CC BY
70
УДК 624.074.4 + 539.4
Ю.И. Густов, Х. Аллаттуф
ФГБОУВПО «МГСУ»
ОДНОПАРАМЕТРИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАВНОМЕРНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ СТАНДАРТНЫХ СТАЛЕЙ
На основании проведенных предварительных исследований проверена однопараметрическая зависимость относительного равномерного удлинения бр от полного относительного удлинения б. На примере стальных поковок стандартных категорий прочности показана приемлемость использования предложенных формул б = 0,5б/(1+б) для категорий прочности КП175—КП440 и бр = 0,309б/(1+б) для КП490—КП785. Однопараметрическое определения равномерной пластической деформации бр по относительному удлинению б позволяет оценить статические и циклические показатели стальных поковок толщиной до 500...800 мм без проведения трудоемких и длительных экспериментов. Полное относительное удлинение состоит из равномерной и сосредоточенной составляющих. Равномерное относительное удлинение соответствует максимальной нагрузке, достигаемой при испытаниях на статическое растяжение. Особенностью и преимуществом этой характеристики является ее независимость от формы испытуемых образцов. Данный показатель используется для определения удельной работы пластической деформации, склонности металлов к хрупкому разрушению и сопротивления усталости. Равномерное относительное удлинение имеет корреляционную связь с ударной вязкостью, используемой для оценки хладноломкости металлических материалов. Таким образом, определение равномерной пластической деформации необходимо для обоснованного выбора материалов, расчета технологических режимов обработки промышленных и новых машиностроительных и строительных сталей.
Ключевые слова: однопараметрическая зависимость, относительное равномерное удлинение, относительное удлинение, поковка, категория прочности, показатели, пластическая деформация.
Для расчетного определения относительной равномерной пластической деформации металлов предложена зависимость [1]
-|0,5
8Р =
(1 + 8)/С*
-1,
где стт/ств + //Т = С = [(1 + 5с)(1 + 5р)
1/т
(1)
5 — относительная сосредото-
ченная пластическая деформация.
Определение показателя 5Р требует знания стандартных характеристик пластичности (¥, 5) и прочности (от, ов) [2, 3].
Однако в целом ряде случаев справочные и периодические источники не содержат указанного перечня показателей. Это затрудняет или делает невозможным вычисление таких важных величин, как истинное временное ЗВ и истинное сопротивление разрыву 51 удельная энергия равномерной и предельной ЖС пластической деформации [4, 5].
На основании проведенных предварительных исследований выполняется проверка однопараметрической зависимости, содержащей только величину относительного удлинения 5, т.е.
ВЕСТНИК
МГСУ-
6/2013
8р = 8/ 2(1 + 8)°. (2)
Физически величина 5 / 2 соответствует значению 5р при С = 1,0 и 5р = 5с. Выражение (1 + 5)5 полагается при значениях С > 1,0. Цель работы — проверка выражения (2) на примере сталей стандартных категорий прочности1 [6].
Результаты расчета по (2) применительно к поковкам толщиной до 100 мм приведены в табл. 1.
Табл. 1. Значения 5 поковок толщиной до 100 мм при вычислении по (2)
Категория св, 5 ¥ 5 по (1) р 4 7 5р по (2) А, %
прочности МПа % % %
КП 175 355 28 24 13,1 13,06 0,30
КП 195 390 26 23 13,1 12,24 6,6
КП 215 430 24 20 12,8 11,40 3,1
КП 245 470 22 19 11 10,53 4,3
КП 275 530 20 17 9,1 9,64 6
КП 315 570 17 14 8,2 8,28 0,9
КП 345 590 18 17 9 8,74 2,9
КП 395 615 17 15 7,7 8,28 7,5
КП 440 635 16 14 6,6 7,81 18,2
По табличным результатам можно заключить, что расчет по (2) дает вполне удовлетворительное совпадение 5р с сопоставляемыми величинами по (1). Наибольшее расхождение наблюдается для стали категории КП440 (А = 18,2 %). Для остальных категорий прочности расхождение не превышает 8 %, что можно считать приемлемым для практических расчетов по предлагаемой формуле (2).
Расчеты по (2) для сталей повышенных категорий прочности (КП490— КП785) приводят к заметным расхождениям (более 40 %). В связи с этим были проверены выражения вида
5р =5/2-1,618 = 0,6185/2 = 0,3095 = (Ж0 -1)8, (3)
где 1,618 = й — гармоническая величина системы золотой пропорции; Ж0 = 1,309 — двойное отношение (золотой вурф) [7]. Результаты расчета по (3) приведены в табл. 2.
