CC BY
59
УДК 661.791.042:669.794
ОЦЕНКА КОНСТРУКЦИОННОЙ ПРОЧНОСТИ ИТТРИЙСОДЕРЖАЩЕЙ ЛИТОЙ МАЛОУГЛЕРОДИСТОЙ
СТАЛИ
И.В. Дощечкина, доцент, к.т.н., ХНАДУ, Н.Г. Ефименко, доцент, к. т.н., УИПА
Аннотация. Определено влияние иттрия на критическое напряжение хрупкого разрушения и коэффициент запаса вязкости малоуглеродистой литой стали. Предложена оптимальная добавка иттрия, повышающая конструкционную прочность стали.
Ключевые слова: конструкционная прочность, напряжение хрупкого разрушения, запас вязкости, температура вязко-хрупкого перехода, иттрий, сталь.
Введение
Стандартные механические свойства не всегда позволяют правильно прогнозировать поведение материала конструкции в тех или иных условиях эксплуатации. Нередко, особенно при низких температурах, вид напряженного состояния может оказаться решающим фактором, вызывающим охрупчивание вполне пластичного в обычных условиях материала. В связи с этим, наряду с контролем общих механических свойств, следует уделить внимание конструкционной прочности, под которой понимается комплекс показателей, определяющих работоспособность материала конкретного изделия в данных условиях эксплуатации. Конструкционная прочность характеризует как свойства самого материала, так и надежность его работы в реальной конструкции.
Анализ публикаций
Надёжность материала определяется его способностью противостоять хрупкому разрушению. Как известно, сопротивление материала хрупкому разрушению зависит от двух основных показателей - вязкости разрушения, характеризующей работу развития трещины, и порога хладноломкости [1]. Одним из широко используемых критериев вязкости разрушения является параметр трещиностой-
кости К1с - коэффициент интенсивности напряжения [2]. Однако измерения этого показателя связаны с определёнными трудностями (нужны очень массивные образцы и мощное испытательное оборудование), что потребовало поиска характеристик, коррелирующих с К1с, для оценки которых можно использовать образцы небольших размеров. Нужны характеристики материала, определяемые лишь его структурой и не зависящие от вида напряженного состояния и масштаба изделий. Именно такие показатели могут быть использованы для достаточно достоверного прогнозирования сопротивления материала хрупкому разрушению в условиях эксплуатации, и их определение представляет несомненный интерес. Рядом исследователей [3, 4] в качестве таких характеристик предлагаются критическое напряжение хрупкого разрушения окр и коэффициент запаса вязкости Кв. Эти показатели находятся из результатов низкотемпературных испытаний на растяжение гладких и надрезанных образцов. Временное сопротивление (сЦ) определяется на надрезанных образцах и его изменение при пониженных температурах имеет вид кривой с максимумом. Температура, при которой регистрируется максимум с Ц, соответствует вязко-хрупкому переходу для надрезанных образцов (), а максимальное
значение с Ц представляет собой сопротив-
ление хрупкому разрушению данного материала - с кр. Величина с кр может служить
мерой конструкционной прочности материала, поскольку при хрупком или квазихрупком разрушении реальная прочность элемента конструкции (средненоминальное напряжение разрушения) не может превысить с кр,
что убедительно обосновано в ряде литературных источников [5]. Предел текучести (с02) определяется на гладких образцах, и
его значение монотонно растёт при понижении температуры. Температура, при которой с 0 2 становится равным с кр, принимается за
порог хладноломкости (t). Величина Кв вычисляется как отношение скр к с02, определенному при данной температуре испытаний, и является мерой запаса вязкости материала для данных температурных условий эксплуатации.
Цель и постановка задачи
Цель работы - оценить влияние легирующих добавок иттрия на конструкционную прочность литой малоуглеродистой стали. Рассматривалась задача определения оптимальной добавки иттрия для повышения запаса вязкости металла, эксплуатирующейся как при комнатной температуре, так и в условиях низких температур.
Материал и методика исследований
Эксперименты были выполнены на стали 35Л с добавками иттрия. Иттрий в виде стружки вводился под струю жидкого металла при разливке стали из расчета 0,04; 0,08 и 0,4 масс %. Такое количество иттрия с учётом возможного выгорания обеспечило получение необходимых для исследования концентраций. При определении требуемых характеристик (с кр и Кв) за основу была
принята методика, описанная в работе [3]. Форма и размеры образцов были разработаны авторами [6]. Для испытаний предложены плоские гладкие и надрезанные образцы с расчетной длиной 20 мм и сечением 2^2 мм. Радиус надреза 0,05 мм обеспечивал необходимую жесткость напряженного состояния. Испытания на растяжение производились на установке ИМАШ-20 с приспособлением для охлаждения образца жидким азотом. Максимальное растягивающее усилие составляло 5000 Н.
