CC BY
81
ВЕСТНИК 8/2013
8/2013
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И КОНСТРУИРОВАНИЕ
СТРОИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ. ПРОБЛЕМЫ МЕХАНИКИ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
УДК 620.22: 669.017
Ю.И. Густов, Х. Аллаттуф
ФГБОУВПО «МГСУ»
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПЛАСТИЧНОСТИ И ВЯЗКОСТИ МЕТАЛЛОВ
Работоспособность металлов в конструкциях промышленных и гражданских сооружений в значительной степени зависит от способности металла пластически деформироваться.
Это свойство строительных сталей оценивается показателем полного относительного удлинения, который состоит из равномерной и сосредоточенной составляющих.
Для металлических конструкций предпочтительнее учет пластичности сталей по равномерному, а не по полному относительному удлинению. Эта составляющая характеризует склонность сталей к хрупкому разрушению, сопротивление усталости и хладноломкости.
В связи с этим актуально исследование взаимосвязи показателей пластичности и вязкости сталей. Исследованы зависимости ударной вязкости КСи и вязкости разрушения К1С от равномерного относительного удлинения бр. Величины КСи и К1С получены экспериментально при испытаниях различно раскисленной стали марки 40ХЛ после закалки с температуры 860 °С и отпуска при температуре 200 °С. Показатель бр определен расчетом по формуле бр = [(1+б)/ст]05 - 1 при С = о1/ов + + б/Ф. Для исследованных сталей установлены зависимости КСи = 0,15(1 + 1,25 х х 102бр), К1С = 50(1+102бр), где бр выражено в долях единицы.
Ключевые слова: ударная вязкость, вязкость разрушения, равномерное удлинение, сталь, закалка, отпуск, пластичность металлов.
С точки зрения надежности металлов в условиях эксплуатации особый теоретический и прикладной интерес представляет установление взаимосвязи показателей вязкости (КСи, К1С) с равномерным относительным удлинением 8р [1, 2]. Для расчетного определения последнего предложена зависимость [3, 4]
-10,5
8 р =
(1 + 8)/С
1, (1)
где стт / а в + 8/¥ = С = [(1 + 8с )/(1 + 8р / ; 8С — относительная сосредоточенная пластическая деформация.
Для исследования выбрана различно раскисленная сталь марки 40ХЛ после закалки с температуры 860 °С и отпуска при температуре 200 °С [5].
Показатели механических свойств стали приведены в табл. 1.
На основании исходных и полученных по (1) данных установлены следующие зависимости (рис. 1, 2)
КСИ = 0,15 (1 +1,25-102 8р(2)
Кс = 50 (1 +102 5р ), (3)
где 8р выражено в безразмерных долях единицы.
Проектирование и конструирование строительных систем. Проблемы механики в строительстве
VESTNIK
JVIGSU
Табл. 1. Механические свойства стали 40ХЛ [5]
Раскислители Op МПа МПа s, % % KCU, МДж/м2 К1С, МПа-м0-5 С %
Al 1316 1497 2,6 9,9 0,27 78,1 1,142 0,63
Al, Ti, SiCa 1347 1524 3,3 12,6 0,28 90,4 1,146 0,77
Al, Ti, FeCe 1295 1538 3,9 11,9 0,33 99,5 1,170 0,99
Al, Ti, Si, Ca, FeCe 1290 1542 4,2 14,4 0,34 111,0 1,128 1,20
Рис. 1. Зависимость ударной вязкости от относительного равномерного удлинения
Рис. 2. Зависимость вязкости разрушения от относительного равномерного удлинения
Расхождение расчетных и экспериментальных значений КСи составляет А = 0,7...10,3 %; расхождение значении К — А = 0,25...4,3 %. Можно полагать, что формулы (2) и (3) пригодны для расчетной практики.
Относительное равномерное удлинение можно выразить также зависимостью
5Р = 0,55/Сп, (4)
где п = 0,5/¥.
