Спосіб визначення схильності металевих матеріалів до окрихчування

Спосіб визначення схильності металевих матеріалів до окрихчування, який включає випробування на ударний вигин надрізаних зразків при різних температурах, який відрізняється тим, що випробування проводять на зразках з гострим надрізом або попередньо наведеною тріщиною, одночасно випробовують зразки без надрізу на статичне розтягування і на підставі отриманих результатів визначають загальний рівень опірності матеріалу основним різновидам окрихчування у відповідності з формулою: RE = Ss × Sy × SKCV (T ) × SKCV( T ) -60 × K T , 2 3 71819 Ткрх - середнє значення температури в інтервалі в'язко-крихкого переходу матеріалу; 4 ТН крх - нижня температура крихкості матеріалу. Т В - верхня температура крихкості матеріалу; крх Винахід відноситься до області випробувань механічних та технологічних властивостей металевих матеріалів і може бути використаний в металургії, машинобудуванні та інших галузях промисловості які виготовляють промислову продукцію із металів та їх сплавів між собою та іншими елементами. Відомий спосіб визначення схильності металевих матеріалів до окрихчування [1,2] згідно з яким проводять випробування на ударний вигиб як найменше двох серій зразків з одного матеріалу після різних варіантів зміцнюючої обробки чи з різним вмістом домішаних елементів, або із різних матеріалів. Зразки з тупим надрізом випробовують при різних температурах (серіальні випробування). За результатами випробувань будують криві температурної залежності роботи удару або ударної в'язкості (серіальні криві) та виміряють на них відносне зменшення роботи руйнування при постійній наданій температурі. За допомогою способу неможливо визначити схильність до окрихчування яке супроводжується підвищенням порогу окрихчування (критичних температур крихкості) матеріалів, наприклад при збільшені розміру зерна в сталях. Найбільш близькими до пропонованого, прототипом, є способи визначення схильності до окрихчування які також базуються на проведені серіальних випробувань ударної в'язкості на зразках з тупим надрізом. За цими способами на серіальних кривих вимірюють зміщення температури при якій досягається певний рівень роботи ударного руйнування або наданий відсоток в'язкої складової на поверхні зламу зразків [1]. За допомогою цих способів неможливо визначити схильність матеріалу до окрихчування яке супроводжується зменшенням роботи удару у в'язкому стані тобто є наслідком в'язкого руйнування поміж зернами матеріалу. Крім того, використовуючи жоден з відомих способів, включаючи прототип, неможливо одночасно визначити схильність матеріалу до різних видів окрихчування які можуть спостерігатися на одному матеріалі під впливом декількох одночасно діючих факторів. Зокрема відомо, що збільшення розміру зерна приводить до підвищення порогу окрихчування сталей [3], в гой же час, підвищення концентрації домішок, схильних до утворення сегрегацій на межах зерен, а також наявність частинок других фаз, особливо на межах зерен, знижують [2] спротив сталей руйнуванню у в'язкому стані. Окрім цього, відомі способи не дозволяють визначити схильність матеріалів до водневого окрихчування яке взагалі не супро воджується зменшенням спротиву матеріалів руйнуванню в умовах дії динамічних навантажень [4]. Важливим також є те що всі відомі способи дають неточні значення параметрів які вимірюють задля визначення схильності матеріалів до окрихчування. Причина неточностей полягає в використанні зразків з тупим надрізом для проведення серіальних випробувань. Робота ударного руйнування таких зразків включає до себе роботу пластичного деформування к а зародження тріщини, яка у в'язкому стані матеріалів має великі значення та не f залежного від більшості чинників які викликають окрихчування матеріалу [3], присутносгі в сталях багатьох різновидів домішок; морфології частинок други х фаз та ін. В основу винаходу покладена задача розробити спосіб визначення схильності металевих матеріалів до окрихчування, у якому за рахунок нових дій досягається можливість кількісного вимірювання загального спротиву матеріалів основним різновидам окрихчування, що дозволить: