Влияние геометрии образцов на характеристики прочности и пластичности сталей при глубоком охлаждении
Приведены результаты исследования деформативности и прочности конических и трубчатых образцов из сталей 03Х20Н16АГ6 и 12Х18Н10Т при одноосном растяжении в интервале температур 293...4,2 К. Показано, что деформационная способность указанных сталей зависит от геометрии испытуемых объектов, причем х...
Saved in:
| Published in: | Проблемы прочности |
|---|---|
| Date: | 2002 |
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
2002
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46886 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Влияние геометрии образцов на характеристики прочности и пластичности сталей при глубоком охлаждении / Е.В. Воробьев // Проблемы прочности. — 2002. — № 5. — С. 39-44. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-46886 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Воробьев, Е.В. 2013-07-07T17:52:09Z 2013-07-07T17:52:09Z 2002 Влияние геометрии образцов на характеристики прочности и пластичности сталей при глубоком охлаждении / Е.В. Воробьев // Проблемы прочности. — 2002. — № 5. — С. 39-44. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 0556-171X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46886 539.43 Приведены результаты исследования деформативности и прочности конических и трубчатых образцов из сталей 03Х20Н16АГ6 и 12Х18Н10Т при одноосном растяжении в интервале температур 293...4,2 К. Показано, что деформационная способность указанных сталей зависит от геометрии испытуемых объектов, причем характер зависимости определяется уровнем температуры испытаний и классом стали. При температуре 4,2 К в связи с качественным изменением механизмов деформирования влияние конструктивных факторов также существенно изменяется. Наблюдается резкое снижение показателей пластичности для обоих видов образцов и значительное упрочнение тонкостенных трубчатых образцов из стали 03Х20Н16АГ6. Наведено результати дослідження деформативності й міцності конічних та трубчастих зразків зі сталей 03Х20Н16АГ6 і 12Х18Н10Т при одновісному розтязі в інтервалі температур 293...4,2 К. Показано, що деформаційна здатність цих сталей залежить від геометрії випробуваних об’єктів, причому характер залежності визначається рівнем температури та класом сталі. За температури 4,2 К у зв’язку з якісною зміною механізмів деформування вплив конструктивних чинників також суттєво змінюється. Спостерігається різке зниження показників пластичності для обох видів зразків і значне зміцнення тонкостінних трубчастих зразків зі сталі 03Х20Н16АГ6. Deformation and strength of conical and tube specimens from 03Kh20N16AG6 and 12Kh18N10T steels have been studied in uniaxial tension over a temperature range from 293 to 4.2 K. The above steels deformability is shown to be dependent on test object geometries, a character of this dependence conditioned by a test temperature and steel grade. At a temperature of 4.2 K, due to qualitative change in deformation mechanisms the effect of design features is also significantly varied. An indicated temperature of 4.2 K leads to a sharp decrease in plasticity indices of both tube and conical specimens and a considerable hardening of thin-walled tubular specimens from a 03Kh20N16AG6 steel. ru Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України Проблемы прочности Научно-технический раздел Влияние геометрии образцов на характеристики прочности и пластичности сталей при глубоком охлаждении Effect of Specimen Geometries on Strength and Plasticity Characteristics of Certain Alloys under Deep Cooling Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Влияние геометрии образцов на характеристики прочности и пластичности сталей при глубоком охлаждении |
| spellingShingle |
Влияние геометрии образцов на характеристики прочности и пластичности сталей при глубоком охлаждении Воробьев, Е.В. Научно-технический раздел |
| title_short |
Влияние геометрии образцов на характеристики прочности и пластичности сталей при глубоком охлаждении |
| title_full |
Влияние геометрии образцов на характеристики прочности и пластичности сталей при глубоком охлаждении |
| title_fullStr |
Влияние геометрии образцов на характеристики прочности и пластичности сталей при глубоком охлаждении |
| title_full_unstemmed |
Влияние геометрии образцов на характеристики прочности и пластичности сталей при глубоком охлаждении |
| title_sort |
влияние геометрии образцов на характеристики прочности и пластичности сталей при глубоком охлаждении |
| author |
Воробьев, Е.В. |
| author_facet |
Воробьев, Е.В. |
| topic |
Научно-технический раздел |
| topic_facet |
Научно-технический раздел |
| publishDate |
2002 |
| language |
Russian |
| container_title |
Проблемы прочности |
| publisher |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Effect of Specimen Geometries on Strength and Plasticity Characteristics of Certain Alloys under Deep Cooling |
| description |
Приведены результаты исследования деформативности и прочности конических и трубчатых
образцов из сталей 03Х20Н16АГ6 и 12Х18Н10Т при одноосном растяжении в интервале
температур 293...4,2 К. Показано, что деформационная способность указанных сталей
зависит от геометрии испытуемых объектов, причем характер зависимости определяется
уровнем температуры испытаний и классом стали. При температуре 4,2 К в связи с
качественным изменением механизмов деформирования влияние конструктивных факторов
также существенно изменяется. Наблюдается резкое снижение показателей пластичности
для обоих видов образцов и значительное упрочнение тонкостенных трубчатых образцов из
стали 03Х20Н16АГ6.
