Оцінка механічних властивостей та фазно-структурного стану корозійно-стійких сталей за статичного і малоциклового навантажень
Використання коефіцієнта стабільності аустеніту дозволяє кількісно оцінити фазно-структурний стан корозійно-стійких сталей за хімічним складом. Його розраховують на основі хромових та нікелевих еквівалентів. За допомогою коефіцієнта стабільності аустеніту отримано кореляцію між механічними власти...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Проблемы прочности |
|---|---|
| Дата: | 2007 |
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
2007
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/48105 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Оцінка механічних властивостей та фазно-структурного стану корозійно-стійких сталей за статичного і малоциклового навантажень / В.І. Витвицький, В.І. Ткачов, М.П. Бережницька, Р.В. Чепіль // Проблемы прочности. — 2007. — № 5. — С. 19-30. — Бібліогр.: 7 назв. — укр. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859479074303377408 |
|---|---|
| author | Витвицький, В.І. Ткачов, В.І. Бережницька, М.П. Чепіль, Р.В. |
| author_facet | Витвицький, В.І. Ткачов, В.І. Бережницька, М.П. Чепіль, Р.В. |
| citation_txt | Оцінка механічних властивостей та фазно-структурного стану корозійно-стійких сталей за статичного і малоциклового навантажень / В.І. Витвицький, В.І. Ткачов, М.П. Бережницька, Р.В. Чепіль // Проблемы прочности. — 2007. — № 5. — С. 19-30. — Бібліогр.: 7 назв. — укр. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Проблемы прочности |
| description | Використання коефіцієнта стабільності аустеніту дозволяє кількісно оцінити фазно-структурний
стан корозійно-стійких сталей за хімічним складом. Його розраховують на основі
хромових та нікелевих еквівалентів. За допомогою коефіцієнта стабільності аустеніту
отримано кореляцію між механічними властивостями сталей за статичного навантаження.
Запропоновано малоциклову довговічність визначати за хімічним складом та відносним
звуженням.
Использование коэффициента стабильности аустенита позволяет количественно
оценивать фазоструктурное состояние коррозионно-стойких сталей
по химическому составу. Коэффициент стабильности аустенита рассчитывают
на основании хромовых и никелевых эквивалентов. С помощью коэффициента
стабильности аустенита получена корреляция между механическими
свойствами при статическом нагружении. Предложено малоцикловую
долговечность определять по химическому составу и относительному сужению.
The use of an austenite stability factor allows a
quantitative assessment of phase-structural
state in corrosive-resistant steels by their chemical
composition. It is calculated from chromium
and nickel equivalents. Based on the
austenite stability factors, a correlation has
been established between mechanical properties
o f the steels under static loading. The
low-cycle fatigue life is proposed to be determined
from the chemical composition and
reduction of area.
|
| first_indexed | 2025-11-24T11:50:38Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 620.197.5
Оцінка механічних властивостей та фазно-структурного стану
корозійно-стійких сталей за статичного і малоциклового
навантажень
В. І. Витвицький, В. І. Ткачов, М. П. Бережницька, Р. В. Чепіль
Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка, Львів, Україна
Використання коефіцієнта стабільності аустеніту дозволяє кількісно оцінити фазно-струк
турний стан корозійно-стійких сталей за хімічним складом. Його розраховують на основі
хромових та нікелевих еквівалентів. За допомогою коефіцієнта стабільності аустеніту
отримано кореляцію між механічними властивостями сталей за статичного наванта
ження. Запропоновано малоциклову довговічність визначати за хімічним складом та віднос
ним звуженням.
К лю чові слова : корозійно-стійкі сталі, механічні властивості, малоциклова
довговічність, коефіцієнт стабільності аустеніту.
Вступ. Для розробки конструкційних матеріалів потрібно знати кіль
кісні співвідношення, які б пов’язували хімічний склад сплавів, структуру та
механічні властивості. їх визначення та застосування на практиці є одним з
актуальних і пріоритетних завдань матеріалознавства. Розробка нових мета
лічних матеріалів і технологічних процесів на даний час здійснюється
вартісними емпіричними методами. Використання існуючих кількісних за
лежностей обмежено вузькими діапазонами зміни хімічного складу, струк
тури та властивостей. Серед корозійно-стійких матеріалів таку кореляцію
встановлено лише для низькоміцних аустенітних сталей [1]. Запропоновано
також ряд рівнянь, які пов’язують показники статичного та малоциклового
навантажень [2, 3]. Хоча щодо їх застосування є певні застереження, оскіль
ки розбіжність між даними експерименту і розрахунку може бути значною
[3]. Окрім того, не вивчено питання про взаємозв’язок між статичними
механічними властивостями. Основним недоліком відомих підходів є відсут
ність будь-якого кількісного показника, який би враховував за хімічним
складом фазно-структурний стан матеріалів.
Мета досліджень - на прикладі корозійно-стійких хромистих і хромо
нікелевих сталей та сплавів різної міцності розробити кількісний показник
сукупності елементів хімічного складу, який би характеризував фазно-струк
турний стан матеріалу, і оцінити можливість його застосування для визна
чення зв’язку між характеристиками міцності і пластичності, а також між
властивостями за статичного і втомного малоциклового навантажень.
