Спосіб визначення характеристик крихкого руйнування конструкційних сталей

Спосіб визначення характеристик крихкого руйнування конструкційних сталей, при якому проводять розтягування стандартного гладкого циліндричного зразка повздовж однієї осі при кімнатній температурі (+20°С) зі створенням напруженого стану, що забезпечує окрихчення сталі, визнача ють значення основних механічних характеристик металу та розраховують значення крихкої міцності RMC та механічної стабільності K ms, який відрізняється тим, що значення крихкої міцності RMC та механічної стабільності Kms визначають шляхом розрахунку згідно з фізично обґрунтованими залежностями для кімнатної температури випробувань: Винахід відноситься до галузі дослідження механічних властивостей твердих матеріалів, а саме визначення рівня крихкої міцності та механічної стабільності конструкційних сталей за допомогою випробувань на одновісний розтяг при кімнатній температурі +20°С. Відомий спосіб визначення крихкої міцності RМС та механічної стабільності Kms конструкційних сталей шляхом розтягування гладких циліндричних зразків при температурах, близьких до температури киплячого азоту (-196°С), коли зразок втрачає пластичність до критичного рівня деформації в місці розриву   2% при руйнуванні. Цьому рівню пластичності (е = 2%) відповідає мінімальне напруження в зоні крихкого руйнування, яке називається опором мікросколу або крихкою міцністю RMC. У випадках, коли при температурах випробу вання залишкова деформація в «шийці» трохи (до 15 - 20%) перевищує критичну 2%, використовують отримані при таких випробуваннях значення дійсного напруження в шийці SK (SK >RMC). При цьому, рівень RMC визначають шляхом екстраполяції поточних значень напруження в шийці SK на значення, відповідне критичній деформації є = 2%. Рівень напруження в шийці SK при цій деформації приймається рівним величині крихкої міцності RМС.· Після цього розраховують значення механічної R стабільності Kms за формулою:  ms  MC , де σ2 2 розр RМС .  0,2  10m ,   lg  1  p  0,2  0,164  lg k  0,15       m  1    2,7  lg ln 1   1,95  lg k p ,       розр. ms  p  10 ,   lg  1  p  0,164  lg k  0,15  0,2   , p   1,95  lg k 2,7  lg ln 1  p - міцність пластичного металу при критичній деформації е = 2% [1]. Недоліком даного способу є наступне: значення крихкої міцності RMC для стальних сплавів з високим рівнем пластичності визначають за відно (13) 95870 σ0,2 - умовна границя текучості; σΒ - границя міцності. (11) де:  k - відносне звуження після руйнування зразка;  p - відносне рівномірне видовження зразка; C2  UA   (19)  3 95870 сним звуженням в місці руйнування («шийці») ψ при температурах, близьких до -196 °С та залишковою пластичною деформацією значно вище 2 %, а це робить метод екстраполяції та інші подібні методи математичних розрахунків для гладких зразків неефективними тому, що вони несуть в собі значні похибки. Відомий також спосіб визначення характеристик RМС та Kms конструкційних сталей, при якому проводять розтягування стандартного гладкого циліндричного зразка з кільцевим концентратором повздовж однієї осі зі створенням регламентованого напруженого стану, який забезпечує окрихчення сталі, при різних температурах в інтервалі температур вище -196 °С, а значення крихкої міцності RMC визначають за величиною