RU2543673C2 - Способ определения механических свойств металлов - Google Patents
Способ определения механических свойств металлов Download PDFInfo
- Publication number
- RU2543673C2 RU2543673C2 RU2012145523/28A RU2012145523A RU2543673C2 RU 2543673 C2 RU2543673 C2 RU 2543673C2 RU 2012145523/28 A RU2012145523/28 A RU 2012145523/28A RU 2012145523 A RU2012145523 A RU 2012145523A RU 2543673 C2 RU2543673 C2 RU 2543673C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- metals
- flat
- sample
- gost
- round
- Prior art date
Links
Landscapes
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области определения прочностных свойств металлов и их сплавов путем приложения растягивающих нагрузок к стандартным плоским или круглым образцам исследуемых металлов, геометрические размеры которых регламентируются ГОСТ 10006-80. Сущность: осуществляют осевое растяжение плоских и круглых образцов с фиксированной скоростью деформации, и определение температуры испытания. Коэффициент динамической вязкости металлов и эффективную энергию разрушения определяют по формулам: для плоского и круглого образца, используя значения предела прочности, предела текучести, относительного удлинения металлов при растяжении стандартных образцов, скорости деформации, при которой растягивается образец, модуля Юнга и скорости звука продольных волн в металле. Технический результат: возможность при исследовании конструкций из металла под действием реальных нагрузок и скоростей деформаций вплоть до разрушения основывать прогноз по эксплуатационной надежности выбранного материала на основании количественных оценок параметров (σb, σ02, δ5, έ, µ, А*). 3 табл.
Description
Изобретение относится к области определения прочностных свойств металлов и их сплавов путем приложения растягивающих нагрузок к стандартным плоским или круглым образцам исследуемых металлов. Ресурсосберегающая стратегия по разработке новых материалов для различных отраслей промышленности, а также изготовление из них конструкций является важнейшим направлением в механике разрушения. Необходимо сегодня констатировать, что в мировой практике обоснование прочности и эксплуатационной надежности металлов при различных нагрузках основываются на использовании линейной, упругой механики разрушения.
Известно [1-2], что для металлов наиболее близка, с точки зрения физики твердого тела, модель вязкопластической среды, где свойства материала-металла характеризуются следующими параметрами (σ02, δ5, µ, έ), где µ - коэффициент динамической вязкости материала. Эта величина отражает количественную характеристику внутреннего трения материала при заданной скорости деформации έ и температуре испытаний. Соответственно σ02, δ5 - предел текучести и относительное удлинение при растяжении плоского или круглого стандартного образца до разрушения, согласно ГОСТ 10006-80.
Добавляя к рассматриваемой модели вязкопластической среды энергетический критерий разрушения [3], получим замкнутую систему уравнений [4], которая позволяет описать динамику деформирования плоского или круглого металлического образца при растяжении вплоть до разрушения. Здесь появляется еще один параметр характеристики материала А* - эффективная энергия динамического разрушения, размерность которого совпадает с размерностью параметра ударной вязкости Ак (ГОСТ 9454-78), но имеет принципиально другой физический смысл и не связан, например, с конфигурацией «надреза» в образце Шарпи или Менаже ([5], с. 165-166).
Известный способ определения ударной вязкости металлов (ГОСТ 9454-78) основан на фундаменте упругой механики твердого тела, где относительное удлинение δ5≤1%, что для пластичных металлов не приемлемо. Во-вторых, параметр Ак выражает скорее методологическую характеристику системы «образец-надрез-копер», чем характеристику материала. Это подтверждается, в частности, большим разбросом экспериментальных данных.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ определения механических свойств материала при растяжении плоских или круглых образцов при фиксированной скорости деформации и температуры испытаний (ГОСТ 10006-80, ГОСТ 1497-77).
Недостатком данного способа является малая информативность по эксплуатационной надежности металлов и прогнозированию сопротивления их к разрушению.
Целью изобретения является прогнозирование эксплуатационной надежности металлов и сопротивления их к разрушению за счет определения в схеме вязкопластической среды математических зависимостей [6-7]: коэффициента динамической вязкости материала µ и энергии разрушения А* от основных параметров σ02, δ5, µ, έ, полученных при испытаниях на растяжение плоских и круглых стандартных образцов согласно ГОСТ 10006-80, ГОСТ 1497-77.
Поставленная цель достигается тем, что коэффициент динамической вязкости металлов µ и эффективную энергию разрушения А* определяют по формулам: для плоского образца µ=(σb-σ02)/2έ, A*=3cµδ5σ02/4Е и для круглого образца µ=(σb-σ02)3έ, А*=3сµδ5σ02/Е.
