Спосіб оцінки якості конструкційної сталі

Спосіб оцінки якості конструкційної сталі при заданій механічній стабільності, при якому проводять випробування стандартних гладких циліндричних зразків на одновісний розтяг при різних температурах випробувань, визначають при цьому основні механічні характеристики та характеристи ки механічної стабільності Kms , і здійснюють кількісну оцінку якості сталі, який відрізняється тим, Винахід належить до галузі дослідження властивостей твердих матеріалів шляхом прикладання статичних навантажень, а саме до оцінки якості конструкційних сталей при заданій механічній стабільності. Відомий спосіб оцінки якості конструкційної сталі за загальноприйнятою класифікацією, при якому оцінка якості сплавів здійснюється згідно з наступними умовними групами за вмістом шкідливих домішок сірки та фосфору: звичайної якості, якісні, високоякісні та особливо високоякісні [1]. Недоліками даного способу є умовний принцип класифікації та відсутність кількісного трактування рівня конструкційної якості металу або сплаву. Відомий також спосіб оцінки якості конструкційної сталі, при якому проводять випробування стандартних гладких циліндричних зразків на одновісний розтяг при температурах в інтервалі від 4 K до 293 K, визначення при цьому основних меха нічних характеристик сплаву та характеристики 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 ψκ, міцності σ0,2 і механічної стабільності Kms, які, в свою чергу, забезпечують найвищий рівень якості сплаву [2]. Однак, такий спосіб оцінки якості конструкційної сталі також має наступні недоліки: а) відсутність комплексної системи оцінки якості сплавів на основі заліза за групами по якості, розподілу на рівні якості всередині цих груп, а також оцінки якості всередині кожного рівня; б) відсутність кількісної оцінки якості конструкційної сталі за показником, що відображає її здатність чинити опір крихкому руйнуванню. Найбільш близьким за технічною суттю та результатом, що досягається, до способу, що заяв що визначають оптимальну міцність  опт та плас0,2 опт тичність K та проводять комплексну оцінку якості за кількісними параметрами - величинами мір оптимальності по міцності K ms , пластичності  K ms і комплексної міри оптимальності K ms при  заданій механічній стабільності, які розраховують за формулами: 0,2 К K K K K ms  опт ; K ms  опт ;  ms   ms  ms ,   0,2 К де σ0,2 - умовна границя текучості; ψκ - відносне звуження після руйнування зразка; (19) UA (11) 97080 (13) опт K - оптимальна пластичність. C2  опт - оптимальна міцність; 0,2 3 97080 ляється, є спосіб кількісної оцінки якості конструкційної сталі, при якому проводять випробування стандартних гладких циліндричних зразків на одновісний розтяг при температурах в інтервалі від 4 K до 293 K, визначення при цьому основних механічних характеристик металу та механічної стабільності Kms, після чого визначають оптимальну опт K ms механічну стабільність , а оцінку якості проводять за кількісним параметром - величиною міри  K ms оптимальності по механічній стабільності при заданій міцності σ0,2, яку розраховують за відомою формулою [3]. Разом з тим, спосіб оцінки якості конструкційної сталі при заданій міцності σ0,2 за прототипом має наступні недоліки: а) недостатня інформативність і точність щодо оцінки найважливішої властивості металу - величини опірності крихкості; б) відсутність комплексної системи оцінки якості сплаву; в) неможливість оцінки якості сплаву за наперед заданим значенням механічної стабільності, що гарантує його найвищі якісні показники з точки зору опору крихкому руйнуванню. В основу винаходу поставлено задачу вдосконалення способу оцінки якості конструкційної сталі при заданій міцності σ0,2 шляхом введення авторами наступних індикаторів якості металу - міри оптимальності по міцності сті по пластичності K ms  K ms  , міри оптимально та комплексної міри оп K ms тимальності  при заданій механічній стабільності Kms, що дає можливість більш інформативно і точно здійснювати комплексну кількісну оцінку її якості, використовуючи основні механічні характеристики металу. Крім того, при оцінці якості сплаву, винахід дає можливість наперед задавати значення найважливішої його властивості - опірності крихкості та дозволяє побудувати комплексну систему оцінки якості сплавів на основі заліза, яка гарантує їх найвищі якісні показники з точки зору опору крихкому руйнуванню. Поставлена задача вирішується тим, що у відомому способі оцінки якості конструкційної сталі при заданій механічній стабільності, при якому проводять випробування стандартних гладких циліндричних зразків на одновісний розтяг при різних температурах випробувань, визначення при цьому основних механічних характеристик та характеристики механічної стабільності Kms, здійснюють кількісну оцінку якості сталі, згідно з