об'єктивно оцінювати комплекс механічних та технологічних властивостей існуючих матеріалів виготовлених та оброблених за існуючими технологіями; обгрунтовано вибирати матеріали та те хнології за для підвищення якості промислових виробів; розробляти нові матеріали та технології задля отримання попередньо наданої якості або експлуатаційної ефективності. Для розв'язання поставленої задачі, у способі визначення схильності металевих матеріалів до окрихчування який вміщує в собі випробування на ударний вигиб при різних температурах надрізаних зразків, у відповідності з винаходом випробування проводять на зразках з гострим надрізом або попередньо наведеною тріщиною, одночасно випробовують зразки без надрізу на статичне розтягування і на підставі отриманих результатів визначають загальний рівень спротиву матеріалу основним різновидам окрихчувяння у відповідності з формулою: RE = Ss × Sy × SKCV( T ) × SKCV ( T )- 60 × K T (1) де S s - параметр, значення якого розраховують за формулою: ì( s02 - 3 × ss 02 ) якщо (s02 - 3 × Ss 02 ) > 0 ï Ss = í (2 ) sst 02 ï 0 якщо (s02 - 3 × Ss ) £ 0 î 02 s02 - середнє значення умовної межі течи матеріалу, МПа; 5 71819 Ss02 - стандартне відхилення показника s 02 , 6 ТВ крх - верхня температура крихкості матеріа МПа; лу; s st - контрольне значення показника s 02 згі02 дно з діючим стандартом використовується з метою контролю якості матеріалу, МПа; Sy - параметр, значення якого розраховують за формулою: ì ( y - 3 × sy ) якщо ( y - 3 × Sy ) > 0 ï Sy = í ( 3) y st ï 0 якщо ( y - 3 × Sy ) £ 0 î Т Н - нижня температура крихкості матеріалу. крх Винахід являє собою принципово нове рішення задачі визначення схильності металевих матеріалів до основних різновидів окрихчування які можуть бути викликані: збільшенням розміру зерна полікристалів, утворенням сегрегацій домішаних елементів та скупчень частинок других фаз на межах зерен, збільшенням об'ємної долі неметалевих включень, збільшеною концентрацією водню в металах та ін. Вказані різновиди окрихчування супроводжуються: підвищенням критичної температури крихкості, розширенням температурного інтервалу в'язко-крихкого переходу, зменшенням рівнів роботи удару у в'язкому та крихкому станах, зниженням межі течії та відносного звуження металів в напрямках поперек прокатування та вздовж товщини прокату. На відміну від існуючих, у даному способі одночасно виконують серіальні випробування на ударний вигиб з використанням зразків з гострим надрізом або готовою тріщиною, а також випробування на статичне розтягування, та вимірюють загальній спротив основним різновидам окрихчування за допомогою одного показника RЕ, досягнення високого рівня якого с можливим тільки за умови отримання високих, або, як найменше, середніх значень усіх без винятку характеристик, що контролюються. Вказана особливість запропонованого показника re дозволяє використовувати його в якості інтегральної характеристики усього комплексу головних експлуатаційних властивостей будь якого металевого матеріалу, які забезпечують його працездатність в умовах комплексної дії основних різновидів експлуатаційних факторів; статичних розтягуючих та динамічних згинаючих навантажень, а також низьких кліматичних температур. Спосіб здійснюється наступним чином. Зразки для проведення різних видів випробувань, передбачених запропонованим способом, виготовляють одночасно у відповідності з діючими стандартами з контрольних представників промислових виробів, продукованих з матеріалу схильність якого до окрнхчування визначається. Випробування на ударний вигиб при різних температурах та на статичне розтягування проводять у відповідності з існуючими стандартами одночасно для забезпечення тотожного стану матеріалу (мікроструктури; концентрації та розподілу домішок: водню, азоту та ін.) в умовах дії різних видів навантажень. Розрахунки відповідних показників: s 02 , y , а також ударної в'язкості у повністю в'язкому (KCV(T)), та крихкому (KCV(T)) станах матеріалу, проводяться згідно з існуючими стандартами на вказані випробування. Кількість зразків для проведення випробувань кожного виду повинна забезпечувати можливість розрахунків статистичних характеристик (середніх значень та стандартних відхилень) кожного показника у відповідності з формулами (2)...