Табл. 2. Значения 5 поковок толщиной до 100 мм при расчете по (3)
Категория с, в' 5 ¥ 5 по (1) р 4 7 5р по (3) А, %
прочности МПа % % %
КП 490 655 16 13 5,3 4,94 6,7
КП 540 685 15 13 4,5 4,64 3,0
1 ГОСТ 8479—70. Поковки и кованые заготовки. Категории прочности, нормы механических свойств, определенные при испытаниях на продольных образцах, и нормы твердости.
Окончание табл.
Категория °в> 5 ¥ 5 по (1) р v ' 5р по (3) А, %
прочности МПа % % %
КП 590 735 14 13 4,2 4,33 3,0
КП 640 785 13 12 3,7 4,02 8,6
КП 685 835 13 12 3,6 4,02 11,60
КП 735 880 13 12 3,2 4,02 25,6
КП 785 930 12 11 3 3,71 23,6
Из полученных результатов следует удовлетворительное соответствие сравниваемых по (1) и по (3) величин 5р для категорий прочности КП490— КП685. Большее расхождение наблюдается для КП735 (А = 25,6 %) и КП785 (А = 23,6 %). По-видимому, это является отражением влияния округления числовых значений показателей пластичности и их равенства при различии в прочностных показателях.
Дополнительную поверку применимости выражений (2) и (3) проводим для поковок размером 300.. .500 мм.
Результаты расчета приведены в табл. 3.
Табл. 3. Результаты расчета 5 поковок толщиной 300.. .500 мм по (2) и (3)
Категория о, 5, 5 по (1) р v 7 5р по (2) 5р по (2)
прочности МПа % % % % % %
КП 175 355 22 45 10,91 10,53 6,80 3,45 37,67
КП 195 390 20 45 10,97 9,64 12,3 12,14 43,69
КП 215 430 18 40 9,75 8,74 5,56 10,38 42,94
КП 245 470 17 35 8,03 8,28 5,25 3,01 34,62
КП 275 530 15 32 7,5 7,34 4,64 2,1 37,75
КП 315 570 12 30 6,60 5,92 3,71 10,28 43,79
КП 345 590 14 38 7,75 6,87 4,33 11,34 44,19
КП 395 615 13 35 6,04 6,40 4,02 5,86 33,53
КП 440 635 13 35 5,1 6,40 4,02 25,5 21,2
КП 490 655 12 35 3,57 5,92 3,71 65,59 3,73
КП 540 685 12 35 3,34 5,92 3,71 77,43 11,15
КП 590 735 11 33 2,97 5,44 3,40 83,10 14,46
КП 640 785 11 33 2,90 5,44 3,40 87,76 17,38
КП 685 835 11 30 2,49 5,44 3,40 118,48 36,58
КП 735 880 10 30 2,35 4,95 3,09 110,92 34,8
Результаты расчета 5р поковок толщиной 300. том, что для сталей категорий прочности КП175— (2). Расхождение с расчетом по (1) составляет А2 = непригоден. Категорию прочности КП440 можно
.500 мм свидетельствуют о -КП395 пригодна формула 2,1.12,3 %. Расчет по (3) рассматривать как гранич-
ВЕСТНИК
МГСУ-
6/2013
ную, поскольку расхождения Д2 = 25,5 и Д3 = 21,2 достаточно близки. С таким расхождением допустимо использовать обе формулы (2) и (3). Наибольшее отклонение для категории КП440 отмечалось и выше (см. табл. 1).
Для сталей категорий прочности КП490—КП785 показательно удовлетворительное согласие при расчетах по (1) и (3), исключая категории КП735 и КП785. Последние, как и ранее (см. табл. 2), выделяются расхождениями соответственно 36 и 34,8 %. Формула (2) для категорий КП490—КП785 непригодна.
Для категорий прочности КП490—КП785 были проверены также зависимости
5р =0,3095/(1 + 5), (4)
5р = 0,3095/(1 + 0,3095). (5)
Проверка на сходимость с результатами по (1) показала следующее (табл. 4).
Табл. 4. Результаты расчета 5 по (4) и (5)
Категория прочности КП 490 КП 540 КП 590 КП 640 КП 685 КП 735 КП 785
5р по (4) 3,31 3,31 3,31 3,06 3,06 3,06 2,8
Д4, % 21,8 7,3 0,9 3,0 5,5 22,8 19,50
5р по (5) 2,83 2,83 2,83 2,6 2,6 2,6 2,36
Д5, % 33,1 20,7 15,3 12,5 10,3 4,4 0,46
Сравнивая табличные результаты, некоторое предпочтение можно отдать формуле (4), полагая расхождения 21,8 (КП490), 22,8 (КП735) и 19,5 % (КП785) допустимыми для практических расчетов.
