Оцінювання впливу водню на механічні характеристики сталі 40Х
Запропоновано теоретико-експериментальний підхід для кількісної оцінки впливу водню на механічні властивості сталі 40Х. Експериментально визначено характеристики міцності та пластичності і побудовано аналітичні залежності границі текучості, істинних напружень та відносного звуження сталі 40Х від кон...
Gespeichert in:
| Datum: | 2014 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainian |
| Veröffentlicht: |
Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України
2014
|
| Schriftenreihe: | Фізико-хімічна механіка матеріалів |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/135877 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Оцінювання впливу водню на механічні характеристики сталі 40Х / Я.Л. Іваницький, О.В. Гембара, С.Т. Штаюра, П.С. Кунь, Р.Б. Костів // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2014. — Т. 50, № 5. — С. 111-115. — Бібліогр.: 4 назв. — укp. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-135877 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1358772025-02-09T17:59:03Z Оцінювання впливу водню на механічні характеристики сталі 40Х Оценка влияния водорода на механические характеристики стали 40Х Evaluation of hydrogen influence on mechanical properties of 40X steel Іваницький, Я.Л. Гембара, О.В. Штаюра, С.Т. Кунь, П.С. Костів, Р.Б. Запропоновано теоретико-експериментальний підхід для кількісної оцінки впливу водню на механічні властивості сталі 40Х. Експериментально визначено характеристики міцності та пластичності і побудовано аналітичні залежності границі текучості, істинних напружень та відносного звуження сталі 40Х від концентрації в ній водню. Предложен теоретико-экспериментальный подход для количественной оценки влияния водорода на механические свойства стали 40Х. Экспериментально установлены характеристики прочности и пластичности, а также построены аналитические зависимости предела текучести, истинных напряжений и относительного сужения стали 40Х от концентрации в ней водорода. The theoretical and experimental approach to evaluation of the influence of hydrogen on the mechanical properties of steels was proposed. Characteristics of strength and plasticity were experimentally established. Analytical dependences of yield stress, true fracture stresses and relative narrowing of 40X steel on the concentration of hydrogen in the metal were built. 2014 Article Оцінювання впливу водню на механічні характеристики сталі 40Х / Я.Л. Іваницький, О.В. Гембара, С.Т. Штаюра, П.С. Кунь, Р.Б. Костів // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2014. — Т. 50, № 5. — С. 111-115. — Бібліогр.: 4 назв. — укp. 0430-6252 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/135877 620.197.5: 669.788 uk Фізико-хімічна механіка матеріалів application/pdf Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Ukrainian |
| description |
Запропоновано теоретико-експериментальний підхід для кількісної оцінки впливу водню на механічні властивості сталі 40Х. Експериментально визначено характеристики міцності та пластичності і побудовано аналітичні залежності границі текучості, істинних напружень та відносного звуження сталі 40Х від концентрації в ній водню. |
| format |
Article |
| author |
Іваницький, Я.Л. Гембара, О.В. Штаюра, С.Т. Кунь, П.С. Костів, Р.Б. |
| spellingShingle |
Іваницький, Я.Л. Гембара, О.В. Штаюра, С.Т. Кунь, П.С. Костів, Р.Б. Оцінювання впливу водню на механічні характеристики сталі 40Х Фізико-хімічна механіка матеріалів |
| author_facet |
Іваницький, Я.Л. Гембара, О.В. Штаюра, С.Т. Кунь, П.С. Костів, Р.Б. |
| author_sort |
Іваницький, Я.Л. |
| title |