ВЕСТНИК
МГСУ-
8/2013
При
5 = 0,026 5 = 0,033 5 = 0,039 5 = 0,042
¥ = 0,099 п = 5,05 ¥ = 0,126 п = 3,97
¥ = 0,119 п = 4,20 ¥ = 0,144 п = 3,47
5р = 0,00665 5р = 0,0077 5р = 0,010 5р = 0,0138
А = 5,5 %; А = 24,8 %; А = 2,4 %; А = 15,2 %.
Как видно, расчетные значения 5р по (4) удовлетворительно совпадают с апробированными величинами по (1). Лучшую сходимость с экспериментальными данными дает расчет по формуле
5р = 0,3095/С1+5 , (5)
расхождения составляют соответственно А = 11,1; 15,0; 3,6; 4,6 %.
Также можно рекомендовать формулу
5р = 0,3095/Сс, (6)
расчет по которой дает А = 9,6; 13,3; 1,8; 5,6 % соответственно.
Взаимосвязь показателей вязкости КСи и К с равномерным относительным удлинением 5р исследовали также на примере механических свойств сталей после закалки от 850...870 °С и отпуска [6]. Исходные данные (ов, от 5, ¥, КСИ, К ) и расчетные величины (С, 5р) приведены в табл. 2.
Табл. 2. Механические свойства сталей после закалки и отпуска [6]
№ Сталь Закалочная среда О* МПа Ор МПа 5, % ¥, % С % кси, МДж/м2 К1С, МПа-м0-5
1 40Х (отпуск при 530 °С 3,5Ч) 1,2%ПК-2 945 725 12,8 46,3 1,04 5,16 1,38 437,5
2 830 640 17,8 53 1,11 5,65 0,7 439,9
3 0,9%ПК-2 920 745 17,8 47,5 1,18 4,26 1,28 437
4 885 685 17,8 51 1,12 5,37 1,22 451,4
5 Масло 840 620 14 56 0,99 7,13 0,8 470,4
6 30Х (отпуск при 430 °С 3,0Ч) 1,2%ПК-2 850 655 22,5 55,6 1,18 5,82 1,52 472,6
7 835 640 18,9 53,3 1,12 5,77 1,39 445,1
8 0,9%ПК-2 920 760 17,8 53,3 1,16 4,33 1,56 490,4
9 880 685 14,8 46,3 1,10 4,85 1,5 407,4
10 Масло 850 750 12 45 1,15 2,57 1,2 382,9
11 34ХН1М (отпуск при 560 °С 3,5Ч) 1,2%ПК-2 875 710 18 53,5 1,15 4,69 1,8 466,4
12 865 705 18,7 58,9 1,13 5,03 1,74 509,5
13 0,9%ПК-2 890 735 19,9 53,3 1,20 4,32 1,95 474,4
14 870 705 19,5 54,4 1,17 4,78 1,94 473,3
15 Масло 900 750 13 40 1,16 3,22 0,91 360
16 38ХГМ (отпуск при 560 °С 3,5Ч) 1,2%ПК-2 0,9%ПК-2 830 620 18 54 1,08 6,39 1,51 448,2
17 890 700 19 53 1,15 5,24 0.88 471,7
18 Масло 750 600 12 40 1,10 3,83 0,5 300
Окончание табл. 2
№ Сталь Закалочная среда °В> МПа МПа 5, % % С 5» % KCU, МДж/м2 K1C, МПа-м0-5
19 38ХС (отпуск при 620 °С 3,5Ч) 1,2%ПК-2 1400 1200 14,3 30,6 1,32 2,41 0,35 428,4
20 1190 1000 14,3 34,6 1,25 2,81 0,28 411,7
21 0,9%ПК-2 1400 1190 14,5 37,4 1,24 2,82 0,36 523,6
22 1320 1150 12,8 33,6 1,25 2,27 0,27 443,35
23 Масло 1250 1100 12 40 1,18 2,38 0,35 500
По табличным результатам можно отметить следующее.