Вычисленные по формулам (2)—(5) значения относительного равномерного удлинения 5р, даже при неполном комплексе показателей стандартных механических свойств (от, ов, 5), позволяют определить принципиально важные синергетические (структурно-энергетические) показатели [6—8].
К ним относятся равномерное относительное сужение ¥ временное сопротивление разрыву коэффициент относительного удлинения К5, твердость НВ, предел выносливости о_1 и др.
Они определяются посредством относительного удлинения 5 и временного сопротивления разрыву ов по формулам [9, 10]
¥р = 5р/(1 + 5р), Кд = (1 - 5)1/8, НВ = ав/К8, а-! = 0,18НВ и др.
Выводы. 1. Для расчетного определения равномерного относительного удлинения 5р предложены и проверены по справочно-экспериментальным данным выражения (2)—(3), удовлетворительно согласующиеся с апробированной зависимостью (1).
2. В зависимости от используемых формул, обеспечивающих приемлемую для практики точность расчета 5р, исследованные категории прочности сталей можно условно разделить на две группы: КП175—КП440 и КП490—КП785.
3. Однопараметрическое определение равномерной пластической деформации по относительному удлинению позволяет оценить статические и циклические показатели остальных поковок толщиной до 500...00 мм без проведения трудоемких и длительных экспериментов.
Библиографический список
1. Прочностно-пластическая индексация металлических материалов / Ю.И. Гу-стов, Д.Ю. Густов, В.И. Большаков и др. // Металлургическая и горнорудная промышленность, 1996. № 3-4. С. 31—33.
2. Баландин В.А., Потапов В.Н., Яковлева В.С. Оценивать работоспособность конструкций по равномерному относительному удлинению сталей // Промышленное строительство. 1976. № 11. С. 37—38.
3. Матт K. Zeitschrift fur Metallkunde. 1962. Bd. 53. H4.
4. Борисова С.А. Влияние термоциклической обработки на работоспособность десяти конструкционных сталей // Материаловедение и металлургия : тр. НГТУ/НГТУ Н.Новгород, 2004. Т. 42. С. 220—224.
5. Скуднов В.А., Ловков А.В. Взаимосвязь предела усталости с критериями разрушения синергетики сталей // Материаловедение и металлургия : тр. НГТУ/НГТУ Н.Новгород, 2004. Т. 42. С. 119—123.
6. Густов Ю.И., Аллаттуф X. Синергетические критерии сталей стандартных категорий прочности // Механизация строительства. 2013. № 2. C. 24—27.
7. Коробко В.И. Золотая пропорция и проблемы гармонии систем. М. : Изд-во АСВ стран СНГ. 373 с.
8. Синергетика и фракталы в материаловедении / В.С. Иванова, А.С. Баланкин, И.Ж. Бунин, А.А. Оксогоев. М. : Наука, 1994. 383 с.
9. Скуднов В.А. Закономерности предельной удельной энергии деформации — основной синергетической (кооперативной) характеристики разрушения и работоспособности металлов // Материаловедение и металлургия : тр. НГТУ Н.Новгород, 2004. Т. 42. С. 94—101.
10. Тылкин М.А. Справочник термиста ремонтной службы. М. : Металлургия, 1981. 648 с.
Поступила в редакцию в апреле 2013 г.
Об авторах: Густов Юрий Иванович — доктор технических наук, профессор кафедры механического оборудования, деталей машин и технологии металлов, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, (8499)183-94-95, moidm@mgsu.ru;
Аллаттуф Хассан — аспирант кафедры механического оборудования, деталей машин и технологии металлов, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, (8964)599-68-66, hassan-1977@mail.ru.
Для цитирования: Густов Ю.И., Аллаттуф X. Однопараметрическое определение равномерной пластической деформации стандартных сталей // Вестник МГСУ 2013. № 6. С. 57—62.
Yu.I. Gustov, H.L. Allattouf
ONE-PARAMETRIC DETERMINATION OF UNIFORM PLASTIC STRAIN FOR STANDARD STEELS
One-parametric dependence of the uniform elongation on the total elongation is tested on the basis of preliminary studies. It makes it possible to assess static and cyclic parameters of steel forgings with the thickness values up to 500—800 mm, although no time-consuming and labour-intensive experiments are needed.