Здесь σb, σ02, δ5 - соответственно предел прочности, предел текучести и относительное удлинение металлов при растяжении стандартных образцов. А также έ - скорость деформации, при которой растягивается образец, Е - модуль Юнга, с - скорость звука продольных волн в металле.
Таким образом, в дальнейшем предлагается при исследовании конструкций из металла под действием реальных нагрузок и скоростей деформаций вплоть до разрушения основывать прогноз по эксплуатационной надежности выбранного материала на основании количественных оценок параметров (σb, σ02, δ5, έ, µ, А*).
Принимая во внимание уже полученные решения математических моделей в схеме вязкопластической среды для основных конструктивных элементов: для плоского образца [6], круглого [7], цилиндра [8], шара [9], можно перейти к конкретным практическим расчетам для прогнозирования, например, оптимального материала для конкретной конструкции или изделия.
Первый пример. Рассмотрим данные ГОСТ 21945-76, где регламентируются механические свойства (σb, σ02, δ5, Ак) бесшовных горячекатанных труб из сплавов на основе титана при температуре +20°C плоских образцов (ГОСТ 10006-80), при скорости деформаций έ=0,25·10-2 1/с. Усредняя данные мехсвойств (табл. 3, ГОСТ 21945-76), в табл.1 представлены механические свойства основных титановых сплавов ПТ1М, ПТ7М, ПТ3В, ОТ4, 14, которые имеют широкое применение в судостроении и авиации. В табл. 1, на основании формул (1), представлены расчетные значения µ, А* для рассматриваемых титановых сплавов. В расчетах приняты следующие значения постоянных: модуль нормальной упругости Е-103 ГПа, скорость звука в титане с=3260 м/с, скорость деформации έ=0,25·10-2 1/с. Принимая во внимание, что коэффициент динамической вязкости µ является характеристикой внутреннего трения материала, а А* - есть работа, затрачиваемая при разрыве единицы сечения материала, который находится под нагрузкой вплоть до разрушения, отсюда следует, что при максимальных значениях µ, А*, рассматриваемые титановые сплавы имеют максимальное сопротивление к разрушению Как следует из данных табл. 1, из названных сплавов ПТ1М, ПТ7М, ПТ3В, ОТ4, 14 наибольшим сопротивлением к разрушению будет обладать конструкция, изготовленная из сплава ПТ7М. Из анализа данных табл. 1 относительно ударной вязкости Ак (образец Менаже) самая высокая величина Ак=0,88 МДж/м2 для сплава ПТ1М. На практике наиболее ответственные детали конструкции не из сплава ПТ1М (корпус подлодки из сплава ПТ3В, трубы для теплообменников, работающие на морских турбинах из сплавов ПТ7М и т.д.).
Второй пример. В качестве примера оценки броневой надежности конкретных сталей в табл. 2 представлены механические свойства отечественной броневой стали 30Х2Н2М1Ф-Ш при различных режимах отжига ([10], с. 252). Здесь указаны значения ударной вязкости Aк (KCU) при температуре испытаний +20°C и -40°C (ГОСТ9454-78), а механические свойства указаны при растяжении плоских образцов при έ=0,25·10-2 1/с, согласно ГОСТ 1497-77. Расчеты значений µ, А* по формуле (1) определяются для сталей: модуль Юнга Е=200 ГПа, скорость звука с=5050 м/с. Из данных табл. 2 следует перспективность броневой стали 30Х2Н2М1Ф-Ш при режиме отжига п.3, табл. 2.
Третий пример. Рассмотрим экспериментальные данные для броневых плит фирмы CLJ (Франция). В табл. 3 представлены основные марки и механические свойства ([10], с. 289), включая значения ударной вязкости Ак (KCV) при температуре испытания -40°C плоских образцов. Значения µ, А* в табл. 3 рассчитаны по формуле (1) при έ=0,25·10-2 1/с, Е=200 ГПа, с=5050 м/с. Из данных табл. 3 относительно µ, А* следует, что броневая сталь MAPS240 наиболее надежная к динамическим нагрузкам по сравнению с другими представленными сталями. Наиболее «проблемная» - MAPS300, у которой прочность при этом наиболее высокая. По одному значению Ак (KCV, KCU) невозможно спрогнозировать перспективность рассматриваемых материалов (см. табл. 1, 2, 3).
