Спосіб визначення оптимального поєднання пластичності, міцності і механічної стабільності конструкційних металевих сплавів

Реферат: Винахід належить до галузі дослідження властивостей твердих матеріалів шляхом прикладання статичних навантажень в інтервалі температур випробувань гладких зразків від 4 К до 293 К. Спосіб визначення оптимального поєднання пластичності, міцності і механічної стабільності конструкційних титанових сплавів включає операції розтягування стандартного гладкого циліндричного зразка повздовж однієї осі в інтервалі температур від 4 К до 293 К, визначення при цьому основних механічних характеристик металу та характеристики механічної UA 103814 C2 (12) UA 103814 C2 стабільності Kms, побудови експериментальних кореляційних залежностей пластичності K від міцності 0.2 при фіксованій механічній стабільності Kms та узагальнюючих діаграм взаємозв'язку властивостей "пластичність-міцніст-механічна стабільність", що обмежені кривими оптимізації параболічних залежностей K-0.2 при Kms=const, які обернені увігнутістю вниз та вгору, подальшої побудови загальної системи взаємозв'язку комплексу властивостей "пластичністьміцність- механічна стабільність" з різними рівнями пластичності K при заданому значенні міцності 0.2 та визначення оптимального поєднання пластичності, міцності і механічної стабільності за встановленими залежностями: для граничної кривої оптимізації параболічних залежностей K-0.2, які обернені увігнутістю вниз: K  a  b (1  c   0.2 ) d , -1 де а=72,144; b=0,362; с=0,00021 [МПа ]; d=-15,513 - емпіричні коефіцієнти, властиві титановим сплавам; для граничної кривої оптимізації параболічних залежностей K - 0.2, які обернені увігнутістю вгору:  K  a  b   0.2 , де а=111,057; b=0,063 - емпіричні коефіцієнти, властиві титановим сплавам. Використання запропонованого способу дає можливість більш інформативно і точно визначати оптимальне поєднання комплексу властивостей. UA 103814 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Винахід належить до галузі дослідження властивостей твердих матеріалів шляхом прикладання статичних навантажень в інтервалі температур випробувань гладких зразків від 4 К до 293 К, а саме, до визначення оптимального поєднання пластичності, міцності і механічної стабільності конструкційних титанових сплавів. Відомий спосіб визначення оптимального поєднання пластичності і міцності конструкційних металевих сплавів при фіксованій механічній стабільності Kms, при якому проводять випробування стандартних гладких циліндричних зразків на одновісний розтяг при температурах в інтервалі від 77 К до 293 К, визначення при цьому характеристик пластичності к, міцності 0.2, показника деформаційного зміцнення n та характеристики механічної стабільності Kms з наступною побудовою кореляційного зв'язку пластичності K з міцністю 02 методом об'єднання двох проміжних видів зв'язку K-n та 0.2-n при фіксованій механічній стабільності Kms [1]. Недоліком даного способу є недостатня точність кореляційного зв'язку пластичності K від міцності 0.2, отриманих шляхом об'єднання двох проміжних видів зв'язку K-n та 0.2-n при фіксованих значеннях механічної стабільності Kms. Відомий також спосіб визначення оптимального поєднання пластичності і міцності конструкційних металевих сплавів при фіксованій механічній стабільності Kms=const, при якому проводять випробування стандартних гладких циліндричних зразків на одновісний розтяг при температурах в інтервалі від 4 К до 293 К, визначення при цьому характеристик пластичності K, міцності 0.2 та характеристики механічної стабільності Kms з наступною побудовою залежностей пластичності K від міцності 0.2 при Kms=const. Побудовані залежності є параболами, що обернені увігнутістю вниз і характеризуються зростанням пластичності K із підвищенням міцності 0.2 до максимального значення та її зниженням iз подальшим зростанням міцності 0.2. Такі залежності описуються функцією виду: 