винаходом, визначають оптимальну міцність  опт 0,2 та пластич опт K ність та проводять комплексну оцінку якості за кількісними параметрами - величинами мір оптимальності по міцності K ms  , пластичності K ms K ms  і комплексної міри оптимальності  при заданій механічній стабільності, які розраховують за формулами: 4 K ms   ка; 0,2 опт 0,2 K ms   К K K K опт К ;  ms   ms  ms , ; де σ0,2 - умовна границя текучості; ψκ - відносне звуження після руйнування зраз  опт 0,2 - оптимальна міцність; опт K - оптимальна пластичність. За рахунок визначення характеристик оптима опт  опт льної міцності 0,2 і пластичності K та введених авторами кількісних параметрів - міри оптима льності по міцності пластичності K ms  K ms  , міри оптимальності по та комплексної міри оптималь K ms ності  , запропонований спосіб дозволяє більш інформативно і точно провести кількісну оцінку якості конструкційних сталей при заданій механічній стабільності Kms. При цьому використовують експериментальні значення основних механічних характеристик металу, а саме: умовної границі текучості σ0,2; відносного звуження після руйнування зразка ψκ; характеристики механічної стабільності гладкого зразка Kms; показника деформаційного зміцнення n. Крім того, у запропонованому способі для оцінки якості конструкційних сталей використовують комплексний підхід, згідно з яким індикаторами якості металу є - міри оптимальності по міцності K ms  , пластичності K ms  та комплекс K ms на  при заданій механічній стабільності Kms, що дає можливість при оцінці якості наперед задавати значення найважливішої властивості сплаву опірності крихкості, що, в свою чергу, дозволяє розробити комплексну систему оцінки якості сплавів на основі заліза, яка гарантує їх найвищі показники з точки зору опору крихкому руйнуванню. Винахід пояснюється таблицями та графіками, а саме: в таблиці 1 наведені результати розрахунку K K ms K ms  ms мір оптимальності  ;  та  для сталей і сплавів при заданих значеннях механічної стабільності Kms; в таблиці 2 наведена загальноприйнята класифікація по якості сталей і сплавів на основі заліза без термічної обробки при Твип = 293 K; в таблиці 3 наведені умовні межі рівнів якості сталей і сплавів при заданій механічній стабільності Kms; в таблиці 4 наведені результати кількісної оцінки якості деяких сталей і сплавів при заданій механічній стабільності Kms (значення комплексної K ms міри оптимальності  наведені у міру зменшення); на фіг. 1 зображена узагальнена діаграма взаємозв'язку властивостей «пластичність - міцність механічна стабільність»; на фіг. 2 зображені крива оптимізації 1, що характеризує оптимальне сполучення властивостей пластичності ψκ, міцності σ0,2, і механічної стабіль 5 97080 ності Kms та схема оцінки якості конструкційних сталей при заданій механічній стабільності Kms. Спосіб реалізується наступним чином. З метою побудови узагальненої діаграми взаємозв'язку властивостей «пластичність - міцність механічна стабільність» матеріали для досліджень добирали за принципом максимально широкого охоплення різноманітних комбінацій властивостей міцності та пластичності конструкційних сталей, при цьому діапазон характеристик міцності складав: від σ0,2 = 138 МПа до σ0,2 = 2250 МПа, а діапазон характеристик пластичності складав 83,6 % ≤ ψκ ≤ 1,5 %. Крім цього, за об'єкти досліджень вибирали зварні шви, виконані із застосуванням різних технологій зварювання, спеціальні конструкційні сталі, що використовують в ядерній енергетиці, а також конструкційні сталі, що використовують у криогенній техніці. В деяких випадках змінювали також і різні режими термічної обробки конструкційних сталей. Всього в цих дослідженнях використовували результати випробувань стандартних гладких циліндричних зразків на одновісний статичний розтяг більш ніж 70-ти видів сплавів на основі заліза. Проводили розтягування вздовж однієї осі стандартних гладких циліндричних зразків та визначали основні механічні характеристики та характеристики крихкого руйнування металу при різних температурах випробувань в інтервалі 4 K ≤ Твип ≤ 623 K такі як: ψκ - відносне звуження після руйнування зразка; σ0,2 - умовна границя текучості; n показник деформаційного зміцнення. Характеристики крихкої міцності RMC, механічної стабільності Kms, оптимальної міцності  опт 0,2 та пластичності опт K розраховували за відомими залежностями при відповідній температурі випробувань в інтервалі 4 K ≤ Твип ≤ 623 K, після чого визначали міру оптимальності по міцності сті по пластичності K ms  K ms  , міру оптимально та комплексну міру опти K ms мальності  при заданій механічній стабільності Kms. Оцінка якості конструкційних сталей при заданій механічній стабільності Kms полягала у наступному: - з метою визначення характеристик оптимаK ms  опт льної міцності 0,2 та пластичності  за базову криву приймали