Способ определения вязкости металла

Изобретение относится к механическим испытаниям, применяемым для оценки надежности металлов, в частности сталей различных классов, марок, структурного состояния. Техническим результатом заявленного изобретения является повышение точности количественной оценки вязкости металла. Способ определения вязкости металла включает: фиксирование до проведения испытания начальной длины и исходной площади поперечного сечения образца; регистрацию в процессе испытания диаграммы растяжения, абсолютного упругого и абсолютного пластического удлинения и максимальной нагрузки; фиксирование конечной длины образца и определение после испытания вязкости металла по формуле а=(А_у+А_п)/(FΔL_K), где A_y - работа для совершения абсолютного упругого удлинения; A_п - работа для совершения абсолютного пластического удлинения; F - исходная площадь поперечного сечения испытуемого образца; ΔL_K - конечное абсолютное удлинение по диаграмме. 2 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к механическим испытаниям, применяемым для оценки надежности металлов, в частности стали различных классов, марок, структурного состояния.

Вязкость металла характеризует работу внешних сил, которую требуется произвести для того, чтобы совершить определенную деформацию (работу деформации). Вязкость в большей степени, чем другие распространенные механические показатели (прочность, пластичность), чувствительна к неблагоприятному проявлению таких факторов, как снижение температуры механического воздействия или дефектность структуры металла.

Поэтому определению вязкости как характеристики надежности уделяется все большее внимание в оценках служебных качеств металла.

Известен способ определения вязкости металла испытанием ударным изгибом призматических образцов, выполненных с надрезом - определение ударной вязкости [ГОСТ 9454].

Однако данный способ имеет недостатки, снижающие эффективность оценки металла.

1. Определение ударной вязкости предполагает использование образцов определенной конфигурации - с определенной площадью нагружаемого сечения (10×8 мм) и определенной формой надреза, располагаемого на одной из граней. При невозможности выполнения этого условия (например, в испытании плоских образцов, толщина которых менее 10 мм, круглых образцов, надрез которых выполняется по всему периметру, образцов стали с поверхностным упрочнением, выполняемых без надреза) сопоставление ударной вязкости в разных испытаниях может быть лишь условным и отнесено исключительно к используемой конфигурации образцов.

В связи с этим снижается универсальность ударной вязкости как характеристики, пригодной для ранжирования металла по вязкости в испытании образцов с различной конфигурацией.

2. Достаточно пластичный металл в испытании изгибом может быть не доведен до разрушения. Поэтому полная вязкость такого металла в данном испытании не определяется.

Известен способ (растяжение), в котором образец любого металла доводится до разрушения и определяются универсальные характеристики, пригодные для ранжирования металла по силовым показателям (предельным напряжениям) и показателям пластичности (удлинениям) [ГОСТ 1497].

Однако в данном способе не предусмотрено определение вязкости.

Известен способ, использующий для определения вязкости (работы деформации) величину площади под диаграммой растяжения [Золоторевский, B.C. Механические свойства металлов / B.C.Золоторевский. - М.: Металлургия, 1983, с.183].

Однако характеристики механических свойств, предлагаемые в нем для определения площади являются чисто теоретическими, не стандартизированными, пригодными лишь для узких исследований и неприемлемы в практических испытаниях металла.

Наиболее близким к заявляемому является способ, использующий для определения вязкости стандартные показатели, выявляемые в испытании растяжением и широко применяемые для оценки качества металла [Скуднов, В.А. Синергетика явлений и процессов в металловедении, упрочняющих технологиях и разрушении / В.А.Скуднов. - Н. Новгород: НГТУ, 2007, с.49].

По данному способу образец подвергают растяжению до разрыва с фиксированием до проведения испытания начальной длины l_н и площади поперечного сечения F, регистрированием в процессе испытания диаграммы растяжения, нагрузки, завершающей упругое удлинение Р_у, максимально достигаемой нагрузки Р_м, регистрированием после испытания конечной длины l_K. Используя эти величины, вязкость, как площадь под диаграммой растяжения, определяется по формуле

W=0,5(σ_T+σ_b)ε^пред,

в которой предел текучести σ_т=P_y/F, предел прочности σ_b=P_м/F, истинное предельное удлинение ε^пред=ln(1+δ), относительное удлинение δ=Δl/l_H=(l_K-l_H)/l_H.