2  K  a  b  0.2  c   0.2 , де а, b, с - емпіричні коефіцієнти для відповідних фіксованих значень механічної стабільності Kms [2]. Однак, визначення оптимального поєднання пластичності і міцності при фіксованій механічній стабільності за цим способом має наступний недолік - відсутність узагальнюючих залежностей взаємозв'язку властивостей "пластичність - міцність - механічна стабільність" для металевих сплавів з різним рівнем опору переходу до крихкого стану. Найбільш близьким за технічною суттю та результатом, що досягається, до способу, що заявляється, є спосіб визначення оптимального поєднання пластичності, міцності і механічної стабільності конструкційних металевих сплавів на основі заліза, при якому проводять випробування стандартних гладких циліндричних зразків на одновісний розтяг при температурах в інтервалі від 4 К до 293 К, визначення при цьому основних механічних характеристик та характеристики механічної стабільності Kms з наступною побудовою залежностей пластичності K від міцності 0.2 при фіксованій механічній стабільності Kms. Після цього будують узагальнюючу діаграму взаємозв'язку властивостей "пластичність - міцність механічна стабільність", яка обмежена кривою оптимізації, що характеризує такий граничний комплекс властивостей металевих сплавів з різним рівнем опору переходу до крихкого стану, при якому будь-яке підвищення їх міцності 0.2 призводить до неминучого узгодженого падіння пластичності K та механічної стабільності Kms. Така крива оптимізації обмежує згадані параболічні залежності K-0.2 при Kms=const, які обернені увігнутістю вниз і характеризуються зростанням пластичності K із підвищенням міцності 0.2 до максимального значення та її зниженням із подальшим зростанням міцності 0.2. Крива оптимізацїї відображає оптимальне поєднання властивостей пластичності, міцності і механічної стабільності та описуються гіперболічною функцією загального виду: K  a  50 55 b (1  c  0.2 )d , -1 де а=84,52; b=1,42; с=0,0001 [МПа ]; d=-19,58 - емпіричні коефіцієнти [3]. Разом з тим, спосіб визначення оптимального поєднання пластичності, міцності і механічної стабільності конструкційних металевих сплавів шляхом побудови залежностей пластичності K від міцності 0.2 при фіксованій механічній стабільності Kms та узагальнюючої діаграми взаємозв'язку властивостей "пластичність - міцність - механічна стабільність" за прототипом має наступні недоліки: а) відсутність узагальнюючої діаграми взаємозв'язку властивостей "пластичність - міцність - механічна стабільність", що обмежена кривою оптимізації параболічних залежностей K-0.2 при Kms=const, які обернені увігнутістю вгору; б) відсутність 1 UA 103814 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 загальної системи взаємозв'язку властивостей "пластичність - міцність - механічна стабільність" конструкційних металевих сплавів з різними рівнями пластичності K при заданому значенні міцності 0.2; в) недостатня інформативність і точність щодо визначення оптимального поєднання пластичності, міцності і механічної стабільності для конструкційних титанових сплавів, які мають іншу природу деформування при одновісному розтязі. В основу винаходу покладено задачу вдосконалення способу визначення оптимального поєднання пластичності, міцності і механічної стабільності конструкційних титанових сплавів шляхом отримання авторами достатньої кількості експериментальних даних для побудови залежностей пластичності K від міцності 0.2 при фіксованій механічній стабільності Kms та подальшої побудови ними узагальнюючої діаграми взаємозв'язку властивостей "пластичність міцність - механічна стабільність", що обмежена кривою оптимізації параболічних залежностей K-0.2 при Kms=const, які обернені увігнутістю вниз та додаткової побудови узагальнюючої діаграми, що обмежена кривою оптимізації параболічних залежностей K-0.2 при Kms=const, які обернені увігнутістю вгору. Це дало змогу побудувати загальну