СПОСОБ ОЦЕНКИ УДАРНОЙ ВЯЗКОСТИ ВЫСОКОВЯЗКИХ ЛИСТОВЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ
METHOD TO ASSESS IMPACT VISCOSITY OF HIGHLY VISCOUS SHEET STRUCTURAL STEELS

Изобретение относится к области материаловедения, в частности к металловедению, определяющему ударную вязкость, динамическую трещиностойкость металлов, и может быть использовано для контроля трещиностойкости вязких, высоковязких листовых сталей, преимущественно, тонколистовых конструкционных сталей со структурой наноуровня, и прогнозирования состояния трещиностойкости изделий, работающих как в условиях плоскодеформируемого, так и плосконапряженного состояний.
Q
C
Известен способ определения предела трещиностойкости (ГОСТ 25.506-85) малоуглеродистых и низколегированных сталей, заключающийся в том, что выбирают образцы для определения характеристик трещиностойкости исходя из того, к какому типу образец относится (листовой, относится к 1 типу, толщиной от 1 до 10 мм), устанавливают толщину образца с учетом модуля упругости, предела текучести материала, определяют вязкость разрушения слоистых композитов, K, максимальный коэффициент вязкости разрушения, Кс*, коэффициент вязкости разрушения, Кс, критическое раскрытие трещин, δ, инвариантный интеграл Черепанова-Райса, Jc, беря толщину образца, равную толщине заготовки конструкции. Предел трещиностойкости определяют при широком варьировании длин трещин или на сериях кратковременных статических испытаний плоских образцов. Определяют параметры температурных зависимостей характеристик трещиностойкости не менее чем при пяти температурах, охватывая диапазон хрупкого, квазихрупкого и вязкого разрушения через интервал в 20-30°С. При построении зависимостей по оси ординат откладывают значения данной характерстики трещиностойкости, а по оси абсцисс - температуру испытаний. Определяют переходы от вязких разрушений к квазихрупким, от квазихрупкого к хрупкому.
К недостаткам известного способа относится то, что известный способ позволяет проводить только статические испытания. В основном используют материалы с трещинами, близкими к максимальному размеру. Испытания требуют большого числа образцов и являются весьма трудоемкими.
Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ испытания на ударный изгиб при различных температурах (от -100° до +1200°С) (ГОСТ 9454-78), заключающийся в том, что вначале готовят образцы для испытания в виде пластин, размеры которых стандартизованы. Концентратор напряжений в виде усталостной трещины выращивают из V-образного надреза с использованием вибратора Дроздовского. Концентратор находится в центре образца. Получают трещину стандартной относительной длины (λ=0,27) в каждом отдельном образце. Для испытаний готовят 3-4 образца, имеющих одну и ту же длину трещины. Затем размещают образец с концентратором в нем (усталостной трещиной) на опоры маятникового копра свободной укладкой, соблюдая симметричность размещения концентратора относительно опор. Проводят испытания при ударе маятника со стороны, противоположной концентратору, в плоскости его симметрии в условиях плосконапряженного состояния.
2
2
Рассчитывают ударную вязкость образцов с концентратором типа Т по формуле, в Дж/см; КСТ=K/So, где К - работа удара, So - начальная площадь поперечного сечения образца в месте концентратора, см. Данный способ принят за прототип.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого способа, - изготавливают образец стандартного типа; получают в образце усталостную трещину-концентратор стандартной относительной длины (λ=0,27); укладывают образец с концентратором свободно на опоры маятникового копра с помощью шаблона, обеспечивающего симметричное расположение концентратора относительно опор; испытывают образец при ударе маятника со стороны, противоположной концентратору, в плоскости его симметрии в условиях плосконапряженного состояния; определяют ударную вязкость.
Недостатком известного способа, принятого за прототип, является то, что при испытании стандартных образцов, особенно из высоковязких материалов, на их боковых поверхностях возникают утяжки, образующиеся вследствие разрушения в условиях плосконапряженного состояния, которые приводят к существенному увеличению параметра ударной вязкости КСТ и, как следствие, не позволяют проводить оценку динамической трещиностойкости высоковязких конструкционных материалов (удельной работы распространения трещины в условиях плоскодеформированного состояния). Кроме того, проведение испытаний по известному способу не обеспечивает соблюдение условий плоской деформации, что приводит к искажениям в данных о вязкости исследуемого материала и сужает возможности оценки его ударной вязкости. Особенно это касается оценки трещиностойкости тонколистовых высоковязких сталей (толщиной 4-5 мм и менее).