Оцінювання впливу водню на механічні характеристики сталі 40Х |
| title_short |
Оцінювання впливу водню на механічні характеристики сталі 40Х |
| title_full |
Оцінювання впливу водню на механічні характеристики сталі 40Х |
| title_fullStr |
Оцінювання впливу водню на механічні характеристики сталі 40Х |
| title_full_unstemmed |
Оцінювання впливу водню на механічні характеристики сталі 40Х |
| title_sort |
оцінювання впливу водню на механічні характеристики сталі 40х |
| publisher |
Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України |
| publishDate |
2014 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/135877 |
| citation_txt |
Оцінювання впливу водню на механічні характеристики сталі 40Х / Я.Л. Іваницький, О.В. Гембара, С.Т. Штаюра, П.С. Кунь, Р.Б. Костів // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2014. — Т. 50, № 5. — С. 111-115. — Бібліогр.: 4 назв. — укp. |
| series |
Фізико-хімічна механіка матеріалів |
| work_keys_str_mv |
AT ívanicʹkijâl ocínûvannâvplivuvodnûnamehaníčníharakteristikistalí40h AT gembaraov ocínûvannâvplivuvodnûnamehaníčníharakteristikistalí40h AT štaûrast ocínûvannâvplivuvodnûnamehaníčníharakteristikistalí40h AT kunʹps ocínûvannâvplivuvodnûnamehaníčníharakteristikistalí40h AT kostívrb ocínûvannâvplivuvodnûnamehaníčníharakteristikistalí40h AT ívanicʹkijâl ocenkavliâniâvodorodanamehaničeskieharakteristikistali40h AT gembaraov ocenkavliâniâvodorodanamehaničeskieharakteristikistali40h AT štaûrast ocenkavliâniâvodorodanamehaničeskieharakteristikistali40h AT kunʹps ocenkavliâniâvodorodanamehaničeskieharakteristikistali40h AT kostívrb ocenkavliâniâvodorodanamehaničeskieharakteristikistali40h AT ívanicʹkijâl evaluationofhydrogeninfluenceonmechanicalpropertiesof40xsteel AT gembaraov evaluationofhydrogeninfluenceonmechanicalpropertiesof40xsteel AT štaûrast evaluationofhydrogeninfluenceonmechanicalpropertiesof40xsteel AT kunʹps evaluationofhydrogeninfluenceonmechanicalpropertiesof40xsteel AT kostívrb evaluationofhydrogeninfluenceonmechanicalpropertiesof40xsteel |
| first_indexed |
2025-11-29T05:13:30Z |
| last_indexed |
2025-11-29T05:13:30Z |
| _version_ |
1850100383388532736 |
| fulltext |
111
Ô³çèêî-õ³ì³÷íà ìåõàí³êà ìàòåð³àë³â. – 2014. – ¹ 5. – Physicochemical Mechanics of Materials
УДК 620.197.5: 669.788
ОЦІНЮВАННЯ ВПЛИВУ ВОДНЮ
НА МЕХАНІЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТАЛІ 40Х
Я. Л. ІВАНИЦЬКИЙ, О. В. ГЕМБАРА, С. Т. ШТАЮРА,
П. С. КУНЬ, Р. Б. КОСТІВ
Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка НАН України, Львів
Запропоновано теоретико-експериментальний підхід для кількісної оцінки впливу
водню на механічні властивості сталі 40Х. Експериментально визначено характерис-
тики міцності та пластичності і побудовано аналітичні залежності границі текучості,
істинних напружень та відносного звуження сталі 40Х від концентрації в ній водню.
Ключові слова: механічні характеристики, концентрація водню.
Відомо, що водень, діючи на метал, змінює його фізико-механічні характе-
ристики [1]. У зв’язку з цим розроблено методику для визначення впливу водню
на фізико-механічні властивості матеріалу за його деформування. Методика базу-
ється на силовій схемі розтягу циліндричного зразка [2] у камері високого тиску.
Матеріали та методика випробувань. Для визначення механічних характе-
ристик сталі 40Х використовували гладкі зразки круглого перерізу типу IV
(згідно з ГОСТ 1497-84) з номінальним діаметром у робочій частині d0 = 10 mm,
завдовжки 100 mm та різьбовою захватною частиною. Зразки виготовляли із
прутка сталі 40Х в стані постачання, враховуючи вимоги стандарту щодо місця
вирізки із заготовки, режимів різання і охолодження.
