно выполнены дилатометрические исследования, результаты которых учитывались при расчете акустических свойств и при построении температурных зависимостей плотности и модуля Юнга стали.

Полученные опытные данные позволили уточнить температурные границы происходящих в стали фазовых превращений и оценить влияние закалки на исследованные свойства. Проведенная математическая обработка опытных и расчетных значений свойств сталей позволила получить аппроксимирующие уравнения в диапазоне от комнатной температуры до температуры начала фазовых превращений.

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Сталь 09Г2С относится к конструкционным низколегированным (кремнемарганцовистым) сплавам для сварных конструкций. Из нее изготавливаются элементы и детали, которые могут работать при температурах от –70°С до +450°С [1]. После закалки (нагрев до 920–940°С с последующим охлаждением в воде) и отпуска из этого сплава можно изготавливать детали трубопроводной арматуры.

Сталь 30ХГСА относится к классу конструкционных легированных (хромокремнемарганцевых) сталей и используется при производстве оборудования, эксплуатация которого не предполагает сильного нагревания. В закаленном состоянии сталь используется при изготовлении деталей, работающих при температуре до 200°С [2].

Сталь У8 относится к классу инструментальных углеродистых сталей и применяется (в основном в закаленном состоянии) при производстве инструментов, эксплуатация которых не предполагает сильного нагревания [2].

Сталь 45 относится к конструкционным углеродистым качественным сплавам, использующимся для конструкций и устройств с функциональным назначением устойчивости к высоким нагрузкам. Следует отметить, что эта сталь употребляется при изготовлении нормализованных, улучшаемых и подвергаемых поверхностной термообработке деталей, от которых требуется повышенная прочность [2].

В табл. 1 приведен химический состав исследованных сталей.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследование температурной зависимости скорости ультразвука проводилось по методике, разработанной авторами и аттестованной в ФГУП “Стандартинформ” в качестве методики ГСССД [7].

В основу методики положен способ измерения скорости ультразвука на проволочных образцах с акустической меткой в виде проточки. Однако в методику измерений внесен ряд методических изменений [8], позволивших в значительной степени повысить точность и надежность экспериментальных результатов.

При проведении экспериментальных исследований скорости ультразвука использовались и другие варианты рабочих участков образцов [9]. Исследования показали, что результаты измерений скорости ультразвука на образцах с разными вариантами акустической метки совпали между собой в пределах погрешностей измерения, не превышавших 0.5%, с учетом данных дилатометрических измерений [7].

Следует отметить, что при изготовлении образцов материал подвергался механическим и температурным воздействиям, что могло отразиться на структуре и, соответственно, на результатах исследований. В связи с этим предварительно проводился отжиг образцов при ~1000°С в течение 1.5 ч с последующим охлаждением вместе с печью. Затем велись измерения скорости ультразвука в диапазоне от комнатной температуры до ~1000–1100°С. После охлаждения вместе с печью образцы подвергались закалке и измерения скорости ультразвука проводились в том же температурном диапазоне и с такой же скоростью нагрева. На образцах после их охлаждения выполнялись повторные измерения скорости ультразвука. Полученные данные в пределах погрешности измерений совпали с результатами, полученными при первом нагреве. Измерения скорости ультразвука и относительного температурного расширения осуществлялись при нагреве образцов сталей.

В расчетные формулы для определения скорости ультразвука входит длина рабочей части образца. Для учета температурного линейного расширения при расчете значений скорости ультразвука были проведены предварительные исследования на высокоскоростном термическом дилатометре DL-1500-RH (ULVAC SINKU-RIKO, Япония) в том же температурном интервале и при такой же скорости изменения температуры для всех исследованных сталей.

Полученные данные об относительном температурном расширении исследованных материалов позволяют достаточно просто рассчитать значения коэффициента температурного линейного расширения дифференцированием кривой относительного удлинения ΔL/L₀ = f(T) [10]. При расчете акустических свойств использовались экспериментальные значения относительного температурного расширения, результаты измерений которого дали возможность рассчитать температурную зависимость плотности исследованного материала. При этом плотность материала при комнатной температуре определяется с высокой точностью методом гидростатического взвешивания, что позволяет рассчитать модуль Юнга Е по известному соотношению E = ρc² [11], где ρ – плотность, с – скорость ультразвука.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

Экспериментальное исследование скорости ультразвука и относительного температурного расширения сталей выполнено в диапазоне температур от комнатной до ~1000–1100°С.

На рисунке представлены результаты экспериментального исследования скорости ультразвука и относительного температурного расширения сталей. В диапазоне ~700–900°С на температурной зависимости скорости ультразвука наблюдается заметная аномалия. Объяснением такого поведения может служить α → γ-превращение в сталях. Подтверждением являются результаты экспериментального исследования относительного температурного расширения, на температурной зависимости которого наблюдается аномалия, характерная для подобного перехода [12, 13]. При этом закалка заметно влияет на скорость ультразвука в сталях, но при ~900°С значения для закаленного и отожженного образцов практически совпадают, что позволяет говорить о полном отжиге образцов из исследованных сталей.

Рис. 1.

Результаты экспериментального исследования скорости ультразвука и относительного температурного расширения (1 – отожженный и 2 – закаленный образцы) сталей: (а) – 09Г2С, (б) – У8, (в) – 30ХГСА, (г) – сталь 45.

В табл. 2 приведены экспериментальные значения скорости ультразвука, относительного температурного расширения и рассчитанных на их основе значений свойств сталей. Следует отметить, что значения плотности закаленного и отожженного образцов при комнатной температуре совпали между собой, как и температурные зависимости относительного температурного расширения.

Полученные экспериментальные и расчетные значения свойств сталей обрабатывались методом наименьших квадратов для получения аппроксимирующих уравнений в виде

В математическую обработку включались данные, полученные при нагревании образцов стали до температуры ~700°С, выше которой наблюдались особенности в поведении исследованных свойств. В табл. 3 приведены коэффициенты аппроксимирующих уравнений для свойств исследованных сталей в указанном температурном диапазоне.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведено экспериментальное исследование стержневой скорости ультразвука и относительного температурного расширения ряда сталей в широком температурном диапазоне. Показаны температурные границы происходящих в сталях фазовых превращений. Приведены коэффициенты аппроксимирующих уравнений для температурных зависимостей ряда теплофизических и механических свойств исследованных сталей.

Работа выполнена по государственному заданию № 007-00129-18-00 и при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 18-08-00368а).