систему взаємозв'язку властивостей "пластичність - міцність - механічна стабільність" конструкційних титанових сплавів з різними рівнями пластичності K при заданому значенні міцності 0.2 та встановити залежності для граничних кривих оптимізації, що обмежують цю систему і дають змогу визначити оптимальне поєднання пластичності, міцності і механічної стабільності для конструкційних титанових сплавів найвищої якості з різним рівнем опору переходу до крихкого стану. При цьому використовували результати випробувань стандартних гладких циліндричних зразків на одновісний розтяг в інтервалі температур від 4 К до 293 К, а діапазон змін значень механічної стабільності складав 1,05Kms2,2. Винахід дає можливість за встановленими залежностями більш інформативно і точно визначати оптимальне поєднання пластичності, міцності і механічної стабільності, що характеризує конструкційні титанові сплави найвищої якості. Поставлена задача вирішується тим, що у відомому способі визначення оптимального поєднання пластичності, міцності і механічної стабільності конструкційних металевих сплавів, при якому проводять випробування стандартних гладких циліндричних зразків на одновісний розтяг в інтервалі температур від 4 К до 293 К, визначають основні механічні характеристики металу та характеристики механічної стабільності Kms, будують експериментальні залежності пластичності K від міцності 0.2 при фіксованій механічній стабільності Kms та узагальнюючу діаграму взаємозв'язку властивостей "пластичність - міцність - механічна стабільність", що обмежена кривою оптимізації параболічних залежностей K-0.2 при Kms=const, які обернені увігнутістю вниз, згідно з винаходом, для титанових сплавів на основі залежностей K-0.2 при фіксованій механічній стабільності Kms додатково будують узагальнюючу діаграму взаємозв'язку властивостей "пластичність - міцність - механічна стабільність", що обмежена кривою оптимізації параболічних залежностей K-0.2 при Kms=const, які обернені увігнутістю вгору, будують загальну систему взаємозв'язку комплексу властивостей "пластичність - міцність механічна стабільність" з різними рівнями пластичності K при заданому значенні міцності 0.2 та визначають оптимальне поєднання пластичності, міцності і механічної стабільності за встановленими залежностями: для граничної кривої оптимізації параболічних залежностей K-0.2, які обернені увігнутістю вниз: K  a  45 b (1  c  0.2 )d , -1 де а=72,144; b=0,362; с=0,00021 [МПа ]; d=-15,513 - емпіричні коефіцієнти, властиві титановим сплавам; для граничної кривої оптимізації параболічних залежностей K-0.2, які обернені увігнутістю вгору: K  a  b  0.2 50 55 , де a=111,057; b=0,063 - емпіричні коефіцієнти, властиві титановим сплавам. За рахунок отримання авторами достатньої кількості експериментальних даних для побудови кореляційних залежностей пластичності K від міцності 0.2 при фіксованій механічній стабільності Kms, побудови додаткової узагальнюючої діаграми взаємозв'язку властивостей "пластичність - міцність - механічна стабільність", що обмежена кривою оптимізації параболічних залежностей K-0.2 при Kms=const, які обернені увігнутістю вгору, та подальшої побудови ними загальної системи взаємозв'язку комплексу властивостей "пластичність – міцність - механічна стабільність" конструкційних титанових сплавів з різними рівнями 2 UA 103814 C2 5 10 15 20 25 пластичності K при заданому значенні міцності 0.2, запропонований спосіб дозволяє більш інформативно і точно визначати за встановленими залежностями оптимальне поєднання пластичності, міцності і механічної стабільності для кривих оптимізації параболічних залежностей K-0.2 при Kms=const, які обернені увігнутістю вниз і які обернені увігнутістю вгору. При цьому використовують експериментальні значення основних механічних характеристик сплаву, а саме: відносного звуження після руйнування зразка K, умовної границі текучості 0.2 та характеристики