Спосіб визначення максимальної пластичності конструкційних титанових сплавів

Реферат: Винахід належить до галузі дослідження властивостей твердих матеріалів шляхом прикладання статичних навантажень. Спосіб визначення максимальної пластичності конструкційних титанових сплавів при заданій механічній стабільності включає операції розтягування стандартного гладкого циліндричного зразка повздовж однієї осі в інтервалі температур від 4 K до 293 K, визначення при цьому основних механічних характеристик металу та характеристики механічної стабільності Kms з наступною побудовою експериментальних залежностей пластичності ψК від міцності σ02 при фіксованій механічній стабільності Kms, та визначенням на них максимальних значень пластичності. Будують узагальнену залежність максимальної пластичності від механічної стабільності Kms в інтервалі змін 1,05  Kms  2,2 та розраховують макс емпіричні коефіцієнти. Максимальну пластичність ψК при заданій механічній стабільності Kms макс 2 визначають за формулою: ψК = a + b·Kms+c·K ms, де а = -147,86; b = 193,85; с = -43,26 розраховані емпіричні коефіцієнти, притаманні для конструкційних титанових сплавів. Винахід дає можливість оцінювати максимальні пластичні властивості конструкційних титанових сплавів при заданому значенні їх механічної стабільності, що є важливим для створення особливо відповідальних конструкцій з гарантованим подовженим строком експлуатаційної надійності. UA 101097 C2 (12) UA 101097 C2 UA 101097 C2 5 10 Винахід належить до галузі дослідження властивостей твердих матеріалів шляхом прикладання статичних навантажень в інтервалі температур випробувань гладких зразків від 4 K до 293 K, а саме, до визначення максимальної пластичності конструкційних титанових сплавів при заданій механічній стабільності. Відомий спосіб визначення характеристики пластичності   , як відносного звуження після руйнування зразка при одновісному розтягу, у залежності від характеристики механічної стабільності Kms конструкційних металевих сплавів з різними рівнями показника деформаційного зміцнення n. Принциповим в цих залежностях є демонстрація того факту, що пластичність, яка визначається по залишковій деформації, не може однозначно характеризувати здатність сплаву опиратись крихкому руйнуванню. Причиною цього явища є суттєвий вплив на пластичність схильності металевих сплавів до деформаційного зміцнення [1]. Недоліком даного способу є відсутність методики визначення характеристики максимальної макс . пластичності   конструкційних металевих сплавів та її зв'язку з характеристикою механічної стабільності Kms, яка характеризує здатність сплаву опиратись крихкому руйнуванню. 15 20 макс . Відомий також спосіб визначення максимальної пластичності   конструкційних металевих сплавів при заданій механічній стабільності Kms, при якому проводять випробування стандартних гладких циліндричних зразків на одновісний розтяг при температурах в інтервалі від 77К до 293К, визначення при цьому основних механічних характеристик металу та характеристики механічної стабільності Kms з наступною побудовою залежностей пластичності   від міцності σ02 методом об'єднання двох залежностей   - n та σ02-n при заданій механічній стабільності Kms, після чого графічним методом визначають максимальне значення макс . пластичності   при заданій механічній стабільності Kms [2]. макс . Однак, визначення максимальної пластичності   за цим способом має наступні недоліки: а) недостатня точність кінцевих залежностей пластичності ψ від міцності 0,2 , κ 25 30 35 отриманих шляхом об'єднання двох залежностей   - n та 0,2 - n при фіксованих значеннях механічної стабільності Kms; б) неможливість точного визначення максимальної пластичності  макс . при заданій механічній стабільності K в межах 1,0  K  2,2 у зв'язку з недостатньо  ms ms широким температурним інтервалом випробувань та недостатньою кількістю експериментальних даних. Найбільш близьким за технічною суттю та результатом, що досягається, до способу, що заявляється, є спосіб визначення максимальної пластичності конструкційних металевих сплавів на основі заліза, при якому проводять випробування стандартних гладких циліндричних зразків на одновісний розтяг при температурах в інтервалі від 4К до 293 К, визначення при цьому основних