Методика та результати досліджень. Визначення фазно-структурного
показника. Основним чинником, що формує деформаційну поведінку та зна
чення службових характеристик (границь міцності о ъ та текучості о 02,
пластичності Ь, р і малоциклової довговічності Ж) конкретного матеріалу,
є структура з ОЦК- чи ГЦК-гратками. Для потрійних Ре-Сг-№-сплавів її
встановлюють за відповідною діаграмою (рис. 1), яка визначає фазовий стан
сталі в залежності від вмісту хрому та нікелю. У сплавах із більшою кіль-
© В. І. ВИТВИЦЬКИЙ, В. І. ТКАЧОВ, М. П. БЕРЕЖНИЦЬКА, Р. В. ЧЕПІЛЬ, 2007
ТХОТ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2007, № 5 19
В. I. Витвицъкий, В. I. Ткачов, М. П. Бережницъка, Р. В. Чепіль
кістю легуючих елементів замість N1 та Сг за Шефлером і Шнайдером [1]
використовують хромові та нікелеві еквіваленти (СгЕ та МЕ), які розрахо
вують за відомими співвідношеннями:
СгЕ = [Сг] + 2ВД +1,5 [Мо] + 5[V] + 5,5 [А1] +1,75 [№] + 1,5 [ТІ] + 0,75 [W]; (1)
ШЕ = [N1] + [Со] + 0,5 [Мп] + 0,3 [Си] + 25[N] + 30[С], (2)
тут у квадратних дужках вказано вміст елементів у масових відсотках.
зо
б) 20
10 20 ЗО
Сг (СгЕ), %
Рис. 1. Зміна фазового стану в потрійних Ре-С г-№ сплавах у залежності від вмісту Сг(СгЕ)
та № (МЕ): 1, 2 - визначення МЕіВ та ШЕ2В у сплавах із координатами СгЕ, ШЕ, Сг2Е, Ж2Е;
парабола відповідає значенням МіЕ, мінімально достатнім для отримання 100%-ного аусте
ніту; у - аустеніт, а - ферит або перехідні структури.
За цими співвідношеннями вплив 14 елементів зведено до двох екві
валентів (СгЕ та МЕ). Із їх використанням визначали фазно-структурний
показник. При цьому припускали, що розташування фазової кривої на рис. 1
не змінюється від заміни Сг та N1 на СгЕ та ШЕ і описується параболою
(ШЕ)В = 0,0512(СгЕ)2 - 1,843(СгЕ) + 28,6. (3)
Фазовий стан (і, як наслідок, механізм деформування, а відтак, і власти
вості) матеріалу залежить від розташування точки з його координатами
відносно концентраційної кривої, що розмежовує у- та а-області. Для кон
кретного сплаву з певним хімічним складом за співвідношеннями (1), (2)
визначали дійсні хромові та нікелеві еквіваленти. Після цього за рівнянням
(3) розраховували базовий нікелевий еквівалент (ШЕ)В, що відповідає кон
кретному значенню хромового еквівалента на параболі, і порівнювали його з
дійсним нікелевим еквівалентом сплаву. На основі викладеного запропоно
вано використовувати для характеристики матеріалу коефіцієнт стабільності
аустеніту Ау = (ШЕ)/(Ш Е)В, який показує, наскільки дійсний еквівалент
вищий або нижчий за базовий. За змістом коефіцієнт Ау є кількісною мірою
надлишку або нестачі аустенітотвірних елементів у даному матеріалі для
виникнення 100%-ного аустеніту.
Значення Ау для ряду корозійно-стійких сталей основних структурних
класів подано в табл. 1. Для феритних структур Ау = 0,15...0,44, для мартен-
ситних - 0,55...0,71, для перехідних - 0,72...0,96. Якщо Ау «1, то хімічний
20 ШЗЫ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2007, № 5
Оцінка механічних властивостей та фазно-структурного стану
склад збігається з мінімально достатньою кількістю елементів для утворен
ня повністю аустенітної структури, наприклад безвуглецева сталь 00Х18Н12.
Стабільність такого аустеніту легко порушується додатковим деформацій
ним або термічним впливом. Маються на увазі у ^ а-деформаційні пере
творення різної кінетики в Сг-№- та Сг-№-Мп-сталях, низькотемпературні
фазові переходи, тощо. Якщо Ау > 1, то у-фаза стабільна в широкому діапа
зоні умов експлуатації з властивими ГЦК-гратці резервами пластичної ре
лаксації, енергією дефекту упаковки, можливостями дисперсійного твер
діння, що визначають високотемпературні та корозійно-механічні власти
вості, тощо. Загалом, за даними табл. 1 Ау змінюється симбатно з нікеле
вим еквівалентом матеріалів - зростанню аустенітотвірної здатності хіміч
них складів відповідає збільшення значень показника стабільності аустеніту
і формування відповідних фазно-структурних станів.