механічної стабільності Kms в інтервалі змін 1,05Kms2,2 для діапазону температур випробувань від 4 К до 293 К. Границі температурного інтервалу випробувань від 4 К до 293 К вибрані з міркувань робочих температур експлуатації таких особливо відповідальних конструкцій, як обладнання для кріогенної техніки (до 4 К). Діапазон змін механічної стабільності в межах 1,05Kms охоплює реально існуючі границі механічної стабільності для конструкційних титанових сплавів. Визначення оптимального поєднання пластичності, міцності і механічної стабільності, що характеризує конструкційні титанові сплави найвищої якості, важливо для оцінки якості сплавів, які використовують при створенні особливо відповідальних конструкцій, за їх здатністю чинити опір крихкому руйнуванню. Винахід пояснюється таблицею та кресленнями, а саме: в таблиці 1 наведені значення емпіричних коефіцієнтів а, b, с, властивих для конструкційних титанових сплавів в залежностях K-0.2 при Kms=const, які обернені увігнутістю вниз і вгору. на Фіг. 1 зображена узагальнююча діаграма взаємозв'язку властивостей "пластичність міцність - механічна стабільність", що обмежена кривою оптимізації 1 параболічних залежностей K-0.2 при Kms=const, які обернені увігнутістю вниз. на Фіг. 2 зображена узагальнююча діаграма взаємозв'язку властивостей "пластичність міцність - механічна стабільність", що обмежена кривою оптимізації 2 параболічних залежностей K-0.2 при Kms=const, які обернені увігнутістю вгору. на Фіг. 3 зображені граничні криві оптимізації, що обмежують загальну систему взаємозв'язку комплексу властивостей "пластичність - міцність - механічна стабільність" конструкційних титанових сплавів з різними рівнями пластичності K при заданому значенні 1 30 35 40 45 50 K ms  55 2 міцності 0.2: 1 - з підвищеним рівнем пластичності  K ; 2 - з помірним рівнем пластичності  K . Спосіб реалізується наступним чином. З метою побудови узагальнюючих діаграм взаємозв'язку властивостей "пластичність міцність - механічна стабільність", що обмежені граничними кривими оптимізації параболічних залежностей K-0.2 при Kms=const, які обернені увігнутістю вниз та вгору, та подальшої побудови загальної системи взаємозв'язку властивостей "пластичність - міцність - механічна стабільність" конструкційних титанових сплавів з різними рівнями пластичності K при заданому значенні міцності 0.2 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 0.2-680 МПа до 0.2=1925 МПа, а діапазон характеристик пластичності - 1,0 %K68,0 %. Крім цього, за об'єкти досліджень було обрано титанові сплави, які використовуються у криогенній та авіа-космічній техніці та інших особливо відповідальних конструкціях. Змінювали також режими термічної обробки, а в деяких випадках, температуру випробувань в інтервалі від 4 К до 293 К. Загалом, в цих дослідженнях було використано 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 інтервалі 4КТвип293 К такі, як K - відносне звуження після руйнування зразка; 0.2 - умовна границя текучості, а також характеристику механічної стабільності Kms. Методика побудови загальної системи взаємозв'язку комплексу властивостей "пластичність - міцність - механічна стабільність" конструкційних титанових сплавів з різними рівнями пластичності K при заданому значенні міцності 0.2 та визначення для них оптимального поєднання пластичності, міцності і механічної стабільності полягає у наступному: 1) величину характеристики механічної стабільності Kms при відповідній температурі випробувань в інтервалі 4КТвип293К визначають експериментальним шляхом. При цьому для конструкційних металевих сплавів на основі заліза величину Kms визначають за залежністю [3]: RMC n 0.2  10  RMC 2 , де: RMC - крихка міцність, що визначається як мінімальне напруження крихкого руйнування або опір мікросколу в точці перетину температурних залежностей істинного напруження 3 UA 103814 C2 5 руйнування SK та границі міцності В при рівні