Спосіб класифікації конструкційних сталей по міцності

Спосіб класифікації конструкційних сталей по міцності  0,2 , при якому проводять розтягування 2 3 лей за показником міцності  0,2 шляхом побудови його залежності від характеристики механічної стабільності Kms, які отримані за результатами розтягу гладких циліндричних зразків повздовж однієї осі при різних температурах в інтервалі від 269 °C до +20 °C [3]. Разом з тим, спосіб класифікації конструкційних сталей по міцності  0,2 за прототипом має наступні недоліки: а) умовний характер визначення класів сталей по їх міцності, що не має фізичного обґрунтування і призводить до недостатньої інформативності та точності цього способу; б) класифікація за цим способом не враховує зміну поведінки пластичних якостей сталей, що відносяться до різних класів, при зміні їх міцності. В основу винаходу поставлено задачу вдосконалення способу класифікації конструкційних сталей по їх міцності  0,2 шляхом знаходження критерію класифікації конструкційних сталей по міцності  0,2 , визначення границі між класами та отримання залежностей, що дозволяють оцінювати поточне максимальне значення характеристики пластичності макс по заданому значенню  0,2  для кожного класу матеріалів, використовуючи при цьому результати випробувань стандартних гладких циліндричних зразків на одновісний розтяг. Поставлена задача вирішується тим, що в способі класифікації конструкційних сталей по міцності  0,2 , при якому проводять розтягування стандартного гладкого циліндричного зразка повздовж однієї осі при різних температурах в інтервалі від -269 C до +20 °C, згідно з винаходом, визначають залежність пластичності  від міцності  0,2 за умови постійності характеристики механічної стабільності Kms=const. для різних рівнів дефектостійкості металу в діапазоні 1,0  Kms  2,2 згідно з формулою: (1)    a  b  0,2  c  2 , 0,2 де  - відносне звуження після розриву зразка,  0,2 - границя текучості, a, b, c - коефіцієнти, що залежать від рівня механічної стабільності Kms, після чого визначають максимальні значення пластичності макс - на  цих залежностях та будують залежності макс   0,2 , за якими проводять класифікацію конструк ційних сталей по міцності  0,2 за критерієм швидкості зменшення пластичності макс металу в  залежності від підвищення його міцності  0,2 при фіксованих рівнях механічної стабільності Kms. Внаслідок встановлення та використання взаємозв'язку характеристик пластичності, міцності та механічної стабільності, визначення відповідних 97594 4 залежностей між ними та знайденої властивості зменшення пластичності макс металу в залеж ності від підвищення його міцності  0,2 при фіксованих рівнях механічної стабільності Kms, запропонований спосіб є більш інформативним, оскільки дає можливість класифікувати конструкційні сталі за показником міцності з більш високою точністю, визначити чітку границю між класами, відобразити зміну поведінки пластичних якостей сталей та отримати залежності що дозволяють оцінювати поточне максимальне значення характеристики пластичності макс по заданому значенню міцно сті  0,2 для кожного класу матеріалів, використовуючи при цьому результати випробувань стандартних гладких циліндричних зразків на одновісний розтяг. Винахід пояснюється графіками і таблицями, а саме: на фіг.1 - приклад побудови ізоліній "пластичність - міцність - механічна стабільність" для сплавів на основі заліза з низьким рівнем дефектостійкості (Kms=1,0-1,15): - - Kms=1,0;  - Kms=1,05; ▲ Kms=1,1; ▼ - Kms=1,15; на фіг.2 - залежність макс -  0,2 при різних  рівнях механічної стабільності Kms (крива 1); І область зберігання високого рівня механічної стабільності Kms для сплавів низької та середньої міцності; II - область зниження рівня механічної стабільності Kms для сплавів високої міцності;   - кут падіння залежності макс -  0,2 для сплавів ни зької та середньої міцності;   - кут падіння