Обобщенная температурная зависимость ударной вязкости улучшенных низколегированных сталей

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОБОБЩЕННАЯ ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ УДАРНОЙ ВЯЗКОСТИ УЛУЧШЕННЫХ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Е.А. Протопопов, А.И. Вальтер,

А.А. Протопопов, П.И. Маленко, С.К. Захаров

Аннотация

Получена обобщенная температурная зависимость ударной вязкости улучшенных низколегированных сталей для температур +20 С, -40 С и -60 С.

Ключевые слова: ударная вязкость, низколегированные сталь, степень ковалентности, степень металличности, температурная зависимость ударной вязкости

Annotation

GENERALIZED TEMPERATURE MODEL OF IMPACT STRENGTH OF LOW-ALLOYED STEELS SUBJECTED TO HARDENING AND HIGH TEMPERATURE TEMPERING

E.A. Protopopov, A.I. Walter, A.A. Protopopov, P.I. Malenko, S.K. Zaharov

Generalized temperature model of impact strength of low-alloyed steels subjected to hardening and high temperature tempering for +20 С, -40 С and -60 С is received.

Keywords: impact strength, low-alloy steel, covalency level, metallicity level, temperature model of impact strength

Введение

Для современного машиностроения характерна тенденция постоянного роста уровня требований к служебным характеристикам металлопродукции. Это обусловлено, в том числе, тем, что с развитием машиностроения и совершенствованием используемых технологий возникает необходимость в широком применении новых конструкционных сталей, отличающихся экономически выгодным сочетанием повышенной технологичности с высокими механическими характеристиками. Для ответственных тяжелонагруженных деталей и узлов применяют легированную сталь после улучшения, что позволяет обеспечить высокую конструктивную прочность - высокую прочность с сочетании с высокой пластичностью, вязкостью и малой склонностью к хрупким разрушениям. На механические свойства сталей существенное влияния оказывают легирующие элементы и примеси, в том числе P, S, N, As, Sb, Sn, Zn и др. [1-3].

Легирующие элементы определяют различные факторы (размер зерна аустенита, его устойчивость при переохлаждении, структуру мартенсита, свойства феррита и карбидной фазы и др.) и процессы, происходящие при закалке и отпуске, что обусловливает формирование через них механических свойств стали [2]. В связи с вышеизложенным актуален поиск зависимостей, позволяющих оценить влияние легирующих элементов и примесей на формирование механических свойств низколегированных сталей после их улучшения. В числе механических свойств ударная вязкость, является одной из основных нормируемых характеристик металлоконструкций, работающих при отрицательных температурах,

Целью данной работы является определение обобщенной температурной зависимости ударной вязкости улучшенных низколегированных сталей в интервале температур от +20 С до -60 С.

Методика проведения расчетов и материалы

легирующий сталь температурный вязкость

Основные механические свойства низколегированных сталей отражают состояние металла в процессе его пластического течения, в том числе в случае казистатического роста трещины при испытаниях на ударный изгиб.

Пластическая деформация развивается в виде ряда самосогласованных процессов пластического течения металла на нано-, микро-, мезо- и макромасштабном уровнях деформируемого тела [4].

Возмущение электронной подсистемы при нагружении твердого тела выше предела текучести обеспечивает возникновение локальных концентраторов напряжений, генерирующих все виды деформационных дефектов: вакансий и междуузельных атомов, атом-вакансионных нанокластеров различных конфигураций, дислокаций, диклинаций, двойников, мезо- и макрополос локализованной деформации, трещин и др. [5, 6].

На наноуровне в локальных зонах растягивающих нормальных напряжений возникает структура, не имеющая трансляционной инвариантности, и пластическое течение реализуется за счет возникновения сильно возбужденных или атомно-вакансионных состояний со структурой неравновесной и растянутой кристаллической решетки. В условиях трансляционно-инвариантной кристаллической решетки пластическая деформация реализуется движением ядер дислокаций, а при отсутствии трансляционной инвариантности пластическая деформация обусловливается недислокационными механизмами: распространением полос сдвига, мезо- и макрополос локализованных сдвигов, полос адиабатического сдвига, зернограничным проскальзыванием и др. [5].

Любой элементарный акт пластического течения металла, протекающий как по дислокационному, так и недислокационному механизму, осуществляется путем локального нарушения межатомной связи. Поэтому основные механические свойства металла, интегрально отражая его состояние в процессе пластического течения, определяются, в том числе, межатомным взаимодействием.

Межатомное взаимодействие характеризуется рядом параметров, в том числе, энергией связи и соотношением составляющих химической связи, т.е. степенями ионности, металличности и ковалентности.

Регулированием степени ковалентности связи в сталях, путем их легирования, достигается обеспечение вязкого разрушения хладостойких сталей [7].

