CC BY
118
Presents a physical and mathematical model of the process of grinding of many-component powder mixture core cladding electrode wire when it deforme-programming with the decrease of the cross section (high-temperature rolling, grief-Chim or cold drawn bars) on the basis of energy theory grinding solid. The model relates the size of the output with the shredding of particles with energy in the indicators of process of deformation.
Key words: physical and mathematical model, grinding solid, energy grinding, powder cladding electrode wire.
Zakharov Sergey Konstantinovich, candidate of technical science, docent, zzzsk1971 @yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Protopopov Aleksander Anatolievich, doctor of technical science, professor, manager of department, protopopov@tsu. tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Erofeev Vladimir Aleksandrovich, candidate of technical science, docent, va-erofeev@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Malenko Pavel Igorevich, candidate of technical science, docent, malen-ko@tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Protopopov Evgeniy Alexandrovich, assistant, pea 12@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Walter Alexander Igorevich, doctor of technical science, professor, val-ter. alex@rambler. ru,, Russia, Tula, Tula State University
УДК 620.171:669-1
ОБОБЩЕННАЯ ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ УДАРНОЙ ВЯЗКОСТИ УЛУЧШЕННЫХ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ
Е.А. Протопопов, А.И. Вальтер, А.А. Протопопов, П.И. Маленко,
С.К.Захаров
Получена обобщенная температурная зависимость ударной вязкости улучшенных низколегированных сталей для температур +20 С, -40 С и -60 С.
Ключевые слова: ударная вязкость, низколегированные сталь, степень кова-лентности, степень металличности, температурная зависимость ударной вязкости.
Для современного машиностроения характерна тенденция постоянного роста уровня требований к служебным характеристикам металлопродукции. Это обусловлено, в том числе, тем, что с развитием машиностроения и совершенствованием используемых технологий возникает необходи-
110
мость в широком применении новых конструкционных сталей, отличающихся экономически выгодным сочетанием повышенной технологичности с высокими механическими характеристиками. Для ответственных тяже-лонагруженных деталей и узлов применяют легированную сталь после улучшения, что позволяет обеспечить высокую конструктивную прочность - высокую прочность с сочетании с высокой пластичностью, вязкостью и малой склонностью к хрупким разрушениям. На механические свойства сталей существенное влияния оказывают легирующие элементы и примеси, в том числе Р, 8, К, Лб, 8Ь, 8п, и др. [1-3].
Легирующие элементы определяют различные факторы (размер зерна аустенита, его устойчивость при переохлаждении, структуру мартенсита, свойства феррита и карбидной фазы и др.) и процессы, происходящие при закалке и отпуске, что обусловливает формирование через них механических свойств стали [2]. В связи с вышеизложенным актуален поиск зависимостей, позволяющих оценить влияние легирующих элементов и примесей на формирование механических свойств низколегированных сталей после их улучшения. В числе механических свойств ударная вязкость, является одной из основных нормируемых характеристик металлоконструкций, работающих при отрицательных температурах,
Целью данной работы является определение обобщенной температурной зависимости ударной вязкости улучшенных низколегированных сталей в интервале температур от +20 °С до -60 °С.
Методика проведения рассчетов и материалы. Основные механические свойства низколегированных сталей отражают состояние металла в процессе его пластического течения, в том числе в случае казистатиче-ского роста трещины при испытаниях на ударный изгиб.
Пластическая деформация развивается в виде ряда самосогласованных процессов пластического течения металла на нано-, микро-, мезо- и макромасштабном уровнях деформируемого тела [4].
Возмущение электронной подсистемы при нагружении твердого тела выше предела текучести обеспечивает возникновение локальных концентраторов напряжений, генерирующих все виды деформационных дефектов: вакансий и междуузельных атомов, атом-вакансионных нанокла-стеров различных конфигураций, дислокаций, диклинаций, двойников, ме-зо- и макрополос локализованной деформации, трещин и др. [5, 6].
На наноуровне в локальных зонах растягивающих нормальных напряжений возникает структура, не имеющая трансляционной инвариантности, и пластическое течение реализуется за счет возникновения сильно возбужденных или атомно-вакансионных состояний со структурой неравновесной и растянутой кристаллической решетки. В условиях трансляци-онно-инвариантной кристаллической решетки пластическая деформация реализуется движением ядер дислокаций, а при отсутствии трансляционной инвариантности пластическая деформация обусловливается недисло-
кационными механизмами: распространением полос сдвига, мезо- и макрополос локализованных сдвигов, полос адиабатического сдвига, зерно-граничным проскальзыванием и др. [5].
Любой элементарный акт пластического течения металла, протекающий как по дислокационному, так и недислокационному механизму, осуществляется путем локального нарушения межатомной связи. Поэтому основные механические свойства металла, интегрально отражая его состояние в процессе пластического течения, определяются, в том числе, межатомным взаимодействием.