(5). За результатами серіальних випробувань ударної в'язкості будують серіальну криву матеріалу, за допомогою якої визначають значення температур y - середнє значення відносного звуження матеріалу, %; Ss02 - стандартне відхилення показника y , %; st y - контрольне значення показника y згідно з діючим стандартом, який використовується з метою контролю якості матеріалу, %; SRCV( T ) - параметр, значення якого розрахо вують зa формулою: ì (K CV (T ) - 3 × S KCV( T) ) ï SRCV( T) = í KCV (T )s t ï 0 î якщо (K CV (T ) - 3 × S KCV(T ) ) > 0 (4 ) якщо (K C V(T ) - 3 × S KCV(T ) ) £ 0 KC V(T ) - середнє значення ударної в'язкості на зразках з гострим надрізом (KCV) , або на зразках з тріщиною (KCT) при +20°C , мДж/м 2; SKCV( T ) - стандартне відхилення показника 2 KCV(T ) ,мДж/м ; st KCV(T ) - контрольне значення показника KCV(T ) згідно з діючим стандартом, який використовується з метою контролю якості матеріалу, мДж/м 2; SRCV( T ) -60 - параметр, значення якого розра ховують за формулою: ì (K CV( T) -60 - 3 × S - 60 ) KCV(T ) ï ï SRCV (T )-60 = í KCV(T ) -60st ï 0 ï î -60 якщо ( KCV( T ) - 3 ×SKCV (T )- 60 ) > 0 (5) якщо ( KCV( T )-60 - 3 ×SKCV (T )- 60 ) £ 0 - 60 KCV(T ) - середнє значення ударної в'язкості на зразках з гострим надрізом (KCV) , або на зразках з тріщиною (KCT) при -60°C , мДж/м 2; SKCV (T) -60 - стандартне відхилення показника KCV(T ) - 60 , мДж/м 2; KCV(T ) - 60st - контрольне значення показника - 60 KCV(T ) згідно з діючим стандартом, який використовується з метою контролю якості матеріалу, мДж/м 2; K T - температурний коефіцієнт спротиву руйнуванню, який розраховується за формулою: KT = 2 × (Tекс - Ткрх ) (Т В - Т Н ) крх крх (6 ) Tекс - температура експлуатації промислового виробу з матеріалу який випробовується; Ткрх - середнє значення температури в інтервалі в'язко-крихкого переходу матеріалу; 7 71819 8 них параметрів необхідних дія проведення розративостей, що безумовно забезпечить, на відміну хунків за формулою (6). При цьому використовувід інших досліджених варіантів зміцнення, найють номінальне або мінімально можливе значення більш ефективну роботу відповідної промислової температури експлуатації виробів з матеріалу який продукції в умовах комплексної дії головних різновипробовується. Значення параметрів що розравидів експлуатаційних факторів: статичних розтяховують за формулами (2)...(5), а також величину гуючих та динамічних згинаючих навантажень, а температурного коефіцієнту спротиву окрихчувянтакож низьких кліматичних температур. ню, що знаходять за формулою (6), підставляють у формулу (1) для визначення загального спротиву Таблиця 1 матеріалу основним різновидам окрихчування які супроводжуються: підвищенням критичної темпеРезультати випробувань механічних властиворатури крихкості, розширенням температурного стей прокату після термічного зміцнення за інтервалу в'язко-крихкого переходу, зменшенням різними технологічними варіантами. рівнів роботи удару у в'язкому та крихкому станах, зниженням межі течії та відносного звуження маВаріант техтеріалів. нології s 02 , y , % KCV, KCV60, Конкретний приклад використання запропоно2 термічного кДж/см кДж/см 2 МПа ваного способу наведений нижче для випадку визміцнення значення схильності до окрихчування товстолистового прокату відповідального призначення з 1 1015 71 1214,8 983 високоміцної сталі гину 18Х2Н4МФА після різних 1 1030 69 1333 837 варіантів його термічного зміцнення. Зразки для проведення випробувань, перед1 1050 72 1304 622 бачених запропонованим способом, були вирізані у напрямку поперек прокатування із заготівок, які 1 1043 68 1258,1 652 попередньо пройшли термічну обробку за різними технологічними варіантами у напівпромислових 2 1038 69 1392 828,1 умовах. Випробування на ударний вигиб при різних температурах проводилися на зразках з гост2 1042 69 1265,5 889 рим надрізом (тип 11) згідно з ГОСТ 9454-78. Од2 1024 69 1333 818 ночасно виконували статичне розтягування у відповідності з ГОСТ 1497-84 на 5-кратних зразках 3 781 70 1488,9 1105,7 з діаметром робочої частини 5мм (тип