Випробовували на міцність на універсальній розривній машині FP-100/1 за
статичного розтягу. Характеристики міцності (0,2, В) та пластичності (, )
сталі визначали за таких умов: температура 20С, вологість 50…60%, атмосфер-
ний тиск 0,1 MPa, швидкість навантаження зразків 1,66710–5 m/s (незмінна під
час випробувань усіх партій зразків). Згідно з ГОСТ 1497-84, механічні характе-
ристики визначали під час випробувань трьох зразків.
Зразки навантажували до руйнування з одночасним записом діаграм “наван-
таження P–видовження l” та “навантаження P–звуження d” і фіксували за до-
помогою розробленої системи вимірювання. Після руйнування зразка вимірюва-
ли видовження lс та діаметр шийки dс, і результати використали для розрахунків
механічних характеристик [2].
Щоб оцінити вплив газоподібного водню на опірність досліджуваної сталі
водневій деградації, виконали експериментальні дослідження ненаводнених зраз-
ків у стані постачання на повітрі та наводнених у спеціальних випробувальних
камерах із заданими параметрами середовища. Наводнювали зразки у камері за
температури 400С і тисків 0,1; 0,9; 10 МРа упродовж 4 h. Після цього їх випро-
бовували у наповненій воднем камері і руйнували за вищенаведених тисків. Під
час випробувань записували діаграми “зусилля розтягу–видовження” в пам’ять
персонального комп’ютера з використанням аналого-цифрового перетворювача.
Визначення концентрації водню в досліджуваній сталі. Щоб встановити
залежність механічних характеристик від кількості водню, розробили методику,
Контактна особа: П. С. КУНЬ, e-mail: kun@ipm.lviv.ua
112
за якою у фрагменті розірваного наводненого зразка, випробуваного за тисків
0,1; 0,9; 10 МPа зі сторони поверхні зламу визначали концентрацію водню.
Вирізаний фрагмент зразка розміром 23 mm помістили у рідкий азот. Кон-
центрацію водню у ньому з боку поверхні зламу визначали методом вакуумної
екстракції [3] за діапазону вимірювання 10–5…10–2 mass.%, точність 3%. Екс-
тракцію газу з металу виконували імпульсним нагрівом до температури 2500C.
Результати аналізу (табл. 1, чисельник) виводили на цифровий вольтметр. У зна-
меннику подані для порівняння теоретичні результати, обчислені згідно з зако-
ном Сівертса.
Таблиця 1. Концентрація водню у зразках зі сталі 40Х
Тиск, МPа Маса фрагмента зразка, kg Вміст Н2, ppm
0,1 1,185410–3 4,5 / 3,5
0,9 1,179210–3 11 / 10,6
10 1,373610–3 32 / 35
Як бачимо (табл. 1), зі збільшенням тиску водню у камері до 10 МPа за роз-
риву циліндричних зразків зі сталі 40Х концентрація водню у фрагменті зразка з
боку поверхні зламу, де напруження максимальні, підвищується.
Результати випробувань. Визначені механічні характеристики сталі 40Х на
повітрі та у водні показані на гістограмі (рис. 1).
Рис. 1. Механічні характеристики сталі 40Х:
□ – на повітрі, ■ – у водні (10 МРа).
Fig. 1. Mechanical properties of 40X steel:
□ – in air, ■ – in hydrogen (10 MPa).
За результатами аналізу діаграм руйнування сталі 40Х, отриманих на повітрі
і у водні, встановлено, що характеристики міцності σ0,2, σВ за дії водню збільшу-
ються на 2…3%, а відносне звуження c та істинне напруження Sс зменшуються
на 8…10%. Це вказує на те, що вплив водню на фізико-механічні характеристики
матеріалу посилюється за високих напружень та деформацій, де матеріал
пластично здеформований.
