СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЯЗКОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
METHOD FOR DETERMINING THE VISCOSITY OF METALLIC MATERIALS

Изобретение относится к материаловедению, а именно к способам исследования образцов металлических материалов путем приложения к ним динамической (ударной) кратковременной нагрузки при разных температурах, и может быть использовано для определения вязкости металлических материалов.
хр
Показателем надежности работы изделий из конструкционных сталей, работающих при низких температурах, служит температура вязко-хрупкого перехода t, которая определяется по результатам испытаний на ударный изгиб образцов с надрезом при разных температурах (ГОСТ 9454-78. Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенных температурах. М.: Изд-во стандартов, 19 с.).
исп
хр
исп
исп
f
В зависимости от структурно-фазового состояния металла вид сериальной кривой ударной вязкости KC=ƒ⋅(t) и ее положение на температурной оси могут существенно отличаться: объективная оценка температуры t возможна только в том случае, если на сериальных кривых KC= (t) можно однозначно выделить температурные диапазоны полностью вязкого и полностью хрупкого разрушения. Однако для некоторых высоковязких сталей, например, строительных сталей класса прочности Х70 и выше, определение диапазона вязко-хрупкого перехода зачастую невозможно, поскольку полное охрупчивание металла наблюдается при температурах t<-120°C.
Таким образом, температура вязко-хрупкого перехода - это достаточно условная характеристика, за которую принимают (Ботвина Л.Р. Разрушение, кинетика, механизмы, общие закономерности. М.: Наука, 2008. 334 с.)
хр
хр
- температуру t середины интервала вязко-хрупкого перехода Δt;
хр
в
- температуру t перехода от вязкого к смешанному разрушению;
хр
н
- температуру t перехода от смешанного к хрупкому разрушению;
хр
min
min
2
- температуру t достижения минимальной ударной вязкости (KC ~ 0,2 МДж/м);
50
- температуру t, при которой в изломе наблюдается 50% вязкой составляющей (В).
хр
исп
Известен способ определения температуры вязко-хрупкого перехода t путем измерения доли вязкой и хрупкой составляющих в изломах разрушенных образцов (ГОСТ 9454-78. Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенных температурах. М.: Изд-во стандартов, 19 с.). При этом измерение относительной доли вязкого разрушения в изломе В, проводимое визуально с помощью линейки, обладает невысокой точностью ((10%) и достаточно трудоемко, поскольку требует большого количества образцов для построения сериальной кривой В=ƒ (t).
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому методу является способ определения вязкости металлических материалов при испытании на ударный изгиб образцов с V-образным надрезом с записью осциллограмм разрушения (Пат.2570237. Российская Федерация, МПКG01N3/30. Способ определения вязкости металлических материалов / Хотинов В.А., Фарбер В.М., Морозова А.Н. Уральский федеральный университет, бюл. №34, опубл. 10.12.2015)
Способ заключается в выполнении следующих операций:
- ударный изгиб образца с надрезом (приложение динамической нагрузки) с одновременной записью кривой в координатах «нагрузка F - прогиб S» при заданной температуре испытания;
- выделение на ниспадающей кривой ударного нагружения линейного участка и определение значений нагрузки и прогиба, соответствующих началу и окончанию выделенного участка;
- определение параметров вязкости металла на линейном участке кривой ударного нагружения.
хр
Недостатком данного способа является то, что предложенные в нем критерии вязкости металлических материалов не используются для определения температуры вязко-хрупкого перехода t, которая, в свою очередь, также характеризует вязкость металла при определенной температуре.
хр
Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в определении температуры вязко-хрупкого перехода t при инструментированных испытаниях на ударный изгиб образцов с надрезом в заданном диапазоне температур испытаний по изменению параметров кривых ударного нагружения, что позволит оценить вязкость металла в различных структурно-фазовых состояниях при существенном снижении трудоемкости испытаний и повышении точности определения температурного диапазона вязко-хрупкого перехода.
