СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛОВ
METHOD OF DETERMINING MECHANICAL PROPERTIES OF METALS

Изобретение относится к области определения прочностных свойств металлов и их сплавов путем приложения растягивающих нагрузок к стандартным плоским или круглым образцам исследуемых металлов. Ресурсосберегающая стратегия по разработке новых материалов для различных отраслей промышленности, а также изготовление из них конструкций является важнейшим направлением в механике разрушения. Необходимо сегодня констатировать, что в мировой практике обоснование прочности и эксплуатационной надежности металлов при различных нагрузках основываются на использовании линейной, упругой механики разрушения.
02
5
02
5
Известно [1-2], что для металлов наиболее близка, с точки зрения физики твердого тела, модель вязкопластической среды, где свойства материала-металла характеризуются следующими параметрами (σ, δ, µ, έ), где µ - коэффициент динамической вязкости материала. Эта величина отражает количественную характеристику внутреннего трения материала при заданной скорости деформации έ и температуре испытаний. Соответственно σ, δ - предел текучести и относительное удлинение при растяжении плоского или круглого стандартного образца до разрушения, согласно ГОСТ 10006-80.
*
к
Добавляя к рассматриваемой модели вязкопластической среды энергетический критерий разрушения [3], получим замкнутую систему уравнений [4], которая позволяет описать динамику деформирования плоского или круглого металлического образца при растяжении вплоть до разрушения. Здесь появляется еще один параметр характеристики материала А - эффективная энергия динамического разрушения, размерность которого совпадает с размерностью параметра ударной вязкости А (ГОСТ 9454-78), но имеет принципиально другой физический смысл и не связан, например, с конфигурацией «надреза» в образце Шарпи или Менаже ([5], с. 165-166).
5
к
Известный способ определения ударной вязкости металлов (ГОСТ 9454-78) основан на фундаменте упругой механики твердого тела, где относительное удлинение δ≤1%, что для пластичных металлов не приемлемо. Во-вторых, параметр А выражает скорее методологическую характеристику системы «образец-надрез-копер», чем характеристику материала. Это подтверждается, в частности, большим разбросом экспериментальных данных.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ определения механических свойств материала при растяжении плоских или круглых образцов при фиксированной скорости деформации и температуры испытаний (ГОСТ 10006-80, ГОСТ 1497-77).
Недостатком данного способа является малая информативность по эксплуатационной надежности металлов и прогнозированию сопротивления их к разрушению.
*
02
5
Целью изобретения является прогнозирование эксплуатационной надежности металлов и сопротивления их к разрушению за счет определения в схеме вязкопластической среды математических зависимостей [6-7]: коэффициента динамической вязкости материала µ и энергии разрушения А от основных параметров σ, δ, µ, έ, полученных при испытаниях на растяжение плоских и круглых стандартных образцов согласно ГОСТ 10006-80, ГОСТ 1497-77.
*
b
02
*
5
02
b
02
*
5
02
Поставленная цель достигается тем, что коэффициент динамической вязкости металлов µ и эффективную энергию разрушения А определяют по формулам: для плоского образца µ=(σ-σ)/2έ, A=3cµδσ/4Е и для круглого образца µ=(σ-σ)3έ, А=3сµδσ/Е.
b
02
5
Здесь σ, σ, δ - соответственно предел прочности, предел текучести и относительное удлинение металлов при растяжении стандартных образцов. А также έ - скорость деформации, при которой растягивается образец, Е - модуль Юнга, с - скорость звука продольных волн в металле.
b
02
5
*
Таким образом, в дальнейшем предлагается при исследовании конструкций из металла под действием реальных нагрузок и скоростей деформаций вплоть до разрушения основывать прогноз по эксплуатационной надежности выбранного материала на основании количественных оценок параметров (σ, σ, δ, έ, µ, А).
Принимая во внимание уже полученные решения математических моделей в схеме вязкопластической среды для основных конструктивных элементов: для плоского образца [6], круглого [7], цилиндра [8], шара [9], можно перейти к конкретным практическим расчетам для прогнозирования, например, оптимального материала для конкретной конструкции или изделия.
