Спосіб визначення характеристик крихкого руйнування конструкційних металевих сплавів

Реферат: Винахід належить до галузі дослідження властивостей твердих матеріалів шляхом прикладання статичних навантажень. Спосіб визначення характеристик крихкого руйнування конструкційних титанових сплавів включає операції розтягування стандартного гладкого циліндричного зразка повздовж однієї осі при різних температурах в інтервалі від 4 Κ до 293 Κ, визначення при цьому основних механічних характеристик, побудову узагальнюючої експериментальної залежності lg eекв.  lg K , розрахунок на її основі емпіричних коефіцієнтів та визначення логарифму приведеного значення еквівалентної деформації lg eекв. , а також визначення характеристик розр крихкої міцності RМС . та механічної стабільності Kрозр. . Запропонований спосіб дає можливість mc більш інформативно і точно здійснювати комплексний аналіз властивостей конструкційних титанових сплавів та оцінювати їх спроможність опиратись крихкому руйнуванню. UA 101740 C2 (12) UA 101740 C2 UA 101740 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 Винахід належить до галузі дослідження властивостей твердих матеріалів шляхом прикладання статичних навантажень в інтервалі температур випробувань гладких зразків від 4 Κ до 293 Κ, а саме визначення характеристик крихкого руйнування конструкційних титанових сплавів. Відомий спосіб визначення характеристик крихкого руйнування, а саме крихкої міцності R мс та механічної стабільності Kms конструкційних металевих сплавів шляхом розтягування гладких циліндричних зразків при температурах, близьких до температури киплячого азоту (77 Κ), коли зразок втрачає пластичність до критичного рівня деформації в місці розриву ψк ≈ 2 % при руйнуванні. Цьому рівню пластичності (e=2 %) відповідає мінімальне напруження в зоні крихкого руйнування, яке називається крихкою міцністю RMc. У випадках, коли при температурах випробування залишкова деформація в "шийці" перевищує критичну e=2 %, використовують отримані при таких випробуваннях значення дійсного напруження в шийці S K (SK>RMC). При цьому рівень RMC визначають шляхом екстраполяції поточних значень напруження в шийці S K на значення, відповідне критичній деформації e=2 %. Рівень напруження в шийці SK при цій деформації приймається рівним величині крихкої міцності R МС. Після цього розраховують R Kmc  MC 2 , де σ2 - міцність металу при значення механічної стабільності Kms за формулою: пластичній деформації e=2 % [1, 2]. Недоліком даного способу є наступне: значення крихкої міцності R MC для металевих сплавів з високим рівнем пластичності визначають за відносним звуженням в місці руйнування ("шийці") ψк при температурах, близьких до 77 Κ 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 крихкого руйнування RMC та Kms конструкційних металевих сплавів, при якому проводять розтягування повздовж однієї осі стандартного гладкого циліндричного зразка з кільцевим концентратором, який забезпечує окрихчення сталі при різних температурах в інтервалі температур вище 77 Κ, а значення крихкої міцності RMC визначають за величиною середнього номінального напруження руйнування σ NF при значенні залишкової деформації в місці розриву ψк, яке дорівнює 2 % [3]. Разом з тим, спосіб визначення характеристик крихкої міцності RMC та механічної стабільності Kms за цим способом має наступні недоліки: а) складність, тривалість в часі та коштовність виготовлення дослідних зразків з кільцевими концентраторами; б) неможливість визначення крихкої міцності RMC та механічної стабільності Kms конструкційних металевих сплавів з високим рівнем пластичності при температурах випробувань ≥ 77 Κ, у тому числі при кімнатній температурі випробувань 293 Κ. Найбільш близьким за технічною суттю та результатом, що досягається, до способу, що заявляється, є спосіб, який дозволяє визначати характеристики крихкого руйнування конструкційних металевих сплавів на основі заліза за результатами випробувань гладких циліндричних зразків на одновісний розтяг при кімнатній температурі 293 Κ. За цим способом значення характеристик крихкого руйнування, а саме крихкої міцності R Mc та механічної стабільності Kms, визначають шляхом розрахунку згідно з фізично обґрунтованими залежностями, отриманими для конструкційних металевих сплавів на основі заліза [4]: розр RMC .  