механічних характеристик та характеристики механічної стабільності K ms з наступною побудовою залежностей пластичності   від міцності  0,2 при фіксованій механічній стабільності Kms параболічного виду   =f(  0,2 ):   = a+b·  0,2 +c·  0,2 , де а, b, с - емпіричні коефіцієнти для відповідних фіксованих значень механічної 40 макс . стабільності Kms, після чого визначають максимальні значення пластичності   в точках максимумів величини   на параболічних залежностях   = f(  0,2 ) при фіксованих значеннях механічної стабільності Kms [3]. Разом з тим, спосіб визначення максимальної пластичності конструкційних металевих сплавів шляхом побудови залежностей пластичності   від міцності  0,2 при фіксованій механічній стабільності Kms за прототипом має наступні недоліки: а) відсутність узагальненої 45 50 макс . залежності максимальної пластичності   від механічної стабільності Kms, б) недостатня інформативність і точність щодо визначення максимальної пластичності для конструкційних титанових сплавів, які мають іншу природу деформування при одновісному розтягу. В основу винаходу поставлено задачу вдосконалення способу визначення максимальної пластичності конструкційних титанових сплавів шляхом отримання авторами достатньої кількості експериментальних даних для побудови залежностей пластичності   від міцності 1 UA 101097 C2  0,2 при фіксованій механічній стабільності K та подальшого встановлення ними узагальненої ms 5 10 макс . залежності між показником максимальної пластичності   і значенням механічної стабільності Kms. При цьому використовували результати випробувань стандартних гладких циліндричних зразків на одновісний розтяг в інтервалі температур від 4К до 293К, а діапазон змін значень механічної стабільності складав 1,05  Kms  2,2. Винахід дає можливість більш макс . інформативно і точно визначати максимальну пластичність   конструкційних титанових сплавів при заданих значеннях механічної стабільності Kms за встановленою залежністю. Поставлена задача вирішується тим, що у відомому способі визначення максимальної пластичності конструкційних металевих сплавів, при якому проводять випробування стандартних гладких циліндричних зразків на одновісний розтяг в інтервалі температур від 4К до 293К, визначення при цьому основних механічних характеристик металу та характеристики механічної стабільності Kms з наступною побудовою експериментальних залежностей пластичності   від міцності  0,2 при фіксованій механічній стабільності K , визначають на ms  макс . ,  15 них максимальні значення пластичності згідно з винаходом, для титанових сплавів на   -  0,2 при фіксованій механічній стабільності Kms та визначених основі залежностей макс . макс . величин   будують узагальнену залежність максимальної пластичності   · від  Kms  2,2, розраховують емпіричні механічної стабільності Kms в інтервалі змін 1,05 макс . коефіцієнти та визначають максимальну пластичність   за формулою: 20 25  макс . = a+b·K +c·K2 ,  ms ms де а = -147,86; b=193,85; с = -43,26 - емпіричні коефіцієнти, притаманні для конструкційних титанових сплавів. макс . За рахунок отримання авторами узагальненої залежності максимальної пластичності   від механічної стабільності Kms в інтервалі змін 1,05  Kms  2,2 для діапазону температур випробувань від 4К до 293К і розрахунку на її основі емпіричних коефіцієнтів, притаманних конструкційним титановим сплавам, запропонований спосіб дозволяє більш інформативно і макс . 30 точно визначати максимальне значення пластичності   при заданій механічній стабільності Kms. Межі температурного інтервалу випробувань від 4К до 293 К вибрані з міркувань робочих температур експлуатації таких особливо відповідальних конструкцій, як обладнання для кріогенної техніки (до 4К). Діапазон змін механічної стабільності в межах 1,05  Kms  2,2 охоплює реально існуючі межі механічної стабільності для конструкційних титанових сплавів. При цьому використовують експериментальні значення основних механічних характеристик сплаву, а саме: відносного звуження після руйнування зразка   , умовної границі текучості  0,2 та характеристики механічної стабільності K . Визначення максимального значення ms макс . 