Задачей изобретения является расширение возможностей оценки ударной вязкости листовых конструкционных сталей и повышение качества оценки.
Поставленная задача была решена за счет того, что в известном способе оценки ударной вязкоски высоковязких листовых конструкционных сталей, заключающемся в том, что изготавливают образец стандартного типа, получают в образце усталостную трещину-концентратор стандартной относительной длины (λ=0,27), укладывают образец с концентратором свободно на опоры маятникового копра с помощью шаблона, обеспечивающего симметричное расположение концентратора относительно опор, испытывают образец при ударе маятника со стороны, противоположной концентратору, в плоскости его симметрии в условиях плосконапряженного состояния и определяют ударную вязкость КСТ, дополнительно изготавливают, по меньшей мере, три стандартных образца, получают в одном из них усталостную трещину-концентратор стандартной длины, в двух других - усталостную трещину максимальной относительной длины, исключающей при получении трещины самопризвольное ее раскрытие, при этом предварительно наносят на боковые поверхности образца с усталостной трещиной-концентратором стандартной длины и одного из образцов с усталостной трещиной максимальной относительной длины V-образные боковые надрезы глубиной 1,0-1,5 мм, размещенные по обе стороны концентратора, затем испытывают образцы с усталостной трещиной различной длины и боковыми надрезами в условиях плоскодеформированного состояния, а образцы с усталостной трещиной максимальной относительной длины - в условиях плосконапряженного состояния, по результатам испытаний образцов с усталостной трещиной различной длины строят зависимость КСТ=f(λ), аппроксимируют ее наклонной прямой линией, а по результатам испытаний образцов с усталостной трещиной различной длины и боковыми надрезами строят на том же координатном поле горизонталь КСТ*=f(λ), по полученным зависимостям оценивают одновременно ударную вязкость КСТ и динамическую трещиностойкость КСТ*.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, - дополнительно изготавливают, по меньшей мере, три стандартных образца; получают в одном из них усталостную трещину-концентратор стандартной длины, в двух других - усталостную трещину максимальной относительной длины, исключающей при получении трещины самопризвольное ее раскрытие; предварительно наносят на боковые поверхности образца с усталостной трещиной-концентратором стандартной длины и одного из образцов с усталостной трещиной максимальной относительной длины V-образные боковые надрезы глубиной 1,0-1,5 мм, размещенные по обе стороны концентратора; испытывают образцы с усталостной трещиной различной длины и боковыми надрезами в условиях плоскодеформированного состояния, а образцы с усталостной трещиной стандартной и максимальной относительной длины - в условиях плосконапряженного состояния; по результатам испытаний образцов с усталостной трещиной различной длины строят зависимость КСТ=f(λ), аппроксимируют ее наклонной прямой линией; по результатам испытаний образцов с усталостной трещиной различной длины и боковыми надрезами строят на том же координатном поле горизонталь КСТ*=f(λ); оценивают по полученным зависимостям одновременно ударную вязкость КСТ и динамическую трещиностойкость КСТ*.
Отличительные признаки в совокупности с известными позволяют получить информацию о динамической трещиностойкости исследуемого материала, которая расширяет возможность оценки ударной вязкости и, следовательно, обеспечивает повышение качества оценки ударной вязкости листовых конструкционных сталей.
Для испытаний готовят образцы стандартного типа по ГОСТу 9454-78 с получением усталостной трещины, минимальной (λ=0,27) и максимальной относительной длины. За максимальную длину принимают длину, которая исключает самопроизвольное раскрытие трещины при ее получении, λ=0,65÷0,70 в зависимости от вязкости исследуемого материала. Получают первую и вторую точки зависимости ударной вязкости КСТ=f(λ) от длин трещин в образцах. Данные экспериментов показывают, что распространение коротких трещин (λ=0,27) происходит с образованием максимальных утяжек на боковых поверхностях, которые требуют дополнительной затраты энергии, увеличивая искомую величину ударной вязкости, КСТ. При наличии в образце усталостной трещины максимальной длины, в процессе испытания на удар, ее развитие происходит с формированием незначительных утяжек или вообще без утяжек на боковой поверхности, что, в некоторых случаях, позволяет оценить ударную вязкость материала в условиях плоской деформации.