0,2  10nlg eекв. , К розр.  10 nlg eек в. 1 , mc 45 50 де: n - показник деформаційного зміцнення; σ0,2 - умовна границя текучості; е lg eекв.  екв. 0,002 - логарифм приведеного значення еквівалентної деформації, який для конструкційних сплавів на основі заліза розраховується за формулою: 0,164  lg K  0,15 lg eекв.  1  195  lg K , . Разом з тим, спосіб розрахунку логарифму приведеного значення еквівалентної деформації lg eекв. та подальшого визначення характеристик крихкої міцності Rмс і механічної стабільності Kms за прототипом має наступний недолік - недостатню інформативність і точність щодо визначення характеристик крихкого руйнування для конструкційних титанових сплавів, які мають іншу природу деформування при одновісному розтягу. 1 UA 101740 C2 В основу винаходу покладено задачу вдосконалення способу визначення характеристик крихкого руйнування конструкційних титанових сплавів при розтягу шляхом встановлення авторами відповідної узагальнюючої експериментальної залежності між логарифмами показників приведеного значення еквівалентної деформації lg eекв. та відносного звуження після 5 10 15 руйнування зразка lgK для діапазону температур випробувань стандартних гладких циліндричних зразків на одновісний розтяг від 4 Κ до 93 Κ з метою знаходження емпіричних коефіцієнтів в цій залежності, які притаманні тільки конструкційним титановим сплавам. Винахід дає можливість більш інформативно і точно визначати характеристики крихкої міцності R мс та механічної стабільності Kms конструкційних титанових сплавів, що, в свою чергу, дозволяє здійснювати комплексну оцінку їх властивостей, у тому числі спроможність опиратись крихкому руйнуванню. Поставлена задача вирішується тим, що у відомому способі визначення характеристик крихкого руйнування конструкційних металевих сплавів, при якому проводять випробування стандартних гладких циліндричних зразків на одновісний розтяг при температурі 293 Κ, визначення при цьому основних механічних характеристик, побудову експериментальної залежності lg eекв.  lgK , згідно з винаходом, для титанових сплавів будують узагальнюючу експериментальну залежність lg eекв.  lgK для діапазону температур випробувань від 4 Κ до 293 Κ, на її основі розраховують емпіричні коефіцієнти та визначають логарифм приведеного значення еквівалентної деформації lg eекв. за формулою: lg eекв.  20 1,783  0,708  lg K 1  0,376  lg K , після чого визначають характеристики крихкої міцності Kрозр. mc та механічної стабільності згідно фізично обґрунтованих залежностей: розр RМС .  0,2  10m ,  a  b  lg K m  n  1  c  lg  K  25 розр RМС . Kрозр.  10p mc    , ,  a  b  lg K   p  n  1  c  lg   1 K  , 30 35 40 де ψК - відносне звуження після руйнування зразка; σ0,2 - умовна границя текучості; n - показник деформаційного зміцнення; а = 1,783; b=0,708; с = 0,376 - емпіричні коефіцієнти для конструкційних титанових сплавів. За рахунок отримання авторами узагальнюючої експериментальної залежності lg eекв.  lgK для діапазону температур випробувань від 4 Κ до 29 Κ і розрахунку на її основі емпіричних коефіцієнтів, притаманних конструкційним титановим сплавам, запропонований спосіб дозволяє більш інформативно і точно визначати характеристики