Фактически величина W выражает удельную работу деформации - полную работу A, характеризующуюся площадью под диаграммой, отнесенную к деформируемому в испытании объему образца V, т.е. величину

a=A/V.

Тем самым получают характеристику механических свойств металла, не зависящую

от деформируемого объема испытуемого образца (при определенной начальной длине l_H). Данный способ определения вязкости также имеет существенные недостатки, связанные с проявлением следующих факторов.

1. Фактически величина W является не только приближенным (уменьшенным) представлением площади под диаграммой, но и не включает площадь, которая характеризует работу, необходимую для совершения упругого растяжения. Такое представление площади под диаграммой не всегда может быть оправданным. Прежде всего, это относится к испытанию высокопрочного металла, для которого доля общей работы, относящейся к совершению упругого растяжения, является значительной.

2. Расчет относительного удлинения δ вызывает необходимость фиксирования начальной длины образца l_H которая составляет лишь часть полной длины образца. На практике выбор l_H определяется геометрическими параметрами испытуемого образца, связывается с площадью поперечного сечения F и регламентируется специальными стандартами по ГОСТ 1497, а также стандартами по качеству различных видов металлоизделий. Фактически величина l_H может колебаться в широких пределах: в испытании цилиндрических образцов l_H=15÷125 мм (в зависимости от рабочего диаметра); в испытании плоских образцов l_H=90÷310 мм (в зависимости от рабочей толщины).

Поэтому величина а, определяемая в данном способе, кроме того, что не обладает точностью, не являться универсальной характеристикой механических свойств, так как не позволяет сопоставлять результаты при различных величинах (в различных испытаниях) начальной длины испытуемого образца.

Задачей настоящего изобретения является совершенствование способа определения вязкости металла.

Технический результат - более точная количественная оценка вязкости металла.

Технический результат достигается тем, что используется способ испытания, по которому образец подвергают растяжению до разрыва с фиксированием до проведения испытания начальной длины и исходной площади поперечного сечения, в процессе испытания регистрируют диаграмму растяжения и максимальную нагрузку, после испытания регистрируют конечную длину образца, в котором в процессе испытания дополнительно регистрируют абсолютное упругое и абсолютное пластическое удлинение, и после испытания определяют вязкость металла по формуле

а=(А_у+А_п)/(FΔL_к),

в которой A_y - работа для совершения абсолютного упругого удлинения, которая может быть вычислена по формуле

А_у=0,5Р_уΔL_у,

где Р_у - нагрузка, завершающая упругое абсолютное удлинение, ΔL_y - абсолютное упругое удлинение;

А_п - работа для совершения абсолютного пластического удлинения, которая может быть вычислена по формуле

A_п=а₀ΔL_п+а₁(ΔL_п)²/2+а₂(ΔL_п)³/3+а₃ΔL_п)⁴/4+…+а_n(ΔL_п)ⁿ⁺¹/(n+1),

где ΔL_п - абсолютное пластическое удлинение по диаграмме, а₀, а₁, а₂ … a_n - коэффициенты, количество которых (n) должно обеспечивать достоверную аппроксимацию графика диаграммы растяжения в виде многочлена n-й степени;

F - исходная площадь поперечного сечения испытуемого образца;

ΔL_k - конечное абсолютное удлинение по диаграмме.

Величина А_у соответствует площади поля диаграммы, располагающегося под ее прямолинейным отрезком.

Формула для определения А_п получается в результате вычисления интеграла

где Р_ΔL - усилие, необходимое для совершения абсолютного удлинения ΔL, ΔL_K - конечное абсолютное удлинение.

Данный интеграл является точным выражением площади под криволинейным участком диаграммы.

Использование при определении площади под диаграммой величины ΔL_к, не зависящей от начальной длины образца, означает, что результат определения величины А также не зависит от начальной длины l_Н.

Используя в оценке вязкости величины а вместо А, получаем характеристику механических свойств металла, которая не зависит от деформируемого объема испытуемого образца и при этом не зависит также и от начальной длины l_Н.

Рассмотренная процедура аппроксимирования графика диаграммы позволяет эффективно использовать современные информационные технологии в проведении механических испытаний.

При этом величина А в предлагаемом способе может определяться и без использования данной математической процедуры. Например, составляющие работы А_у и А_п могут быть получены в результате геометрических измерений, производимых с помощью известного измерительного прибора - планиметра, и таким образом в целом (учитывая использование измерительных инструментов в определении начальной и конечной длины испытуемого образца) задача определения величины А будет решаться чисто техническим методом.

