СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЯЗКОСТИ МЕТАЛЛА
METHOD OF DETERMINING TENACITY OF METAL

Изобретение относится к механическим испытаниям, применяемым для оценки надежности металлов, в частности стали различных классов, марок, структурного состояния.
Вязкость металла характеризует работу внешних сил, которую требуется произвести для того, чтобы совершить определенную деформацию (работу деформации). Вязкость в большей степени, чем другие распространенные механические показатели (прочность, пластичность), чувствительна к неблагоприятному проявлению таких факторов, как снижение температуры механического воздействия или дефектность структуры металла.
Поэтому определению вязкости как характеристики надежности уделяется все большее внимание в оценках служебных качеств металла.
Известен способ определения вязкости металла испытанием ударным изгибом призматических образцов, выполненных с надрезом - определение ударной вязкости [ГОСТ 9454].
Однако данный способ имеет недостатки, снижающие эффективность оценки металла.
1. Определение ударной вязкости предполагает использование образцов определенной конфигурации - с определенной площадью нагружаемого сечения (10×8 мм) и определенной формой надреза, располагаемого на одной из граней. При невозможности выполнения этого условия (например, в испытании плоских образцов, толщина которых менее 10 мм, круглых образцов, надрез которых выполняется по всему периметру, образцов стали с поверхностным упрочнением, выполняемых без надреза) сопоставление ударной вязкости в разных испытаниях может быть лишь условным и отнесено исключительно к используемой конфигурации образцов.
В связи с этим снижается универсальность ударной вязкости как характеристики, пригодной для ранжирования металла по вязкости в испытании образцов с различной конфигурацией.
2. Достаточно пластичный металл в испытании изгибом может быть не доведен до разрушения. Поэтому полная вязкость такого металла в данном испытании не определяется.
Известен способ (растяжение), в котором образец любого металла доводится до разрушения и определяются универсальные характеристики, пригодные для ранжирования металла по силовым показателям (предельным напряжениям) и показателям пластичности (удлинениям) [ГОСТ 1497].
Однако в данном способе не предусмотрено определение вязкости.
Известен способ, использующий для определения вязкости (работы деформации) величину площади под диаграммой растяжения [Золоторевский, B.C. Механические свойства металлов / B.C.Золоторевский. - М.: Металлургия, 1983, с.183].
Однако характеристики механических свойств, предлагаемые в нем для определения площади являются чисто теоретическими, не стандартизированными, пригодными лишь для узких исследований и неприемлемы в практических испытаниях металла.
Наиболее близким к заявляемому является способ, использующий для определения вязкости стандартные показатели, выявляемые в испытании растяжением и широко применяемые для оценки качества металла [Скуднов, В.А. Синергетика явлений и процессов в металловедении, упрочняющих технологиях и разрушении / В.А.Скуднов. - Н. Новгород: НГТУ, 2007, с.49].
н
у
м
K
По данному способу образец подвергают растяжению до разрыва с фиксированием до проведения испытания начальной длины l и площади поперечного сечения F, регистрированием в процессе испытания диаграммы растяжения, нагрузки, завершающей упругое удлинение Р, максимально достигаемой нагрузки Р, регистрированием после испытания конечной длины l. Используя эти величины, вязкость, как площадь под диаграммой растяжения, определяется по формуле
T
b
пред
W=0,5(σ+σ)ε,
т
y
b
м
H
K
H
H
пред
в которой предел текучести σ=P/F, предел прочности σ=P/F, истинное предельное удлинение ε=ln(1+δ), относительное удлинение δ=Δl/l=(l-l)/l.
Фактически величина W выражает удельную работу деформации - полную работу A, характеризующуюся площадью под диаграммой, отнесенную к деформируемому в испытании объему образца V, т.е. величину
a=A/V.
Тем самым получают характеристику механических свойств металла, не зависящую
H
от деформируемого объема испытуемого образца (при определенной начальной длине l). Данный способ определения вязкости также имеет существенные недостатки, связанные с проявлением следующих факторов.