крихкого руйнування конструкційних титанових сплавів. При цьому використовують експериментальні значення основних механічних характеристик сплаву, а саме: відносного звуження після руйнування зразка ψK; умовної границі текучості σ0,2 та показника деформаційного зміцнення n. Визначення характеристик крихкого руйнування, а саме крихкої міцності RMC та механічної стабільності Kms з точністю, достатньою як для інженерних розрахунків, так і наукових досліджень, дає можливість здійснювати комплексний аналіз властивостей конструкційних титанових сплавів та оцінювати їх спроможність чинити опір крихкому руйнуванню. Запропонований спосіб пояснюється таблицею та кресленням, а саме: в таблиці 1 наведені значення основних механічних характеристик σ 0,2, ψK, n та lg e 45 екв. для деяких конструкційних титанових сплавів при температурах розрахункове значення випробувань від 4 Κ до 293 Κ; експериментальні та розрахункові значення характеристик R MC та Kms; величини відносної похибки визначення цих характеристик за запропонованим способом 8 та її середнє значення . 2 UA 101740 C2 На кресленні зображена узагальнююча експериментальна залежність lg eекв.  lgK для досліджених конструкційних титанових сплавів; • - експериментальні значення для конструкційних титанових сплавів, наведених в таблиці 1. Спосіб реалізується наступним чином. 5 10 15 20 З метою побудови узагальнюючої експериментальної залежності lg eекв.  lgK матеріали для досліджень добирали за принципом максимально широкого охоплення різноманітних комбінацій властивостей міцності та пластичності конструкційних титанових сплавів, при цьому діапазон характеристик міцності складав: від σ0,2=570 МПа до σ0,2=1925 МПа, а діапазон характеристик пластичності складав 3, % ≤ ψK ≤ 71,0 %. Крім цього, за об'єкти досліджень вибирали титанові сплави, які використовують у криогенній техніці. Змінювали також різні режими термічної обробки, а в деяких випадках, температуру випробувань в інтервалі від 4 Κ до 293 Κ. Всього в цих дослідженнях використовували результати випробувань стандартних гладких циліндричних зразків на одновісний статичний розтяг більш ніж 150-ти видів конструкційних титанових сплавів. Проводять розтягування повздовж однієї осі стандартних гладких циліндричних зразків та визначають основні механічні характеристики сплаву при різних температурах випробувань в інтервалі 4 Κ ≤ Твип ≤ 293 Κ такі, як: ψК - відносне звуження після руйнування зразка; σ0,2 умовна границя текучості; n - показник деформаційного зміцнення. - на основі експериментальних даних будують узагальнюючу експериментальну залежність lg eекв.  lg K (фіг.) та визначають емпіричні коефіцієнти a, b і с, притаманні конструкційним титановим сплавам: lg eекв.  25 a  b  lg K 1  c  lg K , (1) де а = 1,783; b=0,708; с =0,376. - для визначення характеристик крихкої міцності R Mc та механічної стабільності Kms використовують відомі формули [4]: розр RMC .  0,2  10nlg eекв. К розр. mc nlg eекв. 1  10 , , підставляючи в них значення lg eекв. , отримане за залежністю (1). Таким чином, для конструкційних титанових сплавів, маємо: 30 розр RМС .  0,2  10m ,  a  b  lg K m  n  1  c  lg  K  Kрозр.  10p mc    , ,  a  b  lg K   p  n  1  c  lg   1 K  , 35 40 де ψК - відносне звуження після руйнування зразка; σ0,2 - умовна границя текучості; n - показник деформаційного зміцнення; а = 1,783; b=0,708; с = 0,376 - емпіричні коефіцієнти для конструкційних титанових сплавів. Результати визначення за формулами (2) і (3) характеристик крихкого руйнування R MC та Kms для деяких конструкційних титанових сплавів, що широко використовуються в промисловості, наведені в таблиці 1. Отже, за допомогою запропонованого способу, можна визначити характеристики крихкого руйнування, а саме крихкої міцності RMC та механічної стабільності Kms конструкційних титанових сплавів більш інформативно і точно. Rрозр. 