Міцність і пластичність. Механічні властивості сталей (о ь , о 02, б,
у ) визначали при статичному розтягуванні п’ятикратних гладких зразків
діаметром 5 мм при 293 К з постійною швидкістю руху активного захвату
0,1 мм/хв на установці УМЕ-10ТМ. Загальний інтервал досліджуваних зна
чень становив: о ь = 380...1340 МПа; о 02 = 200...1100 МПа; б = 12...72%;
у = 24...83% (табл. 1). Характеристики сталей 1Х13, 2Х13, 1Х12Н2ВМФБА,
15Х16Н2М, 1Х18Н10Т, 04Х11Н43М2Т після різних термічних обробок на
ведено в табл. 1.
Аналіз залежності між міцністю та границею текучості сталей показав,
що вона є якісною - матеріали майже з однаковою границею текучості о 0 2
можуть мати різні о ь і Ау (рис. 2,а). Це унеможливлює їх кількісну оцінку.
Якщо до основних характеристик сталей ввести показник стабільності аус
теніту А у , то можна впорядкувати матеріали і отримати відповідні кількісні
залежності. Тут шуканий вираз має наступний вигляд: Аут а п = / (А ^Ь ? ), де
а , Ь - показники механічних властивостей. Функцію / визначали графічно
в координатах У = А ^ а п; X = А ^Ь 1’ . Шляхом ітерації т, п, к та р коорди
нати та криву оптимізували так, щоб коефіцієнт кореляції рівняння апрокси
мації Я > 0,95. Результат апроксимації вважали прийнятним, якщо розбіж
ність між фактичними і розрахованими значеннями не перевищувала похиб
ки експериментальних результатів. Для побудови залежності між показ
никами міцності використовували координати Аут о Ь — Ау о р 2- Після опи
саних процедур та розрахунків побудували залежності ^ А у о ь — ^ А у о 0 2
(рис. 2,6), на підставі яких отримали чотири рівняння апроксимації (табл. 2),
кожне з яких відповідає певному інтервалу значень о 0 2:
I група (найнижча міцність), 200 МПа < о 0 2 < 330 МПа: матеріали в
гомогенному стані однофазного розчину заміщення з Ау від 0,152 до 2,52
(сталі Х5Сг№ 18-12, 00Х19Н23В2Т, Х2Сг№Мо 18-12, 08Х18Н10 (0,022% Я),
1Х18Н10Т, 08Х17Т, 03Х21Н32М3Б (гартована));
II група, 380 МПа < о 0 2 < 600 МПа: матеріали, леговані елементами
заміщення та зміцнені розчинним азотом як елементом втілення (сталі 1Х13
(після високого відпуску), Х25Н6М, 03Х13АГ19, 06Х12Г20АН5, 06Х27Н16АГ6,
06Х14Г20АН10М, 08Х18Н10 (0,26% Я) та гартований сплав 03Х11Н43М2Т).
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2007, № 5 21
/іЖЇЇУ
0556-17IX. Проблеми
прочности, 2007, №
5
м Т а б л и ц я 1
Досліджувані матеріали та їх характеристики
№
п/п
Матеріал, температура та час термічної обробки,
середовище гартування
Структура СгЕ №Е Ау аь>
МПа
а0,2>
МПа
д, % і/>, % Літературне
джерело
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
1 08Х17Е, Т = 1053 К, вода Ф 20,84 1,90 0,153 460
404
260 37.0
37.0
66,0
72,0
-
2 1X13(11) Ф 14,60 4,40 0,349 620
573
390 25,8
27,0
67,3
71,0
[2]
3 1X13(1), Т = 1273 К, 120 хв, п; Т = 1033 К,
120 хв, п
Ф 14,60 4,40 0,349 638
701
429 35.0
29.0
77.0
77.0
[2]
4 Х25Н6М Ф 29,00 8,00 0,439 620
676
380 28,0
32,0
57.0
62.0
-
5 1Х17Н2Ш, Т = 1263 К, 120 хв, масло; Т = 823 К,
120 хв, вода
М + Ф 18,20 6,60 0,549 912
840
707 16,9
19,0
55.0
48.0
[2]
6 2X13, Т =1323 К м 13,20 7,30 0,553 1000
1025
850 17.0
18.0
65.0
59.0
[4]
7 2X13, Т =1323, 843 К м 13,20 7,30 0,553 1215
1287
1080 16,0
13,0
68,0
63,0
[4]
8 15Х16Н2М, Т = 1313, 933 К м 17,80 6,80 0,566 980
962
800 18,0
17,0
41.0
55.0
[4]
9 15Х16Н2М, Т =1313, 843 К м + к 17,80 17,80 0,566 1200
1063
900 12,0
18,0
50.0
54.0
[4]
10 1Х12Н2ВМФ, Т =1293, 1033 К м + к 14,85 14,85 0,635 970
1051
865 18,5
16,0
59,5
63,0
-
11 1Х12Н2ВМФБА, Т = 1293, 933 К М + К + І 15,73 8,75 0,71 1105
1125
970 17,5
16,0
59.0
60.0
[4]
В. І. Витвицький, В. І. Ткачов, М. П. Береж
ницька, Р. В.