Таким образом, формулы позволяют оценить эксплуатационную надежность металлов при их испытании на растяжение стандартных образцов без надреза, что позволяет отказаться от испытаний образцов Шарпи, Менаже на ударную вязкость с помощью маятниковых копров. Принимая во внимание достаточную точность и трудоемкость при изготовлении образца 10×10×55 мм с (U, V)-образным надрезом глубиной 2 мм и радиусом надреза 1 мм с жесткими геометрическими допусками (см. ГОСТ 9454-78), цена при их изготовлении колеблется от 250 руб/шт. до 1300 руб/шт. в зависимости от материала образца (низкоуглеродистая сталь или высоколегированная сталь, сплав титана). На каждую плавку, чаще всего и на партию готовой продукции, регламентируются испытания на ударную вязкость. При этом отбираются по два-три образца, а для труб - с обеих сторон (см. ГОСТ 21945-76). Например, на одном только Челябинском трубопрокатном заводе (ОАО «ЧТПЗ») в испытательном центре и цеховых лабораториях изготавливают более 50000 образцов в год для определения ударной вязкости и примерно 85000 в год для определения механических свойств. В итоге тратится ~38,75 млн руб только на изготовление образцов с надрезом, а еще затраты на содержание оборудования и сами испытания, обработка результатов. И это только для одного предприятия, изготавливающего трубы и отводы для нефтегазовой промышленности и ВПК.
Таблица 1 | |||||||
Механические характеристики титановых сплавов (усредненные, согласно ГОСТ 21945-76 при +20°C) и расчетные данные коэффициента динамической вязкости µ и эффективной энергии динамического разрушения A* | |||||||
№ | Сплав титана | σв (МПа) | σ02(МПа) | δ5(%) | Ударная вязкость Aк (МДж/м2) | µ ГПа·с | A* ГДж/м2 |
1 | ПТ1М | 441 | 245 | 24 | 0,88 | 39,2 | 108 |
2 | ПТ7М | 578 | 372 | 18 | 0,78 | 41,2 | 129,7 |
3 | ПТЗВ | 710 | 519 | 10 | 0,64 | 38,3 | 114,7 |
4 | ОТ4 | 784 | 637 | 10 | 0,34 | 29,4 | 88,0 |
5 | 14 | 980 | 784 | 8 | 0,40 | 39,0 | 115,0 |
Таблица 2 | ||||||||||
Механические свойства броневых сталей при различных режимах отжига | ||||||||||
№ | Сталь | Режим отжига | σв (МПа) | σ02 (МПа) | δ5 (%) | A (KCU) при +20°C (МДж/м2) | A (KCU) при -40°C (МДж/м2) | µ (ГПа·с) | А* (ГДж/м2) | |
аустенизация | Изотермическая выдержка | |||||||||
1 | 3ОХ2Н2М1Ф-Ш | 900°C, 3 ч | 630°C, 100 ч | 1380 | 1270 | 15,3 | 1,18 | 0,94 | 22 | 81,3 |
2 | 3ОХ2Н2М1Ф-Ш | 900°C, 3 ч | 650°C, 48 ч | 1400 | 1300 | 13,8 | 1,03 | 0,95 | 20 | 68,2 |
3 | 3ОХ2Н2М1Ф-Ш | 900°C, 3 ч | 630°C, 100 ч | 1300 | 1180 | 15,5 | 1,56 | 1,36 | 24 | 83,4 |
4 | 3ОХ2Н2М1Ф-Ш | 850°C, 3 ч | 650°C, 48 ч | 1343 | 1227 | 15,3 | 1,36 | 1,14 | 23 | 82,0 |
Таблица 3 | |||||||
Основные марки и механические свойства броневых сталей фирмы GLJ (Франция) | |||||||
№ | Сталь | σв (МПа) | σ02 (МПа) | δ5 (%) | A (KCV) при -40°C(МДж/м2) | µ (ГПа·с) | A* (ГДж/м2) |
1 | MARS 190 | 1250 | 1150 | 14,0 | 0,60 | 20 | 61,2 |
2 | MARS 240 | 1750 | 1350 | 13,0 | 0,40 | 80 | 267 |
3 | MARS 270 | 1900 | 1500 | 10,5 | 0,30 | 80 | 228 |
4 | MARS 300 | 2250 | 1700 | 7,0 | 0,15 | 11 | 24,9 |
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ильюшин А.А. Деформация вязкопластического тела. - Учен. зап. МГУ. Механика, Москва, 1940, вып.39, с.1-81.
2. Ишлинский А. Ю. Прикладные задачи механики. Кн.1. Механика вязкопластических и не вполне упругих тел. Москва, «Наука», 1986, 405 с.
3. Иванов А.Г. О природе катастрофических разрушений трубопроводов. - Докл. АН СССР, Москва, 1985, т.285, №2, с.257-259.
