Исследование взаимосвязи коэффициентов пластичности и предела текучести сталей стандартных категорий прочности

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И КОНСТРУИРОВАНИЕ

СТРОИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ. ПРОБЛЕМЫ МЕХАНИКИ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

УДК 669.1

Ю.И. Густов, Х. Аллаттуф

ФГБОУВПО «МГСУ»

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ КОЭФФИЦИЕНТОВ ПЛАСТИЧНОСТИ И ПРЕДЕЛА ТЕКУЧЕСТИ СТАЛЕЙ СТАНДАРТНЫХ КАТЕГОРИЙ ПРОЧНОСТИ

Стандартными показателями пластичности металлов являются относительное удлинение б и относительное поперечное сужение Ф. Эти величины по определению считаются условными в отличие от истинных (логарифмических) характеристик пластичности. Кроме того, относительные удлинение и сужение не входят в явном виде в расчетные формулы по определению статической, циклической или динамической прочности. Вместе с тем, именно показатели пластичности должны присутствовать в комплексных критериях работоспособности сталей и сплавов наряду с показателями прочности, в силу двуединства процесса деформирования и сопротивления его протеканию. Такое сочетание показателей пластичности и прочности усматривается в широко известной зависимости временного сопротивления разрыву от твердости. Коэффициент пропорциональности этой взаимосвязи, принимающий значения 0,3.. .0,6, не характеризуется соответствующими значениями б или Ф. Отсюда возникает намерение выражать указанный коэффициент пропорциональности в иной форме характеристик пластичности. Предлагаются коэффициенты пластичности вида Кб = (1 - б)1/би КФ = (1 - Ф)1/Ф, взаимосвязанные выражением КФ = Кб/(1 + Кб). При известном временном сопротивлении ав посредством коэффициентов удлинения Кб и сужения КФ определяются истинное сопротивление разрыву Sl< = ав/Кб05, предел выносливости а-1 = К^К и предел текучести аТ. Для стальных поковок категорий прочности КП175—КП315 можно принять зависимость аТ = а КФ05, для категорий прочности КП345—КП440 аТ= а / (1+КФ)2, для КП490— КП785 аТ = ав/(1+КФ).

Ключевые слова: коэффициенты пластичности, удлинения, сужения, истинное временное сопротивление, предел выносливости, категория прочности, поковка.

При исследовании синергетических механических свойств конструкционных сталей [1—6] представилась возможность использования коэффициентов пластичности вида

Ks=

Установлена, в частности, зависимость предела выносливости о сталей от истинного временного сопротивления разрыву SK посредством коэффициента относительного удлинения Kg

a-i = K§ SK,

где sk = ав/ K80'5-

Расчеты по (2) дают вполне удовлетворительное совпадение со значениями о вычисленными по формуле [7]

a-i = 0,35Sk -1,0,

где SK берется в кгс/мм2, свободный член и коэффициент пропорциональности являются эмпирическими постоянными величинами для сталей различных

22

© Густов Ю.И., Аллаттуф Х., 2013

категорий прочности. В выражении (2) коэффициент К& представляет собой величину конкретной марки стали соответствующего значения и физического смысла.

Коэффициент относительного сужения Кт, по нашим расчетам, определяет взаимосвязь предела текучести сТ и временного сопротивления разрыву

а в = а т (1 + Ку), от = •

В связи с этим представляет целевой интерес установление связи между К& и Кт, а также их влияние на предел текучести а^. Для этого были использованы экспериментально-справочные данные [8].

Результаты расчетного определения К&, Кт и ат приведены в таблице.

Значения коэффициентов пластичности и предела текучести сталей

Категория прочности СТВ , МПа 5 ¥ K5 V % МПа Лт , %

%

КП175 355 28 55 0,309 0,234 0,236 0,9 171,8 1,9

КП195 390 26 55 0,314 0,234 0,239 2,1 188,7 3,3

КП215 430 24 53 0,319 0,241 0,241 0,4 210,9 1,9

КП245 470 22 48 0,323 0,256 0,244 4,6 237,8 3,0

КП275 530 20 40 0,328 0,279 0,246 11,5 279,9 1,7

КП315 570 17 38 0,334 0,284 0,250 11,9 303,9 3,7

КП345 590 18 45 0,332 0,265 0,249 5,9 368,8 6,4

КП395 615 17 45 0,334 0,265 0,251 5,4 384,4 2,8

КП440 635 16 45 0,336 0,265 0,252 5,0 396,9 10,9

КП490 655 16 45 0,336 0,265 0,252 5,0 517,8 5,4

КП540 685 15 45 0,338 0,265 0,253 4,5 541,6 0,3

КП590 735 14 45 0,341 0,265 0,254 4,1 581,1 1,5

КП640 785 13 42 0,343 0,273 0,255 6,7 616,5 3,8

КП685 835 13 42 0,343 0,273 0,255 6,7 655,7 4,5

КП735 880 13 40 0,343 0,278 0,255 8,5 688,1 6,8

КП785 930 12 40 0,345 0,279 0,256 8,1 727,2 7,9

Исследование взаимосвязи коэффициентов пластичности позволило получить зависимость

К^ = К6 /

Расчеты по этой формуле дали значения К(см. табл.), расхождение Ат между Кт и К'ч для рассмотренных категорий прочности составляет 0,4.. .11,8 %.

