CC BY
38
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №1/2016 ISSN 2410-700Х_
УДК 621.73.07
Березин Дмитрий Тимофеевич
к.т.н., доцент
ФГБОУ ВПО Рыбинский государственный авиационный технический университет им. П.А.
Соловьева
г. Рыбинск, Российская Федерация www.dimitry_rus_rub@rambler.ru
ОЦЕНКА ПРИГОДНОСТИ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ШТАМПОВ И ПРЕСС-ФОРМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КРИТЕРИЕВ ТЕРМОСТОЙКОСТИ И МЕТОДА РАНГОВОГО
КОРРЕЛЯЦИОННОГО АНАЛИЗА
Аннотация
В статье рассматривается сравнение теоретических критериев термостойкости в зависимости от механических и теплофизических свойств материалов, наиболее пригодных для штампов и пресс-форм литья под давлением. Проведен анализ и представлены результаты ранговой корреляции между расчетной и экспериментальной оценкой термостойкости сталей.
Ключевые слова
Эксплуатационная стойкость штампов и пресс-форм; критерий термостойкости; термоциклирование; штамповая сталь; термоусталость; физико-механические свойства; коэффициент ранговой корреляции.
Проблема выбора оптимальной марки стали для штампов горячей объемной штамповки и пресс-форм литья под давлением является трудно-формализуемой задачей. В тоже время в условиях рыночной экономики желательно использовать сталь по возможности дешевую, обладающую требуемым комплексом эксплуатационных свойств. В настоящее время отсутствует научная и экономически обоснованная методика выбора оптимальной марки стали с учетом конструкции и эксплуатации штампов и пресс-форм. Однако одним из таких показателей мог бы быть критерий термостойкости по которому можно оценить пригодность стали для штампов или пресс-форм в процессе их эксплуатации.
Все методы, используемые в настоящее время для оценки термостойкости можно разделить на следующие группы:
- расчетные по критериям качественной, сравнительной оценки пригодности материалов для эксплуатации в условиях термоусталости;
- экспериментально-расчетные которые основаны на записи диаграмм деформационно-напряженного состояния в процессе термоусталостных испытаний с последующей обработкой этих диаграмм для расчета прогнозируемого количества термоциклов до появления трещин N j по теоретическим критериям;
- экспериментальные по количеству термоциклов до появления первой видимой трещины Nj, по
количеству и размерам трещины при определенном количестве термосмен N и до полного разрыва образца NP.
Для сравнительной оценки термостойкости материалов используются различные критерии представленные в работах [1, 2]. Их практическая значимость и достоверность должна подтверждаться экспериментальными результатами оценки термостойкости. Поэтому для выявления наиболее эффективных (значимых) критериев был использован метод рангового корреляционного анализа, при котором степень взаимосвязи между расчетными критериями и экспериментальными данными определяли по коэффициенту ранговой корреляции Спирмена [3].
Используя значения теплофизических (тепловой коэффициент линейного расширения, теплопроводность) и механических (предела прочности, предела текучести, относительного удлинения, сужения, ударную вязкость, твердость и модуль упругости) свойств штамповых и коррозионно-стойких сталей - У8А, 3Х2В8Ф, 5ХНМ, 4Х5МФС, 20Х13 при температуре 600°С принятых из работ [1, 4], а также изменение этих свойств в процессе термоциклирования при N = 1500 циклов, принятых из работ [5, 6] были
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №1/2016 ISSN 2410-700Х_
проведены расчеты по качественной и количественной оценке термостойкости этих сталей. Критерии оценки принятые из работ [1, 2] представлены в таблице 1.