Наведено результати дослідження деформативності й міцності конічних та
трубчастих зразків зі сталей 03Х20Н16АГ6 і 12Х18Н10Т при одновісному
розтязі в інтервалі температур 293...4,2 К. Показано, що деформаційна
здатність цих сталей залежить від геометрії випробуваних об’єктів, причому
характер залежності визначається рівнем температури та класом сталі.
За температури 4,2 К у зв’язку з якісною зміною механізмів деформування
вплив конструктивних чинників також суттєво змінюється. Спостерігається
різке зниження показників пластичності для обох видів зразків і значне
зміцнення тонкостінних трубчастих зразків зі сталі 03Х20Н16АГ6.
Deformation and strength of conical and tube
specimens from 03Kh20N16AG6 and
12Kh18N10T steels have been studied in uniaxial
tension over a temperature range from 293
to 4.2 K. The above steels deformability is
shown to be dependent on test object geometries,
a character of this dependence conditioned
by a test temperature and steel grade. At
a temperature of 4.2 K, due to qualitative
change in deformation mechanisms the effect
of design features is also significantly varied.
An indicated temperature of 4.2 K leads to a
sharp decrease in plasticity indices of both tube
and conical specimens and a considerable hardening
of thin-walled tubular specimens from a
03Kh20N16AG6 steel.
|
| issn |
0556-171X |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46886 |
| citation_txt |
Влияние геометрии образцов на характеристики прочности и пластичности сталей при глубоком охлаждении / Е.В. Воробьев // Проблемы прочности. — 2002. — № 5. — С. 39-44. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT vorobʹevev vliâniegeometriiobrazcovnaharakteristikipročnostiiplastičnostistaleipriglubokomohlaždenii AT vorobʹevev effectofspecimengeometriesonstrengthandplasticitycharacteristicsofcertainalloysunderdeepcooling |
| first_indexed |
2025-11-25T22:31:26Z |
| last_indexed |
2025-11-25T22:31:26Z |
| _version_ |
1850565107339231232 |
| fulltext |
УДК 539.43
Влияние геометрии образцов на характеристики прочности и
пластичности сталей при глубоком охлаждении
Е. В. Воробьев
Институт проблем прочности НАН Украины, Киев, Украина
Приведены результаты исследования деформативности и прочности конических и труб
чатых образцов из сталей 03Х20Н16АГ6 и 12Х18Н10Т при одноосном растяжении в интер
вале температур 293...4,2 К. Показано, что деформационная способность указанных сталей
зависит от геометрии испытуемых объектов, причем характер зависимости определяется
уровнем температуры испытаний и классом стали. При температуре 4,2 К в связи с
качественным изменением механизмов деформирования влияние конструктивных факторов
также существенно изменяется. Наблюдается резкое снижение показателей пластичности
для обоих видов образцов и значительное упрочнение тонкостенных трубчатых образцов из
стали 03Х20Н16АГ6.
К лю чевы е слова : прерывистая текучесть, скачок деформации, удлинение,
деформационная способность, конусность, масштабный фактор, упрочнение.
Как известно, при охлаждении металлических материалов до темпера
туры 20 К и ниже происходит качественное изменение механизмов дефор
мирования - переход от однородного накопления деформации к дискрет
ному локализованному и неизотермическому вследствие проявления эффек
та низкотемпературной прерывистой текучести [1-3]. В этом случае механи
ческие характеристики материалов, определяемые при испытаниях стан
дартных образцов*, могут быть недостаточно адекватны прочностным и
деформационным свойствам деталей даже простой формы (например, стерж
невые осесимметричные элементы).