середнього номінального напруження руйнування σNF при значенні залишкової деформації в місці розриву  , яке дорівнює 2% [2]. Разом з тим, спосіб визначення крихкої міцності та механічної стабільності за цим способом має наступні недоліки: а) складність, тривалість в часі та висока вартість виготовлення дослідних зразків з кільцевими концентраторами; б) неможливість визначення крихкої міцності RMC та механічної стабільності Kms конструкційних сталей з високим рівнем пластичності при кімнатній температурі випробувань +20 °С. Найбільш близьким за технічною суттю та результатом, що досягається, до способу, що заявляється, є спосіб, що дозволяє відносно швидко проводити розрахунки RМС тa Kms за результатами лабораторних випробувань стандартних гладких циліндричних зразків на одновісний розтяг в інтервалі температур не нижче -196 °С, у тому числі і при кімнатній температурі +20 °С. За цим способом значення крихкої міцності RMC визначають шляхом розрахунку згідно з фізично обґрунтованою залежністю для заданої температури випробувань: розр RМС .  0,2  10nlgeекв.  , (1) де: n - показник деформаційного зміцнення; 0,2 - умовна границя текучості; e eекв.  екв. 0,002 - приведене значення еквівалентної деформації.  S  lg    0,2   n  (2)  ep   lg  0,002    SB - дійсне напруження на границі міцності:  (3) SΒ = σΒ·(1 + p ) ер - дійсна рівномірна деформація: еp = ln(1 +  p ) (4) σΒ - границя міцності;  p - відносне рівномірне видовження зразка. Рівень напруження розтягу, що визначає крихку міцність RMC конструкційних сталей, досягається 4 за рахунок деформаційного зміцнення. У зв'язку з цим, введено поняття «еквівалентної» деформації еекв., при якій, за рахунок деформаційного зміцнення, значення напруження розтягу може досягнути значення RMC при температурах, вищих -196 °С, в тому числі, при +20 °С [3]. Відповідно, значення механічної стабільності буде розраховуватись за формулою:  розр.  ms розр RМС .  0,2  10n . (5) Разом з тим, спосіб визначення крихкої міцності RMC та механічної стабільності Kms за прототипом має наступні недоліки: а) необхідність ранжування конструкційних сталей за показниками σ2 та n; б) наявність великої кількості «категорій» при ранжуванні; в) відносно низька точність розрахунків, особливо при температурі випробувань +20 °С. В основу винаходу поставлено задачу вдосконалення способу визначення рівня крихкої міцності та механічної стабільності конструкційних сталей шляхом створення фізично обґрунтованої методики, що дозволяє швидко проводити розрахунки RMC та Kms за результатами лабораторних випробувань стандартних гладких циліндричних зразків на одновісний розтяг при кімнатній температурі +20 °С. Поставлена задача вирішується тим, що у відомому способі визначення характеристик крихкого руйнування конструкційних сталей, при якому проводять розтягування стандартного гладкого циліндричного зразка повздовж однієї осі при кімнатній температурі (+20 °С) зі створенням напруженого стану, що забезпечує окрихчення сталі, визначають значення основних механічних характеристик металу та розраховують значення крихкої міцності RMC та механічної стабільності Kms, згідно з винаходом, значення крихкої міцності RMC та механічної стабільності Kms визначають шляхом розрахунку згідно з фізично обґрунтованими залежностями для кімнатної температури випробувань: розр R МС .   