Определение величины А с применением аппроксимации диаграммы включает в себя также следующие процедуры.

1. Масштабирование осей первичной диаграммы удлинения образца: оси Р - в единицах усилия, прикладываемого к испытуемому образцу (по максимальной зафиксированной нагрузке Р_макс); оси ΔL - в единицах удлинения непосредственно образца (по конечному абсолютному удлинению Δl=l_К-l_H, зафиксированному на испытанном образце).

2. Отбор точек первичной диаграммы, координаты которых, выраженные в масштабе реального удлинения и усилия, должны обеспечивать достоверную аппроксимацию графика диаграммы в виде многочлена.

3. Компьютерное определение коэффициентов в аппроксимирующем многочлене и далее величин А и а.

Пример выполнения способа

Определялась вязкость стали марки 30 (ГОСТ 1050), находящейся в различных структурных состояниях: вариант первый - в состоянии поставки на волочение; вариант второй - после волочения с обжатием 50%. Определение вязкости производили в испытании растяжением по ГОСТ 1497 на цилиндрических образцах с рабочим диаметром 8 мм двумя способами - согласно прототипу и согласно изобретению.

Растяжение выполняли на универсальной испытательной машине УМЭ-10Т доведением образцов до разрыва с предварительным фиксированием начальной длины l_H и площади поперечного сечения образцов F, регистрированием диаграмм растяжения с фиксированием на них нагрузок, завершающих упругое удлинение Р_у, и максимальной Р_м, абсолютных упругого и пластического и конечного удлинений, регистрированием конечной длины образца.

В определении вязкости согласно изобретению использовали формулу

a=(A_y+A_п)/(FΔL_K),

где А_у=P_yΔL_y, в которой Р_у - нагрузка, завершающая упругое удлинение; А_п=a₀ΔL_п+a₁(ΔL_п)²/2+a₂(ΔL_п)³/3+…+a_n(ΔL_п)ⁿ⁺¹/(n+1), ΔL_у и ΔL_п - абсолютные упругое и пластическое удлинения, ΔL_п - абсолютное пластическое удлинение (определяемые по диаграмме).

Диаграммы растяжения образцов стали представлены на фиг.1 и 2.

Расчеты по определению вязкости производили с использованием компьютера (таблица).

Как видно из таблицы, вязкость, определенная согласно прототипу, значительно меньше, чем по предлагаемому изобретению. Разница возрастает в испытании более прочной стали.

Выявленное противоречие находит естественное объяснение: фактически в определении вязкости по прототипу учитывается исключительно работа для совершения абсолютного пластического удлинения и не учитывается работа для совершения абсолютного упругого удлинения. Причем площадь, характеризующая эту работу пластического удлинения (представляемая как площадь прямоугольника), оказывается меньшей, чем фактическая площадь под участком диаграммы, относящаяся к абсолютному пластическому удлинению (фиг.1 и 2).

На фиг.1 и 2 приведены диаграммы растяжения образца в состояниях стали, которые соответствуют первому и второму вариантам. Заштрихованными прямоугольниками обозначена площадь, учитываемая в испытании по прототипу, тогда как по предлагаемому способу учитывается полная площадь под диаграммой.

Рассмотренный пример свидетельствует о повышении точности и достоверности определения вязкости металла при использовании заявляемого способа, и пригодности его для ранжирования металла по этому показателю.

Таблица
Вариант состояния металла	Исходные данные в определении величины а	а, Дж/мм3, согласно
F, мм2	lH, мм	lK, мм	Рм, Н	прототипу	изобретению
первый	50,2	40	14	2905	110	194
второй	6	3670	94	225

Способ определения вязкости металла, по которому образец подвергают растяжению до разрыва, с фиксированием до проведения испытания начальной длины и исходной площади поперечного сечения, в процессе испытания регистрируют диаграмму растяжения и максимальную нагрузку, после испытания регистрируют конечную длину образца, отличающийся тем, что в процессе испытания дополнительно регистрируют абсолютное упругое и абсолютное пластическое удлинения, и после испытания определяют вязкость металла по формуле
а=(А_у+А_п)/(FΔL_к),
в которой A_y - работа для совершения абсолютного упругого удлинения;
A_п - работа для совершения абсолютного пластического удлинения;
F - исходная площадь поперечного сечения испытуемого образца;
ΔL_к - конечное абсолютное удлинение по диаграмме.