1. Для стали 40Х (варианты 1—5) наименьшие значения критерия С установлены для вариантов 1 (С = 1,04) и 5 (С = 0,99). Наибольшие значения 8р и К1С характерны для варианта 5 (8Р = 7,13 %, К1С = 470,4 МПам-05). Для варианта 5 отмечается наименьшее значение КСи = 0,8 МДж/м2.
2. Для стали 30Х (варианты 6—10) наименьшее значение С = 1,10 характерно для варианта 9, для которого отмечаются повышенные значения 8Р = 4,85 % и КСИ = 1,5 МДж/м2. Пониженное значения К1С = 407,4 МПам05.
3. Для стали 34Х1НМ (варианты 11—15) наименьшее значение С = 1,13 установлено для варианта 12, для которого характерны наибольшие значения К1С = 509,5 МПа •м05 и 5Р =5,03 %. Этот вариант можно считать лучшим.
4. Для стали 38ХГМ (варианты 16—18) наименьшее значение С = 1,08 имеет вариант 16, который обладает наибольшей величиной 5Р = 6,39 % и повышенным К1С = 509,5 МПам05.
5. Для стали 38ХС (варианты 19—23) наименьшее значение С = 1,18 получено для варианта 23. Он характеризуется повышенными значениями 5Р = 2,38 % КСИ = 0,35 МДж/м2, К1С = 500 МПа-м0-5. Лучшим можно считать вариант 21,имеющий пониженное значения С = 1,24 и наибольшие величины 5Р = 2,82 % КСИ = 0,36 МДж/м2, К1С = 523,6 МПа-м05.
Таким образом, лучшими комплексом механических свойств обладает сталь, характеризующаяся минимальным значением критерия С и максимальными величинами 5Р, КСИ и К1С.
Обобщенные зависимости показателей вязкости от относительного равномерного удлинения сталей (см. табл. 2) проиллюстрированы на рис. 3, 4.
Зависимости К1С=Д5Р) и КСИ = Д5Р) соответственно можно аппроксимировать линейными функциями вида
К1С = 400(1 + 0,019 -102 8Р(7)
КСи = 0,15 (1 +1,45 • 102 8Р(8)
Примечательно практическое сходство зависимостей (2) и (8), характеризующих связь ударной вязкости и равномерного относительного удлинения. Данный факт согласуется с выводом [1]: «Между равномерным относительным удлинением и ударной вязкостью — наиболее широко применяемой характеристикой хладноломкости — установлена тесная корреляционная связь» [7]. Вместе с тем зависимости (3) и (7) заметно различаются, что можно объяснить сложным многофакторным влиянием на вязкость разрушения сталей (см. табл. 2).
ВЕСТНИК
МГСУ-
8/2013
Однако полученную зависимость (7) можно использовать в оценочных расчетах на долговечность металлоконструкций. При этом необходимо учитывать толщину проката не менее 100 мм [8], влияние внешней среды [9, 10], компонентное (механическое, трибологическое, термическое, химическое) на-гружение материала [11, 12].
Рис. 3. Обобщенная зависимость вязкости разрушения от относительного равномерного удлинения
2,5
Рис. 4. Обобщенная зависимость ударной вязкости от относительного равномерного удлинения
Выводы. 1. Для различно раскисленной стали марки 40ХЛ после закалки и низкого отпуска установлены линейные зависимости ударной вязкости КСи и вязкости разрушения К1С от равномерного относительного удлинения 5р.
2. Для легированных среднеуглеродистых конструкционных качественных сталей после закалки в различных охлаждающих средах и отпуска получены аппроксимирующие линейные зависимости ударной вязкости и вязкости разрушения от равномерного относительного удлинения.
3. Зависимости ударной вязкости сталей пп. 1 и 2 от равномерного относительного удлинения практически совпадают, что свидетельствует о тесной корреляционной связи между КСИ и 5р.