В процессе исследования установлено, что выражения предела текучести сТ через временное сопротивление разрыву ов и коэффициент пластичности Кт различны для различных групп категорий. Так, для категорий прочности КП175—КП315 можно принять зависимость

от =ств^0'5 .

Расхождение расчетных по (5) и стандартных значений оТ незначительно (Ат = 1,9.3,7 %). Для категорий прочности КП345—КП440 с Ат = 6,4.10,9 % можно использовать выражение

GT =СТВ/

Для остальных категорий прочности приемлема зависимость

a t =а B

с расхождением с Дт = 0,3.. .7,9 %.

Установленные зависимости предела текучести сталей от коэффициентов пластичности позволяют использовать их для расчетного определения структурно-энергетических (синергетических) критериев металлических материалов при проектировании, изготовлении и эксплуатации строительных сварных металлоконструкций [9], рабочих органов строительных машин и оборудования [10].

Выводы. 1. Расчет по формуле Kц = Kg / (1 + Kg) дает значения коэффициента пластичности К'т близкие к Кц = (1 - ^)1/Ц . Расхождение между ними составляет Дт = 0,4...11,8 %.

2. Для сталей категорий прочности КП175—КП315 можно принять зависимость ст = св Кц,0'5. Расхождение со стандартными значениями оТ достигает значений ДТ = 1,9.3,7 %. Для категорий прочности КП345—КП440

можно принять Gj =Gg/(l + Ky)2 с расхождением ДТ = 2,8.10,9 %. Для остальных категорий прочности приемлема зависимость стт = ств /(1 + К^) с расхождением ДТ = 0,3.7,9 %. Для КП345—КП440 можно также принять стт = ств /(1 + Kxp) с расхождением ДТ = 14.23 %.

Библиографический список

1. Густов Ю.И., Густов Д.Ю., Воронина И.В. Синергетические критерии металлических материалов // Теоретические основа строительства : доклады XV Российско-словацко-польского семинара. Варшава, 2006. С. 179—184.

2. Густов Ю.И., Аллаттуф X. Синергетические критерии сталей стандартных категорий прочности // Механизация строительства. 2013. № 2. C. 24—27.

3. Синергетика и фракталы в материаловедении / В.С. Иванова, А.С. Баланкин, И.Ж. Бунин, А.А. Оксогоев. М. : Наука, 1994. 383 с.

4. Скуднов В.А. Новые комплексы разрушения синергетики для оценки состояния сталей // Материаловедение и металлургия : тр. НГТУ/НГТУ Н.Новгород, 2003. Т. 38. С. 155—159.

5. Иванова В.С. Синергетика. Прочность и разрушение металлических материалов. М. : Наука, 1992. 155 с.

6. Schulze W. Einfürung in die Baustoffprüfung. Berlin. VEB Verlag für Bauwessen. 1972.

7. ТылкинМ.А. Справочник термиста ремонтной службы. М. : Металлургия, 1981. 648 с.

8. ГОСТ 8479—70. Поковки и кованые заготовки. Категории прочности, нормы механических свойств, определенные при испытаниях на продольных образцах, и нормы твердости.

9. Белов В.А., Гусев А.А., Щербина С.В. Модернизация сварных соединений с фланговыми швами при изменяемой толщине прикрепляемого элемента // Механизация строительства. 2013. № 12. C. 29—30.

10. Тихонов А.Ф., Гришин А.А. Анализ развития методов и машин для разработки тяжелых и мерзлых грунтов // Механизация строительства. 2011. № 8. C. 28—30.

Поступила в редакцию в апреле 2013 г.

Об авторах: Густов Юрий Иванович — доктор технических наук, профессор кафедры механического оборудования, деталей машин и технологии металлов, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8(499)183-94-95, moidm@mgsu.ru;

Аллаттуф Хассан — аспирант кафедры механического оборудования, деталей машин и технологии металлов, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, hassan-1977@mail.ru.

Для цитирования: Густое Ю.И., Аллаттуф Х. Исследование взаимосвязи коэффициентов пластичности и предела текучести сталей стандартных категорий прочности // Вестник МГСУ 2013. № 7. С. 22—26.

Yu.I. Gustov, H. Allattouf

STUDY OF INTERDEPENDENCE BETWEEN DUCTILITY FACTORS AND YIELD LIMITS FOR STEELS OF STANDARD STRENGTH GRADES

Standard metal ductility factors are elongation and necking. These factors are defined as conditional ones in contrast to true (logarithmic) ductility factors. In addition, elongation and necking do not appear in an explicit form in the design formulas for the determination of static, cyclic or dynamic strength values.

