Спосіб визначення критичної температури крихкості конструкційної сталі

Реферат: Винахід належить до галузі дослідження властивостей твердих матеріалів шляхом прикладання статичних навантажень, а саме до визначення критичної температури крихкості конструкційної сталі (КС). Запропонований спосіб дозволяє розробити загальну методику для прогнозування критичної температури крихкості КС за результатами відносно простих і дешевих випробувань на квазістатичний одновісний розтяг стандартних гладких зразків в інтервалі температур від 77 К до 293 К, тобто за даними базових механічних характеристик КС, з достатньою для практичного використання точністю. Крім цього, за допомогою запропонованого способу можна визначати критичні характеристики міцності і механічної стабільності металу, який знаходиться в умовах концентрації напружень та складного напруженого-деформованого стану. Інформація про критичні значення температур крихкості, характеристик міцності і механічної стабільності металу є важливою при виборі КС для особливо відповідальних конструкцій, в тому числі об'єктів ядерної енергетики. UA 109974 C2 (12) UA 109974 C2 UA 109974 C2 5 10 15 Винахід належить до галузі дослідження властивостей твердих матеріалів шляхом прикладання статичних навантажень, а саме до визначення критичної температури крихкості конструкційної сталі (далі - КС) за допомогою випробувань на одновісне розтягнення стандартних гладких зразків та циліндричних зразків з кільцевим концентратором типу Шарпі, а також випробувань на триточковий згин зразків типу SE(B) з втомною тріщиною в інтервалі температур випробувань від 77 К до 293 К. Під КС розуміють промислові матеріали, що використовують в будівництві, ядерній енергетиці, кріогенній техніці, машинобудівництві тощо. При цьому ефективність використання КС в багатьох призначеннях можна значною мірою підвищити легуванням та методами термічної обробки. Відомий спосіб визначення критичної температури крихкості (в'язко-крихкого переходу) КС, при якому проводять випробування стандартних гладких циліндричних зразків на одновісне розтягнення при температурах в інтервалі від 77 К до 293 К та визначають характеристику крихкої міцності RMC при величині залишкової деформації в місці розриву зразка K  2% та характеристику механічної стабільності K ms за відомою формулою: K ms  RMC / 2 , де:  2 - міцність пластичного металу при критичному ступені деформації ec  2% , після чого будують температурну залежність характеристики механічної стабільності K ms  f (T) та 20 визначають на ній критичну температуру крихкості гладких зразків Tвх за умови, що Kms  1 [1]. Недоліком даного способу є відсутність зв'язку базових механічних характеристик металу, таких, як 0,2 - умовна межа текучості, В - межа міцності,  K - відносне звуження зразка після руйнування, та критичної температури крихкості 25 30 Tвх гладких зразків КС з критичною температурою крихкості Tc циліндричних зразків з кільцевим концентратором типу Шарпі або критичною температурою крихкості T0 зразків типу SE(B) з втомною тріщиною в умовах складного напружено-деформованого стану. Найбільш близьким за технічною суттю та результатом, що досягається, до способу, що заявляється, є спосіб визначення критичної температури крихкості Tc КС шляхом випробувань зразків з кільцевими концентраторами типу Шарпі, при якому визначають величину середнього номінального напруження руйнування NF в інтервалі температур випробувань від 77 К до 293 К та будують його температурну залежність NF  (T) , будують також температурну залежність напруження загальної текучості GY  (T) , після чого визначають критичну температуру крихкості Tc в точці перетину цих температурних залежностей, стандартних гладких зразків на одновісне розтягнення при температурах 293 К і Tc та визначення при цьому базових 35 40 45 50 механічних характеристик, а визначення критичної температури крихкості T0 КС проводять за методикою Майстер кривої шляхом випробування великомасштабних (240 × 50 × 25 мм) зразків типу SE(B) з втомною тріщиною на триточковий згин в інтервалі температур від 77 К до 293 К. При цьому, значення T0 використовують для прогнозування радіаційного ресурсу водо-водяних енергетичних реакторів [2]. Разом з тим, спосіб визначення критичних температур крихкості Tc або T0 КС за найближчим аналогом має наступні недоліки: а) складність, тривалість в часі та висока вартість виготовлення дослідних