В настоящем сообщении представлены новые результаты исследования
влияния некоторых конструктивных особенностей образцов на указанные
свойства, а также на параметры прерывистой текучести применительно к
сплавам криогенной техники.
М атериалы и методики. Объектом экспериментального исследования
служили типичные материалы криогенного назначения - аустенитные стали
03Х20Н16АГ6 и 12Х18Н10Т. Исходные данные получены на стандартных
пятикратных образцах с диаметром рабочей части 3 мм. Испытаниям под
вергали образцы, отличающиеся наличием малой конусности (далее - кони
ческие) с углом а образующей относительно продольной оси 2, равным 1°.
Наибольший диаметр и длина рабочей части образцов составляли
соответственно 3 и 15 мм. Также испытывали трубчатые образцы с внеш
ним диаметром рабочего участка 3; 5,5 и 6 мм и отношением толщины
стенки к наружному диаметру 0,09...0,5. При этом отклонение величин
площади их поперечного сечения от исходной не превышало 40%, что
практически исключало влияние масштабного фактора.
* Образец для испытаний на растяжение можно рассматривать как простейший конструк
ционный элемент, характеристики предельных состояний которого отождествляются с харак
теристиками прочности и пластичности материала.
© Е. В. ВОРОБЬЕВ, 2002
ТХОТ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, N 5 39
Е. В. Воробьев
Испытания на одноосное растяжение проводили на установке УМН-10
[3] при температуре 293, 77 и 4,2 К соответственно на воздухе, в среде
жидкого азота и жидкого гелия. Скорость деформирования составляла_3 _1
1,6-10 с , жесткость системы образец-машина - 12 МН/м.
Результаты и их обсуждение. Испытания показали, что диаграммы
растяжения образцов различных видов из стали 03Х20Н16АГ6 качественно
не отличаются. Для стали 12Х18Н10Т характерны следующие особенности:
при температуре выше 20 К имеют место зуб и площадка текучести, которая
у конических образцов преобразуется в длинную наклонную прямую. В
условиях глубокого охлаждения площадка текучести становится зубчатой с
равной амплитудой скачков, для конических образцов этот участок наклон
ный, причем относительная длина его на 80% больше, чем у цилиндри
ческих. Отметим, что подобный вид имеют диаграммы растяжения цилинд
рических образцов, предварительно подвергнутых деформированию круче
нием. Указанные отличия могут быть связаны с мартенситными превраще
ниями этой стали.
По результатам испытаний проводилось сопоставление характеристик
прочности и деформативности стандартных и нестандартных образцов. По
скольку напряженное состояние последних в процессе нагружения также
оставалось линейным или близким к нему, определяли параметры, формаль
но соответствующие стандартным пределам текучести (только на трубчатых
образцах), прочности и относительному удлинению.
Пределы прочности конических образцов не отличаются от исходных
значений, а условное относительное удлинение после разрыва д' = Д //Ь (Д/
- удлинение; Ь - длина рабочей части образца) с понижением температуры
для стали 03Х20Н16АГ6 уменьшается, а для стали 12Х18Н10Т немонотонно
увеличивается (рис. 1,а), что примерно соответствует температурной зави
симости относительного удлинения д исходных образцов. При этом д' < д,
отношение д '/д для стали 03Х20Н16АГ6 уменьшается, а для стали
12Х18Н10Т увеличивается.
Напряженно-деформированное состояние конических образцов при рас
тяжении является неоднородным по длине, и величина напряжения в сече
нии, отстоящем от наименьшего на расстоянии /, составляет
(1)
где а 0 и г0 - соответственно напряжение и радиус в наименьшем сечении.
Степень неоднородности напряженного состояния по длине характе-
1 ёа
ризуется относительным градиентом напряжений п а = -------[4], который с
а а/
учетом (1) описывается зависимостью
Ча = _ 2 t g а /(Г 0 + 2/ tg а ).
40 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 5
Влияние геометрии образцов на характеристики прочности
S’/S ё',%
35
25
15
a
Рис. 1. Температурные зависимости удлинения конических образцов из сталей 03Х20Н16АГ6
(1, 2) и 12Х18Н10Т (3, 4) в оценках д'/д (1, 3) и 6' (2, 4) - а, а также экспериментальные (5) и
расчетные (6) зависимости удлинения конических образцов из стали 03Х20Н16АГ6 до
момента образования шейки - б.