b
02
5
к
*
*
*
к
к
-2
-2
2
Первый пример. Рассмотрим данные ГОСТ 21945-76, где регламентируются механические свойства (σ, σ, δ, А) бесшовных горячекатанных труб из сплавов на основе титана при температуре +20°C плоских образцов (ГОСТ 10006-80), при скорости деформаций έ=0,25·101/с. Усредняя данные мехсвойств (табл. 3, ГОСТ 21945-76), в табл.1 представлены механические свойства основных титановых сплавов ПТ1М, ПТ7М, ПТ3В, ОТ4, 14, которые имеют широкое применение в судостроении и авиации. В табл. 1, на основании формул (1), представлены расчетные значения µ, А для рассматриваемых титановых сплавов. В расчетах приняты следующие значения постоянных: модуль нормальной упругости Е-103 ГПа, скорость звука в титане с=3260 м/с, скорость деформации έ=0,25·101/с. Принимая во внимание, что коэффициент динамической вязкости µ является характеристикой внутреннего трения материала, а А - есть работа, затрачиваемая при разрыве единицы сечения материала, который находится под нагрузкой вплоть до разрушения, отсюда следует, что при максимальных значениях µ, А, рассматриваемые титановые сплавы имеют максимальное сопротивление к разрушению Как следует из данных табл. 1, из названных сплавов ПТ1М, ПТ7М, ПТ3В, ОТ4, 14 наибольшим сопротивлением к разрушению будет обладать конструкция, изготовленная из сплава ПТ7М. Из анализа данных табл. 1 относительно ударной вязкости А (образец Менаже) самая высокая величина А=0,88 МДж/м для сплава ПТ1М. На практике наиболее ответственные детали конструкции не из сплава ПТ1М (корпус подлодки из сплава ПТ3В, трубы для теплообменников, работающие на морских турбинах из сплавов ПТ7М и т.д.).
к
*
-2
Второй пример. В качестве примера оценки броневой надежности конкретных сталей в табл. 2 представлены механические свойства отечественной броневой стали 30Х2Н2М1Ф-Ш при различных режимах отжига ([10], с. 252). Здесь указаны значения ударной вязкости A (KCU) при температуре испытаний +20°C и -40°C (ГОСТ9454-78), а механические свойства указаны при растяжении плоских образцов при έ=0,25·101/с, согласно ГОСТ 1497-77. Расчеты значений µ, А по формуле (1) определяются для сталей: модуль Юнга Е=200 ГПа, скорость звука с=5050 м/с. Из данных табл. 2 следует перспективность броневой стали 30Х2Н2М1Ф-Ш при режиме отжига п.3, табл. 2.
к
*
*
к
-2
Третий пример. Рассмотрим экспериментальные данные для броневых плит фирмы CLJ (Франция). В табл. 3 представлены основные марки и механические свойства ([10], с. 289), включая значения ударной вязкости А (KCV) при температуре испытания -40°C плоских образцов. Значения µ, А в табл. 3 рассчитаны по формуле (1) при έ=0,25·101/с, Е=200 ГПа, с=5050 м/с. Из данных табл. 3 относительно µ, А следует, что броневая сталь MAPS240 наиболее надежная к динамическим нагрузкам по сравнению с другими представленными сталями. Наиболее «проблемная» - MAPS300, у которой прочность при этом наиболее высокая. По одному значению А (KCV, KCU) невозможно спрогнозировать перспективность рассматриваемых материалов (см. табл. 1, 2, 3).
Таким образом, формулы позволяют оценить эксплуатационную надежность металлов при их испытании на растяжение стандартных образцов без надреза, что позволяет отказаться от испытаний образцов Шарпи, Менаже на ударную вязкость с помощью маятниковых копров. Принимая во внимание достаточную точность и трудоемкость при изготовлении образца 10×10×55 мм с (U, V)-образным надрезом глубиной 2 мм и радиусом надреза 1 мм с жесткими геометрическими допусками (см. ГОСТ 9454-78), цена при их изготовлении колеблется от 250 руб/шт. до 1300 руб/шт. в зависимости от материала образца (низкоуглеродистая сталь или высоколегированная сталь, сплав титана). На каждую плавку, чаще всего и на партию готовой продукции, регламентируются испытания на ударную вязкость. При этом отбираются по два-три образца, а для труб - с обеих сторон (см. ГОСТ 21945-76). Например, на одном только Челябинском трубопрокатном заводе (ОАО «ЧТПЗ») в испытательном центре и цеховых лабораториях изготавливают более 50000 образцов в год для определения ударной вязкости и примерно 85000 в год для определения механических свойств. В итоге тратится ~38,75 млн руб только на изготовление образцов с надрезом, а еще затраты на содержание оборудования и сами испытания, обработка результатов. И это только для одного предприятия, изготавливающего трубы и отводы для нефтегазовой промышленности и ВПК.