зразків; б) технічна складність методик експериментального визначення критичних температур крихкості Tc та T0 ; в) відсутність методики достовірного прогнозування критичної температури крихкості Tc або T0 для широкого кола КС з використанням даних тільки базових механічних характеристик металу, що отримують за результатами відносно простих і дешевих випробувань гладких зразків на одновісне розтягнення. В основу винаходу поставлено задачу вдосконалення способу визначення критичних температур крихкості Tc та T0 КС за допомогою випробувань зразків з концентраторами напружень (далі - КН) відповідно на одновісне розтягнення та триточковий згин, стандартних гладких зразків на одновісне розтягнення при та визначення при цьому базових механічних характеристик в інтервалі температур від 77 К до 293 К, шляхом отримання достатньої кількості експериментальних даних для побудови температурних залежностей характеристик умовної межі текучості 0,2 та міцності пластичного металу  2 при критичному ступені деформації 2 % з 1 UA 109974 C2 метою визначення їх критичних величин 0,2C і 0,2C при температурах крихкості Tc та T0 . Це дозволило авторам на основі отриманих результатів визначити характеристики механічної опт опт стабільності K ms і Kmsc , та їх оптимальні величини K ms . і K ms с. , показники міри механічної якості   Kms і міри якості за окрихчуваністю Kmsc металу, відповідно, без КН та під дією КН, оптимальні 5 10 15 20 25 значення міцності  опт . і опт . за даними величин міцності  2 металу при деформації ec  2% 2 2С для оптимізованих КС та побудувати закономірності зміни конструкційної якості металу у вигляді   показника співвідношення двох мір якості Kmsc / Kms від співвідношення двох відповідних показників механічної стабільності K msc / K ms , що характеризують КС при двох видах випробувань - з КН и без КН. Ці закономірності за своїм змістом є закономірностями структурномеханічного окрихчення КС. Крім того, на основі відомої системи взаємозв'язку характеристик "пластичність-міцність-механічна стабільність" та їх оптимізації, авторами було встановлено зв'язок між показником зміни конструкційної міцності КС при критичній деформації ec  2% у вигляді співвідношення 2 / 2С з відповідним показником зміни умовної межі текучості у вигляді співвідношення 0,2 / 0,2С нормованим на відповідне співвідношення оптимальних значень міцності опт . / опт . при деформації ec  2% . При побудові вказаних залежностей була 2 2С врахована відома методика розподілу КС на види за характером поведінки їх механічних характеристик та встановлена авторами можливість зміни або збереження належності КС до відповідного початкового виду поведінки механічних характеристик при кімнатній температурі випробувань Tвип.  293К і кінцевого виду при критичній температурі Tc або T0 . Таким чином, було сформовано чотири можливих комбінації поведінки механічних характеристик за наступними видовими переходами: 1-1, 2-2 - в разі збереження початкового виду КС без дії КН (1-го або 2-го) в кінцевих критичних умовах під дією КН; 1-2, 2-1 - в разі зміни початкової видової належності в кінцевих умовах. Отримані залежності дали змогу віднайти систему рівнянь, вирішення якої чисельними методами дозволяє розрахувати критичні параметри міцності 0,2С , 2С та механічної стабільності K msc при Tc або T0 для шуканої КС. Це дало змогу визначати критичну температуру крихкості Tc або T0 КС за відомим значенням міцності 2С при ec  2% на температурній залежності 2  f (T) . Запропонований спосіб дозволяє прогнозувати критичну 30 35 температуру крихкості Tc або T0 КС за результатами відносно простих і дешевих випробувань на квазістатичний одновісний розтяг стандартних гладких зразків в інтервалі температур від 77 К до 293 К, тобто за даними базових механічних характеристик КС, з достатньою для практичного використання точністю. Крім цього, за допомогою запропонованого способу можна визначати критичні характеристики міцності і механічної стабільності металу, який знаходиться в умовах концентрації напружень та складного напруженого-деформованого стану - далі НДС, що робить даний спосіб більш інформативним. Поставлена задача вирішується тим, що у відомому способі визначення критичної температури крихкості конструкційної сталі, при якому проводять випробування зразків з кільцевими КН типу Шарпі на одновісне розтягнення і визначення при цьому критичної температури крихкості Tc за умови загальної