Встановлення залежностей механічних характеристик від концентрації
водню. Для опису результатів експериментальних досліджень аналітичними за-
лежностями використали метод найменших квадратів [4]. На основі заданої сис-
теми n експериментальних точок ( , )i ix y необхідно побудувати аналітичну за-
лежність 1 2( ) ( , , ,..., )mY x F x a a a , для якої виконується умова найменших квад-
ратичних відхилень від величин iy при ix . Іншими словами, вимагається досяг-
нення мінімального значення функціонала
2
1 2
1
( , ,..., ) [ ( )]
n
m i i
i
a a a y Y x
, (1)
де aj – невідомі параметри, які разом із функцією F забезпечують задоволення
умови
113
2
1 2
1
( , ,..., ) min [ ( )]
n
m i i
i
a a a y Y x
, (2)
m – кількість задіяних параметрів у формулі для функції F.
Формальний запис функціонала можна подати в такому вигляді
2
1 2 1 2
1
( , ,..., ) [ ( , , ,..., )]
n
m i i m
i
a a a y F x a a a
. (3)
Тип функції F підбираємо на основі аналізу експериментальних результатів,
а значення довільно вибраних m параметрів знаходимо із розв’язку системи ал-
гебраїчних рівнянь
1 2
1
1 2
2
1 2
( , ,..., )
0 ,
( , ,..., )
0 ,
..................................
( , ,..., )
0 ,
m
m
m
m
a a a
a
a a a
a
a a a
a
(4)
де, згідно зі співвідношенням (3),
1 2 1 2
1 2
1
( , ,..., ) ( , , ,..., )
2 [ ( , , ,..., )]
n
m i m
i i m
j ji
a a a F x a a a
y F x a a a
a a
. (5)
Таким чином, у загальній постановці необхідно розв’язати таку систему m
алгебраїчних рівнянь стосовно параметрів aj (j = 1, 2,…, m)
1 2
1 2
11
1 2
1 2
21
( , , ,..., )
[ ( , , ,..., )] 0 ,
( , , ,..., )
[ ( , , ,..., )] 0 ,
...................................................................................
[ ( ,
n
i m
i i m
i
n
i m
i i m
i
i i
F x a a a
y F x a a a
a
F x a a a
y F x a a a
a
y F x
1 2
1 2
1
( , , ,..., )
, ,..., )] 0 .
n
i m
m
mi
F x a a a
a a a
a
(6)
Аналіз експериментальних результатів щодо впливу концентрації водню СН
на механічні характеристики такі, як умовна границя текучості 0,2, істинна гра-
ниця міцності Sс та відносне звуження руйнування c, вказує на те, що в діапа-
зоні досліджень залежності монотонні, без характерних інверсійних точок.
Для опису таких залежностей вибрали дробово-раціональну функцію із
трьома параметрами aj, тобто
2
1 2 1
3
( , , ,..., )m
a
F x a a a a
a x
, (7)
де a1, a2, a3 треба визначити з умов (6), в яких частинні похідні для вибраної
функції (7) відносно параметрів aj запишемо так:
114
1 2 3
1
1 2 3
2 3
1 2 3
2
3 3
( , , , )
1 ,
( , , , ) 1
,
( , , , ) 1
.
( )
i
i
i
i
i
F x a a a
a
F x a a a
a a x
F x a a a
a a x
(8)
Підставивши конкретні вирази (7) та (8) у систему рівнянь (6), приходимо до нелі-
нійної системи трьох алгебраїчних рівнянь для визначення параметрів aj (j = 1, 2, 3)
2
1
31
2
1
3 31
2
1 2
31 3
0 ,
1
0 ,
1
0 .
( )
n
i
ii
n
i
i ii
n
i
ii i
a
y a
a x
a
y a
a x a x
a
y a
a x a x
(9)
Приклад застосування методу. Для реалізації запропонованого методу ви-
користано експериментальні результати (табл. 2) досліджень впливу концентра-
ції водню на механічні характеристики сталі 40Х.