Чепіль
/ЖЇЇУ
0556-17IX. Проблемы
прочности, 2007, №
5
продовження табл. 1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
12 1Х12Н2ВМФБА, Т = 1293, 873 К М + К + І 15,73 8,75 0,71 1340
1244
1115 14,5
17,0
64,5
71,0
-
13 20Х14НЗМ2Б, Т = 1383 К, масло; Т = 923 К,
120 хв, п
А + М + К 17,20 8,70 0,722 1000
961
790 17.0
17.0
65.0
60.0
-
14 02Х11Н11МФ, Т =1223 К, 15 хв, 523 К Ащіп + М + Ішіп 15,78 9,80 0,799 1000
1075
950 17.0
16.0
75.0
64.0
-
15 02Х10Н9Т2М2 А + М 16,66 10,55 0,871 1110
1092
1010 20,0
18,0
64.0
68.0
[2]
16 03Х12Н9МТ, Т =1273 К, 60 хв, 823 К А + М + Ішіп 14,34 11,86 0,933 1050
1025
950 17.0
19.0
60,0
61,0
-
17 03Х10Н8К4МФД А + М + І 12,05 13,29 0,961 1100
1104
1070 18,0
18,0
65.0
62.0
-
18 Х5Сг№ 18-12 (типу 05Х19Н10),
Т =1323 К, вода
А + Мд 18,80 12,10 1,004 600
520
200 72.0
83.0
50.0
53.0
[5]
19 1Х18Н10Т, Т = 1423, 1023 К, 600 хв А + Мд 19,20 12,70 1,051 650
638
250 71.0
72.0
53,6
65,0
[2]
20 1Х18Н10Т, Т =1323 К, вода А + Мд 20,18 13,00 1,060 660
723
290 67.0
64.0
62,0
75,0
-
21 08Х18Н10 (0,022% 14), Т =1323, вода А + Мд 18,00 12,95 1,078 590
577
224 78.0
73.0
74.0
59.0
[6]
22 03Х13АГ19, Т =1273 К, вода А 14,70 13,95 1,110 890
848
381 63.0
66.0
74,5
68,0
-
23 Х2Сг№Мо 18-12 (типу 08Х18Н14М2),
Т =1323 К, вода
А 21,73 15,30 1,202 600
626
250 68,0
65,0
83.0
64.0
[5]
Оцінка
механічних
властивостей
та
фазно-структурного
стану
.
/іЖЇЇУ
0556-17IX. Проблемы
прочности, 2007, №
5
продовження табл. 1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
24 08Х18Н10 (0,26% 14), Т =1323 К, вода А 18,00 18,90 1,573 785
837
433 56.0
53.0
70.0
74.0
[6]
25 06Х12Г20АН5, Т =1273 К, вода А 15,50 20,25 1,642 800
809
420 54.0
55.0
62,0
70,0
-
26 00Х19Н23В2Т, Т = 1323 К, вода А 23,22 22,80 1,700 550
526
220 48.0
50.0
50.0
51.0
-
27 06Х27Н16Г6А, Т =1323 К, вода А 28,67 31,00 1,737 810
851
470 52.0
50.0
66,0
75,0
-
28 04Х12Н36ЮЗТВ, Т = 1023 К, 120 хв; 923 К,
240 хв
А + І 30,78 37,95 1,862 1110
1115
820 31.0
31.0
51.0
50.0
-
29 03Х21Н32МЗБ, Т = 1613 К, 120 хв А 28,40 33,89 1,931 640
642
330 41.0
39.0
70.0
72.0
-
ЗО 06Х20Н16АГ6, Т =1323 К, вода А 21,2 24,30 1,938 780
750
410 52.0
54.0
75.0
62.0
-
31 06Х14Г20АН10М, Т =1273 К, вода А 19,35 29,60 2,445 810
767
460 48.0
44.0
70.0
50.0
-
32 03X11Н43М2Т, Т = 1323 К, 120 хв, ох. п;
1003 К, 900 хв; 963 К, 60 хв
А + І 28,34 44,09 2,520 1180
1153
770 21,0
41,0
24.0
34.0
-
33 04X11Н43М2Т, п. № 32 + Т = 1473 К,
ох. до 1273 К, 120 хв, п
А + іщіп 28,34 44,09 2,520 815
838
505 37.0
25.0
38.0
51.0
-
34 04Х11Н43М2Т, п. № 32 + Т =1473 К, ох. до 1273 К,
120 хв; 1023 К, 480 хв; 923 К, 480 хв, п
А + І 28,34 44,09 2,520 1250
1270
820 29.0
25.0
49.0
35.0
-
Примітки. 1. Над рискою наведено експериментальні дані, під рискою - розрахункові. 2. А - аустеніт; Ф - ферит; М - мартенсит; М д - мартенсит
деформації; К - карбіди; І - інтерметаліди; п - повітря; ох - охолодження.
В. І. Витвицький, В. І. Ткачов, М. П. Береж
ницька, Р. В.
Чепіль
Оцінка механічних властивостей та фазно-структурного стану
оь, МПа ^A yob
A yjô A j j ÿ
Рис. 2. Залежності між показниками міцності та пластичності сталей без врахування (а) і з
врахуванням Ау (б—г). (Цифри І-IV відповідають групі міцності.)