текучості, стандартних гладких зразків на одновісне розтягнення при температурах 293 К і Tc та визначення при цьому базових 40 механічних характеристик, а визначення критичної температури крихкості T0 проводять за методикою Майстер кривої шляхом випробувань зразків типу SE(B) з втомною тріщиною на триточковий згин, згідно з винаходом, будують для досліджуваної КС температурні залежності характеристик умовної межі текучості 0,2 та міцності пластичного металу  2 при критичному ступені деформації 2 %, визначають їх критичні величини 0,2С і 2С при температурах 45 крихкості Tc та T0 , за отриманими даними визначають характеристики механічної стабільності опт опт .  K ms і Kmsc та їх оптимальні величини K ms . і K ms с , показники міри механічної якості Kms і міри  якості за окрихчуваністю Kmsc металу, відповідно, в умовах відсутності КН та дії КН, оптимальні 50 значення міцності  опт . і опт . при деформації 2 % для оптимізованих КС, після цього, 2 2С враховуючи розподіл КС на види за характером поведінки їх механічних характеристик в умовах дії КН при температурі Tc або T0 та за відсутності КН при температурі 293 К, будують закономірності зміни конструкційної якості металу у вигляді показника співвідношення двох мір 2 UA 109974 C2   якості Kmsc / Kms від співвідношення двох відповідних показників механічної стабільності K msc / K ms та закономірності зміни конструкційної міцності КС у вигляді показника співвідношення двох величин міцності 2 / 2С при критичній деформації 2 % від співвідношення двох відповідних показників умовної межі текучості 0,2 / 0,2С нормованих на співвідношення 5 відповідних оптимальних значень міцності опт . / опт . , далі, за отриманими залежностями, 2 2С розраховують критичну міцність 2С шуканої КС при Tc або T0 чисельними методами, за величиною якої визначають критичну температуру крихкості Tc або T0 , використовуючи температурну залежність 2  f (T) . За 10 рахунок побудови  2 /  2С  f [( 0,2 /  0,2С )  ( опт . /  опт . )] 2 2С авторами залежностей запропонований спосіб   Kmsc / Kms  f (K msc / K ms ) та дозволяє з більш високою і достатньою для практичного використання точністю визначати критичну температуру крихкості КС Tc або T0 , а також критичні характеристики міцності 0,2С , 2С та механічної стабільності 15 Kmsc при Tc або T0 металу, який знаходиться в критичних умовах складного НДС. При цьому автори використовували експериментальні дані базових механічних характеристик металу, а саме: умовної межі текучості 0,2 ; межі міцності B ; відносного звуження після руйнування зразка  K , отримані при температурах випробувань 293 К і Tc , а також значення критичної температури крихкості T0 для модельних КС. Це дозволило побудувати температурні залежності характеристик міцності 0,2  f (T) та 2  f (T) та визначити на них критичні величини 0,2С і 2С при температурах крихкості Tc та T0 , за якими були побудовані закономірності зміни 20   конструкційної якості металу (структурно-механічного окрихчення) Kmsc / Kms  f (K msc / K ms ) та зміни конструкційної міцності при критичній деформації 2 %  2 /  2С  f [(0,2 / 0,2С )  (опт . / опт . )] 2 2С 25 для досліджуваних КС. При цьому використовували методику розподілу КС на види за характером поведінки їх механічних характеристик та враховували можливість зміни або збереження належності КС до відповідного початкового виду поведінки механічних характеристик при кімнатній температурі випробувань Tвип.  293К за відсутністю КН і кінцевого виду при критичній температурі Tc або T0 в присутності КН. Використання встановлених модельних закономірностей дало змогу визначати розрахунковим способом величини критичних характеристик міцності 0,2С і 2С та механічної стабільності Kmsc металу, який 30 35 знаходиться під дією КН, а за температурною залежністю 2  f (T) і відомим значенням характеристики 2С шуканої КС - її критичну температуру крихкості Tc або T0 . Інформація про значення критичних температур крихкості Tc та T0 є важливою при виборі КС для відповідальних конструкцій, в тому числі об'єктів ядерної енергетики, що експлуатуються в умовах концентрації напружень та складного НДС. Запропонований спосіб пояснюється таблицями та графіками, а саме: в таблиці 1 наведені значення емпіричних коефіцієнтів в залежностях (9) та (10) для різних видових переходів досліджуваних КС; в таблиці 2 наведені результати визначення характеристик міцності розр. при деформації 2С ec  