Спосіб визначення характеристик крихкого руйнування конструкційних сталей

Спосіб визначення характеристик крихкого руйнування конструкційних сталей, при якому проводять розтягування стандартного гладкого циліндричного зразка повздовж однієї осі при кімнатній температурі +20 °C, вимірюють показники основних механічних властивостей, розраховують значення крихкої міцності RMC та механічної стабіль 2 3 97321 дартного гладкого циліндричного зразка з кільцевим концентратором повздовж однієї осі зі створенням напруженого стану, який забезпечує окрихчення сталі, при різних температурах в інтервалі температур вище -196 °C, а значення крихкої міцності RMC визначають за величиною середнього номінального напруження руйнування NF при значенні залишкової деформації в місці розриву  , яке дорівнює 2 % [1]. Недоліками даного способу є: а) складність, тривалість в часі та дороговизна виготовлення дослідних зразків з кільцевими концентраторами; б) неможливість визначення крихкої міцності RMC та механічної стабільності Kms конструкційних сталей з високим рівнем пластичності при кімнатній температурі випробувань +20 °C. Відомий також спосіб визначення крихкої міцності RMC та механічної стабільності Kms конструкційних сталей, при якому проводять розрахунки RMC та Kms за результатами лабораторних випробувань стандартних гладких циліндричних зразків на одновісний розтяг в інтервалі температур не нижче 196 °C, у тому числі і при кімнатній температурі +20 °C. За цим способом, значення крихкої міцності RMC визначають шляхом розрахунку згідно з фізично обґрунтованою залежністю для заданої температури випробувань [2]: розр RMC .  0,2  10nlgeекв  , (1) де n - показник деформаційного зміцнення; 0,2 - умовна границя текучості; еекв. - приведене значення еквівален0.002 тної деформації. Відповідно, значення механічної стабільності Kms буде розраховуватись за формулою: eекв.  K розр.  ms розр RМС . . (2) 0.2  10n Разом з цим, цей спосіб визначення крихкої міцності RMC та механічної стабільності Kms має наступні недоліки: а) необхідність ранжування конструкційних сталей за показниками 0,2 та n; б) наявність великої кількості «категорій» при ранжуванні; в) відносно низька точність розрахунків, особливо при температурі випробувань +20 °C. Найбільш близьким за технічною суттю та результатом, що досягається, до способу, що заявляється, є спосіб, при якому проводять розтягування стандартного гладкого циліндричного зразка повздовж однієї осі при кімнатній температурі +20 °C, вимірюють показники основних механічних властивостей, розраховують значення крихкої міцності RMC та механічної стабільності Kms згідно з залежністю lgeекв.  lgK в діапазоні змін 10 %  K  81% за фізично обґрунтованими рівняннями [3]: розр RMC .  0,2  10m , 4   lg B 1  p    0.164  lgk  0.15      0.2 m  1    2.7  lg ln 1   1.95  lgk p       (3) Крозр.  10p , ms   lg B 1  p  0.2 0.164  lgk  0.15  , p   1.95  lgk 2.7  lg ln 1  p     (4) де  k - відносне звуження після руйнування зразка;  p - відносне рівномірне видовження зразка; 0,2 - умовна границя текучості; B - границя міцності. Спосіб дозволяє відносно швидко проводити розрахунки значень крихкої міцності RMC та механічної стабільності Kms за результатами лабораторних випробувань стандартних гладких циліндричних зразків на одновісний розтяг при кімнатній температурі +20 °C. Разом з тим, цей спосіб визначення крихкої міцності RMC та механічної стабільності Kms за прототипом має відносно низьку точність розрахунків, особливо для конструкційних сталей, у яких k  60 % . В основу винаходу поставлено задачу вдосконалення способу визначення рівня крихкої