В соответствии с работой [6] ударная вязкость низколегированных сталей со структурой сорбита отпуска для образцов Менаже определяется уравнением:

, (1)

где k_KCU, - коэффициенты, табл. 1; - приведенное обобщенное отношение степеней металличности и ковалентности межатомных связей:

, (2)

где i, j - индексы атомов соответственно замещения и внедрения; Х_эi, Х_эj - мольная доля соответственно i-го и j-го компонентов стали; , - экспериментальные зависимости, учитывающие влияние содержания соответственно i-го и j-го элементов на величину ударной вязкости; - температурная зависимость линейного коэффициента термического расширения i-го элемента; - значение линейного коэффициента термического расширения i-го элемента при +20 С.

Коэффициенты k_KCU, а в уравнении (1) отражают суммарный вклад нано-, микро-, мезо- и макроуровней металла в формировании ударной вязкости и определяются методом регрессионного анализа на основе экспериментальных данных. Для сталей 10Г2СД, 14ХГС, 18ХГТ, 20ХНР, 20ХГР, 20ХГНР, 20ХН3А, 35ХГСА, 30ХН3А, 30ХН2МФА, 33ХС, 34ХН3М, 35ХНЛ, 36Х2Н2МФА, 38ХН3МФА, 38ХГН, 50Г, 40ХЛ, 40ХН, 40ХН2МА, 36Х2Н2МФА, 45 значения коэффициентов k_KCU, а приведены в табл. 1.

Таблица 1

Значение коэффициентов k_KCU, а при различных температурах

Для получения обобщенной температурной зависимости ударной вязкости рассмотренных сталей в интервале температур от +20С до -60С использован метод многомерного регрессионного анализа.

Результаты исследований и их обсуждение

Обобщение экспериментальных данных по ударной вязкости при +20 С, -40 С и -60 С [9] для рассмотренных сталей после улучшения на сорбит методом многомерного регрессионного анализа дает уравнение:

, (3)

где KCU в Дж/см², T в ^оС.

График зависимости (3) приведен на рис. 1.

Рис. 1 Обобщенная зависимость ударной вязкости улучшенных низколегированных сталей от температуры при +20 С, -40 С и -60 С

Коэффициент корреляции Пирсона для зависимости (3) составляет и значительно превышает соответствующее критическое значение при уровне значимости 0,001, что определяет адекватность уравнения (3).

В уравнении (3) приведенное обобщенное отношение степеней металличности и ковалентности межатомных связей может иметь одно и тоже значение при различном сочетании легирующих элементов и примесей, в том числе, в пределах регламентированного химического состава конкретной марки стали. В связи с чем уравнение (3) может найти применение при проведении коррекции химического состава стали на стадии выплавки (или получении сварного шва) для обеспечения требуемого и стабильного уровня ударной вязкости в производимых металлоконструкциях.

Выводы

1. Получена обобщенная температурная зависимость ударной вязкости низколегированных сталей со структурой сорбита отпуска для температур +20 С, -40 С и -60 С.

2. Полученная зависимость может быть использована при проведении коррекции химического состава стали на стадии выплавки (или получении сварного шва) для обеспечения требуемого уровня ударной вязкости в производимых из данной стали изделиях.

Список литературы

1. Шахпазов Е.Х., Зайцев А.И., Родионов И.Г. Современные проблемы металлургии и материаловедения стали // Металлург. 2009. №4. С. 25-31.

2. Гольдштейн М.И.,. Грачев С.В,. Векслер Ю.Г Специальные стали. М.: МИСИС, 1999. 408 с.

3. Ключевые направления развития металлургической технологии по обеспечению растущих требований к качеству стали / Е.Х. Шахпазов, А.И. Зайцев, И.Г. Родионов, Г.В. Семернин // Электрометаллургия. 2011. № 2. С. 2-12.

4. Панин В.Е., Панин А.В. Фундаментальная роль наномасштабного структурного уровня пластической деформации твердых тел // Металловедение и термическая обработка материалов. 2006. №12(618). С. 5-10.

5. Панин В.Е., Егорушкин В.Е., Панин А.В. Физическая мезомеханика деформируемого твердого тела как многоуровневой системы. 1. Физические основы многоуровневого подхода // Физическая мезомеханика. 2006. №3. С. 9-22.

6. Панин В.Е., Егорушкин В.Е. Физическая мезомеханика и неравновесная термодинамика как методологическая основа наноматериаловедения // Физическая мезомеханика. 2009. №4. С. 7-26.

7. Хладостойкость материалов и элементов конструкций: Результаты и перспективы / В.П. Ларионов, В.П. Кузьмин, О.И. Слепцов и др. Новосибирск: Наука, 2005. 290 с.

8. Протопопов Е.А. Оценка ударной вязкости низколегированных сталей // Заготовительные производства в машиностроении. 2010. №10. С. 35-38.

9. Марочник сталей и сплавов / М.М. Колосков, Е.Г. Долбенко, Ю.В. Каширский и др.; под общ. ред. А.С. Зубченко. М.: Машиностроение, 2001. 672 с.

Размещено на Allbest.ru