2% і критичних температурах крихкості Tc та T0 , величин самих температур крихкості розр TС . , 40 розр T0 . для досліджуваних КС в умовах дії КН типу К1 і К2 та оцінки точності запропонованого способу; на фіг. 1 зображений спосіб визначення експериментального значення міцності 2С при деформації ec  2% і критичній температурі крихкості T0 ; розрахункові значення характеристик а2С при температурах Tc і T0 та самих критичних температур крихкості Tc та T0 ; температурні залежності характеристик міцності 0,2  f (T ) та 2  f (T) для сталі FeMn (С) [2]; о,  45 експериментальні дані; 3 UA 109974 C2 опт на фіг. 2 зображені залежності оптимальних значень механічної стабільності K ms . та міцності  опт . при деформації ec  2% від умовної межі текучості 0,2 для двох видів поведінки 2 механічних характеристик КС;   на фіг. 3 зображені залежності показників зміни конструкційної якості Kmsc / Kms від 5 10 показників зміни механічної стабільності K msc / K ms для КС двох початкових видів поведінки механічних характеристик при критичній температурі крихкості Tc (криві 1) та при критичній температурі крихкості T0 (криві 2): а) 1-го: суцільні лінії - видовий перехід 1-1, штрихові лінії видовий перехід 1-2; б) 2-го: суцільні лінії - видовий перехід 2-2, штрихові лінії - видовий перехід 2-1; експериментальні дані: темні знаки - КН типу К1; світлі знаки - КН типу К2; літери англійською - означення досліджуваних КС в [2] та табл. 2; на фіг. 4 зображені залежності показників зміни конструкційної міцності 2 / 2С при деформації ec  2% від показників зміни умовної межі міцності 0,2 / 0,2С , нормованих на 15 співвідношення відповідних оптимальних значень міцності опт . / опт . , для видових переходів: 2 2С суцільні лінії - видові переходи 1-1 та 2-2, штрихові лінії - видові переходи 1-2 та 2-1; темні знаки - КН типу К1; світлі знаки - КН типу К2; на фіг. 5 зображений приклад визначення міцності 2С зразка з КН типу К1 сталі CrNi (Т) [2] при критичній температурі крихкості Tc в результаті вирішення системи рівнянь (11) чисельними методами; на фіг. 6 зображені залежності величини механічної стабільності: критичного рівня K кр. ms 20 опт (крива 1) та оптимальної K ms . (крива оптимізації 2) від міцності 0,2 , 2 для визначення видового 25 переходу зразків початкового 1-го виду поведінки механічних характеристик КС, що мають КН; А, В - області зміни конструкційної якості; "О", "С", "Y" - досліджувані КС; темні смуги   відображення мір якості Kms , Kmsc , відповідно, за (4) і (5). Спосіб реалізується наступним чином.   З метою побудови експериментальних залежностей Kmsc / Kms  f (K msc / K ms ) та  2 /  2С  f [( 0,2 /  0,2С )  ( опт . /  опт . )] матеріали для досліджень добирали за принципом широкого 2 2С 30 охоплення різноманітних комбінацій властивостей міцності та пластичності КС, що використовуються в ядерній енергетиці та належать до різних класів за структурним станом, якістю і хімічним складом. При цьому базові механічні характеристики змінювались в наступних інтервалах: міцність - від 0,2  194МПа до 0,2  934МПа , пластичність - від K  30,9% до K  85,5% при температурі випробувань Tвип.  293К . Проводили випробування на одновісне розтягнення зразків з кільцевим КН (радіус r=0,25 мм.; кут розкриття w=45° - далі концентратор типу К1) і статичний триточковий згин зразків типу SE(B) з втомною тріщиною - далі концентратор типу К2 та, відповідно, визначали критичні температури крихкості Tc за умови 35 загальної текучості, а T0 за методикою Майстер кривої [3]. Крім того, проводили випробування стандартних гладких циліндричних зразків на одновісне розтягнення при кімнатній температурі (293 К) і температурі Tc з метою визначення базових механічних характеристик КС: умовної межі текучості 0,2 ; межі міцності B та відносного звуження зразка після руйнування  K [2]. Це 40 45 дозволило отримати достатній об'єм даних для подальшої коректної статистичної обробки. Методика визначення критичних температур крихкості Tc або T0 конструкційної сталі за даними її базових механічних характеристик полягає у наступному: 1) за результатами випробувань стандартних гладких циліндричних зразків на одновісне розтягнення при температурах 293 К і Tc та визначення базових механічних характеристик досліджуваних КС [2] проводять обробку цих даних, використовуючи методику [4] з метою визначення характеристик крихкої міцності RMC та механічної стабільності K ms при 293 