міцності RMC та механічної стабільності K ms конструкційних сталей шляхом створення фізично обґрунтованої методики, що дозволяє швидко проводити розрахунки RMC та Kms за результатами лабораторних випробувань стандартних гладких циліндричних зразків на одновісний розтяг при кімнатній температурі +20 °C з достатньо високою точністю не тільки для інженерних та технологічних лабораторних розрахунків, але і для наукових досліджень. Поставлена задача вирішується тим, що у відомому способі визначення характеристик крихкого руйнування конструкційних сталей, при якому проводять розтягування стандартного гладкого циліндричного зразка повздовж однієї осі при кімнатній температурі +20 °C, вимірюють показники основних механічних властивостей, розраховують значення крихкої міцності RMC та механічної стабільності Kms згідно з залежністю lgeекв.  lgK в діапазоні змін 10 %  K  81% , згідно з винаходом, значення крихкої міцності RMC та механічної стабільності Kms визначають шляхом розрахунку за фізично обґрунтованими залежностями виду eекв.  K для області, де 10 %  K  60 % , та lgeекв.  lgK для області, де 60 %  K  81% , а саме: для області, де 10 %  K  60 % : розр RMC .  0,2  10m ,   lg B 1  p  0.2  5.125  k  63.42     m  lg10    2.7  lg ln 1   63.8  k p     Kрозр.  10p , ms   5 97321   lg B 1  p    5.125  k  63.42      0.2 p  lg10    2.7  lg ln 1   , 63.8  k p       для області, де 60 %  K  81% : розр RMC . m  0,2  10 ,   lg B 1  p  0.2  1.377  lgk  2.334     m  1    2.7  lg ln 1   1.985  lgk p      Kрозр. ms  p  10 ,   lg B 1  p  0.2 1.377  lgk  2.334  , p   1.985  lgk 2.7  lg ln 1  p     де:  k - відносне звуження після руйнування зразка;  p - відносне рівномірне видовження зразка; 0,2 - умовна границя текучості; B - границя міцності. Відомо, що значення показника пластичності K  60% є критичним, вище якого має місце різке підвищення еквівалентної деформації eекв. , що дозволяє розглядати область залежності lgeекв.  lgK , де 60 %  K  81% , як область, для якої притаманно нарощування ознак в'язкого руйнування в «шийці» зразка, а область, де 10 %  K  60 % , як область, для якої характерні ознаки крихкого руйнування. В зв'язку з цим, з метою підвищення точності розрахунків, має сенс виділити як самостійні дві області: де 10 %  K  60 % та де 60 %  K  81% . Таким чином отримуємо наступні залежності для розрахунку значень крихкої міцності RMC та механічної стабільності Kms при кімнатній температури випробувань +20 °C: для області, де 10 %  K  60 % : розр RMC . m  0,2  10 ,   lg B 1  p  0.2  5.125  k  63.42     m  lg10    2.7  lg ln 1   63.8  k p       Kрозр.  10p , ms   lg B 1  p  0.2   5.125  k  63.42    p  lg10    2.7  lg ln 1   , 63.8  k p   для області, де 60 %  K  81% :    розр RMC .  m  0,2  10 ,   lg B 1  p    1.377  lgk  2.334      0.2 m  1    2.7  lg ln 1   1.985  lgk p     Kрозр.  10p , ms   6   lg B 1  p   1.377  lgk  2.334  . p   0.2 1.985  lgk 2.7  lg ln 1  p     Випробування стандартних гладких циліндричних дослідних зразків при кімнатній температурі +20 °C, визначення показників основних механічних властивостей та розрахунок значень характеристик крихкого руйнування конструкційних сталей за методикою винаходу дає можливість більш точного визначення крихкої міцності та механічної стабільності у широкому діапазоні змін 10 %  K  81% , що прийнятно не тільки для інженерних та технологічних лабораторних розрахунків, але і для наукових досліджень. Винахід пояснюється кресленнями: фіг. 1 - Залежність виду lgeекв.  lgK в логарифмічних координатах: • - експериментальні дані; крива 1 - апроксимація залежності lgeекв.  