Таблица 1
Теоретические критерии для оценки пригодности материалов
№ Критерий № Критерий
1 К1 = X • ст В / а • Е 9 К9 = ст 0, 2 / х • а
2 К 2 = X • 5 / а • Е 10 К10 = СТt.max / СТ 0 , 2
3 К3 =X- KCU / а • Е 11 Кц =-11 2 5 а • At /(1 -ц)-(2ст 0, 2 / Е)]
4 К4 = X / а • с • р 12 К КСи 12 СТ0,2 -(а- tк - 2СТ0,2 / Е)
5 К5 = а / а • Е 13 К = стВ ■ V 13 ст 0 2 • (1 - у2 )а • At
6 К6 = стВ • (1 - ц) / а • Е 14 К14 = стВ -(1 + 5 + У)-ст0,2 _ Е • (а • At)2 _
7 К7 = а • ст В • (1 - ц) / а • Е 15 / К15 = V л стВ - а•At• Е/1 - ц ст 02 а • At а • At • Е —— +--- Е 1 -ц 1-ц , 2
8 К8 =ст5 / HRC • Е 16 , 100 ln- 100 -V К16 = . 2 • а • At 4 ст 0, 2 1 - ц Е
В таблице 1 для критериев К - К\6 приняты следующие обозначения: с - удельная теплоемкость материала, Дж/(кг-К); р - плотность материала, кг/м3;
а - коэффициент температуропроводности материала, м2/ч; х - время нагрева за цикл, ч;
ИЯС - твердость материала по Роквеллу; Ст£тах - максимальные температурные напряжения, действующие в материале, МПа; X - теплопроводность материала, Вт/(м • К); О в - предел прочности материала, МПа; а - коэффициент линейного расширения материала, 1/°С; Е - модуль упругости материала, МПа; 8 - относительное удлинение материала в критерии (К2) в %, а в критерии (К14) в отн.ед; кси - ударная вязкость материала, Дж/м2; ц - коэффициент Пуассона; у - относительное сужение, в критериях (К13, К14) в отн. ед., а в критерии (К16) в %; О о 2 - условный предел текучести материала, МПа;
А( - максимальный температурный перепад, возникающий в стенке матрицы штампа (пресс-формы), определяемый по формуле [1] :
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №1/2016 ISSN 2410-700Х_
М = tK - 1ф, (1)
где t — температура контакта штампа с поковкой, °С;
t ф — температура подогрева штампа (пресс-формы) перед началом работы, °С.
По результатам расчета критериев пригодности исследуемые стали располагались в ранжированный ряд от 1 до 5, в порядке возрастания значений критериев. Затем по выражению (2) определяли коэффициент ранговой корреляции R Спирмена [3]:
6
R = 1 -г^ £ Г — ъ f • (2)
m<m — ij i=i
где т - количество объектов (марок сталей);
Г ■, Г2г- - ранги, приписанные первым и вторым экспертом 7-му объекту.
Проверка значимости коэффициента ранговой корреляции осуществляется по критерию Стьюдента (р при т > 10, Р = 0,90. При условии, что (р > (т( Р , т) коэффициент корреляции считается значимым. Расчетное значение критерия Стьюдента (р рассчитывали по следующему выражению [3]:
; (3)
р 1 - я2
Табличное значение (т (Р = 0,90, т = 5) = 2,13. Результаты расчетов и экспериментальные данных принятые из работ [2, 6] представлены в таблице 2, в которой для каждого показателя (критерия) определялись два значения: 1 - в исходном состоянии материала до термоциклирования; 2 - после N = 1500 циклов. В обоих случаях значения используемых физико-механических свойств сталей принимали при ( = 600°С.