At the same time, exact values of ductility factors should be integrated into combined workability criteria for steels and alloys together with strength factors due to the unity of the processes of deformation and resistance to deformation. This combination of ductility factors and strength factors appears in a well-known formula describing dependence between the ultimate breaking strength and hardness.

Here, the proportionality factor is equal to 0.3-0.6, and it is not characterized by the corresponding values of elongation or necking. Hence, the intention is to express the above-mentioned proportionality factor in a different form in respect of ductility characteristics, and, as a result, new ductility factors are proposed.

Dependencies between ductility factors and yield limits, identified by the co-authors, may be applied to identify the synergetic criteria of metal materials to be used in the process of design, production and operation of welded metal structures. Moreover, the findings of the co-authors may be used in the process of design, production and operation of working elements of construction machines and equipment.

Key words: ductility factor, elongation factor, necking factor, true ultimate strength, fatigue limit, strength class, forging.

References

1. Gustov Yu.I., Gustov D.Yu., Voronina I.V. Sinergeticheskie kriterii metallicheskikh ma-terialov [Synergetic Criteria of Metal Materials]. Doklady XV Rossiysko-slovatsko-pol'skogo seminara "Teoreticheskie osnova stroitel'stva" [Collected works of the 15th Russian-Slovak-Polish Seminar. Theoretical Fundamentals of Civil Engineering.] Warsaw, 2006, pp. 179—184.

2. Gustov Yu.I., Allattouf H. Sinergeticheskie kriterii staley standartnykh kategoriy proch-nosti [Synergetic Criteria of Steels Having Standard Grades of Strength]. Mekhanizatsiya stroitel'stva [Mechanization of Construction Operations]. 2013, no.2, pp. 24—27.

3. Ivanova V.S., Balankin A.S., Bunin I.Zh., Oksogoev A.A. Sinergetika i fraktaly v mate-rialovedenii [Synergy and Fractals in Material Science]. Moscow, Nauka Publ., 1994, 383 p.

4. Skudnov V.A. Novye kompleksy razrusheniya sinergetiki dlya otsenki sostoyaniya staley [New Synergetics Destruction Facilities Used to Assess the State of Steels]. Materialovede-nie i metallurgiya. Trudy NGTU [Material Science and Metallurgy. Works of Nizhny Novgorod State Technical University]. Nizhny Novgorod, NGTU Publ., 2003, vol. 38, pp. 155—159.

5. Ivanova V.S. Sinergetika. Prochnost' i razrushenie metallicheskikh materialov. [Synergetics. Strength and Destruction of Metal Materials]. Moscow, Nauka Publ., 1992, 155 p.

6. Schulze W. Einfürung in die Baustoffprüfung. Berlin, VEB Verlag für Bauwessen, 1972.

7. Tylkin M.A. Spravochnik termista remontnoy sluzhby [Reference Book for a Heat Treater of the Repair Service]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1981, 648 p.

8. GOST 8479—70. Pokovki i kovanye zagotovki. Kategorii prochnosti, normy me-khanicheskikh svoystv, opredelennye pri ispytaniyakh na prodol'nykh obraztsakh, i normy tverdosti [State Standard 8479—70. Forgings and blank forgings. Categories of strength, norms of mechanical properties identified in the course of testing longitudinal samples; hardness norms].

9. Belov V.A., Gusev A.A., Shcherbina S.V. Modernizatsiya svarnykh soedineniy s flan-govymi shvami pri izmenyaemoy tolshchine prikreplyaemogo elementa [Modernization of Welded Joints Having Fillet Welds If the Thickness of a Connected Element Is Variable]. Mekhanizatsiya stroitel'stva [Mechanization of Construction Operations]. 2013, no. 12, pp. 29—30.

10. Tikhonov A.F., Grishin A.A. Analiz razvitiya metodov i mashin dlya razrabotki tyazhe-lykh i merzlykh gruntov [Analysis of Development of Methods and Machinery for Excavation of Heavy and Frozen Soils]. Mekhanizatsiya stroitel'stva [Mechanization of Construction Operations]. 2011, no. 8, pp. 28—30.

About the authors: Gustov Yuriy Ivanovich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Machinery, Machine Elements and Process Metallurgy, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; moidm@mgsu.ru; +7 (499) 183-94-95;

Allattouf Hassan Lattouf — postgraduate student, Department of Machinery, Machine Elements and Process Metallurgy, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; hassan-1977@mail.ru.

For citation: Gustov Yu.I., Allattouf H. Issledovanie vzaimosvyazi koeffitsientov plas-tichnosti i predela tekuchesti staley standartnykh kategoriy prochnosti [Study of Interdependence between Ductility Factors and Yield Limits for Steels of Standard Strength Grades]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 7, pp. 22—26.