4. Сериков С. В. Исследование деформации и разрушения титановых сплавов методом моделирования. - Журнал Титан, Москва, 2006, №1, с.53-59.
5. Фридман Я.Б. Механические свойства металлов. Изд. 3-е перераб. В двух частях. Часть вторая. Механические испытания. Москва, «Машиностроение», 1974, 308 с.
6. Сериков С.В. Двуосная неустановившаяся деформация прямолинейной полосы в схеме сжимаемой вязкопластической среды. - Журнал прикладной механики и технической физики. - Новосибирск, 1982, №6, с.123-133.
7. Сериков С.В. Неустановившаяся деформация круглого прутка в схеме сжимаемой вязкопластической среды. - Динамика сплошной среды, Новосибирск, Ин-т гидродинамики СО АН СССР, 1982, вып.55, с.79-89.
8. Сериков С.В. Оценка предельной деформации при разрушении металлических труб под действием интенсивных нагрузок. - Журнал прикладной механики и технической физики. - Новосибирск, 1987, №1, с.155-161.
9. Сериков С.В. Оценка осколкообразования при разрушении шаровой оболочки. - Журнал прикладной механики и технической физики. - Новосибирск, 1987, №3, с.125-132.
10. Гладышев С.А., Григорян В.А. Броневые стали. - Москва, Интермет Инжиниринг, 2010, 336 с.
11. ГОСТ 1497-77, ГОСТ 9454-78, ГОСТ 10006-80, ГОСТ 21945-76, Москва, Издательство стандартов.
Claims (1)
- Способ определения механических свойств металлов, включающий осевое растяжение плоских и круглых образцов с фиксированной скоростью деформации, и температуры испытания, отличающийся тем, что, коэффициент динамической вязкости металлов µ и эффективную энергию разрушения А* определяют по формулам: для плоского образца µ=(σb-σ02)/2έ, А*=3сµδ5σ02/4E и для круглого образца µ=(σb-σ02)/3έ, А*=3µδ5σ02/E,
здесь σb, σ02, δ5 - соответственно предел прочности, предел текучести и относительное удлинение металлов при растяжении стандартных образцов, а также έ - скорость деформации, при которой растягивается образец, Е - модуль Юнга, с - скорость звука продольных волн в металле.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012145523/28A RU2543673C2 (ru) | 2012-10-26 | 2012-10-26 | Способ определения механических свойств металлов |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012145523/28A RU2543673C2 (ru) | 2012-10-26 | 2012-10-26 | Способ определения механических свойств металлов |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2012145523A RU2012145523A (ru) | 2014-05-10 |
RU2543673C2 true RU2543673C2 (ru) | 2015-03-10 |
Family
ID=50629147
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012145523/28A RU2543673C2 (ru) | 2012-10-26 | 2012-10-26 | Способ определения механических свойств металлов |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2543673C2 (ru) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2685118C1 (ru) * | 2017-11-14 | 2019-04-16 | Общество с ограниченной возможностью "Специальные Стали и Сплавы" | Способ определения пика пластичности для металлов |
RU2685458C1 (ru) * | 2018-02-13 | 2019-04-18 | Публичное акционерное общество "Транснефть" (ПАО "Транснефть") | Способ определения прочностных свойств низкоуглеродистых сталей |
RU2715903C1 (ru) * | 2019-04-11 | 2020-03-04 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта" (БФУ им. И. Канта) | Способ идентификации металлов |
RU2811386C1 (ru) * | 2022-10-31 | 2024-01-11 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" | Способ определения величины эффекта деформационного старения в сталях |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1453231A1 (ru) * | 1987-03-24 | 1989-01-23 | Предприятие П/Я М-5671 | Способ испытани материалов на двухосное раст жение |
RU2193772C1 (ru) * | 2001-03-05 | 2002-11-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Фирма "Геотехпрогресс" | Способ прогноза остаточного ресурса стальных металлоконструкций |
US6732591B2 (en) * | 2000-08-09 | 2004-05-11 | Rolls-Royce Plc | Device and method for fatigue testing of materials |
RU2243535C1 (ru) * | 2003-04-21 | 2004-12-27 | Научно-исследовательский и конструкторский центр испытательных машин Точмашприбор" | Машина испытательная для механических испытаний материалов на растяжение |
-
2012
- 2012-10-26 RU RU2012145523/28A patent/RU2543673C2/ru active IP Right Revival
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1453231A1 (ru) * | 1987-03-24 | 1989-01-23 | Предприятие П/Я М-5671 | Способ испытани материалов на двухосное раст жение |
US6732591B2 (en) * | 2000-08-09 | 2004-05-11 | Rolls-Royce Plc | Device and method for fatigue testing of materials |
RU2193772C1 (ru) * | 2001-03-05 | 2002-11-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Фирма "Геотехпрогресс" | Способ прогноза остаточного ресурса стальных металлоконструкций |
