Прогнозирование ударной вязкости сталей на основе карт механизмов деформации

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 539. 432+620
А. А. Барон*, С. А. Кунавин**
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ УДАРНОЙ ВЯЗКОСТИ СТАЛЕЙ НА ОСНОВЕ КАРТ МЕХАНИЗМОВ ДЕФОРМАЦИИ
* Волгоградский государственный технический университет ** ГНЦ ОАО НПО «ЦНИИТМАШ»
e-mail: detmash@vstu. ru
На основе понятия карт механизмов деформации предложена методика ускоренной оценки ударной вязкости KCV сталей в интервале температур вязко-хрупкого перехода. Для области температур 77−473 К установлена единая линейная зависимость kcvt _ J kcvt • НВп |. Здесь индексы «Т» и «П» означают соот-
KCVn & quot- [ KCV • HBT J
ветственно температуру, для которой нужно оценить ударную вязкость, и температуру окончания действия механизма пластической деформации Пайерлса-Набарро. Разработана методика прогнозирования ударной вязкости с помощью указанной зависимости.
Ключевые слова: ударная вязкость, твердость по Бринеллю, вязко-хрупкий переход.
On the basis of concept of deformation mechanism maps the accelerated method for impact strength KCV estimation in the brittle-ductile transition range is suggested. Within the temperature range of 77−473 K unified line-
ar relationship
KCV
KCVT _ J KCV • HBn
kcv • HBt
was established. Here subscripts & quot-T"- and & quot-n"- respectively are referred to a
temperature at which impact strength has to be found and temperature which makes the Peierls-Nabarro plastic strain mechanism not valid any more. The method for Charpy impact strength, KCV, evaluation using the suggested relationship is described.
Keywords: impact strength, Brinell hardness, brittle-ductile transition range.
1. Введение
Ударная вязкость, благодаря простоте испытаний, входит в число важнейших приемо-сдаточных характеристик и регламентирована множеством отечественных и зарубежных государственных стандартов на различные виды металлопрподукции. Существует большое количество работ [1−5], посвященных установлению корреляционных зависимостей между ударной вязкостью KCV и трещиностойкостьюс. Это объясняется двумя главными причинами. Во-первых, в отличие от затрат на определение ударной вязкости, стоимость испытаний на вязкость разрушения весьма велика. Во-вторых, очень часто определить трещиностойкость не представляется возможным вследствие ограниченного объема металла. Последнее особенно актуально для магистральных нефте- и газопроводов, длительное время находящихся в эксплуатации, а также для оценки влияния радиации на материалы, используемые в
атомных энергетических установках. Размеры камер для облучения весьма невелики, что исключает исследования натурных образцов. Типичным подходом в таких случаях является оценка трещиностойкости по ударной вязкости на образцах Шарпи, с целью дальнейшего построения мастер-кривых [1−5].
Хотя образцы Шарпи сами по себе малы, для построения сериальных кривых ударной вязкости в необходимом температурном диапазоне требуются десятки таких образцов. Кроме того, многообразие факторов, влияющих на вид сериальных кривых KCV (T), делает задачу прогнозиования ударной вязкости крайне сложной.
Данная статья посвящена проблеме прогнозирования ударной вязкости в интервале критических температур хрупкости. Полученные общие закономерности позволяют существенно уменьшить объем и снизить трудоемкость испытаний.
2. Методика исследований
Исследованы соотношения между ударной вязкостью КСУ и твердостью НВ по Бринеллю для сталей различных классов. Механические свойства и химический состав рассмотренных сталей приведены в [6].
Испытания на ударную вязкость сталей контролируемой прокатки 10Г2ФБ и 10Г2ФБ-У, горячекатанных 17Г1С-У, 17ГС и в ст. 3 кп, а также нормализованных 10ХГНМАЮ, 06Г2НАБ были выполнены по ГОСТ 9454–78 в Институте проблем прочности НАН Украины (Киев) [6], а жаропрочной фер-ритно-мартенситной стали с содержанием феррита 10−12% - в Государственном Научном Центре Российской Федерации ОАО НПО «ЦНИИТМАШ». Измерения твердости НВ по Бринеллю были проведены в Волгоградском государственном техническом университете (Россия) в соответствии с ГОСТ 9012–59. Техника этих экспериментов подробно описана нами в работе [7].
3. Обсуждение результатов
Температурные зависимости ударной
вязкости исследованных сталей приведены на рис. 1. Естественно, что в зависимости от особенностей микроструктуры и химического состава форма и положение сериальных кривых каждой стали относительно оси температур имеют свои особенности.
КСУ,
Рис. 1. Температурные зависимости ударной вязкости
исследованных сталей: О-10Г2ФБ- ¦ - 10Г2ФБ-У- ^ - 17Г1С-У-? — 17ГС- А -В ст. 3 кп- ¦ - 10ХГНМАЮ- + - 06Г2НАБ- • - жаропрочная ферритно-мартенситная сталь
На зависимостях твердости большинства трубных сталей от температуры (рис. 2) при-
близительно при температуре 243 К хорошо видны перегибы. У жаропрочной ферритно-мартенситной стали с содержанием феррита 10 — 12% перегиб на зависимости НВ (Т) наблюдается примерно при 473 К.
