CC BY
423
Список литературы
1. Столяров А.Ю. Разработка технологии термической обработки проволоки для армирования бортовых колец шин способом нагрева в кипящем слое / А.Ю. Столяров, Н.Г. Гофман, В.И. Токарев // Метиз. 2008. № 3. С. 21-23.
2. Бабич В.К., Гуль Ю.П., Долженков И.Е. Деформационное старение стали. Изд-во «Металлургия», 1972. 320 с.
3. Стародубов К.Ф., Бабич В.К. Изменение пластических свойств стали при отпуске. Укр. НТО ЧМ, Днепропетровск, 1957.
4. Стародубов К.Ф., Бабич В.К. // Изв. вузов, Черная металлургия. 1958. № 2. С. 133.
5. Стародубов К.Ф., Бабич В.К. // Вопросы черной металлургии: Научные труды Днепропетровского металлургического института. Днепропетровск, 1958, вып. 36, С. 43.
6. Бабич В.К., Пирогов В.А., Бережной А.В. // Изв. вузов. Черная металлургия. 1969. № 2. С. 78.
7. Столяров А.Ю. Разработка конкурентоспособной технологии производства проволоки высокой прочности для армирования автомобильных шин: дис. ... канд. техн. наук. Магнитогорск, 2013. 117 с.
8. Завалишин А.Н., Покачалов В.В., Харитонов В.А. Линейные дефекты кристаллического строения металлов: учеб. пособие. Магнитогорск: МГТУ им. Г.И. Носова, 200. 71 с.
9. Харитонов В.А., Тулупов О.Н. Солвременные направления развития технологии производства катанки: учеб. пособие. Магнитогорск: МЦОС, 2005. 137 с.
10. Бабич В.К., Сердюк А.Г. // Упрочняющая термическая обработка проката: Труды Института черной металлургии. Изд-во «Металлургия», 1966, вып. 24. С. 105.
11. Коджаспиров Г.Е., Рудской А.И., Рыбин В.В. Физические основы и ресурсосберегающие технологии изготовления изделий деформированием. СПб: Наука, 2006. 350 с.
12. Горелик С.С. Рекристаллизация металлов и сплавов. Изд-во «Металлургия», 1967.
13. Биронт В.С. Теория термической обработки металлов. Отжиг: Учеб. пособие. СФУ: ИЦМиЗ. Красноярск, 2007. 234 с.
14. Харитонов В.А., Столяров А.Ю. Влияние геометрических параметров очага деформации на разрушение проволоки при волочении // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2013. № 1 (41). С. 33-39.
15. Харитонов В.А. Повышение эффективности производства стальной проволоки волочением // Обработка сплошных и слоистых материалов. 2013. № 1 (39). С. 79-85.
УДК 621:771.23-022.532:621.785
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВЫСОКОПРОЧНЫХ И СВЕРХВЫСОКОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ ПО ТВЕРДОСТИ1
Чукин М.В., Полецков П.П., Гущина М.С., Бережная Г.А.
ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», Россия
Введение
Традиционным методом определения прочности и пластичности металла является отбор проб и их последующее испытание на растяжение по ГОСТ 1497-84 [1], EN ISO 68921:2009 [2]. Главным преимуществом данного метода является то, что полученные в результате прямых испытаний значения прочностных (предел текучести, временное сопротивление
1 Работа проведена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках реализации комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства, выполняемого с участием российского высшего учебного заведения (договор 02.G25.31.0105).
разрыву) и пластических характеристик (относительное удлинение и относительное сужение) наиболее близки к истинным. Недостаток заключается в том что, прежде всего это разрушающий вид контроля качества а, следовательно, после испытаний разрушенные образцы выбрасывают или перерабатывают, что вызывает дополнительные материальные и трудовые затраты. Кроме того, для сверхвысокопрочных материалов существенным ограничением выступают характеристики испытательного оборудования - максимальная предельная нагрузка разрывной машины.
В данной работе выполнены экспериментальные исследования взаимосвязи между твердостью и другими показателями качества высокопрочного и сверхвысокопрочного листового проката, обладающего комплексом механических свойств: прочность 700 -2000 Н/мм2, твердость свыше 280 HB, удлинение не менее 8% [3, 4].