Средняя величина этой характеристики для используемых образцов
_2 _1
весьма мала, ^ о = —2,4-10 мм .
Для теоретической оценки удлинения конического стержня примем
следующие допущения: пластическое течение, как и последующее разру
шение, начинается в наименьшем сечении; его началу соответствует предел
текучести о т , началу образования шейки - истинное напряжение о ь , со
ответствующее пределу прочности материала о в; до появления шейки со
храняется распределение напряжений (1); упрочнение материала описыва
ется уравнением Людвика
о 2 = а е !!, (2)
где £ z - деформация; a, n - постоянные.
Тогда расчетную величину удлинения до образования шейки Д/р =
= f є z dl можно представить в виде' Z
0
ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2002, № 5 41
Е. В. Воробьев
Д/р = / (а г /а )1/пМ. (3)
Поскольку при аппроксимации диаграммы растяжения степенной зави
симостью (2) максимальная истинная деформация £ ъ на момент потери
устойчивости процесса пластического деформирования, когда нагрузка Р
максимальна и dP = 0, достигает величины п [5], с использованием уравне
ния (1) при а о = а ь из (3) получаем расчетную величину относительного
удлинения:
1 п[(1+ кЬ) 1—уп — 1]
д' = -------------- ------------- (4)
др Ь к ( 1 - 1/ п ) ' (4)
о
Здесь к = 2 t g а / г0 и проведена замена ( а ъ/ а )1/п = п, что следует из (2) при
а г = а ь и £ 2 = £ ь = п
Заметим, что деформируемый участок длиной Ьр, на котором а 2 (0) =
= а ь и а 2(Ьр) = а т , может быть меньше (теоретически - больше) реаль
ной конечной длины рабочего участка образца Ьк = Ь + Д1. С помощью
указанных граничных условий из (1) получим Ьр = (а ь1 а т — 1)/к.
Как видно из формулы (4), удлинение др существенно зависит как от
показателя упрочнения, так и (в отличие от цилиндрических образцов) от
размеров, а именно: радиуса начального сечения и длины рабочей части. В
предельных случаях, когда Го ^ 0 или Ь ^ м , получаем др ^ 0, при Го
или Ь ^ 0 - др ^ п . При t g а ^ м имеем др ^ 0, при а ^ 0 получаем
цилиндрический образец, и др = £ ь = п. Таким образом, влияние размеров
вызывает изменение др от 0 до п. При отсутствии упрочнения, когда п ^ 0,
из (4) получим др ^ 0.
Среди исследуемых материалов степенная зависимость (2) достаточно
точно описывает диаграмму деформирования лишь стабильно аустенитной
стали 03Х20Н16АГ6, которая, в отличие от стали 12Х18Н10Т, характе
ризуется протяженным участком упрочнения без площадки текучести. По
этому проверка применимости зависимости (4) путем сравнения расчетных
др и экспериментальных д'е значений удлинения при различных темпе
ратурах проведена для образцов из этой стали (рис. 1,б). Здесь величины д 'е,
как и др, соответствуют удлинению лишь до начала образования шейки.
Значения п получены из диаграмм деформирования цилиндрических
образцов: п = £ ь . Расхождение между температурными зависимостями 1 и 2
(рис. 1,б) сравнительно невелико при температурах 293 и 77 К, однако при
4,2 К оно достигает 40%. Это объясняется тем, что показатель упрочнения п
не является постоянным - он несколько отличается на начальном и последу
ющем участках кривой растяжения [5]. Для стали 03Х20Н16АГ6 изменение
величины п имеет место при деформации около 7% [6]. Однако при
температуре менее 20 К, когда деформация становится скачкообразной,
положенная в основу (4) зависимость (2) - довольно грубое приближение и
может использоваться лишь условно. А именно: адекватность этой модели
процесса деформирования может быть частично восстановлена путем заме
42 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 5
Влияние геометрии образцов на характеристики прочности
ны пилообразной диаграммы огибающей кривой. Тогда из уравнения (4)
можно сделать правильные качественные и приемлемые в первом приближе
нии количественные выводы.
