Оперативная оценка трещиностойкости сталей

Автор: Бахрачева Юлия Сагидулловна

Журнал: НБИ технологии @nbi-technologies

Рубрика: Технико-технологические инновации

Статья в выпуске: 4 (19), 2015 года.

Бесплатный доступ

Предложен метод прогнозирования трещиностойкости по результатам испытаний на растяжение. Предложенная модель показывает правомерность использования методов механики сплошных сред при анализе процессов, происходящих в зоне ограниченной пластичности перед фронтом трещины.

Трещиностойкость, фронт трещины, кривая течения, энергия пластической деформации, испытание на растяжение

Короткий адрес: https://sciup.org/14968412

IDR: 14968412   |   DOI: 10.15688/jvolsu10.2015.4.7

Текст научной статьи Оперативная оценка трещиностойкости сталей

DOI:

Наличие в промышленности огромного парка оборудования с истекшим паспортным сроком службы постоянно ставит вопрос о правомерности продления срока эксплуатации. Это сложная задача, требующая наличия надежных методов оценки состояния металла в изделии. Крупногабаритные объекты, находящиеся в эксплуатации, не могут быть доставлены в лабораторию для проведения испытаний. Многие объекты работают столь долгое время, что методы расчета изделий подобного типа, а также критерии оценки пригодности к дальнейшей работе давно изменились. Это, в частности, относится к объектам, испытывающим воздействие переменных нагрузок. Последние приводят к росту трещин и вызывают опасность хрупкого или псевдохруп-кого разрушения.

Наиболее современным методом оценки склонности материалов к хрупкому разрушению является определение трещиностойкости KIc . При исследовании усталостных разрушений и остаточного ресурса все чаще применяются методы механики разрушения [3; 4; 6].

В данной статье рассмотрена возможность упрощения предложенной в работах [1; 2; 5] методики. С этой целью предложено в

вычислениях использовать среднее значение величины энергии пластической деформации в расчете на единицу поверхности в малой пластической зоне протяженностью r перед фронтом трещины. Для этого сначала была вычислена средняя величина интенсивности упруго-пластической деформации е i ср в малой пластической зоне перед фронтом трещины:

1r е =- jefexp [-е fx / (1,155 • W )] dx = r0

I

= 1,1551 W !• 1 - exp

V r / I

(     P • r

I        е f r I

V 1,155 • W ))

После этого по обобщенной кривой течения определяли величину интенсивности напряжений о i ср , соответствующую значению е i ср - Результаты расчетов для низкопрочных и высокопрочных сталей приведены в таблицах 1, 2.

После этого рассчитывали среднюю энергию пластической деформации на единицу поверхности в зоне ограниченной пластичности перед фронтом трещины:

γ cp

2 0,21 2 1 ^ • е   r

2 i cp .

Таблица 1

Значения величин σ в, ε р и σ ср, ε ср для низкопрочных сталей

Сталь

Т , К

σ в , МПа

σ ср , МПа

ε р

ε ср

10Г2ФБ

293

630

573

0,118

0,148

243

665

417

0,104

0,148

213

690

710

0,101

0,148

77

1020

1068

0,065

0,096

ВСт. 3кп

293

420

549

0,137

0,136

243

510

306

0,135

0,130

213

540

639

0,134

0,124

77

910

1007

0,068

0,060

17ГС

293

555

482

0,119

0,127

243

626

372

0,114

0,129

213

630

545

0,109

0,121

77

898

915

0,067

0,077

17Г1С-У

293

470

647

0,121

0,145

243

590

361

0,115

0,138

213

630

837

0,110

0,132

77

915

1053

0,067

0,096

06Г2НАБ

293

562

483

0,114

0,174

213

665

516

0,103

0,155

77

948

908

0,063

0,124

Примечание. Здесь и в следующей таблице: σ в – предел прочности; σ ср– средняя величина интенсивности напряжений; ε р – величина интенсивности упруго-пластической деформации; ε ср – средняя величина интенсивности упруго-пластической деформации.

Таблица 2

Значения величин σ в, ε р и σ ср, ε ср для высокопрочных сталей

Материал

t зак , о С

t отп , о С

σ в , МПа

σ ср , МПа

ε р

ε ср

20CrMnMoVA

900

250

1481

1396

0,217

0,148

300

1457

1439

0,162

0,146

22CrMnSiMoVA

900

200

1543

1429

0,207

0,131

25SiMn2MoVA

900

200

1686

1547

0,199

0,119

300

1624

1535

0,178

0,121

200

1821

1608

0,233

0,124

250

1784

1636

0,214

0,129

300

1765

1653

0,221

0,149

350

1770

1659

0,196

0,129

400

1717

1633

0,182

0,129

42CrMoA

1170

200

2019

1746

0,155

0,068

30CrMnSiNi2A

900

200

1703

1521

0,233

0,110

230

1676

1540

0,204

0,108

250

1786

1555

0,304

0,121

280

1655

1531

0,209

0,114

300

1601

1514

0,198

0,121

CrNiMo

860

240

1754

1694

0,198

0,141

290

1646

1547

0,245

0,146

340

1675

1595

0,219

0,141

400

1578

1529

0,199

0,144

Примечание. t зак– температура закалки; t отп – температура отпуска.