Для гарантированного получения условий плоской деформации в образцах, особенно тонких, и из высоковязких материалов, одновременно с образцами с усталостными трещинами различной длины, готовят образцы с усталостными трещинами той же длины и боковыми V-образными надрезами глубиной 1,0-1,5 мм. Экспериментально установлено, что боковые V-образные надрезы глубиной 1,0-1,5 мм гарантируют реализацию плоскодеформированного состояния при ударных испытаниях, а при глубине надреза менее 1 мм боковая утяжка на образцах сохраняется даже при большой относительной длине трещины (λ=0,7 и более). При глубине надреза более 1,5 мм резко уменьшается площадь поперечного сечения, ослабляющая образец в целом.
Наличие боковых надрезов обеспечивает отсутствие утяжек при любой длине усталостной трещины. Это особенно важно для высоковязких тонколистовых конструкционных сталей, где наиболее остра проблема присутствия утяжек на поверхности образца в процессе испытания. Боковые надрезы выполняют до получения усталостной трещины. Испытывают образцы с усталостной трещиной стандартной и максимальной относительными длинами и боковыми надрезами в условиях плоскодеформированного состояния. По результатам испытаний на том же координатном поле, где построена зависимость KCT=f(λ), строят зависимость KCT*=f(λ), аппроксимируют ее прямой горизонтальной линией.
По построенным на одном координатном поле зависимостям получают возможность оценить по горизонтальной линии динамическую трещиностойкость - КСТ* в условиях плоской деформации (чему способствует наличие надрезов по обе стороны от усталостной трещины, организующее перераспределение напряжений в образце, относительно напряжения в усталостной трещине). При этом реализуются условия испытания, близкие к испытаниям хрупких материалов, которые могут быть в исследуемом материале без изменения его структурного состояния, что очень важно для прогнозирования трещиностойкости вязких листовых материалов, особенно высоковязких листовых (диспергированных вплоть до наноуровня, компактных материалов). А по ниспадающей линии, КСТ, оценивают ударную вязкость образцов в условиях плосконапряженного состояния.
Предлагаемый способ поясняется с помощью чертежей, представленных на фиг.1-5.
На фиг.1 схематично представлены зависимости ударной вязкости и динамической трещиностойкости исследуемого материала, в котором условие КСТ=КСТ* реализуется при относительной длине трещины, равной максимальной, λ=0,70.
На фиг.2 схематично представлены зависимости ударной вязкости и динамической трещиностойкости исследуемого материала в случае, когда КСТ<КСТ* при больших значениях λ.
На фиг.3 схематично представлены зависимости ударной вязкости и динамической трещиностойкости исследуемого материала, когда КСТ>КСТ* при всех исследованных λ.
На фиг.4-5 приведена комплексная оценка зависимостей ударной вязкости и динамической трещиностойкости для конкретных сталей 09Г2С и стали 40 соответственно.
Способ оценки ударной вязкоски высоковязких листовых конструкционных сталей осуществляется следующим образом.
Для испытания готовят, по меньше мере, четыре образца стандартного типа по ГОСТу 9454-78. В двух образцах получают усталостную трещину-концентратор стандартной относительной длины (λ=0,27), на боковую поверхность одного из них предварительно наносят V-образные боковые надрезы глубиной 1,0-1,5 мм, размещенные по обе стороны концентратора.
В двух других получают усталостную трещину-концентратор максимальной относительной длины (λ=0,65÷0,70 в зависимости от вязкости исследуемого материала), на боковую поверхность одного из них предварительно наносят V-образные боковые надрезы глубиной 1,0-1,5 мм, размещенные по обе стороны концентратора.
Затем укладывают каждый образец с концентратором свободно на опоры маятникового копра с помощью шаблона, обеспечивающего симметричное расположение концентратора относительно опор, и проводят испытания при ударе маятника со стороны, противоположной концентратору, в плоскости его симметрии. При этом образцы с усталостной трещиной-концентратором стандартной и максимальной относительными длинами и боковыми надрезами испытывают в условиях плоскодеформированного состояния, а образцы с усталостной трещиной стандартной и максимальной относительных длин - в условиях плосконапряженного состояния. По результатам испытаний образцов с усталостной трещиной различной длины строят зависимость КСТ=f(λ), аппроксимируют ее наклонной прямой линией. По результатам испытаний образцов с усталостной трещиной различной длины и боковыми надрезами строят на том же координатном поле горизонталь КСТ*=f(λ). По полученным зависимостям оценивают одновременно ударную вязкость КСТ и динамическую трещиностойкость КСТ*.