Связь между прочностью металла и твердостью
В общем виде связь между твердостью по Бринеллю и пределом прочности можно выразить в виде:
с ■ НВ. (1)
Впервые эта зависимость была установлена Бринеллем [5], который для углеродистых сталей получил значение коэффициента с, равное 0,346. Для углеродистых и низколегированных сталей коэффициент пропорциональности с оказался близким к 0,333 [6-8].
Однако те же исследования показали, что коэффициент с зависит от упрочняемости материала, т.е. от предельной равномерной деформации Тр. Чем больше равномерная деформация, тем больше значение коэффициента с.
В настоящее время установлено большое количество зависимостей прочности от твердости. Например, в СТО 22-04-02 [9] приведена формула
сгв= 112 + 2,4НВ. (2)
Зависимость рассматриваемых параметров, указанная в справочнике [11], имеет вид
сгв= 9,81 ■ K ■ НВ , (3)
где К = 0,34 при НВ < 175 и К = 0,36 при НВ > 175.
Значения прочности, полученные по этим зависимостям, имеют существенные отличия и в ряде случаев значительно отличаются от истинной прочности испытываемого материала.
Цель настоящей работы - установление зависимостей между твердостью и другими механическими характеристиками высокопрочного и сверхвысокопрочного листового проката, оценка адекватности и надежности полученных уравнений.
Для достижения поставленной цели в лабораторном комплексе ООО «Термодеформ-МГТУ» (г. Магнитогорск) и НИИ Наносталей (г. Магнитогорск) выполнены экспериментальные исследования на образцах проката из мало- и среднеуглеродистых низколегированных высокопрочных и сверхвысокопрочных сталей (табл. 1).
Испытания механических свойств изготовленных образцов проката осуществлялись в аккредитованной лаборатории в соответствии с общепринятыми условиями:
- испытания на растяжение проводились на плоских образцах типа II по ГОСТ 1497 на универсальной испытательной машине фирмы ZWICK GmbH&Co.Mn, Германия, серии Z2000;
- измерения твердости по Бринеллю HBW проводились по ГОСТ 9012 с применением шарика из твердого сплава диаметром 10,0 мм под действием усилия F = 29430 Н (3000 кгс).
Химический состав сталей
Массовая доля элементов, %, не более или в диапазоне Сэ, % не более
С 81 Мп Р 8 Сг Мо N1 Си Прочие
0,100,45 0,60 1,70 0,015 0,010 1,20 0,70 3,50 0,20 V, Т1, В 0,86
_ _ Мп Сг + Mo + V Си + N1 Примечание: углеродный эквивалент С = С + + + э 6 5 15
Далее проводился статистический анализ данных, полученных по результатам прямых испытаний. С целью определения степени взаимосвязи между твердостью и пределом текучести, временным сопротивлением разрыву провели корреляционный анализ.
Согласно рекомендациям [10] построили матрицу корреляции (табл. 2), где представлены значения коэффициентов корреляции г, с целью проведения в дальнейшем оценки его значимости для каждого из исследуемых факторов.
Таблица 2
Матрица корреляции
HBW 00,2 Ов
HBW 1,00 0,98 0,97
00,2 0,98 1,00 0,97
Ов 0,97 0,97 1,00
Поскольку коэффициент корреляции вычисляется на основании выборочных данных и является случайной величиной, его значение должно быть проверено на значимость. Наиболее часто критерием значимости коэффициента парной корреляции принимают условие:
и* _
t = , л/п - 2 > t [а;п - 2], (4)
41 - г2 '
где t и t [а; п - 2] - рассчитанное и табличное число Стьюдента.
Возможен также иной подход [11], согласно которому фактическое значение коэффициента парной корреляции г сравнивается с минимальной статистически значимой величиной ГтП
г> гmm =
1 +
1
-о-• (5)
п - 2 4 у
(¿[а; п - 2])2
Условия (4) и (5) не являются взаимоисключающими, поскольку получены из одной и той же исходной предпосылки. Если (4) и (5) выполняются, то коэффициент парной корреляции можно считать значимым с доверительной вероятностью р = 1-а.
Уровень доверительной вероятности принимаем равным 99 % с целью повышения точности будущей аппроксимации. Критерии оценки и полученные результаты представлены в табл.3.
Определили, что с доверительной вероятностью 99 % статистически значимыми являются коэффициенты корреляции между твердостью и условным пределом текучести г(НВ'^ Оод)=0,98, а также между твердостью и временным сопротивлением разрыву г(НВ'^
00д)=0.97. Положительные значения коэффициентов корреляции указывают на возрастание отклика с увеличением фактора, что не противоречит известным данным.
Таблица 3
Проверка коэффициентов корреляции на значимость
Оценка по 1 -му критерию (выражение 4) Оценка по 2-му крите )ию (выражение 5)
п 25 объем выборки п 25 объем выборки
т 2 кол-во факторов т 2 кол-во факторов
Р 0.99 дов. вероятность Р 0.99 дов. вероятность
г [а;п - 2] 2.807 Стьюдент табл. гтш 0.505 мин. значимый
Í(HBW; О0.2) 22.973 значим r(HBW; О0.2) 0.98 значим
¿(Ж'^ Ов) 18.780 значим r(HBW; Ов) 0.97 значим
Далее провели парный регрессионный анализ с целью установления математической зависимости между откликом и фактором. Были получены различные виды уравнений парной регрессии (линейная, логарифмическая, степенная, экспоненциальная, полиноминальная). Уравнения регрессии «условный предел текучести - твердость» и «временное сопротивление разрыву - твердость», а также критерии, характеризующие допустимость отображений исследуемых зависимостей выбранными уравнениями регрессии, представлены в табл. 4 и 5.
Таблица 4
Уравнения регрессии «условный предел текучести - твердость»
Вид аппроксимации Уравнение регрессии Я2 к Рр Бт Вывод о надежности Бр- Бт
Линейная о0.2 = 2,2686HBW +208.6 0.958 2 524.6 4.28 Надежная 520
Логарифмическая 00.2 = 954,21n(HBW) - 4580 0.946 2 402.9 4.28 Надежная 399
Полиноминальная 2 степени 00.2 = 0.001HBW 2 + 0,806HBW + 512.9 0.960 3 264.0 3.44 Надежная 261
Полиноминальная 3 степени о0.2 = 5E-05HBW 3 -0,066HBW 2 +30.10HBW -3604 0.971 4 234.4 3.07 Надежная 231
Степенная Оо.2 = 8,616HBW0'812 0,964 2 598,6 4,28 Надежная 594
Экспоненциальная С1 1 п? 0,0019HBW о0 2 = 511,03е ' 0,964 2 598,6 4,28 Надежная 594
Примечания: Я2 - козе Бр - рассчитанное чис )фициент детерминации; к- число коэффициентов регрессии в уравнении; ло Фишера; Бт - табличное число Фишера
Таблица 5 Уравнения регрессии «временное сопротивление разрыву - твердость»
Вид аппроксимации Уравнение регрессии Я2 к Рр Рт Вывод о надежности Рр- Рт
Линейная ов = 3,611HBW - 154,9 0,938 2 348 4,28 Надежная 343,7
Логарифмическая ов = 15171п(НВ'^) - 7769 0.925 2 283.7 4.28 Надежная 279.4
Полиноминальная 2 степени ов = 0,003HBW 2 + 1.040 HBW + 380.1 0.941 3 175.4 3.44 Надежная 172.0
Полиноминальная 3 степени Ов = -5Е-06 HBW 3 + 0.009 HBW 2 -1.705 HBW + 765.9 0.941 4 111.6 3.07 Надежная 108.6
Степенная ов = 1,664HBW1.109 0.929 2 300.9 4.28 Надежная 296.7
Экспоненциальная С. 0,002HBW ов = 439.6е . 0.930 2 305.6 4.28 Надежная 301.3
Определили, что с доверительной вероятностью 95 %, статистически значимыми являются все рассмотренные аппроксимации.
Наилучшим отображением связи между условным пределом текучести 00,2 и твердостью HBW является степенная (рис. 1) и экспоненциальная аппроксимации, так как для них характерно наибольшее различие между расчетным и табличным числами Фишера.
а
б
Рис. 1. Зависимости условного предела текучести Оо,2 (а) и временного сопротивления разрыву ов (б) от твердости HBW
Наилучшим отображением связи между временным сопротивлением разрыву 0в и твердостью HBW является линейная аппроксимация (рис. 2).
О ]-Т-Т-Т-Т-1
0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1 ^о.:А
Рис. 2. Зависимость относительного удлинения от отношения предела текучести к пределу прочности
Сравним значения прочности, определенные по результатам прямых испытаний на разрыв, с данными, полученными перерасчетом по известным и установленным зависимостям (табл. 6).
Из табл. 6 видно, что при использования для прогноза прочностных свойств высокопрочных и сверхвысокопрочных сталей, известные уравнения, отклонения составляют от 0,3 до 25,9 %, а в случае использования нового уравнения, отклонения составляют от 0,1 до 10,7 %, что свидетельствует о более высокой точности разработанной модели.
Сравнение результатов прямых испытаний с результатами расчетов по уравнениям регрессии
Твердость. HBW Временное сопротивление разрыву
прямое испытание, Н/мм2 расчетное
по уравнению 0в = 112+2.4^ -(СТО 22-0402) по уравнению 0В = 9,81-0,36-ИВ -справочник [11] по новому уравнению 0в = 3,611HBW -154,9 (табл. 6)
Н/мм2 отклонение, % Н/мм2 отклонение, % Н/мм2 отклонение, %
578 1999 1499 25.0 2041 2.1 1932 3.4
343 1094 935 14.5 1211 10.7 1084 0.9
502 1597 1317 17.5 1773 11.0 1658 3.8
394 1228 1058 13.9 1391 13.3 1268 3.2
444 1425 1178 17.4 1568 10.0 1448 1.6
534 890 837 6.0 1067 19.8 936 5.1
514 1685 1394 17.3 1886 12.0 1773 5.3
514 1670 1346 19.4 1815 8.7 1701 1.9
495 1662 1346 19.0 1815 9.2 1701 2.4
321 1639 1300 20.7 1748 6.7 1633 0.4
429 1260 1142 9.4 1515 20.2 1394 10.7
477 1530 1257 17.9 1685 10.1 1568 2.5
555 1795 1444 19.6 1960 9.2 1849 3.0
555 1835 1444 21.3 1960 6.8 1849 0.8
555 1920 1444 24.8 1960 2.1 1849 3.7
495 1710 1300 24.0 1748 2.2 1633 4.5
415 1405 1108 21.1 1466 4.3 1344 4.4
321 1005 882 12.2 1134 12.8 1004 0.1
375 1105 1012 8.4 1324 19.9 1199 8.5
321 985 882 10.4 1134 15.1 1004 2.0
534 1880 1394 25.9 1886 0.3 1773 5.7
321 940 882 6.1 1134 20.6 1004 6.8
461 1525 1218 20.1 1628 6.8 1510 1.0
495 1700 1300 23.5 1748 2.8 1633 4.0
Min ошибка 6.0 0.3 0.1
Мах ошибка 25.9 20.6 10.7
Определение относительного удлинения высокопрочного материала
Аналогично были получены зависимости относительного удлинения 550 от отношения предела текучести к пределу прочности <70 2 / <гв (табл. 7 и см. рис. 2).
С доверительной вероятностью 95 % статистически значимыми являются все рассмотренные зависимости, наилучшим отображением связи между относительным удлинением 550 и 00д/0в является экспоненциальная аппроксимация.
Уравнения регрессии «относительное удлинение -отношение предела текучести к пределу прочности»
Вид аппроксимации Уравнение регрессии R2 k Fp Fr Вывод о надежности Fp- Fт
Линейная 550 = -52,748 — + 54,05 0,94 2 2 145, 9 5,1 2 Надежная 140, 8
Логарифмическая 5S0 = -46,04ln (—) + 1,497 0,93 9 2 139, 5 5,1 2 Надежная 134, 4
Полиноминальная 2 степени S50 = -13,303 —)2 - 29,349 2 — + 43,878 0,94 2 3 65,0 8 4,4 6 Надежная 60,6
Степенная Ô50 = 1,7731 ,^-8,152 0,93 3 2 124, 9 5,1 2 Надежная 119, 8
Экспоненциальная S50 = 20556 в ' В 0,94 9 2 165, 8 5,1 2 Надежная 160, 6
Область применения полученных зависимостей
Важным условием дальнейшего использования полученных уравнений является область их возможного применения. Она определяется минимальным и максимальным значениями влияющих факторов: прочность - 700-2000 Н/мм2, твердость - свыше 280 НВ, удлинение - не менее 8 %.
Применение указанных формул возможно и для более широких диапазонов варьирования указанных факторов, однако в этом случае необходимо помнить о снижении уровня доверительной вероятности производимых расчетов.
Выводы
1. По результатам статистического анализа экспериментальных данных были получены зависимости условного предела текучести и временного сопротивления разрыву от твердости для высокопрочных и сверхвысокопрочных сталей
00,2 = 8,62ИБ'^'812 ;
ов = 3,61ИБ'^154,9.
2. Определена зависимость относительного удлинения 550 от отношения предела текучести к пределу прочности
550 = 20556е-9'405о0'2/ов. §50 = 2055
3. Сравнение значений прочности, рассчитанных по известным и установленным в ходе анализа зависимостям, свидетельствует о более высокой точности и результативности полученных уравнений, что позволяет оценивать прочностные характеристики проката по измеренному значению твердости.
4. Применение результатов исследований на практике позволит существенно снизить объем отбираемой пробы и избежать использования дорогостоящего лабораторного оборудования (разрывной машины высокой мощности).
Работа выполнена при участии С.В. Денисова, Е.В. Брайчева, Н.В. Копцевой, М.П. Барышникова, Ю.Ю. Ефимовой, О.А. Никитенко, Д.М. Чукина, А.С. Ишимова, М.С. Жеребцова
Список литературы
1. ГОСТ 1497-84 Металлы. Методы испытаний на растяжение. М.: Издательство стандартов, 1997. 35 с.
2. BS EN ISO 6892-1:2009 Metallic materials. Tensile testing. Method of test at ambient temperature.
3. Основные виды и области применения стратегического высокопрочного листового проката / М.В. Чукин, В.М. Салганик, П.П. Полецков, С.В. Денисов, А.С. Кузнецова, Г.А. Бережная, М.С. Гущина // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2014. № 4. С. 41-44.
4. Анализ технических требований, предъявляемых к наноструктурированному высокопрочному листовому прокату / М.В. Чукин, В.М. Салганик, П.П. Полецков, Г.А. Бережная, М.С. Гущина, А.С. Кузнецова, Д.Ю. Алексеев // Обработка сплошных и слоистых материалов. 2014. № 2 (41). С. 19- 28.
5. J.A. Brinell. II Congres Jnt des Methodes d'essai. Paris, 1900. 176 р.
6. Нейль Г.О. Твердость металлов и ее измерение. М.-Л.: Металлургиздат, 1940. 376 с.
7. Tabor D. The Hardness of Metals.- Oxford: Clarendon press, 1951. 171 p.
8. Марковец М.П. Построение диаграммы истинных напряжений по твердости и технологической пробе // Журнал технической физики. 1949. Том XIX. Вып. 3. С. 371-382.
9. СТО 22-04-02 Руководство по отбору микропроб, проб и определению механических свойств сталей в металлических конструкциях неразрушающим методом.
10. Румянцев М.И., Ручинская Н.А. Статистические методы для обработки и анализа числовой информации, контроля и управления качеством: Учебное пособие. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова», 2008. 207 с.
11. М.И. Розно, Л.В. Шинко. Пора заняться техпроцессом. Н. Новгород: СМЦ «Приоритет», 2005. 46 с.
УДК 621.771
РАЗРАБОТКА ИННОВАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ НА ОСНОВЕ ИНТЕНСИВНОЙ1,2 ЗНАКОПЕРЕМЕННОЙ ДЕФОРМАЦИИ
Богатов А.А., Нухов Д.Ш., Лещев И.В.
ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет
имени первого президента России Б.Н. Ельцина», г. Екатеринбург, Россия
1 Влияние механизма деформации на формирование субмикрокристаллической структуры сталей и сплавов
Необходимые эксплуатационные характеристики изделиям металлургического производства можно обеспечить формированием ультрадисперсной зеренной (УДЗ) структуры сталей и сплавов. Материалы с УДЗ структурой подразделяются на нанокристаллические (НК) (d < 100 нм) и субмикрокристаллические (СМК) (0,1<d < 1 мкм). В.М. Сегал и В.Я. Щукин разработали новый способ пластической деформации простым сдвигом [1, 2], названный способом равноканального углового прессования (РКУП) (рис. 1).
Особенностью способа является пластическая проработка структуры металла без изменения формы и размеров заготовки. Было установлено, что предложенный способ интенсивной сдвиговой деформации, локализованной на стыке каналов ab и cd способствует благоприятному структурообразованию [3] и уменьшению размера зерна после рекристаллизации.
1. Исследование выполнено в рамках проектной части государственного задания Ш 11.1369.2014/K от 18.07.2014 (Номер гос. регистрации: 114122470051).
2. Исследование выполнено в рамках Программы повышения конкурентоспособности: «Исследование поддержано программой 211 Правительства Российской Федерации, соглашение № 02.A03.21.0006.