45 Kрозр. При цьому точність визначення характеристик МС та mc , при якій середня відносна похибка складає 1,9 %, цілком достатня як для інженерних розрахунків, так і для наукових досліджень. Використання запропонованого способу дає можливість здійснювати комплексний аналіз властивостей конструкційних титанових сплавів та оцінювати їх спроможність опиратись крихкому руйнуванню. Джерела інформації: 3 UA 101740 C2 5 1. Ivasishin O. M., Markovsky P. E., Pakharenko G. A., Shevchenko A. V. Mechanical properties of (α + β)-titanium alloy at cryogenic temperatures // Mat. Sci. Eng. A 196, 1995, p. 65-70. 2. Котречко С. А., Мешков Ю. Я. Предельная прочность. Кристаллы, металлы, конструкции Киев: Наук, думка, 2008, С. 142-144; 232-239. 3. Патент України на корисну модель № 49501, МПК G01N 3/08, 2009. 4. Патент України на винахід № 95870, МПК G01N 3/08, 2011. Таблиця 1 № Титановий п/п сплав 1 1 2 2 3 4 5 6 ВТ16 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Обробка 3 1050 °C, 1 год.; гартування у воду 700 °C, 5 г. 1050 °C, 1г.; 800 °C, 5 г. 1100 °C, 1 г.; ох. з піччю. 800 °C, 1 г.; ох. з піччю. 870 °C, 1 г.; ох. з піччю. 920 °C, 1 г.; ох. з піччю. 920 °C, 0,5 г.; -1 80 °C·с +750 °C, 0,5 -1 г., 40 °C·г АТ2 Стан постачання ВТ5-1кт Стан постачання Твип., σ0.2, ψK, К МПа % n lg eекв. 4 293 5 6 7 8 870 28,0 0,053 6,159 77 1580 12,0 0,016 4,286 експ RМС . МПа 9 1850 , розр RМС . експ , Kmc . Kрозр. δ, % mc МПа 10 11 12 13 1845 1,882 1,877 0,3 1850 1,129 1,129 0,0 293 770 36,0 0,035 6,954 1450 77 1400 5,0 0,005 3,090 1349 1,737 1,616 7,0 1450 1,024 1,024 0,0 77 1430 3,0 0,032 2,584 1600 1730 1,040 1,124 7,5 293 800 67,0 0,035 9,815 1800 1764 2,074 2,032 2,0 293 760 57,0 0,041 8,906 1800 1762 2,153 2,108 2,1 293 780 42,0 0,042 8,724 1700 1700 2,114 2,114 0,0 293 750 71,0 0,037 10,179 1780 1785 2,179 2,185 0,3 293 570 62,2 0,060 9,378 200 700 60,0 0,051 9,179 2050 77 940 67,0 0,034 9,815 4 1180 53,1 0,029 8,551 293 770 26,4 0,058 5,993 200 950 23,7 0,046 5,706 1700 77 1230 21,6 0,024 5,475 4 1365 16,1 0,023 4,828 , % = 2082 2057 2027 2089 1714 1739 1665 1763 3,135 2,605 2,016 1,626 1,932 1,610 1,308 1,181 3,183 2,614 1,993 1,657 1,948 1,647 1,281 1,225 1,5 0,3 1,1 1,9 0,8 2,2 2,1 3,6 1,9 10 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 15 Спосіб визначення характеристик крихкого руйнування конструкційних металевих сплавів, при якому проводять випробування стандартних гладких циліндричних зразків на одновісний розтяг при температурі 293 Κ, визначення при цьому основних механічних характеристик, побудову експериментальної залежності lg eекв.  lgK , який відрізняється тим, що для титанових сплавів будують узагальнюючу експериментальну залежність lg eекв.  lgK для діапазону температур випробувань від 4 Κ до 293 Κ, на її основі розраховують емпіричні коефіцієнти та визначають логарифм приведеного значення еквівалентної деформації lg eекв. за формулою: lg eекв.  20 1,783  0,708  lg K , 1  0,376  lg K розр після чого визначають характеристики крихкої міцності RМС . та механічної стабільності Kрозр. mc згідно з фізично обґрунтованими залежностями: розр RМС .  0,2  10m ,  a  b  lg K m  n  1  c  lg  K   ,   4 UA 101740 C2 Kрозр.  10p , mc  a  b  lg K   p  n  1  c  lg   1 , K   5 де а=1,783; b=0,708; с=0,376 - емпіричні коефіцієнти для конструкційних титанових сплавів, при цьому використовують експериментальні значення основних механічних характеристик сплаву, а саме: K - відносне звуження після руйнування зразка; 0,2 - умовна границя текучості; n - показник деформаційного зміцнення. Комп’ютерна верстка Л. Бурлак 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 5