ІІІ, №7). Результати випробувань на статичне розтягування 3 972 70 1840 1864,9 та значення ударної в'язкості сталі у повністю в'язкому (+20оC) та крихкому (-60оС) станах, зведені 3 720 68 1570 844,4 до табл.1. Вихідні данні для проведення розрахун3 876 66 1874 943,5 ків за формулою (6) та значення температурною коефіцієнту спротиву окрихчуванню, КТ, наведені в 4 996 63 1333,3 622,2 табл.2. Як показує табл.2, найбільш високі значення КТ сталь отримує після термічного зміцнення за 4 1007 66 1481,5 760,7 варіантом 5, який забезпечує найбільш низький поріг холодноламкості сталі та вузький температу4 1029 65 1333,3 603 рний інтервал в'язко-крихкого переходу. Результати визначення загального спротиву товстолисто4 1014 64 2013,8 931,7 вого прокату окрихчуванню після різних 4 1026 63 1600 660 досліджених варіантів термічного зміцнення наведені в табл.3. Як видно з цієї таблиці, найбільш 4 1021 68 1490,7 619,2 високий рівень RЕ=1,68 забезпечує термічне зміцнення за варіантом 1. Після обробки прокату за 4 969 61 1452,1 559 цим варіантом сталь отримує достатньо високі середні значення показників механічних властиво4 999 69 1602 703,7 стей що контролюються ( Xi ), а також вузькі інтер5 940 67 1342,3 914 вали їх коливань, ( Xi ± 3 × SXi ), що у відповідності з 5 994 70 1599,5 1267,8 загальноприйнятим правилом "6ок - сигм" [5], також є важливим показником якості промислової проду5 940 66 1039,3 733,5 кції. Окрім того, досягаються досить низькі усі характерні температури вязко-крихкого переходу, а 5 1003 67 1562,7 1125,9 також вузький інтервал цього переходу. Таким чином, термічне зміцнення товстолисВимоги стан³ 988 ³ 64 ³ 1120 ³ 260 тового прокату за варіантом 1 забезпечує досягдарту нення значень вcix без виключення показників, що контролювалися, на достатньо високих рівнях. Інакше кажучи, за цим варіантом технології зміцнення сталь отримує оптимальний комплекс влас 9 71819 10 Таблиця 2 1 0 40 -10 -60 1,60 Температури експлуатації та в'язко-крихкого переходу товстолистового прокату і температурний коефіцієнт спротиву окрихчуванню сталі 2 0 -10 20 -40 0,33 3 0 45 -20 -70 1,80 4 0 -20 20 -60 0,50 5 0 -55 -35 -75 2,75 Варіант технології термічного зміцнення Tekc TkpxB T kpx Tkpx H о С KT Таблиця 3 Вихідні донні та результати розрахунків спротиву окрихчуванню товстолистового прокату з високоміцної сталі типу 18 Х2Н4МФА після різних варіантів термічного зміцнення. Вар. техs - 3 × Ss 02 нол,тер 02 ,МПа м. зміцн. ( ) f (s ) ( y - 3 × S y ) , 02 % f (y ) (KCV - 3 × SKCV ) , кД/к/см 2 f (KCV ) (KCV ) ( w - 3 × SKCV w , f KCV 60 кДж/см 2 ) RE 1 988,30 1,00 64,60 1,01 1122,00 1,00 269,20 1,04 1,68 2 1006,20 1,02 69,00 1,08 1140,00 1,02' 729,50 2,81 1,05 3 507,00 0,51 62,50 0,98 1114,00 0,99 0,00 0,00 0,00 4 947,00 0,96 57,90 0,90 885,80 0,79 326,60 1,26 0,43 5 867,00 0,88 62,30 0,97 613,50 0,55 305,60 1,18 1,52 Спосіб на відміну від існуючих, дозволяє більш повно та об'єктивно оцінювати якість промислових виробів, виготовлених із існуючих матеріалів за існуючими технологіями. Тобто, спосіб дає можливість врахувати та кількісно виміряти одночасний вплив багатьох факторів на поведінку промислової продукції в процесі її експлуатації. Пропонований спосіб дозволяє науковообгрунтовано вибирати та розробляти нові матеріали та технології за для підвищення або отримання попередньо наданої експлуатаційної ефективності або якості виробів. Джерела відомості. Комп’ютерна в ерстка Г. Паяльніков 1. Охр упчивание конструкционных статей и сплавов. Под ред. Брайента К., Бенержи С. - М.: Металлургия, 1988. 552с. 2. Мак-Ма хон С. Дж. Проблемы разработки сталей для сосудов давления. В кн. Проблемы разработки конструкционных сплавов. Пер. с англ. М., Ме таллургия, 1980, с. 155-176. 3. Пикеринг Ф.Б. Физическое металловедение и разработка сталей. – М., Металлургия, 1982. 184с. 4. Шпен X., Влияние водорода на вязкость и рост трещины. В кн. Статическая прочность и механика разрушения сталей. Пер. с нем. М., Металлургия, 1986, с.423 – 449. 5. Боровиков В. Statistica: искусство анализа данных на компьютере. СПб.: Питер.2001, 656с. Підписне Тираж 37 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601