1. Фактически величина W является не только приближенным (уменьшенным) представлением площади под диаграммой, но и не включает площадь, которая характеризует работу, необходимую для совершения упругого растяжения. Такое представление площади под диаграммой не всегда может быть оправданным. Прежде всего, это относится к испытанию высокопрочного металла, для которого доля общей работы, относящейся к совершению упругого растяжения, является значительной.
H
H
H
H
H
2. Расчет относительного удлинения δ вызывает необходимость фиксирования начальной длины образца l которая составляет лишь часть полной длины образца. На практике выбор l определяется геометрическими параметрами испытуемого образца, связывается с площадью поперечного сечения F и регламентируется специальными стандартами по ГОСТ 1497, а также стандартами по качеству различных видов металлоизделий. Фактически величина l может колебаться в широких пределах: в испытании цилиндрических образцов l=15÷125 мм (в зависимости от рабочего диаметра); в испытании плоских образцов l=90÷310 мм (в зависимости от рабочей толщины).
Поэтому величина а, определяемая в данном способе, кроме того, что не обладает точностью, не являться универсальной характеристикой механических свойств, так как не позволяет сопоставлять результаты при различных величинах (в различных испытаниях) начальной длины испытуемого образца.
Задачей настоящего изобретения является совершенствование способа определения вязкости металла.
Технический результат - более точная количественная оценка вязкости металла.
Технический результат достигается тем, что используется способ испытания, по которому образец подвергают растяжению до разрыва с фиксированием до проведения испытания начальной длины и исходной площади поперечного сечения, в процессе испытания регистрируют диаграмму растяжения и максимальную нагрузку, после испытания регистрируют конечную длину образца, в котором в процессе испытания дополнительно регистрируют абсолютное упругое и абсолютное пластическое удлинение, и после испытания определяют вязкость металла по формуле
у
п
к
а=(А+А)/(FΔL),
y
в которой A - работа для совершения абсолютного упругого удлинения, которая может быть вычислена по формуле
у
у
у
А=0,5РΔL,
у
y
где Р - нагрузка, завершающая упругое абсолютное удлинение, ΔL - абсолютное упругое удлинение;
п
А - работа для совершения абсолютного пластического удлинения, которая может быть вычислена по формуле
п
0
п
1
п
2
п
3
п
n
п
2
3
4
n+1
A=аΔL+а(ΔL)/2+а(ΔL)/3+аΔL)/4+…+а(ΔL)/(n+1),
п
0
1
2
n
где ΔL - абсолютное пластическое удлинение по диаграмме, а, а, а … a- коэффициенты, количество которых (n) должно обеспечивать достоверную аппроксимацию графика диаграммы растяжения в виде многочлена n-й степени;
F - исходная площадь поперечного сечения испытуемого образца;
k
ΔL - конечное абсолютное удлинение по диаграмме.
у
Величина А соответствует площади поля диаграммы, располагающегося под ее прямолинейным отрезком.
п
Формула для определения А получается в результате вычисления интеграла
ΔL
K
где Р - усилие, необходимое для совершения абсолютного удлинения ΔL, ΔL - конечное абсолютное удлинение.
Данный интеграл является точным выражением площади под криволинейным участком диаграммы.
к
Н
Использование при определении площади под диаграммой величины ΔL, не зависящей от начальной длины образца, означает, что результат определения величины А также не зависит от начальной длины l.
Н
Используя в оценке вязкости величины а вместо А, получаем характеристику механических свойств металла, которая не зависит от деформируемого объема испытуемого образца и при этом не зависит также и от начальной длины l.
Рассмотренная процедура аппроксимирования графика диаграммы позволяет эффективно использовать современные информационные технологии в проведении механических испытаний.