Таблиця 2. Вплив концентрації водню на механічні характеристики сталі 40Х
СН, ppm Механічні
характеристики 0 4,5 11 32
0,2, MPa 851 855 860 870
Sс, MPa 1578 1480 1420 1401
c 0,59 0,575 0,57 0,56
Для зручності подання аналітичної обробки цих експериментальних резуль-
татів перейдемо до відносних величин (табл. 3), приймаючи, що концентрація Н2
дорівнює нулю у ненаводнених зразках сталі 40Х.
Таблиця 3. Відносні механічні характеристики сталі 40Х
за різної концентрації водню
СН, ppm Відносні механічні
характеристики 0 4,5 11 32
0,2(CH) / 0,2 1 1,006 1,012 1,024
Sс(CH) / Sс 1 0,925 0,887 0,875
c(CH) / c 1 0,988 0,979 0,966
На підставі цього із запропонованої в рівнянні (7) функції отримали такі за-
лежності трьох відносних механічних характеристик від концентрації водню.
0,2 H 0,2
2
H 1
3 H
H
( ) /
( ) /
( ) /
i
c c i
i
c c
C
a
S C S a
a C
C
. (10)
115
Тут ii A ;
1
2
3
A
; а невідомі параметри подані у табл. 4.
Таблиця 4. Результати обчислень параметрів інтерполяційних формул
Характеристики матеріалу a1i a2i a3i i(a1, a2, a3)
0,2 1,0427 –1,0898 24,6784 0,0000005
Sс 0,8614 0,3858 1,7789 0,000026
c 0,9527 0,5616 10,9810 0,0000025
На рис. 2. показані результати трипараметричної інтерполяції експеримен-
тальних даних.
Рис. 2. Залежність відносних механічних
характеристик від концентрації водню:
суцільна крива – трипараметрична
залежність; точки – екпериментальні
результати; 1 – 0,2(CH)/0,2;
2 – c(CH)/c; 3 – Sс(CH)/Sс.
Fig. 2. Dependence of the relative mechanical
characteristics on hydrogen concentration:
solid curve – three-parameter dependence;
points – experimental data; 1 – 0.2(CH)/0.2;
2 – c(CH)/c; 3 – Sс(CH)/Sс.
ВИСНОВКИ
Встановлено характеристики міцності і пластичності сталі 40Х у стані поста-
чання на повітрі та у водні за фіксованих тисків 0,1; 0,9; 10 МРа. Для оцінювання
зміни механічних властивостей від рівня наводнювання сталі здійснили апрокси-
мацію експериментальних результатів. Запропонований підхід можна використо-
вувати під час дослідження опірності руйнуванню у водневому середовищі різних
класів низьколегованих конструкційних сталей у довільному діапазоні зміни тиску.
РЕЗЮМЕ. Предложен теоретико-экспериментальный подход для количественной
оценки влияния водорода на механические свойства стали 40Х. Экспериментально уста-
новлены характеристики прочности и пластичности, а также построены аналитические
зависимости предела текучести, истинных напряжений и относительного сужения стали
40Х от концентрации в ней водорода.
SUMMARY. The theoretical and experimental approach to evaluation of the influence of
hydrogen on the mechanical properties of steels was proposed. Characteristics of strength and plas-
ticity were experimentally established. Analytical dependences of yield stress, true fracture stresses
and relative narrowing of 40X steel on the concentration of hydrogen in the metal were built.
1. Андрейків О. Є., Гембара О. В. Механіка руйнування та довговічність металічних
матеріалів у водневмісних середовищах. – К.: Наук. думка, 2008. – 344 с.
2. ГОСТ 1497-84 (СТ СЭВ 471-77). Металлы. Методы испытаний на растяжение. – М.:
Изд. стандартов, 1985. – 40 с.
3. Вайнман А. Б., Мелехов Р. К., Смиян О. Д. Водородное охрупчивание элементов кот-
лов высокого давления. – К.: Наук. думка, 1990. – 272 с.
4. Лоусон Ч., Хенсон Р. Численное решение задач метода наименьших квадратов. – М.:
Наука, 1986. – 232 c.
Одержано 03.12.2013
|