Матеріали в гетерогенному (багатофазному) стані ввійшли до таких
двох груп високої міцності:
III група, 770 МПа — о 02 — 890 МПа: економнолеговані корозійно
стійкі Fe-Ni-сплави з помірним (10...20%) вмістом зміцнюючих фаз
(04Х12Н36Ю3ТВ, 04Х11Н43М2Т після старіння та перестарювання,
03Х21Н32М3Б); сталі з карбідним та інтерметалідним зміцненням (2Х13,
20Х14Н3М2Б, 1Х17Н2Ш, 1Х12Н2ВМФ, 15Х16Н2М);
IV група, о 0 2 ^ 900 МПа: комплексно леговані сталі (2Х13,
1Х12Н2ВМФБА (дві термообробки)) та маловуглецеві мартенситно старіючі
(02Х11Н11МФ, 03Х10Н8К4МФД, 03Х12Н9МТ, 02Х10Н9Т2М2).
Слід відзначити, що для першої групи матеріалів із найнижчою міцністю
найбільші середні відхилення розрахункових значень о ь від експеримен
тальних складають 7,3%, для конструктивно працездатних сплавів наступ
них трьох груп міцності - менше 4-6% (табл. 2).
Аналіз експериментальних даних свідчить, що зі зростанням резерву
міцності матеріалу збільшується і 6. Відомо, що коефіцієнт зміцнення
визначають співвідношенням о ь / о 02 або 1_ о 0 ^ О ь [1-3]. Тут для мате
ріалів кожної групи залежність між коефіцієнтом зміцнення та відносним
подовженням апроксимували окремою кривою в координатах Ау 4 6 —
—А у ^ о ь І о 0,2 (рис. 2,в, табл. 2), між коефіцієнтом зміцнення та відносним
звуженням - в координатах А^ 4 4 — Ау ^ о 0,2/ E (рис. 2,г, табл. 2). Модуль
нормальної пружності Е = 2-105 МПа.
ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2007, № 5 25
В. І. Витвицький, В. І. Ткачов, М. П. Бережницька, Р. В. Чепіль
Т а б л и ц я 2
Результати апроксимації залежностей між показниками міцності
та пластичності корозійно-стійких сталей, що враховують Ау
Група
міц
ності
Пара
метр
Рівняння апроксимації Коефіцієнт
кореляції
Я
Середня
похибка,
%
а ь у = У Л ° ь ; * = У Л ° 0 , 2
I у = —7,9091+ 2,7649* — 0,0419*2 0,9925 7,3
II у = —36,82036+ 6,3743* — 0,20032*2 + 0,00243*3 0,9974 5,7
III у = —10,50464 + 2,29781* — 0,0466*2 + 6,27 • 10—4 * 3 0,9918 3,6
IV у = —93,33867+ 11,77788* — 0,39621*2 + 0,00473*3 0,9818 4,8
б у = Лу4б\ * = А у^о ь/ о 02 (оь - розрахункове)
I у = 0,0016+ 0,4216*+ 0,1507*2 — 0,0523*3 0,9955 5,4
II у = 0,0067+ 0,345* + 0,1718*2 — 0,0385*3 0,9974 8,7
III у = 0,223 — 0,2666* + 0,5366*2 — 0,1106*3 0,9938 8,3
IV у = 0,0015+ 0,2249*+ 0,1917*2 0,9582 14,7
р у = Ау2 7 Р ; * = Ау2 ^ 002ІЕ
I у = 0,3233 — 1,1932^ * — 0,99506(^ * )2 — 0,14006(^ * )3 0,9986 12,8
II у = 0,55021 — 0,91735 ̂ * — 0,97544 ( ^ * )2 — 0,16003(^ * )3 0,9984 13,2
III у = 0,8529 — 0 ,0 6 3 8 ^ * — 0,47625(^ *)2 — 0,06397(^ *)3 0,9965 17,8
IV у = —23,0781 — 37,37831§ * — 19,8295(1е*)2 — 3,39705(^ *)3 0,9960 6,7
Малоциклова утома. Плоскі зразки товщиною 2-3 мм зі сталей №№ 1,
13, 14, 16, 17, 25-28, 32-34 (табл. 1) піддавали малоцикловому навантаженню
у повітрі віднульовим чистим згином на установці ІП-2ВТД за методикою
[7]. Частота навантажень складала 0,5 Гц, температура - 293 К. Амплітуда
циклічної деформації є становила 0,8; 1,2; 1,6%, база випробувань - 5 • 10 ...
...5-104 цикл. Вплив термообробки на малоциклову довговічність вивчали
на сталі 03Х11Н43М2Т. Результати випробувань представлено в табл. 3.
Як правило, малоциклову міцність за жорсткого навантаження розра
ховують за рівняннями Коффіна-Менсона - єМ к = С . У різних авторів
значення к і С змінюються в таких межах: к = 0,4...0,6; С = (0,5...1,2)Єр
(єр - істинне подовження під час руйнування) або С = 1/21п[1/(1 — р)] [3, 5].