Это находится в соответствии с известными данными [8 — 11] о последовательно-волнообразной зависимости деформирующего н апр яжения от температуры, рис. 3. Такие зависимости носят название карт деформационных механизмов [8].
Рис. 2. Зависимость твердости исследованных сталей от температуры. Обозначения соответствуют рис. 1
о тп т, к
Рис. 3. Последовательно-волнообразное изменение твердости и предела текучести сталей с кристаллической решеткой ОЦК (карта деформационных механизмов)
Каждой волне соответствует свой, специфический механизм, контролирующий пластическую деформацию. Самой первой, низкотемпературной волне у металлов и сплавов с ОЦК-решеткой соответствует пла-
стическая деформация по механизму Пай-ерлса-Набарро [9]. Температура Т П, при которой происходит смена механизма пластической деформации, обусловлена особенностями микроструктуры и химического состава. Часто переход от одной волны к другой происходит не так резко, как показано на рис. 3, а более плавно — например, как у ферритно-мартенситной стали на рис. 2. В таком случае для более точного определения температуры ТП можно аппроксимировать зависимость HB (T) некоторой функцией, а затем, приравняв к нулю вторую производную этой функции, определить ТП.
Обращает на себя внимание то обстоятельство, что температура перегиба Тп у большинства исследованных сталей примерно соответствует началу верхнего горизонтального плато на сериальных кривых KCV.
Соотношение между твердостью и условным пределом текучести сг0,2 при 77& lt-T<-713 К представлено на рис. 4. Видно, что зависимость cr02(HB) в указанном интервале температур можно аппроксимировать прямой линией. Это свидетельствует о том, что смена механизмов пластической деформации при растяжении и вдавливании инден-тора происходит при одинаковых температурах (границы каждой волны для сг0,2 и HB совпадают, как показано на рис. 3).
с 0. 2, МПа
900 700 500 300 100
100 150 200 250 300 HB
Рис. 4. Соотношение между пределом текучести и твердостью при температурах 77& lt-T<-713 К: О — фер-ритно-мартенситная сталь- • - все остальные стали
На рис. 5 представлены зависимости KCV=/(KCV/HB). Очевидно, что для построения этих линейных зависимостей достаточно двух точек. На практике для этого следует экспериментально установить зависимость HB=/(T) и найти значения KCV, а также
KCV/HB вблизи температур верхнего и нижнего порогов хладноломкости. После этого можно найти значения KCV при любой температуре между этими порогами, поскольку зависимость HB =/(Т) уже известна. Хотя описанная методика существенно упрощает получение сериальных кривых ударной вязкости, она не является обобщенной, так как зависимости KCV=/(KCV/HB) у разных сталей не совпадают между собой.
Физический смысл отношения KCV/HB можно попытаться выяснить путем следующих рассуждений. Ударная вязкость KCV коррелирует с вязкостью разрушения ^^ а твердость HB — с пределом текучести сг0& gt-2 (рис. 3). Поэтому отношение KCV/HB по смыслу напоминает параметр харак-
теризующий протяженность зоны ограниченной пластичности перед вершиной трещины. Следовательно, величина KCV/HB характеризует деформированный объем.
KCV,
Рис. 5. Зависимости KCV=/(KCV/HB) в интервале вязко-хрупкого перехода. Обозначения точек соответствуют рис. 1 Физический смысл отношения KCV/HB можно попытаться выяснить путем следующих рассуждений. Ударная вязкость KCV коррелирует с вязкостью разрушения ^^ а твердость HB — с пределом текучести о0,2 (рис. 3). Поэтому отношение KCV/HB по смыслу напоминает параметр ^0/00^, характеризующий протяженность зоны ограниченной пластичности перед вершиной трещины. Следовательно, величина KCV/HB характеризует деформированный объем.
4. Обобщенная методика прогнозирования ударной вязкости Предлагаемая методика основана на следующих трех экспериментально проверенных
положениях, которые справедливы по крайней мере для исследованных нами сталей:
— интервалу переходных температур ударной вязкости соответствует низкотемпературная волна зависимости НВ (Т), где пластическая деформация контролируется сопротивлением кристаллической решетки движению дислокаций (механизмом Пайерлса-Набарро), причем верхняя граница (порог) ТП интервала переходных температур соответствует концу этой волны (перегибу) зависимости НВ (Т) —
— прогнозирование ударной вязкости во всем интервале переходных температур возможно, если известно два параметра, из которых один (твердость НВ или предел текучести сг0,2) характеризует деформированный объем, а другой (ударная вязкость КСУП) -сопротивление трещине-
— отношение КСУТ/КСУП любой ударной вязкости КСУТ внутри интервала переходных температур к ударной вязкости КСУП при температуре ТП пропорционально отношению соответствующих деформированных объемов, которое удобно характеризовать выражением (КСУтЫВп)/(КСУпЫВт).