35 пластичності   при заданій механічній стабільності Kms є важливим при виборі конструкційних титанових сплавів середньої та високої міцності для створення особливо відповідальних конструкцій з гарантованим подовженим строком експлуатаційної надійності. Винахід пояснюється таблицями та кресленнями, а саме: в таблиці 1 наведені значення коефіцієнтів а, b, с, притаманних для конструкційних титанових сплавів в залежностях   -  0,2 при різних фіксованих рівнях K . ms 40 45  макс .  в таблиці 2 наведені значення максимальної пластичності при заданих рівнях механічної стабільності Kms в інтервалі змін 1,05  Kms  2,2; абсолютні відхилення Δ макс . розрахункових значень   від експериментальних та значення середньої квадратичної похибки  при використанні запропонованого способу. на фіг.1 зображені ізолінії "пластичність - міцність - механічна стабільність" для конструкційних титанових сплавів з низьким рівнем опору переходу в крихкий стан (K ms=1,05  1,3): ● - Kms=1,05; ♦ - Kms=1,1; ● - Kms=1,15; - Kms=1,2; ▲ - Kms=1,3. 2 UA 101097 C2 5 на фіг.2 зображені ізолінії "пластичність - міцність - механічна стабільність" для конструкційних титанових сплавів з помірним рівнем опору переходу в крихкий стан (Kms=1,4  1,7): ▼- Kms=1,4; ◄ - Kms=1,5; ► - Kms=1,6; -Kms=1,7. на фіг.3 зображені ізолінії "пластичність - міцність - механічна стабільність" для конструкційних титанових сплавів з високим рівнем опору переходу в крихкий стан (K ms=1,8  2,2):  - Kms=1,8; + - Kms=2,0; - Kms=2,2. на фіг.4 зображена узагальнена експериментальна залежність максимальної пластичності  макс . від механічної стабільності K для конструкційних титанових сплавів; ● - значення  ms 10 15 20 25 30  макс . на параболічних залежностях   = f (  0,2 ) ПРИ фіксованих значеннях механічної  стабільності Kms. Спосіб реалізується наступним чином. З метою побудови узагальненої експериментальної залежності максимальної пластичності  макс . від механічної стабільності K  ms 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  0,2 = 570 МПа до  0,2 = 1925 МПа, а діапазон характеристик пластичності складав 3,0 %     71,0 %. Крім цього, за об'єкти досліджень вибирали титанові сплави, які використовують у кріогенній техніці та інших особливо відповідальних конструкціях. Змінювали також різні режими термічної обробки, а в деяких випадках, температуру випробувань в інтервалі від 4К до 293К. Всього в цих дослідженнях використовували результати випробувань стандартних гладких циліндричних зразків на одновісний статичний розтяг більш ніж 200 видів конструкційних титанових сплавів. Проводять розтягування повздовж однієї вісі стандартних гладких циліндричних зразків та визначають основні механічні характеристики сплаву при різних температурах випробувань в  293К такі, як:   - відносне звуження після руйнування зразка;  0,2 інтервалі 4К  Т вип умовна границя текучості, а також характеристику механічної стабільності K ms. Методика знаходження зв'язку властивостей пластичності   та міцності  0,2 конструкційних титанових сплавів з різними рівнями опору переходу в крихкий стан за критерієм фіксованої механічної стабільності Kms полягає у наступному: - із всього масиву отриманих експериментальних даних обирають ті матеріали, у яких значення характеристики механічної стабільності лежать достатньо близько від визначеного фіксованого значення з абсолютним відхиленням, що не перевищує ±5 % від величини цього значення; - в координатах пластичність   - міцність  0,2 будують відповідні ізолінії отриманих 35 залежностей, виконуючи умову постійності механічної стабільності K ms в інтервалі змін значення цієї характеристики від 1,05 до 2,2 з дискретністю 0,05 в межах 1,05  Kms  1,2; 0,1 в межах 1,2  Kms  1,8 та 0,2 в межах 1,8  Kms  2,2. При цьому було досліджено практично весь реальний діапазон змін механічної стабільності Kms для конструкційних титанових сплавів в пружно-пластичній області навантаження. Залежності пластичності   від міцності  0,2 при 40 фіксованих значеннях механічної стабільності Kms представлені на: фіг. 1 - для інтервалу змін механічної стабільності Kms=1,05  1,3; фіг. 2 - для інтервалу змін механічної стабільності Kms=1,4  1,7 i фіг. 3 - для інтервалу змін механічної стабільності Kms=1,8  2,2; - розраховують коефіцієнти а, b, с в отриманих залежностях   -  0,2 при фіксованій 45 механічній стабільності Kms за результатами їх обчислення в інтервалі 1,1  Kms  2,2 згідно з функцією   = f(  0,2 ): 2   =a+b·  0,2 +c·  0,2 , де: a, b, с емпіричні коефіцієнти, притаманні для конструкційних титанових сплавів (таблиця 1); - далі визначають максимальні значення пластичності 50  на параболічних залежностях стабільності Kms (таблиця 2);  =f(  0,2 3  макс.  