RU2243535C1 (ru) * | 2003-04-21 | 2004-12-27 | Научно-исследовательский и конструкторский центр испытательных машин Точмашприбор" | Машина испытательная для механических испытаний материалов на растяжение |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2685118C1 (ru) * | 2017-11-14 | 2019-04-16 | Общество с ограниченной возможностью "Специальные Стали и Сплавы" | Способ определения пика пластичности для металлов |
RU2685458C1 (ru) * | 2018-02-13 | 2019-04-18 | Публичное акционерное общество "Транснефть" (ПАО "Транснефть") | Способ определения прочностных свойств низкоуглеродистых сталей |
RU2715903C1 (ru) * | 2019-04-11 | 2020-03-04 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта" (БФУ им. И. Канта) | Способ идентификации металлов |
RU2811386C1 (ru) * | 2022-10-31 | 2024-01-11 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" | Способ определения величины эффекта деформационного старения в сталях |
RU2818505C1 (ru) * | 2023-09-04 | 2024-05-02 | Общество с ограниченной ответственностью "Кольчугинский завод специальных сплавов" | Способ оценки трещиностойкости металлов |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2012145523A (ru) | 2014-05-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Pallarés-Santasmartas et al. | Influence of mean shear stress on the torsional fatigue behaviour of 34CrNiMo6 steel | |
Shingledecker et al. | Testing and analysis of full-scale creep-rupture experiments on inconel alloy 740 cold-formed tubing | |
Tahami et al. | Creep constitutive equations for cold-drawn 304L stainless steel | |
Mehmanparast et al. | Material pre-conditioning effects on the creep behaviour of 316H stainless steel | |
RU2543673C2 (ru) | Способ определения механических свойств металлов | |
Hussain et al. | Development of multi-physics numerical simulation model to investigate thermo-mechanical fatigue crack propagation in an autofrettaged gun barrel | |
Farhad et al. | Fatigue behaviour of corrosion pits in X65 steel pipelines | |
Zhang et al. | Fatigue failure analysis and finite element assessment of the twins torsion spring | |
Xu et al. | High cycle fatigue characterization of a nickel-based superalloy based on a novel temperature-dependent regression method | |
Schmid et al. | Effect of frequency and biofuel E85 on very high cycle fatigue behaviour of the high strength steel X90CrMoV18 | |
Erami et al. | Creep constitutive equations for as-received 9Cr1Mo steel | |
Ullner et al. | Determination of local stress–strain properties of resistance spot-welded joints of advanced high-strength steels using the instrumented indentation test | |
Student et al. | Influence of the long-term operation of 12Kh1M1F steel from different zones of a bend of steam pipeline of a thermal power plant on its mechanical characteristics | |
Sorkhabi et al. | Experimental study of the creep behavior of parent, simulated HAZ and weld materials for cold-drawn 304L stainless steel | |
Hu et al. | Effect of notch on fatigue performance of marine shaft made of 34CrNi3Mo alloy steel under torsional loading | |
Furuya | Gigacycle fatigue of high-strength steel caused by MnS inclusions | |
Khoddam et al. | State of the art methods to post-process mechanical test data to characterize the hot deformation behavior of metals | |
Aleksić et al. | Indicators of HSLA steel behavior under low cycle fatigue loading | |
Jinescu et al. | Effects superposition under imposed deterioration and simultaneous fatigue in different regimes | |
Jahed et al. | Re-autofrettage | |
Langenfeld et al. | Low cycle fatigue of components manufactured by rod extrusion: Experiments and modeling | |
Angelova et al. | On fatigue behavior of two spring steels. Part I: Wöhler curves and fractured surfaces | |
Zvirko et al. | Influence of the structural features of steels of casing pipes on their mechanical properties and hydrogen brittleness | |
Silva et al. | Calculation and enhancement of fatigue life by ε-N approach and corrosion fatigue in steam turbine rotor | |
Mahler et al. | Approach for determining fracture mechanical properties from tests on small size specimens at room temperature |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
TK4A | Correction to the publication in the bulletin (patent) |
Free format text: AMENDMENT TO CHAPTER -BZ4A- IN JOURNAL: 13-2014 FOR TAG: (57) |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20171027 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20190904 |