Результаты расчетов по формуле (2) для двух групп рассмотренных выше сталей показаны на рисунке 1.

Как видно на рисунке 1, зависимость КIc ( √γ ср ) также описывается для высокопрочных и низкопрочных сталей одной прямой линией:

K Ic = 232 γ cp + 37. (3)

Результаты сравнения средних значений интенсивностей деформаций и напряжений с величинами равномерных деформаций и пределов прочности для исследуемых сталей приведены на рисунках 2 и 3.

5 го

^ср’

МПа

Ов,МПа

Рис. 2. Зависимость σ от величины σ

£

^ср

ср

р

Видно, что для всех рассмотренных сталей наблюдается линейная зависимость между ε i ср и ε р , а также σ i и σ в . Это дает возможность привести формулу (2) к следующему виду:

γ рав

σ0 , 2 + σВ

εр r .

Расчеты по формуле (4) дают результат, аналогичный расчетам по формуле (2) (см. рис. 4).

Как видно из рисунка 4, зависимость К Ic ( √γ рав ) также линейна:

KIc =330 γ +36. (5)

Можно сделать следующие выводы:

  • 1.    Установлены закономерности соотношений трещиностойкости и удельной энергии пластической деформации слоев металла, прилегающих к поверхности разрушения, для сталей различных уровней прочности.

  • 2.    Предложен метод расчета среднего значения величины энергии пластической деформации в малой пластической зоне протяженностью r перед фронтом трещины.

  • 3.    Показана линейная зависимость между ε i ср и ε р , а также σ i и σ в , что позволило предложить упрощенный метод расчета энергии пластической деформации в упрочненном слое под поверхностью разрушения по стандартным механическим свойствам.

Список литературы Оперативная оценка трещиностойкости сталей

  • Бахрачева, Ю. С. Оперативная оценка склонности материалов к хрупкому разрушению при статическом и циклическом нагружении: дис.... канд. техн. наук/Бахрачева Юлия Сагидулловна. -Великий Новгород, 2004. -126 с.
  • Бахрачева, Ю. С. Оценка вязкости разрушения сталей по результатам контактного деформирования/Ю. С. Бахрачева//Вестник Волгоградского государственного университета. Серия 10, Инновационная деятельность. -2012. -№ 2. -С. 53-56. -DOI: DOI: 10.15688/jvolsu10.2012.2.9
  • Влияние содержания азота на структуру и свойства нитроцементованной стали/В. И. Шапочкин //Металловедение и термическая обработка металлов. -2010. -№ 9. -С. 12-18.
  • Дрозд, М. С. Аналитическое исследование напряженного состояния при внедрении упругой сферы в упругопластическое полупространство/М. С. Дрозд, А. П Осипенко//Металловедение и прочность материалов: межвуз. сб. науч. тр. ВолгГТУ. -Волгоград: Изд-во ВПИ, 1975. -С. 12-19.
  • Красовский, А. Я. Трещиностойкость сталей магистральных трубопроводов/А. Я. Красовский, В. Н. Красико. -Киев: Наукова думка, 1990. -176 с.
  • Медведев, Р. С. Применение статистических методов управления качеством для оптимизации производства по ремонту пути/Р. С. Медведев, Ю. С. Бахрачева//Вестник Волгоградского государственного университета. Серия 10, Инновационная деятельность. -2014. -№ 3 (12). -С. 93-97. -DOI: DOI: 10.15688/jvolsu10.2014.3.11
  • Шапочкин, В. И. Нитроцементация в условиях периодического изменения состава ат-Ю. С. Бахрачева//Материаловедение. -2010. -№ 8. -С. 52-58.
  • Bakhracheva, Yu. S. The Method for Lifetime Estimation Through the Mechanical Properties in Tension/Yu. S. Bakhracheva//Вестник Волгоградского государственного университета. Серия 10, Инновационная деятельность. -2014. -№ 2. -С. 27-32. -DOI: DOI: 10.15688/jvolsu10.2014.2.4
  • Valve Cam Design Using Numerical Step-By-Step Method/A.V. Vasilyev, Yu. S. Bakhracheva, O. Kabore, Yu.O. Zelenskiy//Вестник Волгоградского государственного университета. Серия 10, Инновационная деятельность. -2014. -№ 1. -С. 26-32. -DOI: DOI: 10.15688/jvolsu10.2014.1.4
Еще
Статья научная