0,27
0,27
Так, например, на фиг.1 показаны зависимости для случая, когда уровни ударной вязкости КСТ с заданной максимальной (λ=0,70) усталостной трещиной и динамической трещиностойкости КСТ* равны. В этом случае не требуются дополнительные исследования: значения КСТ и КСТ* сошлись в одной точке. Следовательно, несмотря на минимальное количество исследуемых образцов с трещинами минимального и максимального размеров получена полная информация об ударной вязкости и динамической трещиностойкости исследуемого материала. По углу наклона линии КСТ к горизонтальной линии КСТ* определяют R=tgα - меру сопротивления росту трещины при динамическом нагружении в условиях плосконапряженного состояния. В этом случае R рассчитывают следующим образом: R=КСТ-КСТ*/λ*-λ, где λ* - относительная длина трещины, при которой КСТ=КСТ*, λ - стандартная относительная длина трещины.
Известно, что при усталостных трещинах малой величины материал имеет более высокое сопротивление распространению этих трещин, бóльшую величину ударной вязкости, чем при усталостной трещине бóльших размеров, важно знать эту разницу величин ударной вязкости. В случае, когда разница небольшая, а уровень вязкости высок, то такой материал изделия обладает повышенной стойкостью к ударным воздействиям, независимо от размера трещин в нем.
В случае большой разницы между величинами ударной вязкости материал способен выдержать большие нагрузки без разрушения, оказывая большее сопротивление развитию трещин в нем при малых величинах трещин и значительно быстрее разрушится при той же нагрузке, имея усталостные трещины большей величины.
Оценивая ударную вязкость заявляемым способом по углу наклона, R, ниспадающей прямой линии зависимости КСТ=f(λ), приходим к выводу, что следует учитывать не только угол наклона, но и уровень вязкости, ее величину, т.к. малый угол наклона при высоком уровне ударной вязкости в материале (с малым или большим размером трещин в нем) означает, что эксплуатируемый материал высоковязкий. При малом угле наклона, R, ниспадающей прямой линии зависимости КСТ=f(λ) и невысоком уровне ударной вязкости в материале (при малых и больших трещинах) оценка может быть следующей: материал изделия по свойствам близок к хрупкому, он плохо сопротивляется распространению трещин.
Таким образом, более точный и глубокий прогноз и оценку ударной вязкости эксплуатируемого изделия получают и реализуют при анализе обеих прямых линий, КСТ и КСТ*, угла наклона ниспадающей прямой линии, R, а также количественной оценки ударной вязкости с учетом условий эксплуатации.
На фиг.2 показаны зависимости для случая, когда уровень ударной вязкости, КСТ, с выбранной усталостной трещиной большой длины, λ≥0,7, оказывается несколько меньше, чем уровень КСТ*, определенной на образцах с боковыми надрезами. В результате при этой и большей длине происходит значительное, недопустимое уменьшение площади живого сечения образца. В данном случае требуется провести дополнительные испытания образцов без боковых надрезов с меньшей относительной длиной трещины, λ<0,70.
На фиг.3 показаны зависимости для случая, когда при выбранной максимальной усталостной трещине в образцах возможно провести прямую наклонную линию, КСТ, но она никогда не пересечется с горизонтальной линией, КСТ*. Другими словами, пересечение этих двух зависимостей не происходит даже при значениях λ, близких к 1. Это означает, что образцы без боковых надрезов из данного материала не будут разрушаться в условиях плоской деформации ни при каких значениях λ, и оценка параметра КСТ* возможна только в случае нанесения боковых надрезов, а исследуемый материал настолько высоковязкий, что не чувствителен к наличию любых размеров трещин и обладает значительным сопротивлением процессу разрушения, развитию трещин в процессе динамического нагружения.