Таблица 2
Результаты ранговой корреляции между расчетной и экспериментальной оценкой термостойкости сталей
Показатель № п/п Значения показателя для стали R 1р
У8А 3Х2В8Ф 5ХНМ 4Х5МФС 20Х13
Ki (х104) 1 0,496 0,713 1,385 0,936 0,456 0,2 0,35
2 0,715 1,983 0,343 1,409 0,503 0,6 1,30
К2 (х10"4) 1 3,787 3,881 3,512 2,980 4,759 0,5 1
2 11,862 2,512 0,019 4,259 2,695 0,4 0,75
Кз (х10-4) 1 1,249 0,467 1,541 1,455 2,907 0,1 0,17
2 3,804 0,978 1,507 2,150 2,613 0,6 1,30
К4 1 0,491 0,460 0,527 0,587 0,486 0,6 1,30
2 0,635 0,466 0,205 0,368 0,230 0,1 0,17
К5 (х10"12) 1 2,960 2,789 3,180 3,415 2,912 0,6 1,30
2 9,016 5,834 3,108 5,044 2,618 0,3 0,54
Кб 1 105,421 186,788 210,843 218,549 118,311 0,2 0,35
2 90,499 354,729 106,060 372,311 228,030 0,7 1,70
К7 (х10"3) 1 0,766 1,194 1,580 1,630 0,713 0,1 0,17
2 1,104 3,063 0,391 2,453 0,788 0,5 1
К8 (х10-4) 1 0,602 0,951 1,155 1,201 0,722 0,2 0,35
2 0,827 2,604 1,036 2,033 1,285 0,9 3,58
К9 (х1016) 1 0,437 1,439 1,769 1,777 0,838 0,2 0,35
2 0,226 1,20 0,204 1,234 0,682 0,6 1,30
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №1/2016 ISSN 2410-700Х
Продолжение таблицы 2
К10 1 3,509 1,048 0,854 0,877 1,816 0,1 0,17
2 2,820 0,604 2,970 0,539 1,178 0,6 0,17
К11 (х103) 1 2,685 48,043 7,438 12,329 6,499 0,7 1,70
2 2,338 0,783 0,0084 1,381 1,533 0,3 0,54
К12 (х10"6) 1 7,847 3,956 55,378 43,985 19,431 0,3 0,54
2 9,544 1,434 10,167 3,002 103,067 0,3 0,54
К13 (х103) 1 28,353 2,708 4,140 2,364 8,678 0,5 0,75
2 8,825 0,176 2,579 1,547 15,058 0,4 1
К14 (х103) 1 19,848 33,114 30,474 42,724 23,773 0,5 1
2 6,434 21,017 6,391 64,803 65,974 0,8 2,31
К15 (х103) 1 8,917 4,501 3,135 3,498 11,399 0,35 0,65
2 5,964 0,0021 5,997 0,050 2,158 0,6 1,30
К16 1 207,619 2156,50 664,876 732,954 323,159 0,7 1,70
2 155,725 38,181 106,035 81,381 453,333 0,4 0,75
NsKCH, циклов - 750 + 25 9230 + 45 1500 + 15 15100 + 45 28310 + 25 - -
Из таблицы 2 видно, что однозначного соответствия между рекомендуемыми критериями и экспериментальными показателями эксплуатационной стойкости для исследуемых сталей не существует.
В результате анализа значений коэффициента корреляции Я и значимости (р видно, что в наибольшей степени соответствие, между теоретическими и экспериментальными характеристиками термостойкости наблюдается для критериев качественной оценки К1, К3, К8 и для критериев количественной оценки К14, К16.
По результатам расчетов видно, что коррозионно-стойкая сталь 20Х13 по теоретической оценке обладает эксплуатационными свойствами и сопротивлением разгару не хуже, чем штамповые стали. Это можно объяснить тем, что устойчивость против возникновения и особенно распространения трещин разгара, возрастает с увеличением вязкости и пластичности этой стали.
Таким образом, для оценки пригодности сталей для штампов и пресс-форм литья под давлением наиболее корректно и достоверно использовать следующие критерии качественной оценки: К = X • Ов / а • Е, К8 = Ов / НRC • Е, и критерии количественной оценки:
К14 -
СТ,
(1 + 8 + у) -
СТГ
Е • (а • At )2
ln
Ki6 -
100 100 -у
„ а • At „ ст г 2---4 •
1 -Ц
Е
Список использованной литературы:
1. Горюнов И.И. Пресс-формы для литья под давлением. Л.: Машиностроение, 1974. - 255 с.