в точках максимумів величини ) при фіксованих значеннях механічної UA 101097 C2  макс.  - після чого будують узагальнену залежність максимальної пластичності від механічної стабільності Kms в інтервалі змін 1,05  Kms  2,2, розраховують в ній емпіричні коефіцієнти та визначають максимальну пластичність  макс.  5  макс.  за формулою: 2 = a+b·Kms+c·K ms, де а= -147,86; b=193,85; с= -43,26 - емпіричні коефіцієнти, притаманні для конструкційних титанових сплавів; - на завершення, проводять оцінку точності визначення максимальної пластичності отриманою узагальненою залежністю  макс.   макс.  за - Kms.  макс. 10 Отже, за допомогою запропонованого способу, можна визначити максимальну  при заданій механічній стабільності Kms конструкційних титанових сплавів більш інформативно і  макс. 15 20 25 точно. При цьому, максимальну пластичність  при заданій механічній стабільності Kms визначають з точністю, при якій середня квадратична похибка (  = 3,8 %), що достатньо як для інженерних розрахунків, так і для наукових досліджень. Використання запропонованого способу дає можливість оцінювати максимальні пластичні властивості конструкційних титанових сплавів при заданому значенні їх механічної стабільності, що є важливим для створення особливо відповідальних конструкцій з гарантованим подовженим строком експлуатаційної надійності. Джерела інформації:: 1. Котречко С.А., Мешков Ю.Я. Предельная прочность. Кристаллы, металлы, конструкции Киев: Наук, думка, 2008. - С. 239-241. 2. Котречко С.А., Мешков Ю.Я. Новые подходы к оценке комплекса механических свойств конструкционных сталей // Металлофизика и новейшие технологии, 2009. - Т.31, №. - С. 375377. 3. Науковий твір "Взаимосвязь свойств прочности, пластичности и механической стабильности сталей и сплавов", автори: Котречко CO., Мешков Ю.Я., Шиян А.В., Стеценко Н.М. Свідоцтво про реєстрацію авторського права № 39292 від 22.07.2011 /Україна/. Опубл. бюл. № 25, С. 5-8. Таблиця 1 Фіксовані рівні Kms 1,05 1,1 1,15 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 2,0 2,2 а -134,421 -150,222 -189,166 -264,767 -527,583 -246,682 -146,628 -87,146 -126,817 -2,390 -54,975 73,667 b, 1/МПа 0,179 0,209 0,272 0,389 0,777 0,381 0,249 0,247 0,363 0,141 0,258 -3 -8,33·10 4 2 с, 1/МПа -5 -5,654·10 -5 -6,753·10 -5 -8,848·10 -4 -1,303·10 -4 -2,694·10 -4 -1,298·10 -5 -8,423·10 -4 -1,087·10 -4 -1,735·10 -5 -7,777·10 -4 -1,366·10 0 UA 101097 C2 Таблиця 2 Рівні Kms  макс.  , Δ, % ,% 5 10 15 20 % 1,05 1,1 1,15 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 2,0 2,2 7,4 12,2 20,1 25,8 33,3 33,6 38,ο 52,9 63,9 61,9 67,1 68,1 +0,5 +0,7 -2,2 -3,2 -2,ο +4,9 +7,5 3,8 -1,5 -7,5 -1,0 0,0 +1,2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Спосіб визначення максимальної пластичності конструкційних титанових сплавів, при якому проводять випробування стандартних гладких циліндричних зразків на одновісний розтяг в інтервалі температур від 4 K до 293 K, визначення при цьому основних механічних характеристик металу та характеристики механічної стабільності Kms з наступною побудовою експериментальних залежностей пластичності ψK від міцності σ02 при фіксованій механічній стабільності Kms та визначенням на них максимальних значень пластичності, який відрізняється тим, що на основі залежностей ψK-σ02 при фіксованій механічній стабільності Kms та визначених на них максимальних значень пластичності будують узагальнену залежність максимальної пластичності від механічної стабільності Kms в інтервалі змін 1,05  Kms  2,2, на макс основі якої розраховують емпіричні коефіцієнти, а максимальну пластичність ψК при заданій механічній стабільності Kms визначають за формулою: макс 2 ψК = a + b·Kms+c·K ms, де а = -147,86; b = 193,85; с = -43,26 - розраховані емпіричні коефіцієнти, притаманні для конструкційних титанових сплавів. 5 UA 101097 C2 6 UA 101097 C2 Комп’ютерна верстка Л. Купенко 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 7