пластичності K2 %, тобто при умові: SK=В=RМС, K2 %; 0.2 - умовна границя текучості (показник міцності); n - показник деформаційного зміцнення; 2 - міцність металу при пластичній деформації 2 %, а для конструкційних титанових сплавів за аналогічною залежністю: K ms  10 15 20 RX n 0.2  10  RX 2 , де: RX - крихка міцність, що визначається як напруження крихкого руйнування в точці перетину температурних залежностей істинного напруження руйнування SK та границі міцності B при рівні пластичності K2 %, тобто при умові: SK=B=RX, K2 %; 2) із всього масиву отриманих експериментальних даних обирають ті матеріали, у яких значення характеристики механічної стабільності достатньо близькі до визначеного фіксованого значення з абсолютним відхиленням, що не перевищує ±5 % від величини цього значення; 3) в координатах "пластичність K - міцність 0.2" будують відповідні ізолінії отриманих кореляційних залежностей, дотримуючись умов постійності механічної стабільності Kms 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 досліджували практично весь реальний діапазон змін механічної стабільності Kms для конструкційних титанових сплавів в пружно-пластичній області навантаження; 4) розраховують коефіцієнти а, b, с в отриманих кореляційних залежностях K-0.2 при фіксованій механічній стабільності Kms за результатами їх обчислення в інтервалі 1,05Kms2,2 згідно функції K=f (0.2): 2  K  a  b  0.2  c   0.2 25 30 35 40 45 , де: а, b, с - емпіричні коефіцієнти, властиві конструкційним титановим сплавам (див. таблицю); 5) будують узагальнюючу діаграму взаємозв'язку властивостей "пластичність - міцність механічна стабільність", що обмежена граничною кривою оптимізації 1 параболічних залежностей K-0.2 при Kms=const, які обернені увігнутістю вниз і характеризуються зростанням пластичності K з підвищенням міцності 0.2 до максимального значення та її зниженням з подальшим зростанням міцності а02 (фіг. 1). При цьому точність побудови залежностей K-0.2 при Kms=const, які обернені увігнутістю вниз, за вибірковим стандартом S складає 3,69 % з достовірністю Р(K±5 %) = 0,826; 6) далі, додатково будують узагальнюючу діаграму взаємозв'язку властивостей "пластичність - міцність - механічна стабільність", що обмежена граничною кривою оптимізації 2 параболічних залежностей K-0.2 при Kms=const, які обернені увігнутістю вгору і характеризуються спаданням пластичності K Із підвищенням міцності 0.2 до мінімального значення та її підвищенням із подальшим підвищенням міцності 0.2 (Фіг. 2). При цьому точність побудови залежностей K-0.2 при Kms=const, які обернені увігнутістю вгору, за вибірковим стандартом S складає 3,05 % з достовірністю Р(K±5 %) = 0,898; 7) після цього будують загальну систему взаємозв'язку комплексу властивостей "пластичність - міцність - механічна стабільність" конструкційних титанових сплавів з різними рівнями пластичності K при заданому значенні міцності 0.2 та криві оптимізації 1 і 2, що її обмежують. Граничні криві оптимізації 1 і 2 характеризують оптимальне поєднання пластичності, міцності і механічної стабільності для конструкційних титанових сплавів найвищої якості (Фіг. 3). Оптимальне поєднання пластичності, міцності і механічної стабільності визначають за встановленими залежностями: для граничної кривої оптимізації 1 параболічних залежностей K-0.2, які обернені увігнутістю вниз: K  a  50 55 b (1  c  0.2 )d , -1 де a=72,144; b=0,362; с = 0,00021[МПа ]; d=-15,513 - емпіричні коефіцієнти, властиві титановим сплавам; для граничної кривої оптимізації 2 параболічних залежностей K-0.2, які обернені увігнутістю вгору: K=а-b0.2 4 UA 103814 C2 5 10 15 20 де a=111,057; b=0,063 - емпіричні коефіцієнти, властиві титановим сплавам. При цьому точність побудови кривої оптимізації 1 за вибірковим стандартом S складає 1,8 % з достовірністю Р(K±5 %) = 0,994, а точність побудови кривої оптимізації 2 за вибірковим стандартом S складає 2,2 % з достовірністю Р(K±5 %) = 0,977. Таким чином, за допомогою запропонованого способу, можна за встановленими залежностями більш інформативно і точно визначати оптимальне поєднання комплексу властивостей: пластичність, міцність і механічна стабільність, що характеризує конструкційні титанові сплави найвищої якості. Це є важливим для оцінки якості сплавів, які використовують при створенні особливо відповідальних конструкцій, за їх здатністю чинити опір крихкому руйнуванню. Джерела інформації:: 1. Котречко С.