н
н
к
к
к
н
н
к
к
н
хр
н
хр
хр
Поставленная задача решается способом, при котором после охлаждения образца с надрезом до температуры испытания и приложения к образцу ударной изгибающей нагрузки с одновременной записью нагрузки F и смещения S на полученной кривой разрушения выделяют ниспадающий линейный участок, определяют для него значения, соответствующие началу (F, S) и окончанию (F, S) данной стадии разрушения, прогибу ΔS=S - S и наклону участка ΔF/ΔS=(F - F)/(S - S), а температуру вязко-хрупкого перехода t определяют по величине значений S, ΔS, ΔF/ΔS, соответствующих 50% вязкой составляющей в изломе образца; об уровне вязкости металла судят по величине t: чем выше t, тем ниже вязкость.
Изобретение иллюстрируется следующими чертежами.
а
б
н
к
н
к
На фиг.1 приведены сглаженные кривые ударного нагружения в координатах «нагрузка F - прогиб S» при разных температурах образцов двух конструкционных сталей: высоковязкой стали 05Г2СФ (фиг.1, ) и стали обычной вязкости 32Г2Р (фиг.1, ), на которых показано графическое выделение ниспадающего линейного участка и определение на нем значений нагрузок F, F и прогиба S, S.
исп
Разрушение стандартных образцов Шарпи размером 10×10×55 мм с  V-образным надрезом проводилось на копре с падающим грузом INSTRON CEAST 9350 в диапазоне температур испытаний t=+20…-100°С  с записью кривых ударного нагружения. Частота съема данных с датчиков по нагрузке и прогибу составляла 0,001 мс на точку. Дальнейшая обработка кривой в координатах «нагрузка F - прогиб S» заключалась в ее сглаживании путем инструментальной фильтрации массива измеренных данных с целью уменьшения влияния факторов, вносимых упругим взаимодействием системы «опоры-образец-молот».
Фрактографический анализ изломов образцов заключался в выявлении на поверхности разрушения при небольших увеличениях (до 5 крат) зон вязкого и хрупкого разрушения, измерении и вычислении относительной доли В, занимаемой в изломе зоной вязкого разрушения, их линейных размеров с точностью 0,1 мм на микроизображениях изломов.
н
к
н
н
к
к
н
На фиг.2 представлены в качестве примера зависимости выделенных на линейном ниспадающем участке кривых ударного нагружения характеристик (прогиба образца в начале S, диапазона прогиба образца  ΔS=S - S, наклона ΔF/ΔS=(F - F)/(S - S)) от доли вязкой составляющей в изломе В для стали 32Г2Р в различных структурно-фазовых состояниях: после нормализации от 900°С (режим 1) и термоулучшения: закалка от 9000°С+отпуск при 650°С, 1 ч. (режим 2). Во всех случаях полученные экспериментальные данные можно удовлетворительно описать линейными функциями, причем их наклон изменяется при В ~ 50%. Это позволяет заключить, что полученные при В=50% количественные значения
хр
являются физически обоснованными параметрами, соответствующими температуре вязко-хрупкого перехода t.
хр
н
хр
хр
хр
н
исп
исп
На фиг.3 приведено графическое определение температуры вязко-хрупкого перехода t по температурным зависимостям величин S и ΔS на примере стали 32Г2Р. Видно, что после нормализации (кривая 1) сталь имеет относительно высокую температуру вязко-хрупкого перехода t ~ -7°С, тогда как термоулучшение значительно снижает ее до t ~ -78°С. При этом погрешность определения t по кривым S=ƒ (t) и ΔS=ƒ (t) достаточно высока и не превышает ±1°С.
хр
Результаты инструментированных испытаний на ударный изгиб широкого круга конструкционных сталей высокой и обычной вязкости при разных температурах свидетельствуют о том, что в области вязко-хрупкого перехода на кривой ударного нагружения всегда можно выделить ниспадающий линейный участок, соответствующий области хрупкого разрушения, затем по предлагаемому способу определить температуру t и использовать ее для определения вязкости металлических материалов и, соответственно, аттестации надежности работы конструкций (изделий) из них.