CC BY
62
www.volsu.ru
DOI: http://dx.doi.Org/10.15688/jvolsu10.2015.4.7
УДК 620.178:669.14 ББК 22.251
ОПЕРАТИВНАЯ ОЦЕНКА ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ СТАЛЕЙ
Юлия Сагидулловна Бахрачева
Кандидат технических наук, доцент кафедры физики и химии,
Московский государственный университет путей сообщения, Волгоградский филиал bakhracheva@yandex. ги
ул. им. милиционера Буханцева, 48, 400120 г. Волгоград, Российская Федерация
Аннотация. 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.
Ключевые слова: трещиностойкость, фронт трещины, кривая течения, энергия пластической деформации, испытание на растяжение.
о
(N
О 2
W
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 псевдохрупкого разрушения.
Наиболее современным методом оценки склонности материалов к хрупкому разрушению является определение трещиностойкости К 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 г перед фронтом трещины. Для этого сначала была вычислена средняя величина интенсивности упруго-пластической деформации в. ср в малой пластической зоне перед фронтом трещины:
s,.cp = — | е/exp |-е fx / (1,155 -W dx =
= 1,1551 —
1 -expI -
1,155-W
(1)
После этого по обобщенной кривой течения определяли величину интенсивности напряжений а соответствующую значению в.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:
Ycp
J0,2 + °icp
е. -r.
.cp
(2)
е / •r
r
2
Таблица 1
Значения величин ст , е и ст , е для низкопрочных сталей
в7 р ср7 ср г
Сталь Т, К Ств, МПа Стср, МПа ер еср
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: ств - предел прочности; стср - средняя величина интенсивности напряжений; ер - величина интенсивности упруго-пластической деформации; еср - средняя величина интенсивности упруго-пластической деформации.
Таблица 2
Значения величин ст , е и ст , е для высокопрочных сталей
в р ср ср
Материал ¿зак , ¿отп , ств, МПа стср, МПа ер еср
оС оС
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
200 1686 1547 0,199 0,119
300 1624 1535 0,178 0,121
200 1821 1608 0,233 0,124
25SiMn2MoVA 900 250 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
42СгМоА 1170 200 2019 1746 0,155 0,068
200 1703 1521 0,233 0,110
230 1676 1540 0,204 0,108
30CrMnSiNi2A 900 250 1786 1555 0,304 0,121
280 1655 1531 0,209 0,114
300 1601 1514 0,198 0,121
240 1754 1694 0,198 0,141
Сг№Мо 860 290 1646 1547 0,245 0,146
340 1675 1595 0,219 0,141
400 1578 1529 0,199 0,144
Примечание. температура закалки; /отп - температура отпуска.
Результаты расчетов по формуле (2) для двух групп рассмотренных выше сталей показаны на рисунке 1.
Как видно на рисунке 1, зависимость К1с(Ууср) также описывается для высокопрочных и низкопрочных сталей одной прямой линией:
KIC = 232^ + 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.
уср0'5, (МДж/м2р Рис. 1. Зависимость К, от величины уу :
1С ' ср
• - высокопрочные стали, о - низкопрочные стали
Рис. 2. Зависимость ст от величины ст
-ср
0,2 0,16 0,12 0,08 0,04 0
•
Л • S •
V »
• • 4 9
0,05
0,1
0,15
Рис. 3. Зависимость е от величины е
ср р
Видно, что для всех рассмотренных сталей наблюдается линейная зависимость между в. ср и Вр, а также с. ср и св. Это дает возможность привести формулу (2) к следующему виду:
Трав
°0,2 + °В 2
• £р •г
(4)
Расчеты по формуле (4) дают результат, аналогичный расчетам по формуле (2) (см. рис. 4).
Как видно из рисунка 4, зависимость КС(Чурав) также линейна:
К1с = 330^7 + 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 г перед фронтом трещины.
3. Показана линейная зависимость между в и в , а также с и с , что позволило
^ юр р' гор в'
предложить упрощенный метод расчета энергии пластической деформации в упрочненном слое под поверхностью разрушения по стандартным механическим свойствам.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. 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.
2. 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. 5356. - Б01: 10.15688/тгоки10.2012.2.9.
3. Влияние содержания азота на структуру и свойства нитроцементованной стали / В. И. Шапоч-кин [и др.] // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2010. - № 9. - С. 12-18.
4. 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.
5. Красовский, А. Я. Трещиностойкость сталей магистральных трубопроводов / А. Я. Красовский, В. Н. Красико. - Киев : Наукова думка, 1990. -176 с.
6. 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: 10.15688/ггаки10.2014.3.11.
7. Шапочкин, В. И. Нитроцементация в условиях периодического изменения состава ат-
300 250
I 200 *
Л
С 150
а
100
50 0
о о
о о/ о
<<Ьо
<Р О
0 ОД 0,2 0,3 0,4 0,5
Трав"'5/ (МДЖ/М2)0'5 Рис. 4. Зависимость К, от величины чу :
1С ' рав
• - высокопрочные стали, о - низкопрочные стали
0,6
мосферы / В. И. Шапочкин, Л. М. Семенова, Ю. С. Бахрачева // Материаловедение. - 2010. -№ 8. - С. 52-58.
