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 K до 293 K, визначають основні механічні характеристики C2 1 3 Недоліком даного способу є наступне: значення крихкої міцності RMC для сплавів з високим рівнем пластичності визначають за показником відносного звуження  k при руйнуванні зразка при температурах, близьких до 77 K, 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. Найбільш близьким за технічною суттю та результатом, що досягається, є спосіб визначення оптимального значення однієї з характеристик крихкого руйнування, а саме, оптимальної механіопт чної стабільності конструкційної сталі K ms . , при якому проводять випробування стандартних гладких циліндричних зразків на одновісний розтяг при температурах в інтервалі від 4 K до 293 K, визначення основних механічних характеристик сплаву та характеристик крихкої міцності RMC механічної стабільності K ms з наступною побудовою узагальненої діаграми взаємозв'язку властивостей "пластичність - міцність - механічна стабільність", яка обмежена кривою оптимізації, що характеризує оптимальні сполучення властивостей пластичності  k , міцності  0,2 і механічної стабільності K ms [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 винаходу поставлено задачу вдосконалення способу визначення оптимальних значень характеристик крихкого руйнування конструкційної сталі шляхом введення автором наведеного значення механічної стабільності K пр. , яке характеms ризує ступінь перевищення величини оптимальної крихкої міцності Rопт. над величиною крихкої міцMC ності вибраного металу RMC при критичній температурі в'язко-крихкого переходу гладкого зразка пр. TВК . Таким чином, величину K ms розраховують за відомою формулою, як оптимальну механічну стабільність сплаву при відповідному значенні міцності  0.2 в точці TВК . Для визначення міцно сті сплаву  2 при пластичній деформації e  2% в точці TВК будують температурну залежність 97081 4  2 (Ti ) у відповідності до температурної залежності умовної границі текучості  0.2 (Ti ) . Після цього визначають величину оптимальної крихкої міцності конструкційної сталі Rопт. за величинами MC пр. при температурі в'язко-крихкого  2 (TВК ) та K ms переходу гладкого зразка TВК . Далі визначають оптимальне значення міцності сплаву опт. при 2 пластичній деформації e  2% для кімнатної температури випробувань 293 K за відомою формулою: R опт.  опт.  MC , 2 опт K ms . та будують температурну залежність цієї характеристики до перетину з рівнем оптимальної крихкої міцності Rопт. . Точка перетину температурної MC опт. (T ) з рівнем Rопт. дає оптимазалежності  i 2 MC льне значення критичної температури в'язкокрихкого переходу гладкого зразка конструкційної сталі T опт. . ВК 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 4 K до 293 K, визначають основні механічні характеристики металу, характеристики крихкої міцності, механічної стабільності та оптимальної механічної стабільності, згідно з винаходом, визначають наведене значення механічної стабільності за величиною міцності при температурі в'язко-крихкого 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 наведеного 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 наведеного значення механічної стабільності K пр. ms запропонований спосіб дозволяє отримати повну інформацію про значення характеристик крихкого руйнування конструкційної сталі шляхом визначення не тільки оптимальної механічної стабільноопт сті K ms . , але й оптимальних значень крихкої міцності Rопт. критичної температури в'язко-крихкого MC переходу гладких зразків T опт. . При цьому викоВК 5 ристовують експериментальні значення основних механічних характеристик сплаву, а саме: умовної границі текучості  0.2 ; міцності сплаву  2 при пластичній деформації 2 %; відносного звуження після руйнування зразка  k ; характеристики механічної стабільності гладкого зразка K ms ; показника деформаційного зміцнення n . Після цього визначають наведене значення механічної стабільності K пр. , 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 TВК , тобто ступінь перевищення величини оптимальної крихкої міцності Rопт. над величиною крихкої міцMC ності вибраного металу RMC при критичній температурі в'язко-крихкого переходу гладкого зразка TВК . Далі будують температурну залежність міцності сплаву  2 (Ti ) при пластичній деформації 2 % у відповідності до температурної залежності умовної границі текучості  0.2 (Ti ) , беручи за основу отриману залежність  0,2 (TВК )  2 (TВК ) . Згідно з   2 (293)  0.2 (293) температурною залежністю  2 (Ti ) визначають рівень оптимальної крихкої міцності конструкційної сталі Rопт. за величинами  2 (TВК ) в точці криMC тичної температури в'язко-крихкого переходу гладкого зразка TВК . На завершення визначають оптимальне значення міцності сплаву опт. при 2 пластичній деформації 2 % при кімнатній температурі 293 K та будують температурну залежність цієї характеристики до перетину з рівнем оптимальної крихкої міцності Rопт. Точка перетину темMC пературної залежності опт. (Ti ) з рівнем Rопт. 2 MC визначає оптимальне значення критичної температури в'язко-крихкого переходу гладкого зразка конструкційної сталі T опт. . MC Винахід пояснюється графіками і таблицею, а саме: в таблиці 1 наведені результати визначення основних механічних характеристик  0.2 ,  2 ; характеристик крихкого руйнування RMC , K ms , TВК , наведеного значення механічної стабільності K пр. та оптимальних значень характеристик ms опт крихкого руйнування Rопт. K ms . і T опт. для ВК MC деяких з досліджених конструкційних сталей (дані наведені у міру підвищення міцності  0.2 ); 97081 6 на фіг.1 - зображені температурні залежності характеристик  0.2 ,  2 , опт. реакторної сталі 2 15 × 2НМФА та схема способу визначення наведеного значення механічної стабільності K пр. та ms оптимальних значень характеристик крихкого руйопт нування: Rопт. , K ms . , і T опт. ; ВК MC на фіг.2 зображена залежність  0,2 (TВК )  2 (TВК ) , де   2 (293)  0.2 (293)  2 (TВК ) і 0.2 (TBK ) - міцність сплаву при пластичній деформації e  2% і умовна границя текучості при критичній температурі в'язко-крихкого переходу гладкого зразка конструкційної сталі Tвк відповідно;  2 (293) і  0.2 (293) - ті ж самі характеристики при кімнатній температурі випробувань Tвип. =293 K. Запропонований спосіб реалізується наступним чином. З метою побудови залежності  0,2 (TВК )  2 (TВК ) матеріали   2 (293)  0.2 (293) для досліджень добирали за принципом широкого охоплення різноманітних комбінацій властивостей міцності та пластичності конструкційних сталей, при цьому діапазон характеристик міцності складав: від 0.2  300 МПа до 0.2  2000 МПа, а діапазон характеристик пластичності складав 80,0%  k  10,0% . Крім цього, як об'єкти 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 кріогенній 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:  к - відносне звуження після руйнування зразка;  0.2 - умовна границя текучості;  2 - міцність сплаву при пластичній деформації 2 %; n - показник деформаційного зміцнення. Характеристики крихкої міцності RMC та механічної стабільності K ms визначають експериментальним шляхом або розраховують за відомими залежностями при Tвип. =293 K, після 7 97081 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 K ms при Tвип. =293 K визначають експериментальним шляхом за відомою залежністю [3]: RMC , K ms   0.2  10n або розраховують за відомою формулою [4]: K ms  10p , a  lgK  b , p c  lgK де: a  0,164 ; b  0,15 ; c  195 , , - визначають наведене значення механічної стабільності K пр. (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]: пр. a b пр. K , (1) K ms  1  пр.  c K де: a  0,086 ; b  1310 , c  89,478 ; , b пр. ,  a K (1  c   0.2 )d де: a  84,52; b  142; c  0,0001 [1/МПа]; , , d  19.58 для цього будують температурну залежність міцності  0.2 (Ti ) , використовуючи відому форму лу [5]: (2) 0.2 (Ti )  0.2 (293)  a  exp(b  Ti )  c, де а =1033; b =-0,0102; c =49,6, та температурну залежність міцності сплаву  2 (Ti ) при пластичній деформації 2 % згідно отриманої залежності (фіг.2) при умові Tвк  Ti за формулою:   0,2 (Ti )   2 (Ti )   2 (293)   A  B  ,  0,2 (293)     (3) де температурну залежність  0.2 (Ti ) розраховують згідно з формули (2); А=0,3826; В=0,6735, - визначають оптимальну крихку міцність конструкційної сталі Rопт. за величинами  2 (TВК ) та MC пр. при критичній температурі в'язко-крихкого K ms переходу гладкого зразка TВК , як ступінь перевищення величини оптимальної крихкої міцності 8 Rопт. над величиною крихкої міцності вибраного MC сплаву R (фіг.1) за формулою: MC пр. пр. , (4) Rопт.  K ms   2 (TВК )  K ms  R MC MC - значення оптимальної механічної стабільності K опт. (293) при величині міцності  0.2 при темms пературі Tвип. =293 K розраховують за формулою (1), замінюючи K пр. та  пр. на  опт. , а темпеms K K опт. (T ) будують, підставляратурну залежність K ms i ючи формулу (2) у вираз (1). - після цього визначають оптимальне значення міцності сплаву опт. (293) при пластичній дефо2 рмації e=2 % при кімнатній температурі випробувань 293 K через оптимальну крихку міцності конструкційної сталі Rопт. , визначену за формулою MC (4), використовуючи відому залежність [3]: R опт. MC ,  опт. (293)  2 опт K ms . (293) та будують температурну залежність цієї характеристики опт. (Ti ) до перетину з рівнем опти2 мальної крихкої міцності Rопт. , використовуючи MC формулу (3), - точка перетину температурної залежності опт. (T ) з рівнем Rопт. визначає оптимальне  i 2 MC значення критичної температури в'язко-крихкого переходу гладкого зразка конструкційної сталі T опт. . ВК 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. - К.: 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 C.O., 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. 9 97081 4. Мешков Ю.Я., Котречко С.А., Шиян А.В., Стеценко Н.Н. 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. 10 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. Таблиця 1 Сталі і сплави  0. 2 , Х75 (ЗШ) 15ГБ 09Г2 40Х 10ГН2МФА 20ХГС2 15Х2НМФА 35ХМФА АК-35 15Х2МФА 20Х 40С2Х 361 368 378 460 480 540 760 770 1027 1100 1150 1560 МПа  2 , МПа RMC , МПа K ms TВК , K пр. K ms 591 519 527 741 631 773 914 952 1207 1257 1270 2066 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 8663 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 Примітка: * - умовні значення Rопт. MC , МПа 1615 1320 1363 1874 1599 1761 1893 1797 2067 2004 1944 2731 опт K ms . Tопт. ВК , K 2,068 2,063 2,055 1,988 1,972 1,922 1,739 1,731 1,531 1,480 1,446 1,222 -22* 3 0 -33* -12* -20* -13* -4* -5* 8 20 -16* 11 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 97081 Підписне 12 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