0,2  10m ,   lg  1   p   0,164  lg  k  0,15    0,2     m  1    2,7  lg ln 1   1,95  lg  k p       розр. ms  p  10 ,   lg  1   p  0,164  lg  k  0,15   0,2    p  1,95  lg  k 2,7  lg ln 1   p     , де:  k - відносне звуження після руйнування зразка;  p - відносне рівномірне видовження зразка; σ2 - умовна границя текучості; σΒ - границя міцності. Випробування стандартних гладких циліндричних дослідних зразків при кімнатній температурі +20 °С та розрахунок значень крихкої міцності RMC та механічної стабільності Kms за методикою винаходу дає можливість більш швидкого визначення 5 95870 крихкої міцності та механічної стабільності конструкційних сталей з більш високою та достатньою для лабораторних умов точністю, при цьому випробування проводяться при кімнатній температурі, що не потребує коштовного та громіздкого кріогенного обладнання. Винахід пояснюється графіком: Фіг.1 - залежність виду lg eекв.  lg k в логарифмічних координатах:  - експериментальні дані; крива 1 - апроксимація залежності lg eекв.  lg k ; крива 2 - асимптота вздовж осі X; крива 3 - асимптота вздовж осі Y. В таблиці Додатку до опису винаходу наведені розр результати визначення RМС . ,  розр. при Твипр = ms +20 °С та оцінка похибки визначення цих характеристик з використанням способу, що заявляється експ експ ( RМС . та  ms . - експериментальні дані крихкої міцності та механічної стабільності). Спосіб реалізується наступним чином. Проводять розтягування зразка повздовж однієї осі при кімнатній температурі +20 °С, при цьому використовують стандартні гладкі циліндричні зразки. Для визначення розрахункових значень крихрозр кої міцності RМС . та механічної стабільності  розр. ms здійснювали наступні математичні перетворення. З огляду на (3) і (4) показник деформаційного зміцнення буде мати вигляд:   lg  1   p  (6)   0,2    n 2,7  lg ln 1   p     Таким чином, з огляду на (1), (5) та (6), отримуємо загальні залежності для розрахунку крихкої міцності та механічної стабільності у наступному вигляді: розр R МС .   0,2  10m , m  lg e екв.  розр.  ms    (7)  формації e екв. від залишкового відносного звуження гладкого циліндричного зразка K, можна представити у наступному вигляді: 0,164  lg k  0,15 lge екв.  1  (9) 195  lg k , , що дає змогу, з огляду на (7) та (8), отримати кінцеві рівняння для розрахунку крихкої міцності розр R МС . та механічної стабільності  розр . конструкms ційних сталей за основними результатами лабораторних механічних випробувань на одновісний розтяг стандартних гладких циліндричних зразків при кімнатній температурі +20 °С практично в усьому реально існуючому діапазоні змін K (від 10% до 81% включно):   lg  1   p   0,2  0,164  lg  k  0,15       m  1    2,7  lg ln 1   1,95  lg  k p      (10)  розр.  10p , ms   lg  1   p    0,2    1  2,7  lg ln 1   p  lg eекв. = 1.0, тобто,. еекв = 2%, що, згідно з [1], є фізично обґрунтованою границею залишкової деформації для конструкційних сталей при досягненні значення крихкої міцності RMC. 3. Суть коефіцієнтів, що характеризують залежність 1 на графіку, наступна: a = 1,0 (еекв = 2%) - обумовлює значення асимптоти 2 вздовж осі X; b = 1.95 (K  89.2%) - обумовлює значення асимптоти 3 вздовж осі Υ; а вираз с'х – с’’ = 0.164х - 0.15 - є радіусом кривизни