Розбіжність між експериментальним та розрахованим числом циклів до
руйнування за цими рівняннями сягає 5-10 разів. Порівняння (табл. 1 та 3)
зміни деформаційних характеристик б, р та малоциклової довговічності
матеріалів N показало, що з показників статичного навантаження найбільш
чутливим є відносне звуження р. Втім, ця відповідність змін обмежується
групами матеріалів із близьким фазно-структурним станом. Для матеріалів з
26 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2007, № 5
Оцінка механічних властивостей та фазно-структурного стану
Т а б л и ц я 3
Експериментальні та розрахункові значення малоциклової довговічності
корозійно-стійких сталей
№ п/п
матеріалу
в табл. 1
Малоциклова довговічність N (цикл) за амплітуди деформації е (%)
0,8 1,2 1,6
1 - - 800
----- (925)
800
13 9000
-------(7100)
9000
3100
-------(2100)
3100 ̂ ;
1000
------ (890)
1000
14 15800
-------- (12000)
15800
4200
-------(3560)
4200
1300
------ (1500)
1300 4 7
16 26300
-------- (15330)
26300
5300
-------(4540)
5300
2100
-------(1920)
2100
17 17000
-------- (14950)
16250 ̂ ;
4300
-------(4430)
4470
1700
------ (1870)
1470 ̂ ;
20 12000
-------- (13080)
11970 7
3000
-------(3870)
3000 4 7
1800
-------(1630)
2015 4 7
25 27000
-------- (22290)
28410
8000
-------(6600)
7870
2600
-------(2790)
2560
26 20500
-------- (19080)
23010 ̂ ;
5700
-------(5650)
6350
1850
-------(2380)
2110 ;
27 28000
-------- (25300)
31970 ̂ ;
8700
-------(7495)
8420
4000
-------(3160)
3550
28 28000
-------- (20900)
24740
6300
-------(6190)
6510
2750
-------(2610)
2760
32 27500
-------- (27945)
27500
4900
-------(8200)
4900
2500
-------(3490)
2510
33 21700
-------- (21520)
20820
4700
-------(6370)
4170 ̂ ;
2660
2620 (2690)
34 11600
-------- (13160)
12180 4 7
2800
-------(3900)
2885
1590
------ (1645)
1660
П рим ітка. Над рискою наведено експериментальні дані, під рискою - розрахунок за форму
лами (1)-(3), (5)-(7) із табл. 4, в дужках - розрахунок за формулами (4) і (8) із табл. 4.
однаковим ф, але з різною структурою відмінність у довговічності може бу
ти суттєвою. Наприклад, для феритної 08Х17Т та аустенітної 06Х26Н16АГ6
сталей маємо ф = 66%, а довговічність за е = 1,6% становить 800 та 4000
цикл відповідно, тобто суто деформаційна постановка для корозійно-стійких
сталей дає значні похибки. Для кількісного врахування фазно-структурного
стану матеріалу використовували параметр Ау. Аналітичний вираз має
загальний вигляд Л^1 М п = / (А ^ф р ). Конкретний розв’язок знаходили за
вищенаведеним алгоритмом для кожної амплітуди циклічної деформації.
Залежність А2 л[ш — А2 д/ф для різних амплітуд деформацій показана на
рис. 3. Мінімізуючи розбіжність між експериментальними та розрахунковими
ТХОТ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2007, N2 5 27
В. I. Витвицъкий, В. I. Тканое, М. П. Бережницъка, Р. В. Четлъ
даними, поведінку перехідних структур з Ау < 1 та аустенітних матеріалів з
Ау > 1 описували окремими залежностями (табл. 4). Для визначення зв’язку
між амплітудою циклічної деформації та довговічністю побудовано графік у
координатах У = (Аує ) 1 чГЇЇ, X = А^^/ф (рис. 4). Кожна залежність в табл. 4
характеризує зв’язок між властивостями за статичного і утомного наван
тажень у широкому діапазоні зміни міцності (200 МПа < о 0 2 < 1000 МПа).
Розраховані за формулами (1)-(3), (5)-(7), (4) і (8) (табл. 4) значення довго
вічності подано в табл. 3.
Т а б л и ц я 4
Результати апроксимації залежностей між відносним подовженням
та малоцикловою довговічністю корозійно-стійких сталей, що враховують Ау
Л №
фор
мули
Пара
метр
Рівняння апроксимації Коефіцієнт
кореляції
Я
Середня
похибка,
%
< 1 N у = ; X = Аут^/ф
(1) е = 1,6%:
у = -1 ,1369+ 99,659х - 232,16х2 + 238,11х3
1,0000 0
(2) е = 1,2%: у = 30,175 - 58,645х + 143,66х2 1,0000 0
(3) е = 0,8%: у = 68,928 - 221,33х + 442,1х2 1,0000 0
У = (АуЄ)3/2л / ^ ; х = Ау2 7Ф
(4) у = 0,0023+ 0,0709х + 0,0494х2 0,9960 20,0
> 1 у = ; х = А^^/ф
(5) е = 1,6%:
у = 121,6 — 187,15х+ 127,69х2 -17 ,01х3
0,9985 9,6
(6) е = 1,2%: у = -7 4 ,6 9 9 + 176,23х -1 3 ,3 7 х 2 0,9990 4,2
(7) е = 0,8%: у = -9 1 ,3 1 6 + 256,92х + 0,1217х2 0,9982 6,3
у = (Ауе)3/2у[и ; х = Ау2 7Ф
(8) у = -0 ,0 0 0 3 + 0,1046х + 0,0007х2 0,9851 13,9
Аналіз результатів досліджень. Установлено, що використання одного
показника Ау у-фазової активності елементів хімічного складу є достатнім
для отримання кореляцій з Я > 0,95 між механічними властивостями спла
вів у діапазоні 200 МПа — 7 02 — 1115 МПа. Залежно від термічної обробки
матеріали можуть знаходитися в складі різних груп міцності. Зокрема, в
загартованому стані сплав 04Х11Н43М2Т - у другій групі, після старіння - в
третій. Термообробка змінює структуру, після чого сталі 15Х16Н2М, 2Х13,
1Х12НВ2МФ з третьої групи переходять до четвертої. Аналогічно впливає і
легування. Сталь 08Х18Н10 з 0,022% N відноситься до першої групи міцності,
з 0,26% N - до другої. Переміщення матеріалів із групи у групу супровод
28 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2007, № 5
Оцінка механічних властивостей та фазно-структурного стану
жується відповідною зміною залежностей між властивостями згідно з рів
няннями, наведеними в табл. 2.
