Спосіб визначення оптимальних значень характеристик крихкого руйнування конструкційної сталі

Спосіб визначення оптимальних значень характеристик крихкого руйнування конструкційної сталі, при якому проводять випробування стандартних гладких циліндричних зразків на одновісний розтяг при температурах в інтервалі від 4 К до 293 К, визначення основних механічних характеристик металу, характеристик крихкої міцності, механічної стабільності та оптимальної механічної стабільно 3 65846 Найбільш близьким за технічною суттю та результатом, що досягається, до способу, що заявляється, є спосіб визначення оптимального значення однієї з характеристик крихкого руйнування, а саме оптимальної механічної стабільності консопт трукційної сталі K ms . , при якому проводять випробування стандартних гладких циліндричних зразків на одновісний розтяг при температурах в інтервалі від 4К до 293К, визначення основних механічних характеристик сплаву та характеристик крихкої міцності RMC і механічної стабільності Kms з наступною побудовою узагальненої діаграми взаємозв'язку властивостей "пластичність -міцність механічна стабільність", яка обмежена кривою оптимізації, що характеризує оптимальні сполучення властивостей пластичності κ, міцності 02 і механічної стабільності Kms [3]. Разом з тим, спосіб визначення оптимального значення тільки характеристики механічної стабіопт льності K ms . конструкційної сталі шляхом побудови узагальненої діаграми взаємозв'язку властивостей "пластичність - міцність - механічна стабільність" та кривої оптимізації за прототипом має наступний суттєвий недолік - неможливість прямого визначення оптимальних значень таких характеристик крихкого руйнування, як крихка міцність та критична температура в'язко-крихкого переходу, що робить цей спосіб недостатньо інформативним. В основу корисної моделі покладено задачу вдосконалення способу визначення оптимальних значень характеристик крихкого руйнування конструкційної сталі шляхом введення приведеного значення механічної стабільності Kпр. , яке харакms теризує ступінь перевищення величини оптимальопт ної крихкої міцності RMC. над величиною крихкої міцності вибраного металу RMC при критичній температурі в'язко-крихкого переходу гладкого зразка TBK . Таким чином, величину Kпр. розраховують ms за відомою формулою як оптимальну механічну стабільність сплаву при відповідному значенні міцності 02 в точці TBK. Для визначення міцності сплаву 2 при пластичній деформації e=2 % в точці TBK будують температурну залежність 2(Τi) у відповідності до температурної залежності умовної границі текучості 2(Τi). Після цього визначають величину оптимальної крихкої міцності конструкопт RMC. Kпр. ms ційної сталі за величинами 2(ΤΒΚ) та при температурі в'язко-крихкого переходу гладкого зразка TBK. Далі визначають оптимальне значення міцності сплаву опт . при пластичній деформації 2 e=2 % для кімнатної температури випробувань 293К за відомою формулою: опт .  2 опт RMC. опт Кms . та будують температурну залежність цієї характеристики до перетину з рівнем оптимальної кри опт хкої міцності RMC. . Точка перетину температурної 4 опт залежності опт . Ti  з рівнем RMC. дає оптимальне 2 значення критичної температури вязкокрихкого переходу гладкого зразка конструкційної сталі опт TВК . . Поставлена задача вирішується тим, що у відомому способі визначення оптимальних значень характеристик крихкого руйнування конструкційної сталі, при якому проводять випробування стандартних гладких циліндричних зразків на одновісний розтяг при температурах в інтервалі від 4К до 293К, визначення основних механічних характеристик металу, характеристик крихкої міцності, механічної стабільності та оптимальної механічної стабільності, згідно з корисною моделлю визначають приведене значення механічної стабільності за величиною міцності при температурі в'язкокрихкого переходу, будують температурну залежність міцності сплаву при пластичній деформації 2 %, після чого визначають рівень оптимальної крихкої міцності конструкційної сталі за величинами міцності сплаву при пластичній деформації 2 % та приведеного значення механічної стабільності в точці в'язко-крихкого переходу, далі визначають оптимальне значення температури в'язко-крихкого переходу гладкого зразка в точці перетину температурної залежності оптимального значення міцності сплаву при пластичній деформації 2 % з рівнем оптимальної крихкої міцності. За рахунок визначення введеного автором приведеного значення механічної стабільності Kпр. запропонований спосіб дозволяє отримати ms повну інформацію про значення характеристик крихкого руйнування конструкційної сталі шляхом визначення не тільки оптимальної механічної стаопт більності K ms . , але