Библиографический список
1. Балдин В.А., Потапов В.Н., Яковлева В.С. Оценивать работоспособность конструкций по равномерному относительному удлинению сталей // Промышленное строительство. 1976. № 11. С. 37—38.
2. Балдин В.А. О расчете стальных конструкций на хрупкую прочность //строительная механика и расчет сооружений. 1969. № 3. С. 4—5.
3. Густов Ю.И., Густов Д.Ю. К развитию научных основ строительного металловедения // Теоретические основы строительства : X Российско-польский семинар : доклады. Варшава, 2001. С. 307—314.
4. Густов Ю.И., Густов Д.Ю., Воронина И.В. Методология определения триботех-нических показателей металлических материалов // Теоретические основы строительства : XVI Российско-словацко-польский семинар : сб. докладов. М., 2007. С. 339—342.
5. Беликов С.Б., Волчок И.П., Вильнянский А.Е. Повышение качества хромистых и марганцовистых сталей // Строительство, материаловедение, машиностроение : сб. научн. тр. Днепропетровск : ПГАСА, 2001. Вып. 12. С. 17—176.
6. Эйсмондт Ю.Г. Исследование охлаждающих сред, альтернативных закалочным маслам // Материаловедение и термическая обработка металлов. 2000. № 11. С. 32—36.
7. Пашков П.О. Разрыв металлов. Л. : Судпромгиз, 1960. 242 с.
8. Большаков В.И. Субструктурное упрочнение конструкционных сталей. Канада, 1998. 316 с.
9. Einfurung in die Werkstoffwissenschaft2.Aufl.Hrsg. W. Schulze. Leipzig. VEB DVfG, 1975, 431 p.
10. Einfurung metallischer Werkstoffe Hrsg. G.Schott. Leipzig. VEB DVfG, 1977.
11. Исследование пластичности стали при деформации шариковым инден-тором / П.Ю. Белов, Б.П. Сафонов, А.В. Бегова, К.Н. Марценко // Труды НИ РХТУ им. Д.И. Менделеева. Новомосковск, 2012. Вып. № 9. С. 41—43.
12. Виногродов В.Н., Сорокин Г.М. Механическое изнашивание сталей и сплавов. М. : Недра, 1996. 364 с.
Поступила в редакцию в июле 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, 8(499)183-94-95, [email protected];
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, [email protected].
Для цитирования: Густов Ю.И., Аллаттуф X Исследование взаимосвязи показателей пластичности и вязкости металлов // Вестник МГСУ 2013. № 8. С. 14—20.
Yu.I. Gustov, H. Allattouf
STUDY OF INTERRELATION BETWEEN PLASTICITY AND ELASTICITY OF METALS
The operational capacity of metal materials as part of structural elements of industrial and civil buildings depends on plastic deformability of metals. This property of construction steels is assessed through the employment of the overall elongation coefficient consisting of uniform and concentrated components.
For metal structural elements, assessment of steel plasticity using the uniform elongation method (rather than overall elongation) is preferable. This component characterizes the tendency of steels to brittle destruction, fatigue resistance and cold brittleness.
Therefore, the study of interrelation between plasticity and elasticity of steels is very important. Dependences of impact elasticity and failure elasticity on their uniform elongation are studied. The values of impact elasticity and failure elasticity are obtained experi-
ВЕСТНИК 8/2013
8/2013
mentally in the process of testing of the 40ХЛ grade steel hardened at the temperature of 860 °C and tempered at the temperature of 200 °C.
The elongation factor is calculated using the formula of uniform elongation. For steels under consideration, formulas of impact elasticity and failure elasticity are obtained, where uniform elongation is expressed as a fraction.
Key words: impact elasticity, failure elasticity, uniform elongation, steel, hardening, tempering, metal plasticity.