2. Березин Д.Т. Повышение эксплуатационной стойкости пресс-форм литья под давлением на основе анализа тепло-напряженного состояния и моделирования процессов термоусталостного разрушения: Диссертация кан. техн. наук. - Рыбинск, 2002. - 234 с.
3. Надежность и эффективность в технике: Справочник: в 10 т. / Ред. Совет В.С. Авдуевский и др. - М.: Машиностроение, 1988. т. 3. Эффективность технических систем / Под общ. ред. В.Ф. Уткина, Ю.Ф. Крючкова. - 328 с.
4. Сорокин В.Г. Марочник сталей и сплавов.- М.: Машиностроение, 1989. - 640 с.
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ»
№1/2016
ISSN 2410-700Х
5. Березин Д.Т. Исследование физико-механических свойств штамповых сталей в условиях термической усталости. //Инновационная наука. №3, 2015, с. 152 - 156.
6. Жуков А.А., Березин Д.Т. Экспериментально-расчетный метод оценки эксплуатационной долговечности материалов в условиях термоусталости. // Инженерный журнал. Справочник. - 2002. - №6, с. 9 - 13.
© Д.Т. Березин, 2016
УДК 62-761:621.643/.644
Богачев Анатолий Петрович
канд. техн. наук, доцент ТОГУ Савочкин Виктор Степанович канд. техн. наук, доцент ТОГУ Губенин Степан Сергеевич студент ТОГУ г. Хабаровск, РФ E-mail: bogachev27@mail.ru
ЗАЩИТНОЕ ПОКРЫТИЕ ТРУБОПРОВОДОВ ТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙ
Аннотация
Подавляющее большинство тепловых сетей прокладывается в железобетонных каналах, с подвесной теплоизоляцией из минеральной ваты. Стоимость каналов при этом достигает 35-40% от общей сметной стоимости строительства. Переход на бесканальный способ прокладки удешевит строительство. В статье предлагается новое защитно-механическое покрытие монолитной тепловой изоляции на основе этинолевых эмалей для бесканального способа прокладки при строительстве тепловых сетей.
Ключевые слова
Защитное покрытие, монолитная тепловая изоляция, тепловые сети, прочность и гидроизоляция
трубопроводов, лак этиноль.
Наше изобретение относится к промышленности строительных материалов и может быть использовано в качестве защитно-механического покрытия монолитной тепловой изоляции бесканальных тепловых сетей.
Известно защитно-механическое покрытие монолитной тепловой изоляции бесканальных тепловых сетей состоящее из теплоизоляционного материала с защитным покрытием [1,2]. В качестве защитно-механического покрытия основного слоя теплоизоляции из армопенобетона является асбестоцементная штукатурка по сетке и гидроизоляция из термостойкого изола или рубероида. Недостатком данного вида защитно-механического покрытия является большой вес теплоизолированных труб, большой объем ручных работ по устройству вышеназванного покрытия. Это, в конечном итоге, увеличивает стоимость и трудозатраты по изготовлению теплогидроизолированных труб с монолитной тепловой изоляцией.
Технической задачей изобретения является повышение качества защитно-механического покрытия монолитной тепловой изоляции тепловых сетей за счет увеличения прочности и гидроизоляции.
Указанная задача решается тем, что в защитно-механическом покрытии монолитной тепловой изоляции тепловых сетей, состоящем из теплоизоляционного материала и наклеенных поверху нескольких покровных слоев рулонного материала, являющихся гидроизоляцией, согласно изобретению, в качестве верхнего покровного слоя используют стеклоткань, которую наклеивают на теплоизоляцию этинолевыми эмалями на основе лака этиноль с повышенным содержанием латекса СКС-65, а защитный гидроизоляционный наружный слой выполняют из композиции на основе лака этиноль с пониженным содержанием латекса СКС-65. Кроме того, в качестве верхнего слоя используют бязь, мешковину, а также техническую марлю [3].