К і Kmsc при Tc за відомими залежностями: K ms  RMC / 2 , (1) K msc  RMC / 2C, (2) 4 UA 109974 C2 де:  2 , 2С - міцність металу при деформації ec  2% відповідно при 293 К без КН та при Tc під дією КН; 2) будують температурну залежність міцності 2  f (T) за відомими значеннями  2 при 293 К і при Tc , на якій за відомою експериментальною величиною критичної температури крихкості 5 T0 визначають міцність 2С при деформації ec  2% (фіг. 1) та, згідно з (2), механічну стабільність Kmsc металу при цій температурі. При побудові температурної залежності 2  f (T) використовують температурну залежність умовної межі текучості 0,2  f (T) , досліджену в [5] та модифіковану авторами для умов квазістатичного розтягнення у вигляді: 10   0,2 (T)  0,2 (293)  C1  exp(C2  C3  In)  T  C1  exp(C2  C3  In)  293 , (3) -1   де:  - швидкість деформації (при квазістатичному розтягненні:  =0,0004 с ; С3=0,000415 константа); 0,2 (293) - умовна межа текучості при 293 К; С1 - коефіцієнт, який характеризує 15 20 максимальну висоту термічно переборних бар'єрів; С2 - коефіцієнт, який залежить від щільності дислокацій та довжини дислокаційних сегментів [5]. В формулі (3) значення коефіцієнта С 2 залежить від величини пластичної деформації, що дозволяє використовувати її для побудови не тільки температурної залежності 0,2  f (T) , але й температурної залежності 2  f (T) при умові збереження величини коефіцієнта С1 (фіг. 1); 3) за отриманими даними визначають характеристики механічної стабільності: K ms , яка відображує загальний запас опору крихкості металу як такого; Kmsc , що відображує частину запасу опору крихкості, втраченого в умовах присутності в зразку КН, та, за своєю природою, є мірою окрихчуваності металу. Визначають також якісні показники металу:  міру механічної якості Kms металу за механічною стабільністю K ms при заданій міцності 0,2 [6]:  опт Kms  K ms / K ms ., (4) 25 опт де: K ms . - оптимальне (найвище) значення механічної стабільності КС при заданій міцності 0,2 на кривій оптимізації [6];  відповідно до (4), міру якості за окрихчуваністю Kms металу за механічною стабільністю Kmsc при заданій міцності 0,2С ,  опт Kmsc  K msc / K msc. , (5) 30 опт де: K msc. - оптимальне (найвище) значення механічної стабільності КС при заданій міцності 0,2С на кривій оптимізації. В [6] було показано, що систему взаємозв'язку властивостей КС "пластичність-міцністьмеханічна стабільність", яка описується за допомогою параболічних рівнянь регресії K  f (0,2 ) при умові K ms  const , можна розділити на два види поведінки механічних характеристик при 35 макс зміні міцності 0,2 : перший характеризується наявністю максимумів ( К ., макс. ) , а другий – 0,2 мин наявністю мінімумів ( К ., мин. ) на заданих рівнях K ms . Відповідно до цього: 0,2 для КС 1 -го виду поведінки механічних характеристик відкоректована авторами залежність опт параметра K ms . в (4) від міцності 0,2 має вигляд (фіг. 2): опт K ms .  a  In[b  c /(1  d   0,2 )m ] , (6) . -3 . -3 . -4 -1 40 де: а=-0,476; b=2,87 10 ; с=2,37 10 ; d=5,40 10 [МПа ]; m=-4,673 - емпіричні коефіцієнти; для КС 2-го виду поведінки механічних характеристик використовують залежність (6) з емпіричними коефіцієнтами: . -4 . -5 . -3 -1 а=-0,392; b=1,60 10 ; с=1,28 10 ; d=6,72 10 [МПа ]; m=-2,886 (7) 4) для визначення оптимальних величин міцності  опт . беруть значення міцності  2 металу 2 45 при деформації ec  2% для оптимізованих КС, що використовувались в [6] при побудові кривих оптимізації. Аналіз показав, що залежності  опт .  f ( 0,2 ) апроксимуються експоненціальною 2 функцією виду (фіг. 2): 5 UA 109974 C2 опт .  A1,2  exp(0,2 / B1,2 )  C1,2 , МПа , (8) 2 де: для КС 1-го виду: А1=5191,4; В1=6144,3; С1=5034,1; а для КС 2-го виду: А2=5585,0; В2=6519,3; С2=5379,8 - емпіричні коефіцієнти. опт Відповідно, для визначення показників K msc. і  опт . , в залежності (6) - (8) 2C 5 замість значень міцності 0,2 підставляють значення критичної міцності 0,2C при Tc або T0 . 5) за отриманими даними будують закономірності зміни конструкційної якості металу у   вигляді показника співвідношення двох мір якості Kmsc / Kms від співвідношення двох відповідних показників механічної стабільності K msc / K ms .   