А., Мешков Ю.Я. Новые подходы к оценке комплекса механических свойств конструкционных сталей// Металлофизика и новейшие технологии, 2009, т. 31, № 3, С. 375-377. 2. Котречко С.А., Мешков Ю.Я., Шиян А.В., Стеценко Н.Н. Новые подходы к оценке взаимосвязи свойств прочности, пластичности и механической стабильности// Металлофизика и новейшие технологии, 2011, т. ЗЗ, № 9, С. 1280-1284. 3. Науковий твір "Оптимизация свойств пластичности, прочности и механической стабильности сталей и сплавов в виде обобщенной диаграммы", автори: Котречко CO., Мешков Ю.Я., Шиян А.В., Стеценко Н.М. Свідоцтво про реєстрацію авторського права № 39291 від 22.07.2011 /Україна/. Опубл. бюл. № 25, С. 10-14. Таблиця Фіксовані рівні Kms 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 25 30 35 Емпіричні коефіцієнти в залежностях K-0.2 при Кms=const Залежності, обернені увігнутістю вниз Залежності, обернені увігнутістю вгору (Фіг. 1) (Фіг. 2) -1 -2 -1 -2 а b, МПа с, МПа а b, МПа с, МПа 5 6 -134,421 0,179 14,060 -0,007 -5,654101,333105 -150,222 0,209 -6,753105 -189,166 0,272 -8,848104 5 -264,767 0,389 57,319 -0,087 -1,303103,795104 5 -527,583 0,777 91,514 -0,136 -2,694105,702104 4 -246,682 0,381 162,853 -0,262 -1,298101,138105 5 -146,628 0,249 104,240 -0,152 -8,423106,543104 5 -87,146 0,247 162,845 -0,235 -1,087109,481104 4 -126,817 0,363 177,600 -0,258 -1,735101,060105 -2,390 0,141 -7,777104 172,267 -0,244 1,011104 4 -54,975 0,258 188,588 -0,268 -1,366101,164103 4 73,667 -8,3-100 312,962 -0,559 2,91810ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Спосіб визначення оптимального поєднання пластичності, міцності і механічної стабільності конструкційних металевих сплавів, при якому проводять випробування стандартних гладких циліндричних зразків на одновісний розтяг в інтервалі температур від 4 К до 293 К, визначають основні механічні характеристики металу та характеристики механічної стабільності Kms, будують експериментальні залежності пластичності K від міцності 0,2 при фіксованій механічній стабільності Kms та узагальнюючу діаграму взаємозв'язку властивостей "пластичність-міцність-механічна стабільність", що обмежена кривою оптимізації параболічних залежностей K-0,2 при Kms=const, які обернені увігнутістю вниз, який відрізняється тим, що для титанових сплавів на основі залежностей K-0,2 при фіксованій механічній стабільності Kms додатково будують узагальнюючу діаграму взаємозв'язку властивостей "пластичність-міцністьмеханічна стабільність", що обмежена кривою оптимізації параболічних залежностей K-0,2 при Kms=const, які обернені увігнутістю вгору, будують загальну систему взаємозв'язку комплексу властивостей "пластичність-міцність-механічна стабільність" з різними рівнями пластичності K 5 UA 103814 C2 при заданому значенні міцності 0,2 та визначають оптимальне поєднання пластичності, міцності і механічної стабільності за встановленими залежностями: - для граничної кривої оптимізації параболічних залежностей K-0,2, які обернені увігнутістю вниз: K  a  5 b , (1  c   0,2 )d -1 де a=72,144; b=0,362; с=0,00021 [МПа ]; d=-15,513 - емпіричні коефіцієнти, властиві титановим сплавам; для граничної кривої оптимізації параболічних залежностей K-0,2, які обернені увігнутістю вгору:  K  a  b  0,2 , 10 де a=111,057; b=0,063 - емпіричні коефіцієнти, властиві титановим сплавам. 6 UA 103814 C2 Комп’ютерна верстка І. Скворцова 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