й оптимальних значень крихопт кої міцності RMC. та критичної температури в'язкоопт крихкого переходу гладких зразків TВК . . При цьому використовують експериментальні значення основних механічних характеристик сплаву, а саме: умовної границі текучості 0.2 ; міцності сплаву σ2 при пластичній деформації 2 %; відносного звуження після руйнування зразка κ; характеристики механічної стабільності гладкого зразка Kms; показника деформаційного зміцнення n. Після цього визначають приведене значення механічної стабі льності Kпр. , яке характеризує механічну стабільms ність сплаву оптимальної (найвищої) якості по відношенню до механічної стабільності вибраного сплаву з тим же показником міцності 0.2 в точці в'язко-крихкого переходу гладких зразків Твк, тобто ступінь перевищення величини оптимальної крихопт кої міцності RMC. над величиною крихкої міцності вибраного металу RMC при критичній температурі в'язко-крихкого переходу гладкого зразка Твк. Далі будують температурну залежність міцності сплаву 2(Τi) при пластичній деформації 2 % у відповідності до температурної залежності умовної границі текучості 0.2 (Ti), беручи за основу отриману за 5 лежність 2 TBK  2 65846 293  0.2 TBK   0.2293  6 ко-крихкого переходу гладкого зразка конструкцій . Згідно опт ної сталі TВК . . Корисна модель пояснюється графіками і таблицєю, а саме: в таблиці 1 наведені результати визначення основних механічних характеристик 0.2 ,  2 ; характеристик крихкого руйнування RMС, Kms, TBK, приведеного значення механічної стабільності температурної залежності 2(Τi) визначають рівень оптимальної крихкої міцності конструкційної сталі опт RMC. за величинами 2 TBK  та Kпр. в точці криms тичної температури в'язко-крихкого переходу гладкого зразка TBK. На завершення визначають опти мальне значення міцності сплаву опт . при 2 пластичній деформації 2 % при кімнатній температурі 293К та будують температурну залежність цієї характеристики до перетину з рівнем оптимальної Kпр. та оптимальних значень характеристик крихms опт опт кого руйнування RMC. , Kпр. і TВК . для деяких з ms досліджених конструкційних сталей (дані наведені по мірі підвищення міцності 0.2 ). опт крихкої міцності RMC. . Точка перетину температуопт рної залежності опт . Ti  з рівнем RMC. визначає 2 оптимальне значення критичної температури в'яз Таблиця 1 Сталі і сплави Х75 (ЗШ) 15ГБ 09Г2 40Х 10ГН2МФА 20ХГС2 15×2НМФА 35ХМФА АК-35 15×2МФА 20Х 40С2Х  0 .2 , МПа 361 368 378 460 480 540 760 770 1027 1100 1150 1560 2 , МПа 591 519 527 741 631 773 914 952 1207 1257 1270 2066 RMС МПа Kms TBK K Kпр. ms 866 675 711 1054 925 1000 1384 1086 1687 1480 1356 2454 1,465 1,301 1,349 1,422 1,466 1,294 1,514 1,141 1,398 1,177 1,068 1,188 61 85 80 68 72 69 42 80 37 86 63 9 1,865 1,955 1,917 1,778 1,729 1,761 1,368 1,655 1,225 1,354 1,434 1,113 опт RMC. МПа 1615 1320 1363 1874 1599 1761 1893 1797 2067 2004 1944 2731 опт K ms . 2,068 2,063 2,055 1,988 1,972 1,922 1,739 1,731 1,531 1,480 1,446 1,222 опт TВК . K -22* 3 0 -33* -12* -20* -13* -4* -5* 8 20 -16* Примітка: * - умовні значення На Фіг.1 зображені температурні залежності опт . 2 характеристик 02, 2, реакторної сталі 15 × 2НМФА та схема способу визначення приведеного значення механічної стабільності Kпр. і оптимальms них значень характеристик крихкого руйнування: опт опт опт RMC. , K ms . і TВК . . на фіг.2 зображена залежність 0.2 TBK  2 TBK   , де 0.2 TBK  і 293  2 0.2293  0.2 TBK  - міцність сплаву при пластичній деформації е=2 % і умовна границя текучості при критичній температурі в'язко-крихкого переходу гладкого зразка конструкційної сталі TBK відповідно; 2(293) і 0,2(293) - ті ж самі характеристики при кімнатній температурі випробувань ТВИП.=293К. Запропонований спосіб реалізується наступним чином. З метою побудови залежності 0.2 TBK  2 TBK   матеріали для 293  2 0.2293  досліджень добирали за принципом широкого охоплення різноманітних комбінацій властивостей міцності та пластичності конструкційних сталей, при цьому діапазон характеристик міцності складав: від σ0,2=300 МПа до σ0,2=2000 МПа, а діапазон характеристик пластичності складав 80.0%  K  10.0% . Крім цього, в якості об'єктів досліджень використовували зварні шви, виконані із застосуванням різних технологій зварювання, спеціальні конструкційні сталі, що використовуються в ядерній енергетиці, а також конструкційні сталі, що використовуються в криогенній техніці. У деяких випадках змінювали також і режими термічної обробки сталей та температури випробувань в діапазоні 77K  Tвип.  293К . Всього в цих дослідженнях використовували результати випробувань стандартних гладких циліндричних зразків на одновісний статичний розтяг більш ніж 50-ти видів сталей та сплавів. Проводять