References
1. Baldin V.A., Potapov V.N., Yakovleva V.S. Otsenivat' rabotosposobnost' konstruktsiy 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.
2. Baldin V.A. O raschete stal'nykh konstruktsiy na khrupkuyu prochnost' [Brittle Fracture Analysis of Steel Structures]. Stroitel'naya mekhanika i raschet sooruzheniy [Structural Analysis and Analysis of Structures]. 1969, no. 3, pp. 4—5.
3. Gustov Yu.I., Gustov D.Yu. K razvitiyu nauchnykh osnov stroitel'nogo metallo-vedeniya [Development of Research Fundamentals of Metal Science in Civil Engineering]. Teoreticheskie osnovy stroitel'stva. X Rossiysko-pol'skiy seminar. Doklady. [Theoretical Fundamentals of Construction. 10th Russian-Polish Seminar. Reports] Warsaw, 2001, pp. 307—314.
4. Gustov Yu.I., Gustov D.Yu., Voronina I.V. Metodologiya opredeleniya tribo-tekh-nicheskikh pokazateley metallicheskikh materialov [Methodology for Identification of Tribo-technological Values of Metal Materials]. Teoreticheskie osnovy stroitel'stva. XVI Rossiys-ko-slovatsko-pol'skiy seminar. Sb. dokladov [Theoretical Fundamentals of Construction. 16th Russian-Polish Seminar. Collected Papers]. Moscow, 2007, pp. 339—342.
5. Belikov S.B., Volchok I.P., Vil'nyanskiy A.E. Povyshenie kachestva khromistykh i mar-gantsovistykh staley [Quality Improvement of Chromium and Manganese Steels]. Stroitel'stvo, materialovedenie, mashinostroenie. Sb. nauchn. tr. [Construction, Material Science and Machine Building. Collected research papers]. Dnepropetrovsk, PGASA Publ., 2001, no. 12, pp. 17—176.
6. Eysmondt Yu.G. Issledovanie okhlazhdayushchikh sred, al'ternativnykh zakalochnym maslam [Research into Cooling Media Alternative to Tempering Oils]. Materialovedenie i ter-micheskaya obrabotka metallov [Material Science and Thermal Treatment of Metals]. 2000, no. 11, pp. 32—36.
7. Pashkov P.O. Razryv metallov [Fracture of Metals]. Leningrad, Sudpromgiz Publ., 1960, 242 p.
8. Bol'shakov V.I. Substrukturnoe uprochnenie konstruktsionnykh staley [Sub-structural Strengthening of Structural Steels]. Canada, 1998, 316 p.
9. Einfurung in die Werkstoffwissenschaft.2.Aufl.Hrsg. Leipzig, W. Schulze, VEB DVfG, 1975, 431 p.
10. Einfurung metallischer Werkstoffe Hrsg. Leipzig, G.Schott, VEB DVfG, 1977.
11. Belov P.Yu., Safonov B.P., Begova A.V., Martsenko K.N. Issledovanie plastichnosti stali pri deformatsii sharikovym indentorom [Research into Steel Plasticity of Steel Exposed to Ball Penetrator Deformations]. Trudy NI RKhTU im. D.I. Mendeleeva [Works of Russian University of Chemical Technology]. Novomoskovsk, 2012, no. 9, pp. 41—43.
12. Vinogrodov V.N., Sorokin G.M. Mekhanicheskoe iznashivanie staley i splavov [Mechanical Wear of Steels and Alloys]. Moscow, Nedra Publ., 1996, 364 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; [email protected]; +7 (499) 183-94-95;
Allattouf Hassan — postgraduate student, Department of Machinery, Machine Elements and Process Metallurgy, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; [email protected].
For citation: Gustov Yu.I., Allattouf H. Issledovanie vzaimosvyazi pokazateley plastichnosti i vyazkosti metallov [Study of Interrelation between Plasticity and Elasticity of Metals]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 8, pp. 14—20.