у
п
При этом величина А в предлагаемом способе может определяться и без использования данной математической процедуры. Например, составляющие работы А и А могут быть получены в результате геометрических измерений, производимых с помощью известного измерительного прибора - планиметра, и таким образом в целом (учитывая использование измерительных инструментов в определении начальной и конечной длины испытуемого образца) задача определения величины А будет решаться чисто техническим методом.
Определение величины А с применением аппроксимации диаграммы включает в себя также следующие процедуры.
макс
К
H
1. Масштабирование осей первичной диаграммы удлинения образца: оси Р - в единицах усилия, прикладываемого к испытуемому образцу (по максимальной зафиксированной нагрузке Р); оси ΔL - в единицах удлинения непосредственно образца (по конечному абсолютному удлинению Δl=l-l, зафиксированному на испытанном образце).
2. Отбор точек первичной диаграммы, координаты которых, выраженные в масштабе реального удлинения и усилия, должны обеспечивать достоверную аппроксимацию графика диаграммы в виде многочлена.
3. Компьютерное определение коэффициентов в аппроксимирующем многочлене и далее величин А и а.
Пример выполнения способа
Определялась вязкость стали марки 30 (ГОСТ 1050), находящейся в различных структурных состояниях: вариант первый - в состоянии поставки на волочение; вариант второй - после волочения с обжатием 50%. Определение вязкости производили в испытании растяжением по ГОСТ 1497 на цилиндрических образцах с рабочим диаметром 8 мм двумя способами - согласно прототипу и согласно изобретению.
H
у
м
Растяжение выполняли на универсальной испытательной машине УМЭ-10Т доведением образцов до разрыва с предварительным фиксированием начальной длины l и площади поперечного сечения образцов F, регистрированием диаграмм растяжения с фиксированием на них нагрузок, завершающих упругое удлинение Р, и максимальной Р, абсолютных упругого и пластического и конечного удлинений, регистрированием конечной длины образца.
В определении вязкости согласно изобретению использовали формулу
y
п
K
a=(A+A)/(FΔL),
у
y
y
у
п
0
п
1
п
2
п
n
п
у
п
п
2
3
n+1
где А=PΔL, в которой Р - нагрузка, завершающая упругое удлинение; А=aΔL+a(ΔL)/2+a(ΔL)/3+…+a(ΔL)/(n+1), ΔL и ΔL - абсолютные упругое и пластическое удлинения, ΔL - абсолютное пластическое удлинение (определяемые по диаграмме).
Диаграммы растяжения образцов стали представлены на фиг.1 и 2.
Расчеты по определению вязкости производили с использованием компьютера (таблица).
Как видно из таблицы, вязкость, определенная согласно прототипу, значительно меньше, чем по предлагаемому изобретению. Разница возрастает в испытании более прочной стали.
Выявленное противоречие находит естественное объяснение: фактически в определении вязкости по прототипу учитывается исключительно работа для совершения абсолютного пластического удлинения и не учитывается работа для совершения абсолютного упругого удлинения. Причем площадь, характеризующая эту работу пластического удлинения (представляемая как площадь прямоугольника), оказывается меньшей, чем фактическая площадь под участком диаграммы, относящаяся к абсолютному пластическому удлинению (фиг.1 и 2).
На фиг.1 и 2 приведены диаграммы растяжения образца в состояниях стали, которые соответствуют первому и второму вариантам. Заштрихованными прямоугольниками обозначена площадь, учитываемая в испытании по прототипу, тогда как по предлагаемому способу учитывается полная площадь под диаграммой.
Рассмотренный пример свидетельствует о повышении точности и достоверности определения вязкости металла при использовании заявляемого способа, и пригодности его для ранжирования металла по этому показателю.
Таблица
Вариант состояния металла
Исходные данные в определении величины а
а, Дж/мм<sup>3</sup>, согласно
F, мм<sup>2</sup>
l<sub>H</sub>, мм
l<sub>K</sub>, мм
Р<sub>м</sub>, Н
прототипу
изобретению
первый
50,2
40
14
2905
110
194
второй
6
3670
94
225