Результаты исследований
Исследования четырёх составов стали с различным содержанием иттрия свидетельствуют, что добавка иттрия в количествах, не превышающих 0,08 %, приводит к снижению
^нр . При введении 0,08 % иттрия критическая
температура перехода в хрупкое состояние у надрезанных образцов снижается на 20 °С по сравнению со сталью без иттрия. Это свидетельствует об уменьшении чувствительности к концентраторам напряжений стали с указанным количеством иттрия. Добавка 0,08 % иттрия понижает и t . Для стали без иттрия
= -190°С, а для стали с легирующей присадкой t = -220°С. Увеличение концентрации иттрия свыше 0,08% вызывает рост tXIр .
Оптимальное количество иттрия (0,08 %) увеличивает с кр - с 1000 МПа до 1500 МПа.
Дальнейшее увеличение концентрации иттрия понижает критическое напряжение хрупкого разрушения, однако и при добавке 0,4 % иттрия оно все еще выше, чем у исходной стали. Эти результаты качественно коррелируют с экспериментальными зависимостями механических свойств, полученными ранее при стандартных испытаниях [7]. В табл.1 приведены значения коэффициента запаса вязкости исследуемых сталей для комнатной температуры, минус 60°С и температуры вязко-хрупкого перехода для надрезанных образцов (-120°С).
Таблица 1 Коэффициент запаса вязкости Кв сталей с различным содержанием иттрия
Содержание иттрия, % Температура, °С
+20 -60 1 кр
0 3,2 2,3 1,6
0,4 3,2 2,4 1,7
0,08 3,7 2,5 1,8
0,4 3,1 2,3 1,5
Данные таблицы свидетельствуют, что при всех температурах испытанный запас вязкости стали с оптимальной добавкой иттрия выше, чем для других составов. Результаты проведенных экспериментов позволяют заключить, что добавка иттрия в количествах 0,08 - 0,1 % не только повышает механические свойства стали, но увеличивает показатели конструкционной прочности, причём,
что особенно важно, в области низких температур.
Выводы
Оптимальная добавка иттрия (0,08 %) повышает конструкционную прочность стали: критическое напряжение хрупкого разрушения увеличивается с 1000 до 1500 МПа, снижается (на 20 - 30 °С) температура перехода в хрупкое состояние. Для стали с иттрием для всех температур (вплоть до -120°С) коэффициент запаса вязкости остаётся более высоким, чем в стали без иттрия.
Литература
1. Раузин Я.Р., Шур Е.А. Конструктивная
прочность стали. - М.: Машиностроение, 1975. - 36 с.
2. Романив О.Н. Вязкость разрушения кон-
струкционных сталей. - М.: Металлургия, 1980. - 176 с.
3. Мешков Ю.Я. Физические основы разру-
шения стальных конструкций. - К.: Нау-кова думка, 1981. - 240 с.
4. Мешков Ю.Я. Пахаренко Г.А. Структура
металла и хрупкость стальных изделий. - К.: Наукова думка, 1985. - 268 с.
5. Веркин Б.И., Гриднев В.Н. и др. Исследо-
вание физических критериев для оценки качества конструкционных материалов в задачах криогенного машиностроения // Металлофизика. - 1988. - Т. 4. - Вып. 2 . - С. 81 - 86.
6. Дощечкина И.В., Кафтанов С.В., Приход-
ченко В.А. Определение параметров конструкционной прочности сталей // Ресурсосберегающее методы и средства экспресс-контроля структурно-механического состояния материалов: Сб. науч. тр. - Пенза, 1995. - С. 37 - 41.
7. Дощечкина И.В., Кафтанов С.В. и др. По-
вышение конструкционной прочности и холодостойкости литой низкоуглеродистой стали // Вестник национального технического университета // Тематический выпуск: «Технологии в машиностроении». - Харьков: НТУ «ХПИ». -2002. - №9. - Т. 10. - С. 36 - 40.
Рецензент: Л.А.Тимофеева, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 13 июня 2009 г.