Межатомное взаимодействие характеризуется рядом параметров, в том числе, энергией связи и соотношением составляющих химической связи, т.е. степенями ионности, металличности и ковалентности.
Регулированием степени ковалентности связи в сталях, путем их легирования, достигается обеспечение вязкого разрушения хладостойких сталей [7].
В соответствии с работой [6] ударная вязкость низколегированных сталей со структурой сорбита отпуска для образцов Менаже определяется уравнением:
кси = кКси
с
м
с V ^ к
+ а,
(1)
где ккси, а - коэффициенты, табл. 1;
с
пр
\
м
с
- приведенное обобщенное
отношение степеней металличности и ковалентности межатомных связей:
( с Л
с
V ск
N
а- (т)
(с Л
пр
1=1 а1
293
с
V ск ¿1
Хэ1кэ1 (ХЭ1)+ I ]=1
М ( с \
с
V с; ]
Хэ]кэ] (Хэ] )
(2)
где 1, j - индексы атомов соответственно замещения и внедрения; Хэ1, Х^ -мольная доля соответственно 1-го и j-го компонентов стали; кэ1 (Хэ1), к • (Х •)
- экспериментальные зависимости, учитывающие влияние содержания соответственно 1-го и j-го элементов на величину ударной вязкости; щ (т) -температурная зависимость линейного коэффициента термического расширения 1-го элемента; а293 - значение линейного коэффициента термического расширения 1-го элемента при +20 °С.
Коэффициенты ккси, а в уравнении (1) отражают суммарный вклад нано-, микро-, мезо- и макроуровней металла в формировании ударной вязкости и определяются методом регрессионного анализа на основе экспериментальных данных. Для сталей 10Г2СД, 14ХГС, 18ХГТ, 20ХНР, 20ХГР, 20ХГНР, 20ХН3А, 35ХГСА, 30ХН3А, 30ХН2МФА, 33ХС, 34ХН3М, 35ХНЛ, 36Х2Н2МФА, 38ХН3МФА, 38ХГН, 50Г, 40ХЛ, 40ХН, 40ХН2МА, 36Х2Н2МФА, 45 значения коэффициентов ккси, а приведены в табл. 1.
Таблица 1
Значение коэффициентов кКси, а при различных температурах
Температура,°С Коэффициенты
2 а, Дж/см 2 ккси, Дж/см
+20 -1883,75845 692,92701
-40 -2287,03574 898,50559
-60 -2358,34194 970,28724
Для получения обобщенной температурной зависимости ударной вязкости рассмотренных сталей в интервале температур от +20°С до -60°С использован метод многомерного регрессионного анализа.
Результаты исследований и их обсуждение
Обобщение экспериментальных данных по ударной вязкости при +20 °С, -40 °С и -60 °С [9] для рассмотренных сталей после улучшения на сорбит методом многомерного регрессионного анализа дает уравнение:
С
'м
кси = -4427,443182 +1623,376623
С , V Ск у
где КСи в Дж/см2, Т в оС.
График зависимости (3) приведен на рис. 1.
- 6б78409Т
(3)
пр
Рис. 1. Обобщенная зависимость ударной вязкости улучшенных низколегированных сталей от температуры при +20 С, -40 С и -60 °С
Коэффициент корреляции Пирсона для зависимости (3) составляет Я = 0.968 и значительно превышает соответствующее критическое значение при уровне значимости 0,001, что определяет адекватность уравнения
(3).
В уравнении (3) приведенное обобщенное отношение степеней ме-
талличности и ковалентности межатомных связей
С
Ск
может иметь
^пр
одно и тоже значение при различном сочетании легирующих элементов и примесей, в том числе, в пределах регламентированного химического состава конкретной марки стали. В связи с чем уравнение (3) может найти применение при проведении коррекции химического состава стали на стадии выплавки (или получении сварного шва) для обеспечения требуемого и стабильного уровня ударной вязкости в производимых металлоконструкциях.
Выводы:
1. Получена обобщенная температурная зависимость ударной вязкости низколегированных сталей со структурой сорбита отпуска для температур +20 °С, -40 °С и -60 °С.
2. Полученная зависимость может быть использована при проведении коррекции химического состава стали на стадии выплавки (или получении сварного шва) для обеспечения требуемого уровня ударной вязкости в производимых из данной стали изделиях.
Работа представлена на 3-й Международной Интернет - конференции по металлургии и металлообработке, проведенной в ТулГУ 1 мая - 30 июня 2014 г.
Список литературы
1. Шахпазов Е.Х., Зайцев А.И., Родионов И.Г. Современные проблемы металлургии и материаловедения стали // Металлург. 2009. №4. С.25-31.