lgK ; крива 2 - асимптота вздовж осі X; крива 3 - асимптота вздовж осі Y; І - область, де 10 %  K  60 % ; II - область, де 60 %  K  81% . фіг. 2 - 1 - залежність виду eекв.  K в дійсних координатах для області, де 10 %  K  60 % (область І кривої 1 на фіг. 1) для більш точного вирозр значення крихкої міцності RMC . та механічної стабільності Kрозр. ; 2 - асимптота вздовж осі X. ms фіг. 3 - 1 - залежність виду lgeекв.  lgK в логарифмічних координатах для області, де 60 %  K  81% (область II кривої 1 на фіг. 1) для розр більш точного визначення крихкої міцності RMC . та механічної стабільності Kрозр. ; 2 - асимптота ms вздовж осі Y. В таблиці Додатку до опису винаходу наведені розр результати визначення крихкої міцності RMC . та механічної стабільності Kрозр. при Твипр = +20 °C ms та оцінка похибки визначення цих характеристик з експ використанням способу, що заявляється ( RМС . та експ Kms . - експериментальні дані крихкої міцності та механічної стабільності). Спосіб реалізується наступним чином. Проводили розтягування зразка повздовж однієї осі при кімнатній температурі +20 °C, при цьому використовували стандартні гладкі циліндричні зразки. Визначали показники основних механічних властивостей: K ,  p , 0,2 , B та проводили розподіл всіх досліджуваних матеріалів на дві частини: першу - у яких 10 %  K  60 % та другу - у яких 60 %  K  81% . Для визначення розрахункових значень крихрозр кої міцності RMC . та механічної стабільності Kрозр. здійснювали наступні дії. ms 7 97321 Як видно з фіг. 1, за критичним значенням показника пластичності K  60% виділяли як самостійні дві області, де 10 %  K  60 % (І, фіг. 1) та де 60 %  K  81% (II, фіг. 1). Гіперболічна залежність, що наведена на фіг. 2 (крива 1) є першою частиною загальної гіперболічної залежності, наведеної на фіг. 1 (крива 1) в області середніх та малих пластичних деформацій, де 10 %  K  60 % , і може бути апроксимована функцією, що має вигляд: / // c xc (5) . y  a bx Таким чином, рівняння (5), що описує функціональну залежність приведеної еквівалентної деформації eекв. від залишкового відносного звуження гладкого циліндричного зразка K , можна представити у наступному вигляді: 1.025  k  12.683 eекв.  2  63.8  k , (6)  5.125  k  63.42   lg eекв.  lg10    63.8  k   що по аналогії із залежностями (3), (4), приводить до наступних рівнянь для більш точного вирозр значення крихкої міцності RMC . та механічної стабільності Kрозр. - в цій області: ms розр RMC .  0,2  10m ,   lg B 1  p  0.2  5.125  k  63.42     m  lg10    2.7  lg ln 1   63.8  k p      Kрозр. ms  (7) p  10 ,   lg B 1  p    5.125  k  63.42   (8)    0.2 p  lg10    2.7  lg ln 1   , 63.8  k p       Гіперболічна залежність, що наведена на фіг. 3 (крива 1), є другою частиною загальної гіперболічної залежності, наведеної на фіг. 1 (крива 1) в області великих пластичних деформацій, де 60 %  K  81% і також може бути апроксимована функцією, що має вигляд (5). Таким чином, залежність приведеної еквівалентної деформації eекв. від залишкового відносного звуження гладкого циліндричного зразка K , можна представити у наступному вигляді: 8 lg eекв.  1  1.377  lg k  2.334 , 1.985  lg k (9) що по аналогії з залежностями (3), (4), (7), (8) приводить до наступних рівнянь для більш точного розр визначення крихкої міцності RMC . та механічної стабільності Kрозр. в цій області: ms розр RMC .  