Способ определения вязкости металлических материалов

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 температуры вязко-хрупкого перехода металлических материалов. Способ определения вязкости металлических материалов по температуре вязко-хрупкого перехода при инструментированных испытаниях на ударный изгиб, величина которой определяется по параметрам ниспадающего линейного участка на кривой ударного нагружения, соответствующим 50% вязкой составляющей разрушения в изломе. Технический результат – возможность определения температуры вязко-хрупкого перехода 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. 3 ил.

 

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.

Показателем надежности работы изделий из конструкционных сталей, работающих при низких температурах, служит температура вязко-хрупкого перехода t_хр, 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.).

В зависимости от структурно-фазового состояния металла вид сериальной кривой ударной вязкости KC=ƒ⋅(t_исп) и ее положение на температурной оси могут существенно отличаться: объективная оценка температуры t_хр возможна только в том случае, если на сериальных кривых KC=f (t_исп) 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_исп<-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.)

- температуру t_хр середины интервала вязко-хрупкого перехода Δt_хр;

- температуру t_хр^в перехода от вязкого к смешанному разрушению;

- температуру t_хр^н перехода от смешанного к хрупкому разрушению;

- температуру t_хр^min достижения минимальной ударной вязкости (KC_min ~ 0,2 МДж/м²);

- температуру t₅₀, при которой в изломе наблюдается 50% вязкой составляющей (В).

Известен способ определения температуры вязко-хрупкого перехода t_хр 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_исп).

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, МПК G01N3/30. 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.

Недостатком данного способа является то, что предложенные в нем критерии вязкости металлических материалов не используются для определения температуры вязко-хрупкого перехода t_хр, которая, в свою очередь, также характеризует вязкость металла при определенной температуре.

Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в определении температуры вязко-хрупкого перехода t_хр 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.

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_н, S_н) и окончанию (F_к, S_к) данной стадии разрушения, прогибу ΔS=S_к - S_н и наклону участка ΔF/ΔS=(F_н - F_к)/(S_к - S_н), а температуру вязко-хрупкого перехода t_хр определяют по величине значений S_н, ΔS, ΔF/ΔS, соответствующих 50% вязкой составляющей в изломе образца; об уровне вязкости металла судят по величине t_хр: чем выше t_хр, тем ниже вязкость.

Изобретение иллюстрируется следующими чертежами.

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, а) и стали обычной вязкости 32Г2Р (фиг.1, б), на которых показано графическое выделение ниспадающего линейного участка и определение на нем значений нагрузок F_н, F_к и прогиба S_н, S_к.

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_исп=+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.

На фиг.2 представлены в качестве примера зависимости выделенных на линейном ниспадающем участке кривых ударного нагружения характеристик (прогиба образца в начале S_н, диапазона прогиба образца ΔS=S_к - S_н, наклона ΔF/ΔS=(F_н - F_к)/(S_к - S_н)) 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

являются физически обоснованными параметрами, соответствующими температуре вязко-хрупкого перехода t_хр.

На фиг.3 приведено графическое определение температуры вязко-хрупкого перехода t_хр по температурным зависимостям величин S_н и ΔS на примере стали 32Г2Р. Видно, что после нормализации (кривая 1) сталь имеет относительно высокую температуру вязко-хрупкого перехода t_хр ~ -7°С, тогда как термоулучшение значительно снижает ее до t_хр ~ -78°С. При этом погрешность определения t_хр по кривым S_н=ƒ (t_исп) и ΔS=ƒ (t_исп) достаточно высока и не превышает ±1°С.

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_хр и использовать ее для определения вязкости металлических материалов и, соответственно, аттестации надежности работы конструкций (изделий) из них.

Способ определения вязкости металлических материалов при испытаниях на ударный изгиб призматических образцов с надрезом с записью кривой ударного нагружения в координатах нагрузка F – прогиб образца S путем идентификации на линейном ниспадающем участке значений нагрузки F и прогиба S, соответствующих началу (F_н, S_н) и окончанию (F_к, S_к) данной стадии разрушения, отличающийся тем, что на выделенном участке определяют величину прогиба ΔS = (S_к – S_н) и его наклон ΔF/ΔS = (F_н – F_к)/ΔS, измеряют долю вязкой составляющей разрушения В в изломе образца, а затем по значениям S_н, ΔS, ΔF/ΔS при В = 50% находят температуру вязко-хрупкого перехода t_хр, которую используют для аттестации вязкости металлических материалов.