криву 1 на узагальненій діаграмі властивостей у взаємозв'язку «пластичність міцність - механічна стабільність» (фіг. 1), зміст якої полягає в тому, що вона є геометричним місцем точок, що обмежують таке граничне сполучення властивостей металу, при якому будь-яке підвищення його міцності призводить до неминучого узгодженого падіння пластичності ψκ і механічної стабільності Kms. Крива 1 на фіг. 1 є кривою оптимізації, бо по своїй суті вона характеризує оптимальне сполучення властивостей пластичності ψκ, міцності σ0,2 і механічної стабільності Kms сплавів на основі заліза з підвищеною міцністю. Такі оптимальні сполучення характеристик забез 6 печують найвищий рівень якості металу, а вказана властивість кривої оптимізації на узагальненій діаграмі взаємозв'язку властивостей «пластичність міцність - механічна стабільність» є фізичною основою для введення в інженерну практику кількісно інтерпретованої категорії якості конструкційних металів; - на базовій кривій оптимізації схематично представлений метод кількісної оцінки якості як міри близькості до оптимального значення сполучення властивостей сталей і сплавів у взаємозв'язку «пластичність - міцність - механічна стабільність», позначений на фіг. 2 точками b і b'. Точка b на кривій оптимізації 1 позначає оптимальне сполучення властивостей міцності  опт 0,2 і пластичності опт K , а точка b'- сполучення цих властивостей (σ0,2, ψκ) у вибраному сплаві при заданому значенні механічної стабільності Kms. Таким чином розраховували: міру оптимальності по міцності міру оптимальності по пластичності K ms  K ms  , та ком K ms плексну міру оптимальності  при заданій механічній стабільності Kms для вибраного сплаву, схематично позначеного точкою b' на фіг. 2 за формулами: 0,2 K ms  опт K ms  К  K K K  опт 0,2 К ;  ms   ms  ms , ; де значення оптимальної міцності  опт 0,2 і плас опт K тичності в точці b на кривій оптимізації (див. фіг. 2) при температурі випробувань в інтервалі 4 K ≤ Твип ≤ 623 K розраховували за відомими формулами [2]: a  K ms  1  1 опт K  K ms  c , де а = 89,478; b = 1,310; с = 0,914; d    b опт    1 0,2  a   c   опт   K     , 4 де а = 10 [МПа]; b = 1,42; с = 84,52; d = -0,051; - значення характеристики механічної стабільності Kms при відповідній температурі випробувань в інтервалі 4 K ≤ Твип ≤ 623 K визначали експериментальним шляхом за відомою залежністю [4]: RMC Kms  0,2  10n , або розраховували за відомою формулою [5]: p, Kms=10 a  lg K  b p n c  lg K , де: а = 0,164; b = 0,15; с =1,95. Результати розрахунків оптимальних значень міцності  опт 0,2 і пластичності ності по міцності K ms  опт K , мір оптималь , пластичності K ms  , а також 7 97080 K ms комплексної міри оптимальності  наведені в таблиці 1, а в таблиці 4 наведені результати комплексної кількісної оцінки якості деяких сталей і сплавів. Критерій оцінки рівня якості при заданій механічній стабільності Kms має свої відмінності в порівнянні з критерієм при заданій міцності σ0,2 [3]. Ці відмінності полягають у тому, що значення мір K K ms K ms  ms оптимальності  ,  та  при заданій механічній стабільності Kms можуть як перевищувати одиницю, так і бути менше одиниці. Якщо K ms K ms   міри оптимальності та дорівнюють одиниці, це означає досягнення оптимального значення відповідної характеристики - міцності σ0,2 та пластичності ψκ, при цьому комплексна міра K ms оптимальності  також дорівнює 1, а це означає досягнення даним сплавом найвищої якості по обох показниках σ0,2 і ψκ при заданій механічній стабільності Kms. У міру зменшення або збільшення ступеня близькості показників оптимальності K ms та  від значення 1, зменшується або збільшується вклад відповідної властивості сплаву (міцності σ0,2 та/або пластичності ψκ) по відношенню до оптимального сполучення цих показників. Відмінність величини комплексної міри оптималь K ms  K ms ності  від одиниці вказує на падіння якості, при цьому, чим більша ця відмінність, тим нижча якість сплаву. Однак, іноді можливі випадки близьK ms K ms K ms кості показника  до 1 при  >1і  2,1 ≤2,1 якісна (Я) ≤0,035 >3001,7 ≤1,7 високоякісна (ВЯ) ≤0,025 ≥800 ≥1,05 особливо високоя≤1,7 ≤0,015 ≥800 кісна (ОВЯ) ≥1,05 Відповідність іншим видам класифікації По складу По призначенню вуглецеві широкого застосування, конструкційні вуглецеві, низько- і середньолеговані вуглецеві і леговані, високолеговані леговані, високо- і складнолеговані конструкційні, інструментальні конструкційні, інструментальні, з підвищеними вимогами конструкційні з особливими властивостями Таблиця 3 Рівень якості Умовні межі рівнів якості при заданій механічній стабільності Kms K ms оптимізованої якості (ОЯ) 0,9975<  K ms 0,8975<  високої оптимізації якості (ВОЯ) K ms 1,0025<  K ms 0,7975<  задовільної оптимізації якості (ЗОЯ) K ms 1,1025<  K ms  незадовільної оптимізації якості (НОЯ) K ms 