2. Гольдштейн М.И.,. Грачев С.В,. Векслер Ю.Г Специальные стали. М.: МИСИС, 1999. 408 с.
3. Ключевые направления развития металлургической технологии по обеспечению растущих требований к качеству стали / Е.Х. Шахпазов, А.И. Зайцев, И.Г. Родионов, Г.В. Семернин // Электрометаллургия. 2011. № 2. С. 2-12.
4. Панин В.Е., Панин А.В. Фундаментальная роль наномасштабного структурного уровня пластической деформации твердых тел // Металловедение и термическая обработка материалов. 2006. №12(618). С.5-10.
5. Панин В.Е., Егорушкин В.Е., Панин А.В. Физическая мезомеха-
114
ника деформируемого твердого тела как многоуровневой системы. 1. Физические основы многоуровневого подхода // Физическая мезомеханика. 2006. №3. С.9-22.
6. Панин В.Е., Егорушкин В.Е. Физическая мезомеханика и неравновесная термодинамика как методологическая основа наноматериалове-дения // Физическая мезомеханика. 2009. №4. С.7-26.
7. Хладостойкость материалов и элементов конструкций: Результаты и перспективы / В.П. Ларионов, В.П. Кузьмин, О.И. Слепцов и др. Новосибирск: Наука, 2005. 290 с.
8. Протопопов Е.А. Оценка ударной вязкости низколегированных сталей // Заготовительные производства в машиностроении. 2010. №10. С.35-38.
9. Марочник сталей и сплавов / М.М. Колосков, Е.Г. Долбенко, Ю.В. Каширский и др.; под общ. ред. А.С. Зубченко. М.: Машиностроение, 2001. 672 с.
Протопопов Евгений Александрович, асс, pea. 12@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Вальтер Александр Игоревич, д-р техн. наук, проф., valter.alex@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Протопопов Александр Анатольевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, pro-topopov@tsu. tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Маленко Павел Игоревич, канд. техн. наук, доц., malenko@tsu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Захаров Сергей Константинович, канд. техн. наук, доц., zzzsk1971 @yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
GENERALIZED TEMPERATURE MODEL OF IMPACT STRENGTH
OF LOW-ALLOYED STEELS SUBJECTED TO HARDENING AND HIGH TEMPERATURE TEMPERING
E.A. Protopopov, A.I. Walter, A.A. Protopopov, P.I. Malenko, S.K. Zaharov
Generalized temperature model of impact strength of low-alloyed steels subjected to hardening and high temperature tempering for +20 °С, -40 °С and -60 °С is received.
Key words: impact strength, low-alloy steel, covalency level, metallicity level, temperature model of impact strength.
Protopopov Evgeny Aleksandrovich, assistant, pea 12@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Walter Aleksander Igorevich, doctor of technical sciences, professor, valter. alex@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Protopopov Aleksander Anatolyevich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, protopopov@tsu. tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Malenko Pavel Igorevich, candidate of technical sciences, docent, malen-ko@tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Zaharov Sergey Konstantinovich, candidate of technical sciences, docent, zzzsk1971 @yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 519.711.3; 621.778.01
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ПРИ ИЗМЕЛЬЧЕНИИ ПОРОШКА ПРИ ПРОКАТКЕ
И ВОЛОЧЕНИИ
В. А. Ерофеев, С.К. Захаров, О.В. Кузнецов
При изготовлении наплавочной порошковой проволоки прокаткой и волочением происходит измельчение шихтовых материалов сердечника. Для оценки степени измельчения частиц порошка было выполнено компьютерное моделирование процесса деформирования порошковой проволоки путём решения уравнений совместимости деформаций с последующим расчётом распределения относительных деформаций и удельной работы деформирования. Моделирование показало, что энергия деформирования неравномерно распределена по сечению проволоки. Плотность энергии деформирования имеет наибольшую величину на поверхности проволоки на выходе из фильеры и убывает к оси проволоки.
Ключевые слова: порошковая проволока, волочение, математическое моделирование, численный анализ измельчения.
При сварке и наплавке используют порошковую проволоку, сердечник которой содержит специальные шихтовые материалы в виде твёрдых и тугоплавких порошкообразных частиц. Проволоку изготавливают прокаткой и волочением, при котором происходит измельчение шихтовых материалов сердечника. Задачей является оценка степени измельчения частиц порошка.
Исследованиям в области разрушения твердого тела в процессе механического измельчения посвящен целый ряд работ [1-5], в которых теоретическая постановка задач базируется на применении элементов теории прочности и механики разрушения (например, динамики трещинообразо-вания и кинетики упругодеформационного разрыва межатомных связей). Существуют дислокационные модели [6, 7], в которых рассматривается разрушение частиц порошка при механическом истирании вследствие де-