випробування на розтяг вздовж однієї осі стандартних гладких циліндричних зразків та визначають основні механічні характеристики при різних температурах випробувань в інтервалі 77K  Tвип.  293К , такі як: κ – відносне звуження після руйнування зразка; 0.2 - умовна границя текучості;  2 - міцність сплаву при пластичній де 7 65846 формації 2 %; n - показник деформаційного зміцнення. Характеристики крихкої міцності RMC та механічної стабільності Kms визначають експериментальним шляхом або розраховують за відомими залежностями при Твип=293К, після чого визначають величину оптимальної механічної опт стабільності K ms . при заданій міцності 0.2 . Визначення оптимальних значень характеристик крихкого руйнування конструкційної сталі проводять наступним чином: - значення характеристики механічної стабільності Kms при Твип 293К визначають експериментальним шляхом за відомою залежністю [3]: RMC Kms  , 0.2  10n або розраховують за відомою формулою [4]: K ms  10p , . a  lg K  b p n c  lg K стабільності Kпр. (фіг. 1) як оптимальну механічну ms стабільність при величині міцності 0.2 при температурі в'язко-крихкого переходу гладкого зразка TBK за відомою формулою [3]:  1 пр a  K .  b пр K .  c опт RMC.  Kпр.  RMC ms - значення оптимальної механічної стабільносопт ті K ms . (293) при величині міцності 0.2 при температурі Твип=293К розраховують за формулою (1), опт пр опт замінюючи Kпр. на K ms . та K . на K . , а темms опт пературну залежність K ms . (Ti) будують, підставляючи формулу (2) у вираз (1). - після цього визначають оптимальне значення міцності сплаву 2 (293) при пластичній деформації e=2 % при кімнатній температурі випробувань 293К через оптимальну крихку міцності конструк опт ційної сталі RMC. , визначену за формулою (4), використовуючи відому залежність [3]: опт . 293  2 опт RMC. опт . Kms 293   та будують температурну залежність цієї хара де: a=0.164; b=0.15; c=1.95. - визначають приведене значення механічної K пр. ms 8 , де:а=0,086;b=1,310; с=89,478; b пр K .  a  , 1 c  0.2 d де: а=84,52; b=1,42; с=0,0001 [1/МПа]; d=-19,58, для цього будують температурну залежність міцності 0.2 Ti  , використовуючи відому формулу [5]: 0.2 Ti   0.2 293  a  expb  Ti   c, де а=1033; b=- 0,0102; с=49,6 та температурну залежність міцності сплаву 2 Ti  при пластичній деформації 2 % згідно отриманої залежності (фіг. 2) при умові Твк=Т; за формулою:   T   2 Ti   2 293  A  B 0.2 i , 0.2 293   де температурну залежність 2 Ti  розраховують згідно формули (2); А=0,3826; В=0,6735. - визначають оптимальну крихку міцність консопт трукційної сталі RMC. за величинами 2 TBK  та Kпр. при ms критичній температурі в'язко-крихкого переходу гладкого зразка TBK, як ступінь перевищення величини оптимальної крихкої міцності опт RMC. над величиною крихкої міцності вибраного сплаву RMC (фіг. 1) за формулою: ктеристики опт . (Ti) до перетину з рівнем оптима2 опт льної крихкої міцності RMC. , використовуючи формулу (3). - точка перетину температурної залежності опт опт . (Ti) з рівнем RMC. визначає оптимальне зна2 чення критичної температури в'язко-крихкого пеопт реходу гладкого зразка конструкційної сталі TВК . Таким чином, запропонований спосіб дає можливість прямого визначення оптимальних значень усіх характеристик крихкого руйнування – крихкої міцності, механічної стабільності та критичної температури в'язко-крихкого переходу, тобто є повністю інформативним щодо оцінки властивості опірності крихкості даної конструкційної сталі в певних умовах експлуатації, що є важливим для інженерних та технологічних потреб. Джерела інформації:: 1. Копельман Л.А. Сопротивляемость сварных узлов хрупкому разрушению. - Л.: Машиностроение, 1978. - С.42. 2. Мешков Ю.Я., Пахаренко Г.А. Структура металла и хрупкость стальных изделий. - Киев: Издво „Наукова думка", 1985. - С.82. 3. Науковий твір "Оптимизация свойств пластичности, прочности и механической стабильности сталей и сплавов в виде обобщенной диаграммы", автори: Мешков Ю.Я., Котречко CO., Шиян А.В., Стеценко Н.М. Свідоцтво про реєстрацію авторського права № 39291 від 22.07.2011 /Україна/. Опубл. бюл. № 25, С. 3, 6, 11-14. 4. Ю.Я. Мешков, С.А. Котречко, А.В. Шиян, Н.Н. Стеценко Физические основы методики определения хрупкой прочности и механической стабильности сплавов на основе железа при комнатной температуре // Металлофизика и новейшие технологии, 2011, т. 33, № 4, С. 1001-1017. 5. Zerilli F.J. and Armstrong R.W. Dislocation mechanics-based constitutive relations for materials dynamics calculations// J. Appl. Phys. 1987, vol. 65, N 5, p. 1816-1825. 9 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 65846 Підписне 10 Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601