The total elongation consists of uniform and concentrative components. The uniform elongation corresponds to the maximum loading value attained in the process of static tension testing. The special feature and the advantage of this feature is its independence from the shape of samples exposed to testing procedures. This feature is employed to determine the per-unit performance of plastic strain of steel in terms of brittle failure and fatigue resistance of metals.
ВЕСТНИК 6/2013
6/2013
The uniform elongation correlates with the elasticity used to evaluate the cold brit-tleness of metal materials. Thus, the assessment of the uniform plastic deformation is needed to make an educated choice of materials and analyze the conditions of processing industrial and structural steels.
Key words: one-parametric dependence, uniform elongation, elongation, forging, strength grade, factors, plastic deformation.
References
1. Gustov Yu.I., Gustov D.Yu., Bol'shakov V.I. Prochnostno-plasticheskaya indeksatsiya metallicheskikh materialov [Strength and Plasticity Indexing of Metal Materials]. Metallurgiya i gornorudnaya promyshlennost' [Metallurgy and Mining Industry]. 1996, no. 3-4, pp. 31—33.
2. Balandin V.A., Potapov V.N., Yakovleva V.S. Otsenivat' rabotosposobnost' kon-struktsiy po ravnomernomu otnositel'nomu udlineniyu staley [Assessment of Performance of Structures on the Basis of Uniform Relative Elongation of Steels]. Promyshlennoe stroitel'stvo [Industrial Engineering]. 1976, no. 11, pp.37—38.
3. Matt K. Zeitschrift für Metallkunde. 1962. Bd. 53, H4.
4. Borisova S.A. Vliyanie termotsiklicheskoy obrabotki na rabotosposobnost' desya-ti konstruktsionnykh staley [Influence of Thermal-cycle Treatment on Performance of Ten Grades of Structural Steel]. Materialovedenie i metallurgiya [Material Science and Metallurgy]. Trudy NGTU [Works of Nizhegorodsky State University of Technology]. Nizhny Novgorod, NGTU Publ., 2004, vol. 42, pp. 220—224.
5. Skudnov V.A., Lovkov A.V. Vzaimosvyaz' predela ustalosti s kriteriyami razrusheniya sinergetiki staley [Interrelation between Fatigue Point and Criteria for Destruction of Steel Synergetics]. Materialovedenie i metallurgiya [Material Science and Metallurgy]. Trudy NGTU [Works of Nizhegorodsky State University of Technology]. Nizhny Novgorod, NGTU Publ., 2004, vol. 42, pp. 119—123.
6. Gustov Yu.I., Allattuf H. Sinergeticheskie kriterii staley standartnykh kategoriy proch-nosti [Synergetic Criteria of Steels Having Standard Grades of Strength]. Mekhanizatsiya stroitel'stva [Mechanization of Construction Operations]. 2013, no.2, pp. 24—27.
7. Korobko V.I. Zolotaya proportsiya i problemy garmonii sistem [Golden Proportion and Problems of Harmony of Systems]. Izdatel'stvo ASV Stran SNG Publ., 373 p.
8. Ivanova V.S., Balankin A.S., Bunin I.Zh., Oksogoev A.A. Sinergetika i fraktaly v mate-rialovedenii [Synergy and Fractals in Material Science]. Moscow, Nauka Publ., 1994, 383 p.
9. Skudnov V.A. Zakonomernosti predel'noy udel'noy energii deformatsii - osnovnoy sinergeticheskoy (kooperativnoy) kharakteristiki razrusheniya i rabotosposobnosti metallov [Regularities of Limit Per-unit Energy of Deformation as the Principal Synergetic (Cooperative) Destruction and Performance-related Characteristic of Metals]. Trudy NGTU. Materialovedenie i metallurgiya. [Works of Nizhegorodsky State University of Technology. Material Science and Metallurgy]. Nizhny Novgorod, 2004, vol. 94, 101 p.
10. Tylkin M.A. Spravochnik termista remontnoy sluzhby [Reference Book for a Heat Treater of the Repair Service]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1981, 647 p.
About the authors: Gustov Yuriy Ivanovich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Machinery, Machine Elements and Process Metallurgy, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; moidm@mgsu.ru; +7 (499) 183-94-95;
Allattouf Hassan Lattouf — postgraduate student, Department of Machinery, Machine Elements and Process Metallurgy, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; hassan-1977@mail.ru; +7 (964) 599-68-66.
For citation: Gustov Yu.I., Lattouf H.L. Odnoparametricheskoe opredelenie ravnomer-noy plasticheskoy deformatsii standartnykh staley [One-parametric Determination of Uniform Plastic Strain for Standard Steels]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 6, pp. 57—62.