0,2  10m ,   lg B 1  p  0.2  1.377  lgk  2.334     m  1    2.7  lg ln 1   1.985  lgk p      Kрозр. ms  (10) p  10 ,   lg B 1  p  0.2 1.377  lgk  2.334  . p   1.985  lgk 2.7  lg ln 1  p     (11) Отримані залежності (7) і (8) дають змогу вирозр значати крихку міцність RMC . та механічну стабі льність Kрозр. для області, де 10 %  K  60 % , з ms точністю, при якій відносна похибка складає: δ≤2.7%, а її середнє значення =0.8%, для області, де 60 %  K  81% , відносна похибка складає: δ≤5.0%, а її середнє значення =2.0%. Для всього дослідженого діапазону 10 %  K  81% значення середньої відносної похибки складає 1,4% (див. таблицю Додатку), що достатньо не тільки для оціночних інженерних та технологічних розрахунків при відборі (ранжуванні) та класифікації конструкційних сталей, але і для наукових досліджень. Література: 1. Патент України на корисну модель № 49501, МПК G01N 3/08, 2009. 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. 1123 - 1140. 3. Науковий твір «Новые подходы к определению хрупкой прочности и механической стабильности сплавов на основе железа», автори: Мешков Ю. Я., Котречко C. O., Шиян А. В., Стеценко Н. М. Свідоцтво про реєстрацію авторського права № 35167 /Україна/. Опубл. 28.09.2010, бюл. № 23,С. 7-8. 9 97321 10 Таблиця розр Результати визначення RMC . , Kрозр. при Твипр=+20 °C та оцінка похибки визначення цих характеристик з ms розр використанням способу, що заявляється, ( RMC . та Kрозр. експериментальні дані крихкої міцності та ms механічної стабільності) № з/п Матеріал K, % p 2 0.2, МПа В, МПа розр. експ RМС . , RMC , експ KМС . МПа МПа 7 8 9 1358 1360 1,596 1639 1652 2,296 1220 1212 2,255 1198 1201 2,174 1687 1736 1,398 879 854 1,953 700 737 2,448 1088 1070 1,915 1120 1118 1,356 1085 1040 2,051 925 937 1,466 788 819 1,618 1117 1156 1,238 756 791 1,400 630 625 1,294 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 АБ-2Ш 10Г2ФБ 15Г2АФ 09Г2 АК-35 10ХСНД 3сп. 15ГБ 362Н3МФА 06Г2 10ГН2МФА 15ХСНД 12ХН3МФА 12СГАФ 14ГНМА 3 81,0 79,3 76,3 75,0 75,0 72,0 71,7 71,0 70,5 70,1 69,7 68,0 66,0 65,0 62,0 4 0,145 0,238 0,219 0,305 0,134 0,324 0,360 0,223 0,212 0,216 0,249 0,333 0,130 0,330 0,310 5 753 553 393 390 1027 312 160 383 680 336 480 320 710 360 340 6 787 683 544 550 1141 454 340 597 770 578 610 510 883 560 490 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 15ГНМФА 10ХГСМФЮ 40ХГСНДАМФ 22К 45ГСФ 12ХГСМФЮ 12Х2М 20ХГНР Ю3 50ХН 50Х 60,0 60,0 51,0 48,0 45,0 36,0 30,0 27,0 25,0 19,5 16,5 0,220 0,240 0,160 0,240 0,150 0,110 0,180 0,060 0,400 0,072 0,066 490 410 735 250 730 550 865 1140 550 1840 1860 610 590 980 500 1030 780 910 1340 750 2260 2305 825 834 1138 554 1160 838 935 1450 850 2400 2425 824 831 1152 558 1157 845 945 1447 827 2403 2437 1,303 1,434 1,159 1,285 1,146 1,090 1,059 1,041 1,093 1,031 1,024 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 20ХГС2 (1) 20ХГС2 (2) 2 15Х2МФА (1) 15Х2МФА (2) 3 Ст. 45 (1) Ст. 45 (2) 4 20Х13 (1) 20Х13 (2) 5 40С2Х(1) 40С2Х (2) 6 60С2Х (1) 60C2X (2) 7 50Х (1) 50X (2) 50X (3) 50X (4) 50X (5) 50X (6) 50X (7) 8 50XH (1) 55,7 60,2 74,6 67,2 47,5 19,7 52,0 49,8 53,0 55,0 27,0 38,0 14,5 13,5 10,0 46,7 51,5 48,6 57,2 13,0 0,232 0,185 0,210 0,161 0,256 0,060 0,334 0,260 0,120 0,120 0,050 0,380 0,061 0,043 0,032 0,065 0,064 0,063 0,081 0,057 540 1040 580 1100 335 1280 335 1030 1760 1690 1940 2205 1900 1920 2030 1920 1700 1560 1200 1960 795 1210 700 1160 600 2040 730 1165 2060 1910 2160 2400 2320 2330 2320 2090 1840 1640 1270 2330 1000 1458 1258 1480 675 2249 838 1408 2431 2195 2333 2610 2490 2510 2523 2330 2061 1800 1448 2464 1003 1434 1224 1467 674 2207 856 1415 2413 2255 2325 2623 2459 2519 2510 2320 2065 1807 1465 2474 1,294 1,142 1,714 1,177 1,248 1,090 1,381 1,110 1,137 1,096 1,032 1,037 1,038 1,021 1,023 1,065 1,070 1,046 1,081 1,017 1 Kрозр. ms , % 10 1,598 2,314 2,240 2,180 1,438 1,898 2,577 1,884 1,354 1,966 1,485 1,682 1,282 1,465 1,283