Остановимся на особенностях деформирования конических образцов
при температуре жидкого гелия. Снижение удлинения образцов из стали
03Х20Н16АГ6 при охлаждении до 4,2 К сопровождается уменьшением
числа скачков деформации N '/ N (по отношению к стандартным образцам),
которое составляет 0,54. В то же время для стали 12Х18Н10Т этот показа
тель существенно выше (0,73). Корреляция между удлинением и числом
скачков во всех случаях является очевидным следствием реализации меха
низма скачкообразного накопления деформации. В отличие от цилиндри
ческих образцов, образующаяся при каждом скачке деформации шейка
располагается не хаотично, а непосредственно за предыдущей, последо
вательно охватывая всю рабочую часть. Такое развитие локализованной
деформации приводит к интенсивному увеличению амплитуды скачков на
грузки и деформаций и более крутому подъему огибающей пиков диа
граммы деформирования.
Испытания трубчатых образцов показали, что снижение их деформа-
тивности в оценке д'т/д (д'т - условное относительное удлинение труб
чатого образца) наблюдается при всех температурах испытаний и тем боль
шее, чем меньше отношение толщины стенки к радиусу образца (рис. 2), что
в условиях прерывистой текучести сопровождается соответствующим
уменьшением числа скачков деформации. Для стали 12Х18Н10Т зависи
мости д'т / д от Д/Я качественно подобны, но при охлаждении ее пластич
ность значительно увеличивается.
Если для стали 12Х18Н10Т наблюдается лишь небольшое изменение
пределов текучести, то для стали 03Х20Н16АГ6 с уменьшением толщины
стенки образца и с понижением температуры имеет место весьма сущест
венное упрочнение - разность условных пределов текучести, полученных на
трубчатых (0 0̂2) и сплошных (о 02) образцах, достигает 440 МПа (рис. 2).
При этом пределы прочности практически не отличаются.
О 0,2 0,4 0,6 0,8 А /К
Рис. 2. Зависимости характеристик пластичности (светлые точки) и упрочнения (темные
точки) трубчатых образцов из стали 03Х20Н16АГ6 от толщины стенки при темпера
туре 293 (/), 77 (2) и 4,2 К (3).
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 5 43
Е. В. Воробьев
Таким образом, деформационная и несущая способность даже простых
осесимметричных стержневых элементов в условиях линейного напряжен
ного состояния существенно зависит от конструктивных факторов, причем
при криогенных температурах с переходом к скачкообразному деформи
рованию такая зависимость усиливается. При охлаждении до 4,2 К на
блюдается резкое снижение пластичности исследуемых конструкционных
элементов и значительное упрочнение тонкостенных образцов из стали
03Х20Н16АГ6. Получено аналитическое выражение, адекватно отражающее
деформационную способность конического стержня в зависимости от гео
метрических факторов и показателя деформационного упрочнения матери
ала.
Р е з ю м е
Наведено результати дослідження деформативності й міцності конічних та
трубчастих зразків зі сталей 03Х20Н16АГ6 і 12Х18Н10Т при одновісному
розтязі в інтервалі температур 293...4,2 К. Показано, що деформаційна
здатність цих сталей залежить від геометрії випробуваних об’єктів, при
чому характер залежності визначається рівнем температури та класом сталі.
За температури 4,2 К у зв’язку з якісною зміною механізмів деформування
вплив конструктивних чинників також суттєво змінюється. Спостерігається
різке зниження показників пластичності для обох видів зразків і значне
зміцнення тонкостінних трубчастих зразків зі сталі 03Х20Н16АГ6.
1. Старцев В. И., Ильичев В. Я., Пустовалов В. В. Пластичность и проч
ность металлов при низких температурах. - М.: Металлургия, 1975. -
328 с.
2. Воробьев Е. В., Стриж ало В. А. Развитие низкотемпературной скачко
образной деформации металлов и возможности ее устранения // Пробл.
прочности. - 1999. - № 1. - С. 41 - 52.
3. Стриж ало В. А., Новогрудский Л. С., Воробьев Е. В. Прочность сплавов
криогенной техники при электромагнитных воздействиях. - Киев: Наук.
думка, 1990. - 180 с.
4. Трощенко В. Т. Усталость и неупругость металлов. - Киев: Наук. думка,
1971. - 267 с.
5. M cClintock F. F. and Argon A. S. Mechanical Behavior of Materials. -
Addison-Wesley Publishing Company, 1966. - P. 443.
6. Новиков H. В , Городыский H. И. Деформационное упрочнение хромо
никелевых и хромомарганцевых сталей при низких температурах //
Пробл. прочности. - 1979. - № 7. - С. 48 - 52.
Поступила 06. 06. 2001
44 ISSN 0556-171X. Проблемыг прочности, 2002, № 5
|