Примеры конкретного выполнения способа и оценка полученных результатов
Для исследования ударной вязкости в конструкционной стали брали сталь 09Г2С в виде листа толщиной 14 мм. Готовили продольные заготовки размером 11×12×16 мм. Исходное состояние стали - горячекатаное. Затем заготовку подвергали термической обработке: нормализация с 900°С, закалка с 900°С в воду и отпуск при 650°С, в течение 2 часов. Стандартные образцы готовили в соответствии с ГОСТ 9454-78 (тип 15). На одних образцах выращивали только усталостные трещины с минимальной (λ=0,27) и максимальной (λ=0,65) длинами; на других - вначале наносили боковые надрезы V-образной формы глубиной 1,5 мм, затем выращивали исходные усталостные трещины такой же длины, как и в первых образцах. Испытывали в соответствии с ГОСТом образцы с усталостной трещиной-концентратором различной длины и боковыми надрезами в условиях плоскодеформированного состояния, а образцы с усталостной трещиной различной длины - в условиях плосконапряженного состояния. По результатам испытаний на одном поле координат строили зависимости: по оси ординат откладывали значение характеристик ударной вязкости, КСТ, и динамической трещиностойкости, КСТ*, а по оси абсцисс - относительную длину усталостной трещины, λ.
На фиг.4 приведена комплексная оценка зависимостей ударной вязкости и динамической трещиностойкости для конкретной стали 09Г2С.
2
2
2
2
Так, например, сталь после термообработки (отпуск 650°С) имеет при наличии усталостной трещины длиной λ=0,2 ударную вязкость в условиях плосконапряженного состояния - КСТ=240 Дж/см, а при той же длине усталостной трещины на образце с боковыми надрезами глубиной 1,5 мм динамическую трещиностойкость, КСТ*=140 Дж/см. А при наличии в образце максимальной трещины, с относительной длиной, равной λ=0,65, КСТ=160 Дж/см, а КСТ*=140 Дж/см. Следовательно, реализуется схема, показанная на фиг.3. Ударную вязкость стали, имеющей другие длины усталостной трещины, без исследований легко спрогнозировать. Для этого проводим вертикаль от прогнозируемой, λ, по зависимостям горизонтальной и наклонной линиям, получаем значения искомых величин КСТ и КСТ*.
На одном координатном поле показано в зависимости от температур отпуска (200-650°С) изменение вязкости материала исходя из структурного состояния после отпуска. При этом получаем конкретную информацию в целом о трещиностойкости стали 09Г2С: КСТ, КСТ* и R=tgα. Очевидно, что чем выше температура отпуска, тем сложнее трещине в материале, даже при наличии боковых надрезов в образце, развиваться в условиях плоскодеформированного состояния (реализуются схемы, показанные на фиг.1, 3).
2
2
2
2
2
2
2
На фиг.5 показан конкретный пример использования заявленного способа и приведена комплексная оценка зависимостей ударной вязкости и динамической трещиностойкости для конкретной стали 40 от температуры отпуска. На фиг.5 видно, как меняется вязкость материала в зависимости от структурного состояния (температуры отпуска): 200°С - весьма хрупкий материал: КСТ=КСТ*=12 Дж/см, или, другими словами, зависимость КСТ=f(λ) представляет собой горизонталь, сливающуюся с горизонталью КСТ*=f(λ) на уровне 12 Дж/см; 400°С - материал менее хрупкий: КСТ=КСТ*=21-24 Дж/см; отпуск при 500°С: на зависимости КСТ=f(λ) появляется ниспадающий участок, КСТ=55 Дж/см, КСТ*=42 Дж/см, КСТ становится равной КСТ* при относительной длине трещины, λ=λ*=0,52. Отпуск при 650°С приводит к получению высоковязкого материала: КСТ=110 Дж/см, КСТ*=84 Дж/см при λ=0,27. Поскольку уровень КСТ меньше, чем КСТ* при λ=0,52, то, следовательно, работа разрушения станет меньше 10% от запасенной номинальной энергии. По ГОСТ 9454-78 это недопустимо и в данном случае следует повторить испытания, при этом выполнять требование ГОСТ 9454-78 (при температуре отпуска - 650°С реализуется схема, показанная на фиг.2).
Таким образом, заявляемый способ за счет построения на одном координатном поле зависимостей ударной вязкости КСТ и динамической трещиностойкости КСТ* от длин трещин в образцах позволяет получить информацию о динамической трещиностойкости исследуемого материала, которая расширяет возможность оценки ударной вязкости и, следовательно, обеспечивает повышение качества оценки ударной вязкости листовых конструкционных сталей.
При этом заявляемый способ позволяет прогнозировать поведение высоковязких конструкционных сталей, рекомендовать условия эксплуатации для увеличения работоспособности изделий из этих сталей, а также предостеречь от нежелательных режимов и условий эксплуатации. Кроме того, способ позволяет ранжировать (расположить в ряд) конструкционные стали по уровню ударной вязкости и динамической трещиностойкости и, следовательно, дополнить существующий ГОСТ.