гіперболи 1 в розрахунковій точці у. Таким чином, рівняння (9), що описує функціональну залежність приведеної еквівалентної де  R MC  10p , 2 p  lge екв. значенню крихкої міцності RMC. У наведеному на графіку інтервалі значень пластичності K = 10% 81% та міцності σ02 = 160 МПа -2205 МПа залежність на графіку може бути апроксимована гіперболічною функцією, що має вигляд: c x  c  y a . bx Особливість отриманої залежності у тому, що: 1. Вона інваріантна до різних комбінацій властивостей міцності та пластичності конструкційних сталей та режимів їх термічної обробки. 2. Асимптота 2 вздовж осі X має значення розр R МС .   0,2  10m ,   lg  1   p    0,2     2,7  lg ln 1   p  6    (8)  Згідно з експериментальними даними, що наведені на фіг.1, має місце зв'язок між двома характеристиками пластичності металу - граничною пластичністю при руйнуванні зразка в «шийці» K та значенням еквівалентної деформації еекв. При цьому, еекв визначає рівень пластичної деформації, при якому за рахунок деформаційного зміцнення рівень напружень розтягу σe в металі дорівнює   lg  1   p  0,164  lg  k  0,15   0,2    p  1,95  lg  k 2,7  lg ln 1   p    (11)  . Отримані залежності (10) і (11) дають змогу розр . розр визначати значення R МС . та  ms з точністю, при якій відносна похибка складає:   9.5% , а її середнє значення = 2.6% (див. Таблицю Додатку), що достатньо для оціночних інженерних розрахунків при відборі (ранжуванні) та класифікації конструкційних сталей. 7 Література: 1. Котречко С.А., Мешков Ю.Я. Предельная прочность. Кристаллы, металлы, конструкции Киев: Наук, думка, 2008, С. 142-144; 232-239. 2. Патент України на корисну модель №49501, МПК G 0IN 3/08, 2009. 95870 8 3. Котречко С.А., Мешков Ю.Я., Шиян А.В. Физические основы экспресс-метода для определения хрупкой прочности конструкционных сталей // Металофізика та новітні технологи, 2010, т. 32, № 8, С. 1123 - 1140. 9 95870 10 Додаток до опису винаходу Таблиця Результати визначення R розр. ,  розр . при Твип = +20 °С та оцінка похибки визначення цих характеристик з використанms МС експ ням способу, що заявляється ( R експ. та  ms . - експериментальні дані крихкої міцності та механічної стабільності) МС № п/п 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 ЗО 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 Матеріал 2 АБ-2Ш 10Г2ФБ 15Г2АФ 09Г2 АК-35 10ХСНД 3сп. 15ГБ 36×2Н3МФА 06Г2 10ГН2МФА 15ХСНД 12ХН3МФА 12СГАФ 14ГНМА 15ГНМФА 10ХГСМФЮ 40ХГСНДАМФ 22К 45ГСФ 12ХГСМФЮ 12×2М 20ХГНР ЮЗ 50ХН 50Х 20ХГС2 (1)1 20ХГС2 (2) 15×2МФА (1)2 15×2МФА (2) Ст. 45 (1)3 Ст. 45 (2) 20×13 (І)4 20×13 (2) 40С2Х (1)5 40С2Х (2) 60С2Х(1)6 60С2Х (2) 50Х(1)7 50Φ (2) 50Φ (3) 50Φ (4) 50Φ (5) 50Φ (6) 50Φ (7) 50ΦΗ (1)8 50ΦΗ (2) 15Φ2ΜΦΑ (СШ) (1)9 15×2МФА (СШ) (2) Φ75(1)10 Φ75 (2) Φ75 (3) 12ХН2МДФ(СШ)(1)11 12ХН2МДФ (СШ) (2) 12ХН2МДФ (СШ) (3)  K, p 3 81,0 79,3 76,3 75,0 75,0 72,0 71,7 71,0 70,5 70,1 69,7 68,0 66,0 65,0 62,0 60,0 60,0 51,0 48,0 45,0 36,0 30,0 27,0 25,0 19,5 16,5 55,7 60,2 74,6 67,2 47,5 19,7 52,0 49,8 53,0 55,0 27,0 38,0 14,5 13,5 10,0 46,7 51,5 48,6 57,2 13,0 12,0 74,0 75,0 67,5 61,7 51,9 59,9 68,1 67,9 4 0,145 0,238 0,219 0,305 0,134 0,324 0,360 0,223 0,212 0,216 0,249 0,333 0,130 0,330 0,310 0,220 0,240 0,160 0,240 0,150 0,110 0,180 0,060 0,400 0,072 0,066 0,232 0,185 0,210 0,161 0,256 