8. 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. 2732. - DOI: 10.15688/jvolsu10.2014.2.4.
9. 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. 2632. - DOI: 10.15688/jvolsu10.2014.1.4.
REFERENCES
1. Bakhracheva Yu.S. Operativnaya otsenka sklonnosti materialov k khrupkomu razrusheniyu pri staticheskom i tsiklicheskom nagruzhenii: dis. ... kand. tekhn. nauk [Rapid Assessment of the Propensity of Materials to Brittle Fracture Under Static and Cyclic Loading. Cand. techn. sci. diss.]. Velikiy Novgorod, 2004. 126 p.
2. Bakhracheva Yu.S. Otsenka vyazkosti razrusheniya staley po rezultatam kontaktnogo deformirovaniya [Evaluation of Fracture Toughness of Steels According to the Results of the Contact Deformation]. Vestnik Volgogradskogo gosudarst-vennogo universiteta. Seriya 10, Innovatsionnaya deyatelnost [Science Journal of Volgograd State University], 2012, no. 2, pp. 53-56. DOI: 10.15688/ jvolsu10.2012.2.9.
3. Shapochkin V.I., et al. Vliyanie soderzhaniya azota na strukturu i svoystva nitrotsementovannoy stali [The Influence of Nitrogen Content on the Structure and Properties of Nitrated Face-Hardened Steel]. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov, 2010, no. 9, pp. 12-18.
4. Drozd M.S., Osipenko A.P. Analiticheskoe issledovanie napryazhennogo sostoyaniya pri
vnedrenii uprugoy sfery v uprugoplasticheskoe poluprostranstvo [Analytical Investigation of the Stress State at Introduction of Elastic Sphere in Elastic-Plastic Half-Space]. Metallovedenie i prochnost materialov: mezhvuzovskiy sbornik nauchnykh trudov VolgGTU [Metal Science and the Durability of Materials: Interuniversity Collection of Scientific Works of Volgograd State Polytechnic University]. Volgograd, Izd-vo VPI, 1975, pp. 12-19.
5. Krasovskiy A.Ya., Krasiko V.N. Treshchinostoykost staley magistralnykh truboprovodov [Crack Resistance of Steels of Main Pipelines]. Kiev, Naukova dumka Publ., 1990. 176 p.
6. Medvedev R.S., Bakhracheva Yu.S. Primenenie statisticheskikh metodov upravleniya kachestvom dlya optimizatsii proizvodstva po remontu puti [The Use of Statistical Methods of Quality Management to Optimize Production on Track Repair]. Vestnik Volgogradskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya 10, Innovatsionnaya deyatelnost [Science Journal of Volgograd State University. Technology and Innovations], 2014, no. 3 (12), pp. 9397. DOI: 10.15688/jvolsu10.2014.3.11.
7. Shapochkin V.I., Semenova L.M., Bakhracheva Yu.S. Nitrotsementatsiya v usloviyakh periodicheskogo izmeneniya sostava atmosfery [Nitrocarburizing in the Conditions of Periodic Changes in Atmospheric Composition]. Materialovedenie, 2010, no. 8, pp. 52-58.
8. Bakhracheva Yu. S. The Method for Lifetime Estimation Through the Mechanical Properties in Tension. Vestnik Volgogradskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya 10, Innovatsionnaya deyatelnost [Science Journal of Volgograd State University. Technology and Innovations], 2014, no. 2, pp. 27-32. DOI: 10.15688/jvolsu10.2014.2.4.
9. Vasilyev A.V, Bakhracheva Yu.S., Kabore O., Zelenskiy Yu.O. Valve Cam Design Using Numerical Step-By-Step Method. Vestnik Volgogradskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya 10, Innovatsionnaya deyatelnost [Science Journal of Volgograd State University. Technology and Innovations], 2014, no. 1, pp. 26-32. DOI: 10.15688/ jvolsu10.2014.1.4.
RAPID ASSESSMENT OF FRACTURE TOUGHNESS OF STEEL
Yuliya Sagidullovna Bakhracheva
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Physics and Chemistry,
Moscow State University of Railway Engineering (Volgograd Branch) bakhracheva@yandex. ru
Bukhantseva St., 48, 400120 Volgograd, Russian Federation
Abstract. The presence in industry of a huge Park of equipment with expired passport life constantly poses the question of the justification of the lifetime extension. This is a complex task that requires reliable methods for assessing the state of metal in the product. Large objects, which are in operation, cannot be delivered to the laboratory for testing. Many objects are so long that the methods of calculation of products of this type, as well as criteria for evaluating the suitability for further work changed long ago. This, in particular, is experiencing the effects of variable loads. The latter lead to growth of cracks and pose a risk of brittle fracture or pseudographs. The modern method for assessing the propensity of a material to brittle fracture is to determine the fracture toughness.
The method is proposed for predicting the fracture toughness according to the results of the tensile tests. The proposed model shows the validity of using methods of continuum mechanics in analysis of the processes taking place in the area bounded plasticity in front of the crack.
The regularities of the relationships of fracture toughness and specific energy of plastic deformation of layers of metal adjacent to the fracture surface, for steels of different strength levels.
Key words: fracture toughness, crack front, curve of flow, energy of plastic deformation, tensile test.