Таблица 1
Механические характеристики титановых сплавов (усредненные, согласно ГОСТ 21945-76 при +20°C) и расчетные данные коэффициента динамической вязкости µ и эффективной энергии динамического разрушения A<sub>*</sub>
№
Сплав титана
σ<sub>в</sub> (МПа)
σ<sub>02</sub>(МПа)
δ<sub>5</sub>(%)
Ударная вязкость A<sub>к</sub> (МДж/м<sup>2</sup>)
µ ГПа·с
A<sub>*</sub> ГДж/м<sup>2</sup>
1
ПТ1М
441
245
24
0,88
39,2
108
2
ПТ7М
578
372
18
0,78
41,2
129,7
3
ПТЗВ
710
519
10
0,64
38,3
114,7
4
ОТ4
784
637
10
0,34
29,4
88,0
5
14
980
784
8
0,40
39,0
115,0
Таблица 2
Механические свойства броневых сталей при различных режимах отжига
№
Сталь
Режим отжига
σ<sub>в</sub> (МПа)
σ<sub>02</sub> (МПа)
δ<sub>5</sub> (%)
A (KCU) при +20°C (МДж/м<sup>2</sup>)
A (KCU) при -40°C (МДж/м<sup>2</sup>)
µ (ГПа·с)
А<sub>*</sub> (ГДж/м<sup>2</sup>)
аустенизация
Изотермическая выдержка
1
3ОХ2Н2М1Ф-Ш
900°C, 3 ч
630°C, 100 ч
1380
1270
15,3
1,18
0,94
22
81,3
2
3ОХ2Н2М1Ф-Ш
900°C, 3 ч
650°C, 48 ч
1400
1300
13,8
1,03
0,95
20
68,2
3
3ОХ2Н2М1Ф-Ш
900°C, 3 ч
630°C, 100 ч
1300
1180
15,5
1,56
1,36
24
83,4
4
3ОХ2Н2М1Ф-Ш
850°C, 3 ч
650°C, 48 ч
1343
1227
15,3
1,36
1,14
23
82,0
Таблица 3
Основные марки и механические свойства броневых сталей фирмы GLJ (Франция)
№
Сталь
σ<sub>в</sub> (МПа)
σ<sub>02</sub> (МПа)
δ<sub>5</sub> (%)
A (KCV) при -40°C(МДж/м<sup>2</sup>)
µ (ГПа·с)
A<sub>*</sub> (ГДж/м<sup>2</sup>)
1
MARS 190
1250
1150
14,0
0,60
20
61,2
2
MARS 240
1750
1350
13,0
0,40
80
267
3
MARS 270
1900
1500
10,5
0,30
80
228
4
MARS 300
2250
1700
7,0
0,15
11
24,9
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ильюшин А.А. Деформация вязкопластического тела. - Учен. зап. МГУ. Механика, Москва, 1940, вып.39, с.1-81.
2. Ишлинский А. Ю. Прикладные задачи механики. Кн.1. Механика вязкопластических и не вполне упругих тел. Москва, «Наука», 1986, 405 с.
3. Иванов А.Г. О природе катастрофических разрушений трубопроводов. - Докл. АН СССР, Москва, 1985, т.285, №2, с.257-259.
4. Сериков С. В. Исследование деформации и разрушения титановых сплавов методом моделирования. - Журнал Титан, Москва, 2006, №1, с.53-59.
5. Фридман Я.Б. Механические свойства металлов. Изд. 3-е перераб. В двух частях. Часть вторая. Механические испытания. Москва, «Машиностроение», 1974, 308 с.
6. Сериков С.В. Двуосная неустановившаяся деформация прямолинейной полосы в схеме сжимаемой вязкопластической среды. - Журнал прикладной механики и технической физики. - Новосибирск, 1982, №6, с.123-133.
7. Сериков С.В. Неустановившаяся деформация круглого прутка в схеме сжимаемой вязкопластической среды. - Динамика сплошной среды, Новосибирск, Ин-т гидродинамики СО АН СССР, 1982, вып.55, с.79-89.
8. Сериков С.В. Оценка предельной деформации при разрушении металлических труб под действием интенсивных нагрузок. - Журнал прикладной механики и технической физики. - Новосибирск, 1987, №1, с.155-161.
9. Сериков С.В. Оценка осколкообразования при разрушении шаровой оболочки. - Журнал прикладной механики и технической физики. - Новосибирск, 1987, №3, с.125-132.
10. Гладышев С.А., Григорян В.А. Броневые стали. - Москва, Интермет Инжиниринг, 2010, 336 с.
11. ГОСТ 1497-77, ГОСТ 9454-78, ГОСТ 10006-80, ГОСТ 21945-76, Москва, Издательство стандартов.