0,060 0,334 0,260 0,120 0,120 0,050 0,380 0,061 0,043 0,032 0,065 0,064 0,063 0,081 0,057 0,042 0,170 0,240 0,178 0,204 0,187 0,141 0,195 0,184  0,2 , МПа 5 753 553 393 390 1027 312 160 383 680 336 480 320 710 360 340 490 410 735 250 730 550 865 1140 550 1840 1860 540 1040 580 1100 335 1280 335 1030 1760 1690 1940 2205 1900 1920 2030 1920 1700 1560 1200 1960 2020 600 475 430 361 404 622 628 642  > МПа 6 787 683 544 550 1141 454 340 597 770 578 610 510 883 560 490 610 590 980 500 1030 780 910 1340 750 2260 2305 795 1210 700 1160 600 2040 730 1165 2060 1910 2160 2400 2320 2330 2320 2090 1840 1640 1270 2330 2340 700 605 636 662 730 781 780 783 , % експ R МС . МПа 7 1358 1639 1220 1198 1687 879 700 1088 1120 1085 925 788 1117 756 630 825 834 1138 554 1160 838 935 1450 850 2400 2425 1000 1458 1258 1480 675 2249 838 1408 2431 2195 2333 2610 2490 2510 2523 2330 2061 1800 1448 2464 2499 1150 1140 935 866 883 1040 1120 1085 розр RМС . експ  ms .  розр. ms 8 1374 1611 1149 1139 1693 829 737 1048 1110 1028 933 832 1185 835 676 781 773 1148 557 1157 842 941 1439 816 2379 2408 983 1514 1183 1480 673 2163 847 1413 2402 2237 2315 2621 2426 2483 2476 2320 2061 1806 1451 2443 2478 1088 1111 957 920 862 974 1110 1095 9 1,596 2,296 2,255 2,174 1,398 1,953 2,448 1,915 1,356 2,051 1,466 1,618 1,238 1,400 1,294 1,303 1,434 1,159 1,285 1,146 1,090 1,059 1,041 1,093 1,031 1,024 1,294 1,142 1,714 1,177 1,2481,090 1,381 1,110 1,137 1,096 1,032 1,037 1,038 1,021 1,023 1,065 1,070 1,046 1,081 1,017 1,016 1,565 1,824 1,523 1,465 1,344 1,307 1,391 1,336 10 1,615 2,257 2,124 2,067 1,403 1,842 2,577 1,845 1,344 1,943 1,479 1,708 1,313 1,546 1,388 1,234 1,329 1,169 1,292 1,143 1,095 1,066 1,033 1,049 1,022 1,017 1,272 1,186 1,612 1,177 1,244 1,048 1,396 1,114 1,123 1,117 1,024 1,041 1,011 1,010 1,004 1,060 1,070 1,049 1,083 1,008 1,007 1,481 1,778 1,559 1,556 1,312 1,224 1,379 1,348 ,% 11 1,2 1,7 5,8 4,9 0,4 5,7 5,0 3,7 0,9 5,3 0,9 5,3 5,7 9,5 6,8 5,3 7,3 0,9 0,5 0,3 0,5 0,6 0,8 4,0 0,9 0,7 1,7 3,7 6,0 0,0 0,3 3,8 1,1 0,4 1,2 1,9 0,8 0,4 2,6 1,1 1,9 0,4 0,0 0,0 0,2 0,9 0,8 5,4 2,5 2,3 5,9 2,4 6,3 0,9 0,9 2,6 11 95870 12 Примітки: 1. (1) - Гарячепрокатаний (ферит, троостит, бейніт); (2) - термічно зміцнений (мартенсит, бейніт); 2. (1) - Нагрів 1273К, охол., масло + відпуск 973К, 14 ч. + дод. відпуск 943К, 84 ч.; (2) - нагрів 1273К, 4 ч. + охол., масло + відпуск 893К, 6 ч.; 3. (1) - Нормалізація; (2) - гартування 1073К, вода + відпуск 433К, 2 ч.; 4. (1) - відпал; (2) - гартування; 5. ВТМО:(1)-відп..= 473К;(2)-Твід.,= 573К; 6. (1)-Контрольне гартування, Τ відп = 573К; (2) - ВТМО, Твідп = 573К; 7. Гартування 1113К, масло + ОХ + відпуск 423К, 2 ч.: (1) - Тох = 223К, (2) - Тох = 1 83К, (3) -Тох. = 77К; відпуск: (4) - Τ відп. = 473К, (5) - Τ відп. = 573К, (6) - Τ відп = 673К, (7) - Τ відп. = 773К; 8. Гартування 1123К, масло + ОХ + відпуск 423К, 2 ч.: (1) - Тох. = 203К; (2) - Тох = 77К; 9. Електрод 13Х2МТФ 0 32мм., св. дріт 48-ОФ-6 0 3мм.: (1) - ОМ, (2) - МШ; 10. Порошковий дріт АН30: (1) - 1 шар, (2) - 2 шари, (3) - 3 шари; 11. Керамічний флюс 48-АНК-54, дріт Св.-10ГНМДТА: (1) В = 0,0 віс.%, (2) В = 0,0022 віс.%, (3) В = 0,004 віс.%. Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Підписне 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