При побудові залежностей Kmsc / Kms  f (K msc / K ms ) враховують можливість збереження 10 15 20 або зміни належності КС до відповідного початкового (при Tвип.  293К ) та кінцевого (при Tc або T0 ) виду поведінки механічних характеристик. Таким чином, формують чотири можливих комбінації поведінки механічних характеристик металу або чотири видові переходи в умовах відсутності КН та дії КН: 1-1, 2-2 - у випадку збереження початкового (без КН) виду КС (1-го чи 2го) в кінцевих критичних умовах (під дією КН); 1-2, 2-1 - у випадку зміни початкового виду в кінцевих умовах. Закономірності зміни конструкційної якості металу (структурно-механічного окрихчення) в приведеному стані мають наступний вигляд (фіг. 3): опт опт K ms .  K msc.  0,2 / 0,2С  [ A  B  (0,2 / 0,2C )  C(0,2 / 0,2C )2 ] , (9) де: А, В, С - емпіричні коефіцієнти, що залежать від видового переходу КС (див. табл. 1). 6) далі будують закономірності зміни конструкційної міцності КС при деформації 2 % у вигляді показника співвідношення 2 / 2С з відповідним показником зміни умовної межі текучості 0,2 / 0,2С , нормованим на співвідношення оптимальних значень міцності опт . / опт . , 2 2С 25 також враховуючи принцип розподілу КС на види за характером поведінки їх механічних характеристик в умовах дії КН при температурі Tc або T0 та відсутності КН при температурі 293 К (фіг. 4):  2 /  2С  a  b  ( 0,2 /  0,2С )  ( опт . /  опт . )  c  [( 0,2 /  0,2С )  ( опт . /  опт . )] 2 , (10) 2 2С 2 2С де: а, b, с - емпіричні коефіцієнти, що залежать від видового переходу КС (див. табл. 1); 7) за отриманими залежностями (9) і (10) формують систему рівнянь, вирішення якої чисельними методами дозволяє розрахувати величину критичної міцності 2C при Tc або T0 для шуканої КС (фіг. 5): 30 опт M  K ms .; опт N  K msc.  2C  ( A  B  X)  C  X2 ) /  2 , (11)   де: Х  2 / 2С ; 2С  2 /(a  b  Y  c  Y 2 ), МПа ; Y  0,2 /  0,2С   опт . / опт . ; А, В, С, а, b, с 2 2С 35 емпіричні коефіцієнти, що залежать від видового переходу КС (див. табл. 1). Важливо зазначити, що відоме значення критичної міцності 2С дає змогу визначати інші критичні характеристики КС, що знаходиться під дією КН, а саме: умовну межу текучості 0,2С за залежністю (10) і механічну стабільність Kmsc за залежністю (2). З метою визначення видового переходу для шуканої КС використовують спеціальну . методику, яка заснована на використанні особливих критичних характеристик міцності кр2 і 0, пластичності кр. , що визначають умови належності цього сплаву до певних видів поведінки к 40 механічних характеристик при зміні його міцності від  2 до 2С в результаті дії КН. В [6] . встановлена залежність кр2  f (K ms ) , використання якої в оберненому вигляді дозволяє 0, визначити критичний рівень механічної стабільності K кр. , при якому відбувається зміна виду ms поведінки механічних характеристик КС: K кр.  lg[b /( 0,2  a)  1]  c , (12) ms 45 де: а=107,40, МПа; b=1128,80, МПа; с=1,79 - емпіричні коефіцієнти. Видовий перехід для шуканого сплаву визначають за принципом, представленим на фіг. 6 для КС 1-го початкового виду поведінки механічних характеристик. На фіг. 6 показано, що видовий перехід КС залежить від зміни її конструкційної якості в умовах концентрації напружень: збереження виду КС відбувається за умови, якщо рівень початкової міри механічної 6 UA 109974 C2   якості Kms і кінцевої міри якості за окрихчуваністю Kmsc при заданих рівнях міцності, відповідно, 0,2 і 0,2С , знаходяться в певних областях зміни конструкційної якості - в межах 5 області А (випадок КС "Y") або в межах області В (випадок КС "С"), що розмежовані залежністю (12) - крива 1 на фіг. 6. В цих випадках відбувається збереження виду поведінки механічних характеристик при зміні міцності 0,2 в результаті дії КН - видові переходи 1-1 або 2-2. Якщо   рівні початкової Kms і кінцевої Kmsc міри якості знаходяться в різних областях А і В (випадок КС "О"), то це призводить до зміни виду поведінки механічних характеристик при зміні міцності від 0,2 до 0,2С в результаті дії КН - видові переходи 1-2 або 2-1. 