Введення параметра Ау дало змогу отримати залежності між показ
никами статичного і малоциклового навантажень, за якими середня розбіж
ність між фактичними і розрахунковими даними не перебільшує 9,6% (рів
няння (1)-(3) та (5)-(7), табл. 4) та 13,9...20,0% (рівняння (4) і (8), табл. 4).
Зростання точності прогнозу завдяки врахуванню фазно-структурного стану
матеріалів у перспективі дозволить зменшувати коефіцієнти запасу при
обгрунтуванні малоциклової міцності і таким чином понижувати метало-
ємність та вартість відповідальних виробів.
Рис. 3. Залежність між довговічністю N та відносним подовженням р із врахуванням Ау
для амплітуд циклічної деформації е.
Рис. 4. Зв’язок між деформацією е та довговічністю N : 1 - Ау < 1; 2 - Ау > 1
Загалом, за значеннями т та к у виразах А ^ 1 а п = / (А ^Ь Р ) можна
відслідкувати вплив структурного фактора на зв’язок між силовими, дефор
маційними та утомними характеристиками, зокрема при оцінці міцності (о ь,
о о 2) маємо т, к = 0,5, відносного подовження (д) - т , к = 1, звуження (р) і
довговічності (N ) - т, к = 2.
Результат може бути придатним для неруйнівного контролю матеріалів,
які змінюють властивості під час експлуатації. Дана методика на підставі
лише однієї характеристики міцності (наприклад, вимірюється твердість, а
по ній визначається о ь) дає змогу розраховувати решту механічних власти
востей на ділянках гетерогенності без суттєвих порушень цілісності металу.
Цей підхід може бути корисним для підвищення надійності оцінок
ресурсу конструкційних матеріалів у широкому спектрі умов експлуатації,
де роль структурного чинника визначальна: за різних видів навантаження,
температур, рідких та газових середовищ, у тому числі високих тисків, за
наявності концентраторів напружень, тощо.
В и с н о в к и
1. Запропоновано кількісно враховувати фазно-структурний стан коро
зійно-стійких хромистих та хромонікелевих сталей за допомогою коефі
цієнта стабільності аустеніту А у .
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2007, № 5 29
В. I. Витвицъкий, В. I. Тканое, М. П. Бережницъка, Р. В. Четлъ
2. Використання коефіцієнта Ау дозволяє за експериментальними зна
ченнями а 0 2 в інтервалі 200 МПа < а 02 ^ 1115 МПа і хімічним складом
сталей визначати величини а ь, д, а за хімічним складом та відносним
звуженням - малоциклову довговічність, причому матеріали з Ау < 1 (сталі
перехідного класу) і Ау > 1 (аустенітні сталі) мають власні залежності.
Р е з ю м е
Использование коэффициента стабильности аустенита позволяет количест
венно оценивать фазоструктурное состояние коррозионно-стойких сталей
по химическому составу. Коэффициент стабильности аустенита рассчиты
вают на основании хромовых и никелевых эквивалентов. С помощью коэф
фициента стабильности аустенита получена корреляция между механичес
кими свойствами при статическом нагружении. Предложено малоцикловую
долговечность определять по химическому составу и относительному суже
нию.
1. Пикеринг Ф. Б. Физическое металловедение и разработка сталей / Пер. с
англ. - М.: Металлургия, 1982. - 183 с.
2. Трощенко В. Т. Деформирование и разрушение металлов при много
цикловом нагружении. - Киев: Наук. думка, 1981. - 344 с.
3. Махутов Н. А., Воробъев А. 3., Гаденин М. М. и др. Прочность конст
рукций при малоцикловом нагружении. - М.: Наука, 1983. - 268 с.
4. Калинак Т .Н . Исследование некоторых физико-механических и электро
химических свойств мартенситных нержавеющих сталей: Автореф. дис.
... канд. техн. наук. - Киев, 1971 . -21 с.
5. Далъ В., Белъхе П. Диаграмма деформирования // Статическая проч
ность и механика разрушения стали / Под ред. В. Даля, В. Антона. - М.:
Металлургия, 1986. - С. 51 - 133.