залежності макс -  0,2 для сплавів високої міцності;  на фіг.3 - вплив показника деформаційного зміцнення n на залежності  - Kms. Експериментальні дані: - сталь 30ХГСА (гартування + відпуск), ◊ - сталь 30 (маятниковий відпал), ▲ - сталь 30 (відпал), □ - сталь 20ГФТЛ (стан поставки),  сталь 09ГЛ (стан поставки); в таблиці 1 наведені значення коефіцієнтів а, b,с в залежності (1) при різних рівнях рівня механічної стабільності Kms в діапазоні 1,0 < Kms < 2,2; в таблиці 2 наведені рівні механічної стабільності Kms=const, та відповідні цим рівням значення пластичності макс в діапазоні 1,0  Kms  2,2.  Спосіб реалізується наступним чином. Матеріали для досліджень добирались за принципом максимально широкого охоплення різноманітних комбінацій властивостей міцності та пластичності сплавів на основі заліза, при цьому діапазон характеристик міцності складав: від  0,2 = 166 МПа до  0,2 = 2060 МПа, а діапазон характеристик пластичності складав 81,0 %    10,0 %. Крім цього, як об'єкти досліджень були використані зварні шви, виконані із застосуванням різних технологій зварювання, спеціальні констру 5 кційні сталі, що використовуються в ядерній енергетиці, а також конструкційні сталі, що використовуються в кріогенній техніці. У деяких випадках змінювались також і режими термічної обробки сталей. Всього в цих дослідженнях використовувались результати випробувань стандартних гладких циліндричних зразків на одновісний статичний розтяг більше ніж 70-ти видів сплавів на основі заліза. Проводили розтягування повздовж однієї вісі стандартних гладких циліндричних зразків та визначали основні механічні характеристики металу:  - відносне звуження після розриву зразка;  0,2 - відносна границя текучості та характеристики крихкого руйнування: RМС - крихка міцність; Kms - механічна стабільність. Розтягування здійснювали при різних температурах в інтервалі від 269 °C до +20 °C. Коефіцієнти а, b, с розраховували за результатами апроксимації функцією (1) залежностей  -  0,2 за умови постійності меха нічної стабільності Kms=const, в діапазоні 1,0  Kms  1,15 з дискретністю 0,05 та в діапазоні 1,2  Kms  2,2 з дискретністю 0,1. Значення коефіцієнтів а, b, с наведені в таблиці 1, а приклад побудови ізоліній залежностей  -  0,2 при механічної стабільності Kms=const, для низького рівня дефектостійкості представлений на фіг.1 для діапазону змін Kms=1,0 - 1,15. Методика знаходження зв'язку між характеристиками міцності  0,2 та пластичності  сплавів на основі заліза з різними рівнями дефектостійкості за критерієм постійності механічної стабільності Kms=const, полягала у наступному: - з усього масиву отриманих експериментальних даних вибирали ті матеріали, у яких значення характеристики механічної стабільності лежали близько від визначеної величини Kms=const із точністю, при якій похибка не перевищувала ±2 % від величини цього значення Kms; - в координатах  -  0,2 будували відповідні ізолінії отриманих залежностей, виконуючи умову постійності механічної стабільності Kms=const, в діапазоні 1,0  Kms  1,15 із дискретністю 0,05 та в діапазоні 1,2  Kms  2,2 із дискретністю 0,1. Всі отримані залежності  -  0,2 при різних фіксованих рівнях механічної стабільності Kms=const, мають чітко відображені максимальні значення макс (таблиця 2), що дозволяє побу дувати залежність макс -  0,2 , що обумовлює  максимальний рівень пластичності в залежності від міцності для досліджених сплавів на основі заліза (фіг.2). 