Ниже, на рис. 6, представлена обобщенная диаграмма ударной вязкости трубных сталей. При расчетах значение температуры перегиба зависимости НВ (Т) принималось равным 243 К для трубных сталей и 473 К для жаропрочной феррито-мартенситной стали.
КСУТ/КСУ,
о 0,4 (КСУт-ЫВп)/(КСУп-ЫВ2)
Рис. 6. Обобщенная диаграмма ударной вязкости КСУ трубных сталей
Уравнение обобщенной зависимости, представленной на рис. 6, имеет вид:
КСУТ/КСУП = 0,9661(КСУТ-НВП)/(КСУП-ЫВТ) + 0,0389. (1)
Коэффициент корреляции составляет 0,999. Представленные результаты позволяют предложить следующую методику оценки ударной вязкости.
Сначала получают зависимость НВ (Т). Затем визуально или приравняв к нулю вторую производную аппроксимирующей функции НВ (Т), определяют температуру ТП, соответствующую положению точки перегиба кривой и отвечающую ей твердость НВП. После этого определяют КСУП при температуре ТП. Далее следует вычислить отношения НВП/НВТ при любой температуре из исследованного диапазона и рассчитать КСУТ:
КСУ = -
0,0389 • КСУП 1- 0,9661 • НВП/НВТ
(2)
На рис. 7 представлены результаты экспериментальной проверки предложенного подхода. Как видно, точки удовлетворительно располагаются вдоль линии, составляющей 45° с координатными осями, что свидетельствует о достоверности метода.
Рис. 7. Результаты экспериментальной проверки разработанного метода
Экспериментальные и расчетные сериальные кривые КСУ (Т) сопоставлены также на рис. 8. Несмотря на некоторые расхождения, предлагаемая методика демонстрирует достаточно адекватный прогноз ударной вязкости в интервале переходных температур.
5. Заключение Мониторинг состояния металла объектов повышенной опасности, находящихся в эксплуатации, представляет собой весьма актуальную задачу. Этот процесс нередко бывает
сопряжен с выводом объектов из эксплуатации, что обусловлено вырезкой значительного количества образцов и их последующими испытаниями. Полученные в настоящей работе новые соотношения между ударной вязкостью KCV и твердостью HB по Бринеллю в интервале критических температур хрупкости позволили предложить универсальную обобщенную методику прогнозирования ударной вязкости. Это позволяет уменьшить объем необходимых испытаний без значительного ущерба для их достоверности, а в ряде случаев даже получить информацию, недоступную ранее из-за ограниченного объема материала.
KCV, Дж/см2
160 120 80 40 0
0 100 200 300 400 Т, К
Рис. 8. Сопоставление экспериментальных (черные символы) и расчетных (красные символы) сериальных кривых. Обозначения соответствуют рис. 1
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. The Use of Small-Scale Specimens for Testing Irradiated Material: ASTM STP 888. -1986. -379 p.
2. Small Specimen Test Techniques Applied to Nuclear Reactor Vessel Thermal Annealing and Plant Life Extension: ASTM STP 1204. -1993. — 462 p.
3. Small Specimen Test Techniques: ASTM STP 1329.- 1998.- 626 p.
4. Small Specimen Test Techniques. 4th Volume: ASTM STP 1418.- 2002.- 495 p.
5. Small Specimen Test Techniques: 5th Volume: ASTM STP 1502.- 2009.- 267 p.
6. Красовский, А. Я. Трещиностойкость сталей магистральных трубопроводов / А. Я. Красовский, В. Н. Красико. — Киев: Наукова думка, 1990. — 176 с.
7. Baron, A. A. A Thermodynamic Model For Fracture Toughness Prediction / A. A. Baron // Eng. Fract. Mech. -1993. -Vol. 46. -№ 2. -P. 245−251.
8. Фрост, Г. Дж. Карты механизмов деформации / Г. Дж. Фрост, М. Ф. Эшби.- Челябинск: Металлургия, 1989. — 328 с.
9. Борисенко, В. А. Твердость и прочность тугоплавких материалов при высоких температурах / В. А. Борисенко. — Киев: Наукова думка, 1984. -212 с.
10. Baron, A. A. The Generalized Diagram of Fracture Toughness for Pipeline Steels / A. A. Baron // Int. J. Press. Vessels Pip. — 2012. — № 98. — P. 26−29.
11. Барон, А. А. Диаграмма трещиностойкости трубных сталей / А. А. Барон, О. Ф. Слюсарева // Известия ВолгГТУ: межвуз. сб. науч. ст. № 9 (96) / ВолгГТУ. -Волгоград, 2014. — (Серия «Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении» — вып. 6). — С. 117−120.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой