Спосіб визначення крихкої міцності конструкційних сталей

Спосіб визначення крихкої міцності конструкційних сталей, при якому проводять розтягування стандартного гладкого циліндричного зразка повздовж однієї вісі зі створенням регламентованого напруженого стану, який забезпечує окрихчення сталі, при різних температурах в інтервалі температур вище -196 °С, у тому числі +20 °С, який відрізняється тим, що значення крихкої міцності RMC визначають шляхом розрахунку згідно фізично обґрунтованої залежності для заданої температури випробувань: Корисна модель відноситься до галузі дослідження механічних властивостей твердих матеріалів, а саме, визначення рівня крихкої міцності конструкційних сталей за допомогою випробувань на одновісний розтяг. Відомий спосіб визначення рівня крихкої міцності конструкційних сталей при одновісному розтязі та за допомогою локального опору відриву в області дії концентраторів напружень з кінцевим радіусом [1]. Недоліком даного способу є низька інформативність, оскільки не враховано зв'язок цієї характеристики з параметрами структури металу та не визначена її фізична природа. Відомий також спосіб визначення крихкої міцності RMС 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 ψ≈2 % при руйнуванні. Цьому рівню пластичності (е=2 %) відповідає мінімальне напруження в зоні крихкого руйнування, яке називається опором мікросколу RМС. У випадках, коли при температурах випробування залишкова деформація в «шийці» трохи (до 15-20 %) перевищує критичну 2 %, використовують отримані при таких випробуваннях значення дійсного напруження в шийці SK (SK>RMС). При цьому, рівень RMC визначають шляхом екстраполяції поточних значень напруження в шийці SK на значен ня, відповідне критичній деформації e=2 %. Рівень напруження в шийці SK при цій деформації приймається рівним величині опору мікросколу RMC [2]. Недоліком даного способу є наступне: значення крихкої міцності RMC для стальних сплавів з високим рівнем пластичності визначають за відносним 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. Найбільш близьким за технічною суттю та результату, що досягається, до способу, що заявляється, є спосіб визначення крихкої міцності конструкційних сталей, при якому при якому проводять розтягування стандартного гладкого циліндричного зразка з кільцевим концентратором повздовж однієї вісі зі створенням регламентованого напруженого стану, який забезпечує окрихчення сталі, при різних температурах в інтервалі температур вище -196°С, а значення крихкої міцності RMC визначають по величині середнього номінального напруження руйнування σNF та при значенні залишкової деформації в місці розриву , яка дорівнює 2 % [3]. Разом з тим, спосіб визначення крихкої міцності (опору мікросколу RMC) за прототипом має наступні недоліки: а) складність, тривалість в часі та RMC расч. 0,2 10n lg eэкв. , де n - показник деформаційного зміцнення, 0,2 - границя текучості, (19) UA (11) 55930 (13) U eэкв. - приведене значення еквівалентної деформації. 3 коштовність виготовлення дослідних зразків з кільцевими концентраторами; б) неможливість визначення крихкої міцності RMC конструкційних сталей з високим рівнем пластичності при кімнатній температурі випробувань +20°С. В основу винаходу покладено задачу вдосконалення способу визначення рівня крихкої міцності конструкційних сталей шляхом створення фізично обґрунтованої методики, що дозволяє швидко проводити розрахунки RMC 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. Поставлена задача вирішується тим, що у відомому способі визначення крихкої міцності конструкційних сталей, при якому проводять розтягування стандартного гладкого циліндричного зразка повздовж однієї вісі зі створенням регламентованого напруженого стану, який забезпечує окрихчення сталі, при різних температурах в інтервалі температур вище -196°С, згідно з винаходом, значення крихкої міцності RMC визначають шляхом розрахунку згідно фізично обґрунтованої залежності для заданої температури випробувань: n lg eэкв. , RMC расч. 0,2 10 де n - показник деформаційного зміцнення, σ0,2 - границя текучості, еекв. - приведене значення еквівалентної деформації. Рівень напруження розтягу, що визначає крихку міцність RMC конструкційних сталей, досягається 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 +20°С. Випробування стандартних гладких циліндричних дослідних зразків дає можливість більш швидкого визначення розрахункового значення крихкої міцності RМС(роз.) з достатньою для лабораторних умов точністю, при цьому випробування проводяться в легко доступному інтервалі температур, вищих температури кипіння рідкого азоту, у тому числі і при кімнатній температурі +20°С за умов більш простої технології та менших витрат щодо виготовлення зразків. Винахід пояснюється графіками, а саме: на фіг. 1 - залежність опору пластичної деформації та напруження руйнування від рівня деформації: деформаційна залежність напруження руйнування (1); опір пластичної деформації (2), де кут нахилу кривої 2 по відношенню до вісі абсцис; lgеекв. - логарифм еквівалентної деформації, відповідної lgRМС на лінійній залежності в координатах lg ÷lge при різних температурах випробувань. на фіг. 2 - діапазони змін значень параметрів const ) 0,2 i n, що відповідають умові ( lg eекв. для формування категорій конструкційних сталей. В таблиці 1 наведені умовні кордони параметрів 0,2 та n при ранжуванні конструкційних сталей по категоріям. 55930 4 В таблиці 2 наведені похибки визначення RMC(poз.) відносно RMC(екс.) для модельних матеріалів при Твип.=+20°С. В таблиці Додатку до опису винаходу наведені узагальнюючі результати визначення lgeекв., lg eекв. , RMC(poз.), ранжування по категоріям згідно таблиці 1 та фіг. 2 для технічно чистого заліза і кількох конструкційних сталей різної міцності, а також розрахунків відносної похибки 8 середнього арифметичного значення по відношенню до експериментального значення RMC(eкc), абсолютних відхилень Δ RMC(poз.) від RMC(екс.) та середньої квадратичної похибки и при визначенні RMC(poз.) способом, що заявляється, відносно RMC(екс.). Спосіб реалізується наступним чином. Проводять розтягування зразка повздовж однієї вісі зі створенням регламентованого напруженого стану, який забезпечує окрихчення сталі, при цьому використовують стандартні гладкі циліндричні зразки. Розтягування здійснюється при різних температурах в інтервалі температур вище 196°С, у тому числі +20°С. Для визначення розрахункового значення крихкої міцності RMC(poз.) використовували властивість близькості залежності опору пластичної деформації сплавів на основі заліза до лінійної в логарифмічних координатах lgσ÷lge, запропоновану в роботі [4] та схематично відображену на фіг. 1. Використовуючи схему, відображену на фіг. 1, маємо наступну залежність: lg RMC 0,2 tg e lg экв. 0,002 звідки: lg RMC n lg 0,2 n eэкв. 0,002 n lg eэкв. (1) eэкв. eэкв. - приведене значення еквіва0,002 лентної деформації. З рівняння (1) маємо: де lg RMC 0,2 (2) n Підставляючи замість RMC його експериментальні значення RMC(екс.) для кожного модельного матеріала, знаходимо відповідні експериментальні значення lg eэкв. при усіх Твип. (див. таблицю Додатка). Враховуючи той факт, що для модельних матеріалів отримуємо широкий діапазон змінення значень lg eэкв. , підбираємо матеріали при заданій температурі випробувань, виходячи з принципу мінімізації інтервалу змін значення lg eэкв. за умо lg eэкв. ви lg eэкв. 5 % . Таким чином формуються окремі категорії сплавів на основі заліза, що об 5 55930 межені діапазонами змін параметрів межі текучості σ0,2 та показника деформаційного зміцнення n, для кожної з яких визначається середнє арифметичне значення lg eэкв. . визначенням RMC на гладких зразках (див. таблицю Додатка). Окремою важливою особливістю запропонованого способу, що цілком відрізняє його від існуючих раніше способів, є можливість визначати значення RMC(poз.) при кімнатній температурі +20°С з точністю, при якій похибка не перевищує 9,2 %, що достатньо для інженерних та лабораторних розрахунків (див. таблицю 3). Таким чином, запропонований спосіб дозволяє з високою та достатньою для інженерних розрахунків точністю визначати рівень крихкої міцності RMC конструкційних сталей з високим рівнем пластичності шляхом випробування стандартних гладких зразків на одновісний розтяг в температурному діапазоні Твип.≥-196°С. Література: 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.: Изд-во „Наукова думка", 1985. - с. 82. 3. Патент України на корисну модель № 49501, МПК G01N 3/08, 2009. 4. Hollomon J.H. Amer. Inst. min. metallurg. Engrs., 162, Iron steel Div., - 1945. - p. 268-290. Отримані середні значення lg eэкв. для кожної категорії сплавів на основі заліза використовуються для розрахунку RMC(роз.) матеріалів, у яких комбінація параметрів σ0,2 та n при заданій температурі випробувань відповідає визначеній категорії. Для розрахунків використовується наступна залежність: lg RMC расч. 6 n lg eэкв. , 0,2 звідки: n lg eэкв. (3) RMC расч. 0,2 10 Таким чином, рівняння (3) є основним для визначення розрахункового значення крихкої міцності сплавів на основі заліза при заданій температурі випробувань з точністю, цілком достатньою для інженерних розрахунків, при якій максимальна квадратична похибка визначення крихкої міцності RMC(роз.) запропонованим способом, проведеного на сталях з межею текучості від 138 МПа до 2250 МПа, складає 8,1 % від відповідних величин опору мікросколу, отриманих у випробуваннях з прямим Таблиця 1 Умовні кордони параметрів σ0,2 та n при ранжуванні конструкційних сталей по категоріям Категорії І кат. II кат. III кат. IV кат. V кат. VI кат. VII кат. VIII кат. Класифікація конструкційних сталей по рівню міцності σ0,2, МПа n ≥125 470 ≤700 ≥375