97594 6 Наведена на фіг.2 залежність "пластичність міцність - механічна стабільність" дає змогу сформулювати критерій для класифікації сплавів на основі заліза по міцності. Таким критерієм є швидкість (темп) зменшення пластичних властивостей макс металу в залежності від підвищення його  міцності  0,2 при фіксованих рівнях механічної стабільності Kms. Швидка зміна такого темпу (точка зламу кривої 1 на фіг.2 при  0,2 = 800 МПа) свідчить про суттєві зміни стану металу та є умовою його переходу в інший клас за характеристикою міцності, при цьому точка зламу обумовлює границю між різними класами. Фізична причина швидкої зміни пластичних властивостей металу та наявність точки зламу полягає в швидкому зменшенні показника деформаційного зміцнення від n  0,2 до n  0,02 в діапазоні змін значення характеристики механічної стабільності Kms від 1,7 до 1,05 у сплавів на основі заліза при  0,2  800 МПа. Додаткове свідчення такого швидкого падіння значення n при відповідному падінні пластичних властивостей металу та характеристики  механічної стабільності Kms практично в таких же діапазонах їх змін наведено в роботі [3] - фіг.3. Залежності  - Kms, наведені на фіг.3, є властивими для конструкційних сталей при типових для них значеннях показника деформаційного зміцнення n. Запропонований спосіб із результатів досліджень достатньо великого масиву експериментальних даних, дає можливість розподілити сплави на основі заліза на два класи по показнику міцності: - низької та середньої міцності (з підвищеною пластичністю та механічною стабільністю) - при значеннях 0,2  800 МПа ; - високої міцності (з підвищеною схильністю до крихкості) - при значеннях 0,2  800МПа , при цьому, для кожного класу металів у відповідності до фіг.3, можемо записати залежності виду макс  0,2 , щодозволяють розрахувати поточ не значення макс в залежності від міцності  0,2  для кожного класу конструкційних сталей: - для сталей низької та середньої міцності: пер. макс.    tg     0,0037 ;  пер    k  0,2   0,2  ___   макс.  tg  k   пер  0,2   пер.  0,0037   779,97   0,2   78,274 ,  0,2          (2) 7 97594 8 - для сталей високої міцності: tg   пер. гр.     0,035 , гр. пер.  k    0,2  0,2    ___   гр.  гр.   макс.  tg   k      0,2      0,035  1587,5   0,2   50,3 ,       0,2    де: k  1 1  - коефіцієнт розмірності.  МПа    Таким чином, запропонований спосіб є більш інформативним, дає можливість класифікувати конструкційні сталі за показником міцності з більш високою точністю, визначити чітку границю між класами, відобразити зміну поведінки пластичних якостей сталей та отримати залежності що дозволяють оцінювати поточне максимальне значення характеристики пластичності макс по заданому  значенню  0,2 для кожного класу матеріалів, використовуючи при цьому результати лабораторних (3) випробувань стандартних гладких циліндричних зразків на одновісний розтяг. Джерела інформації: 1. Шмыков А.А. Справочник термиста. 4-е изд. - М: Машгиз, 1961. - C. 118-119. 2. Котречко С.А., Мешков Ю.Я., Шиян А.В. Физические основы экспресс-метода для определения хрупкой прочности конструкционных сталей // Металофізика та новітні технології. - 2010. - т. 32. № 8. - С. 1133-1136. 3. Котречко С.А., Мешков Ю.Я. Предельная прочность. Кристаллы, металлы, конструкции - К.: Наук, думка, 2008. - С. 250-254. Таблиця 1 Значення коефіцієнтів а, b,с в залежності (1) при різних рівнях характеристик механічної стабільності Kms в діапазоні 1,0  Kms  2,2 Значення Kms 1,00 1,05 1,10 1,15 1,20 1,30 1,40 1,50 1,60 1,70 1,80 1,90 2,00 2,20 а -26,682 -43,661 -22,832 4,104 14,568 29,130 -29,135 6,096 -0,592 37,741 80,654 84,923 88,725 -22,832 2 b, 1/МПа 0,051 0,117 0,118 0,112 0,114 0,106 0,242 0,173 0,203 0,116 -0,009 -0,024 -0,057 0,118 c, 1/МПа -5 -1,59610 -5 -3,60110 -5 -4,43210 -5 -5,21210 -5 -5,78210 -5 -6,09910 -4 -1,39610 -4 -1,07310 -4 -1,30510 -5 -8,14410 -5 -1,34310 -6 -3,60110 -5 6,13410 -5 -4,43210 Таблиця 2 Рівні механічної стабільності K ms=const, та відповідні цим рівням значення пластичності макс в діапазоні 1,0  Kms  2,2  Kms 1,0 макс , % 14,3  1,05 1,1 1,15 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0 2,2 50,7 55,7 61,5 64,0 70,6 75,0 76,0 76,2 78,3 78,9 78,0 80,0 81,0 9 97594 10 11 97594 12 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 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