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.
i£
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 cр 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 cр 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