10 Спосіб визначення видового переходу для шуканої КС в умовах концентрації напружень полягає в наступному: принцип визначення кінцевого виду поведінки механічних характеристик КС не залежить від способу визначення критичної температури крихкості ( Tc , T0 або ін.) та початкового виду КС при Tвип.  293К ; 15 визначають початковий вид поведінки механічних характеристик шуканої КС за відсутності дії КН при Tвип.  293К згідно з методикою [6]; в залежності від початкового виду поведінки механічних характеристик шуканої КС, визначають критичні характеристики 0,2С , 2С і Kmsc в умовах дії КН для видового переходу 11 або 2-2 за допомогою запропонованого способу; якщо за результатами розрахунку маємо K ms  K кр. ; та K msс  K кр. ; (див. випадок "Y" на фіг. ms ms 20 6) або K ms  K кр. ; и K msc  K кр. (див. випадок "С" на фіг. 6), то належність до початкового виду ms ms поведінки механічних характеристик шуканої КС при величині міцності 0,2 збереглась і, кінцевий вид цієї сталі при 0,2С відповідає початковому, тобто маємо вірний розрахунок для 25 видового переходу 1-1 або 2-2; якщо за результатами розрахунку маємо K ms  K кр. , a K msс  K кр. (див. випадок "О" на фіг. ms ms 6), то належність до початкового виду поведінки механічних характеристик шуканої КС при величині міцності 0,2 не збереглась і, кінцевий вид цієї сталі при 0,2С не відповідає початковому, тобто треба повторити розрахунок для видового переходу 1-2 або 2-1. Для випадку, коли K ms  K кр. , а K msс  K кр. , визначення видового переходу проводиться аналогічно. ms ms 8) на завершення, за величиною критичної міцності 0,2С визначають критичну температуру 30 крихкості Tc або T0 , використовуючи температурну залежність 2  f (T) . розр Приклад визначення критичної температури крихкості TС . за розрахунковим значенням критичної міцності розр. для сталі FeMn (C) [2] наведений на фіг. 1. 2С В таблиці 2 наведені результати оцінки точності визначення критичної міцності КС расч. , 2С 35 40 при якій величина вибіркового стандарту складає: при дії КН типу K1 1,97 % з вірогідністю 0,958 в довірчому інтервалі ±4,0 %, а при дії КН типу К2 3,06 % з вірогідністю 0,950 в довірчому інтервалі ±6,0 %, що достатньо для практичного використання запропонованого способу. При цьому, абсолютне відхилення розрахункових значень критичних температур крихкості AT від експериментальних для КН типу К1 не перевищує ± 10 К, а для КН типу К2 не перевищує ± 15 К (див. табл. 2), що також є достатньо високим показником точності задля використання запропонованого способу на практиці. Важливо також відмітити, що точність регресії базових розрахункових закономірностей   Kmsc / Kms  f (K msc / K ms ) та  2 /  2С  f [( 0,2 /  0,2С )  ( опт . /  опт . )] , при якій залишкова дисперсія не 2 2С , 45 50 -5 перевищує значення 3 10 , а коефіцієнт кореляції не нижче 0,996, дозволяє віднести ці закономірності до розряду функціональних. Таким чином, запропонований спосіб дозволяє з достатньою для практичних цілей точністю визначати критичну температуру крихкості Tc або T0 для широкого кола конструкційних сталей за результатами відносно простих і дешевих випробувань на квазістатичний одновісний розтяг стандартних гладких зразків в інтервалі температур від 77 К до 293 К, тобто за даними базових механічних характеристик металу - 0,2 , B та  K . Крім цього, за допомогою запропонованого способу можна спрогнозувати критичні характеристики міцності 0,2С , 2С та механічної 7 UA 109974 C2 стабільності Kmsc металу, який знаходиться в умовах концентрації напружень та складного напруженого-деформованого стану, що робить даний спосіб більш інформативним. 5 10 15 Джерела інформації: 1. Патент України на корисну модель № 66722, МПК 06, G 01N 3/08, 3/14, 3/18, опубл. 10.01.12, 2012, Бюл. 1. 2. Smida Т., Babjak J., Dlouhy I. Prediction of fracture toughness temperature dependence from tensile test parameters // Kovove Mater.-2010, 48. - P. 1-8. 3. ASTM E 1921: Standard Test Method for Determination of Reference Temperature, To, for Ferritic Steels in the Transition Range. 2005. 4. Шиян А. В. Определение характеристик хрупкой прочности и механической стабильности конструкционных сталей // МТОМ.-2012, № 3-4, - С. 29-56. 5. Ярошевич В.Д., Рывкина Д.Г. Влияние структуры на активационные параметры процесса деформирования армко-железа при низких температурах // ФММ. 1971, Т. 31. вып. 6. - С. 12931298. 6. Шиян А. В., Котречко С. А., Мешков Ю. Я., Сорока Е.Ф., Носенко О.П., Федорова И.С. Методические основы оценки качества конструкционных сталей по их способности сопротивляться хрупкому разрушению при одноосном растяжении // МТОМ.-2014, № 2. -С. 5-28. Таблиця 1 Значення емпіричних коефіцієнтів в залежностях (9) та (10) для різних видових переходів досліджуваних КС Тип КН К1 К2 Видовий перехід 1-1 1-2 2-2 2-1 1-1 1-2 2-2 2-1 А 0,2561 0,0280 -0,2193 -0,1830 -0,2122 -0,0751 - 0,0505 - 0,3723 В 0,8608 1,5230 2,0293 2,2360 1,9139 1,6627 1,5672 2,6263 Емпіричні коефіцієнти С а 0,1149 0,3692 0,6015 0,3520 0,8170 0,3710 1,0725 0,2863 0,7039 0,3692 0,6423 0,3520 0,5176 0,3710 1,2758 0,2863 b 0,8262 0,8722 0,8186 1,0353 0,8262 0,8722 0,8186 1,0353 с 0,2020 0,1057 0,1968 0,4208 0,2020 0,1057 0,1968 0,4208 20 Примітка: К1 - концентратор напружень з радіусом r=0,25 мм. та кутом розкриття w=45°; К2 концентратор напружень - втомна тріщина. 8 UA 109974 C2 Таблиця 2 Результати визначення характеристик міцності розр. ( Tc ), розр. ( T0 ), критичних температур 2С 2С розр розр крихкості TС . , T0 . для КН типу К1, К2 та оцінки точності запропонованого способу КС [2] J X M V H І T А С Е N O Р S р КН типу К1 ( Tc )  експ. , 2С розр. , 2С МПа 950 1042 1095 1090 1115 1047 1012 446 720 880 609 764 688 663 1336 МПа 978 1023 1106 1101 1114 1011 1012 452 723 873 635 752 678 655 1319 Примітки:  , % 2,9 -1,8 1,0 1,0 -0,1 -3,4 0,0 1,3 0,4 -0,8 4,3 -1,6 -1,5 -1,2 -1,3 експ TС . , К 103 93 103 108 78 68 68 173 98 78 123 103 98 108 168 похибка КН типу К2 ( T0 ) розр TС . , K 97 99 98 104 78 78 68 170 97 81 114 107 101 109 178 T , К -6 6 -5 -4 0 10 0 -3 -1 3 -9 4 3 1 10 розрахункового  експ. , 2С розр. , 2С МПа 832 882 860 882 828 920 881 311 584 677 454 570 518 482 1237 МПа 861 886 874 869 861 893 883 329 569 686 478 583 520 500 1238 визначення , % 3,5 0,5 1,6 -1,5 4,0 -2,9 0,2 5,8 -2,6 1,3 5,3 2,3 0,4 3,7 0,1 експ T0 . , К 148 158 242 206 153 108 108 261 148 143 198 173 170 188 263 міцності розр T0 . , K T , К 133 154 230 216 140 117 107 245 156 141 182 162 166 176 256 розр. 2С -15 -4 -12 10 -13 9 -1 -15 8 -2 -15 -11 -4 -12 -7 відносно експериментального значення  експ. , T - абсолютне відхилення розрахункових значень 2С розр розр експ експ TС . , T0 . - від експериментальних TС . і T0 . ; КС [2]: "J" - 10Ch2MFA; "X" -15Ch2NMFAA; "M", "V" - 20CrNiMoV; "H" - CrMoV; "I", "T" - CrNi; "A" - Fe; "С", "Е", "N", "О", "р", "S" - FeMn; "P" Lo8CrNiMo ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 Спосіб визначення критичної температури крихкості конструкційної сталі (КС), при якому проводять випробування зразків з кільцевими концентраторами напружень (КН) типу Шарпі на одновісне розтягнення і визначення при цьому критичної температури крихкості Tc за умови 10 загальної текучості, стандартних гладких зразків на одновісне розтягнення при температурах 293 К і Tc та визначення при цьому базових механічних характеристик, а визначення критичної температури крихкості T0 проводять за методикою Майстер кривої шляхом випробувань зразків 15 типу SE(B) з втомною тріщиною на триточковий згин, який відрізняється тим, що проводять випробування зразків з різноманітними комбінаціями властивостей міцності та пластичності, при цьому для досліджуваних КС будують температурні залежності характеристик умовної межі текучості  0 , 2 та міцності пластичного металу  2 при критичному ступені деформації 2 %,  2 С при температурах крихкості Tc та T0 , за отриманими даними визначають характеристики механічної стабільності K ms і K msc та їх визначають їх критичні величини 0,2С і оптимальні величини 20  окрихчуваністю Kmsc значення міцності  опт опт  K ms . і K msс . , показники міри механічної якості  Kms і міри якості за металу, відповідно, в умовах відсутності КН та дії КН, оптимальні опт. 2 і опт  2С . при деформації 2 % для оптимізованих КС, після цього, враховуючи розподіл КС на види за характером поведінки їх механічних характеристик в умовах 9 UA 109974 C2 дії КН при температурі Tc або T0 та за відсутності КН при температурі 293 К, будують закономірності зміни конструкційної якості металу у вигляді показника співвідношення двох мір якості    Kmsc /  Kms K msc / K ms 5 та співвідношення від співвідношення двох відповідних показників механічної стабільності закономірності двох величин зміни конструкційної міцності  2 /  2С міцності при КС критичній співвідношення двох відповідних показників умовної межі текучості співвідношення відповідних оптимальних значень міцності у вигляді деформації показника 2% від  0, 2 /  0, 2С , нормованих на опт опт  2 . /  2С . , при цьому за отриманими залежностями та виміряними базовими механічними характеристиками шуканої КС розраховують критичну міцність 2С шуканої КС при Tc або T0 чисельними методами, за 10 величиною якої визначають критичну температуру крихкості Tc або T0 , використовуючи температурну залежність  2  f (T ) . 10 UA 109974 C2 11 UA 109974 C2 12 UA 109974 C2 13 UA 109974 C2 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 14