6. Придащев М. Е., Талое Н. П., Левин Ф. Л. Высокопрочные аустенитные
стали. - М.: Металлургия, 1969. - 247 с.
7. Тканев В. И., Холодный В. И., Левина И. Н. Работоспособность сталей и
сплавов в среде водорода. - Львов: Вертикаль, 1999. - 255 с.
Поступила 01. 03. 2006
30 1&$М 0556-171Х. Проблемы прочности, 2007, № 5
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-48105 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0556-171X |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-11-24T11:50:38Z |
| publishDate | 2007 |
| publisher | Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Витвицький, В.І. Ткачов, В.І. Бережницька, М.П. Чепіль, Р.В. 2013-08-15T08:37:33Z 2013-08-15T08:37:33Z 2007 Оцінка механічних властивостей та фазно-структурного стану корозійно-стійких сталей за статичного і малоциклового навантажень / В.І. Витвицький, В.І. Ткачов, М.П. Бережницька, Р.В. Чепіль // Проблемы прочности. — 2007. — № 5. — С. 19-30. — Бібліогр.: 7 назв. — укр. 0556-171X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/48105 620.197.5 Використання коефіцієнта стабільності аустеніту дозволяє кількісно оцінити фазно-структурний стан корозійно-стійких сталей за хімічним складом. Його розраховують на основі хромових та нікелевих еквівалентів. За допомогою коефіцієнта стабільності аустеніту отримано кореляцію між механічними властивостями сталей за статичного навантаження. Запропоновано малоциклову довговічність визначати за хімічним складом та відносним звуженням. Использование коэффициента стабильности аустенита позволяет количественно оценивать фазоструктурное состояние коррозионно-стойких сталей по химическому составу. Коэффициент стабильности аустенита рассчитывают на основании хромовых и никелевых эквивалентов. С помощью коэффициента стабильности аустенита получена корреляция между механическими свойствами при статическом нагружении. Предложено малоцикловую долговечность определять по химическому составу и относительному сужению. The use of an austenite stability factor allows a quantitative assessment of phase-structural state in corrosive-resistant steels by their chemical composition. It is calculated from chromium and nickel equivalents. Based on the austenite stability factors, a correlation has been established between mechanical properties o f the steels under static loading. The low-cycle fatigue life is proposed to be determined from the chemical composition and reduction of area. uk Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України Проблемы прочности Научно-технический раздел Оцінка механічних властивостей та фазно-структурного стану корозійно-стійких сталей за статичного і малоциклового навантажень Assessment of mechanical properties and phase-structural state in corrosion-resistant steels under static and low-cycle loading Article published earlier |
| spellingShingle | Оцінка механічних властивостей та фазно-структурного стану корозійно-стійких сталей за статичного і малоциклового навантажень Витвицький, В.І. Ткачов, В.І. Бережницька, М.П. Чепіль, Р.В. Научно-технический раздел |
| title | Оцінка механічних властивостей та фазно-структурного стану корозійно-стійких сталей за статичного і малоциклового навантажень |
| title_alt | Assessment of mechanical properties and phase-structural state in corrosion-resistant steels under static and low-cycle loading |
| title_full | Оцінка механічних властивостей та фазно-структурного стану корозійно-стійких сталей за статичного і малоциклового навантажень |
| title_fullStr | Оцінка механічних властивостей та фазно-структурного стану корозійно-стійких сталей за статичного і малоциклового навантажень |
| title_full_unstemmed | Оцінка механічних властивостей та фазно-структурного стану корозійно-стійких сталей за статичного і малоциклового навантажень |
| title_short | Оцінка механічних властивостей та фазно-структурного стану корозійно-стійких сталей за статичного і малоциклового навантажень |
| title_sort | оцінка механічних властивостей та фазно-структурного стану корозійно-стійких сталей за статичного і малоциклового навантажень |
| topic | Научно-технический раздел |
| topic_facet | Научно-технический раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/48105 |
| work_keys_str_mv | AT vitvicʹkiiví ocínkamehaníčnihvlastivosteitafaznostrukturnogostanukorozíinostíikihstaleizastatičnogoímalociklovogonavantaženʹ AT tkačovví ocínkamehaníčnihvlastivosteitafaznostrukturnogostanukorozíinostíikihstaleizastatičnogoímalociklovogonavantaženʹ AT berežnicʹkamp ocínkamehaníčnihvlastivosteitafaznostrukturnogostanukorozíinostíikihstaleizastatičnogoímalociklovogonavantaženʹ AT čepílʹrv ocínkamehaníčnihvlastivosteitafaznostrukturnogostanukorozíinostíikihstaleizastatičnogoímalociklovogonavantaženʹ AT vitvicʹkiiví assessmentofmechanicalpropertiesandphasestructuralstateincorrosionresistantsteelsunderstaticandlowcycleloading AT tkačovví assessmentofmechanicalpropertiesandphasestructuralstateincorrosionresistantsteelsunderstaticandlowcycleloading AT berežnicʹkamp assessmentofmechanicalpropertiesandphasestructuralstateincorrosionresistantsteelsunderstaticandlowcycleloading AT čepílʹrv assessmentofmechanicalpropertiesandphasestructuralstateincorrosionresistantsteelsunderstaticandlowcycleloading |