Способ определения критической температуры хрупкости металлов и сплавов

 

Изобретение относится к испытаниям механических свойств металлов и сплавов и может быть использовано для оценки критической температуры хрупкости низколегированной стали. Способ определения критической температуры хрупкости металлов и сплавов заключается в том, что образец охлаждают, нагружают, устанавливают зависимость твердости от температуры. Температурную зависимость твердости описывают формулой где НВ₂₀^o - твердость металла при комнатной температуре; β - коэффициент температурной зависимости твердости; Т - температура, °С; А - константа, связанная с β соотношением A = -4·10³+3,3·10⁵·β. Затем определяют коэффициент температурной зависимости β и критическую температуру хрупкости. Изобретение позволяет с высокой точностью, без больших трудо- и материальных затрат определять критическую температуру хрупкости сварных швов на низкоуглеродиcтой стали. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.

Изобретение относится к испытаниям механических свойств металлов и сплавов и может быть использовано для оценки критической температуры хрупкости низколегированной стали.

Известен способ оценки критической температуры хрупкости по ударной вязкости, основанный на ударном разрушении образцов, охлажденных до различных температур [1]. Для данного способа характерна высокая трудоемкость подготовки образцов, а также необходимость проведения большого количества испытаний для достоверной оценки критической температуры хрупкости.

Наиболее близким к предлагаемому является способ определения критической температуры хрупкости [2], который принимается за прототип.

По способу, описанному в прототипе, для оценки критической температуры хрупкости образец охлаждают, нагружают, устанавливают зависимость твердости НВ от температуры, по ней определяют тангенс угла наклона к оси температур и по степени крутизны этой зависимости α определяют критическую температуру хрупкости по соотношению lnT_кp = k₁lnα+k₂, где α - тангенс угла наклона температурной зависимости твердости, k₁ и k₂ - экспериментальные коэффициенты для каждого типа металла и сплава.

Причиной, препятствующей получению требуемого технического результата в прототипе, являются неизбежные искажения результатов при определении коэффициента α (тангенса угла наклона прямой lnНВ) и вследствие этого потеря точности определения критической температуры хрупкости, особенно в тех случаях, когда значения критической температуры близки.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении точности и надежности результатов и снижении трудоемкости и материалоемкости оценки критической температуры хрупкости металлов и сплавов. Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, - получение более точной эмпирической зависимости твердости от температуры.

Технический результат достигается за счет того, что в известном способе определения критической температуры хрупкости металлов и сплавов, заключающемся в том, что образец охлаждают, нагружают и устанавливают зависимость твердости от температуры, температурную зависимость твердости описывают формулой где - твердость металла при комнатной температуре; β коэффициент температурной зависимости твердости; T - температура, ^oC, A - константа, связанная с β соотношением A = -4·10³+3,3·10⁵·β. Затем определяют коэффициент температурной зависимости β. Критическую температуру хрупкости определяют по зависимости
T_кр = K₁·β+K₂·β²+K₃,
где эмпирические коэффициенты равны K₁=7, 178·10³, K₂ = -1,09·10⁵ К₃=-105,513.

Критическую температуру хрупкости можно определять также по номограмме, связывающей температурный коэффициент твердости β и критическую температуру хрупкости T_кр металлов и сплавов.

На фиг. 1 представлена номограмма, связывающая температурный коэффициент твердости β и критическую температуру хрупкости T_кр для металла сварных швов указанных электродов. На фиг. 2 представлена температурная зависимость твердости металла сварного шва по предлагаемому способу (фиг. 2а) и по способу-прототипу (фиг. 2б).

Способ осуществляется следующим образом.

Испытуемый образец с датчиком температуры помещают в охлаждающую среду и выдерживают в течение 10 мин. Затем осуществляют вдавливание индентора в поверхность образца и замер твердости по методике ГОСТ 9012-78 на твердомере ТБ 5004-01. Замеры твердости проводят от -120 до 20^oC с интервалом в 10^o.

Аналитически зависимость твердости металла от температуры описывали формулой

где НВ₂₀^o - твердость металла при комнатной температуре;
β - коэффициент температурной зависимости твердости;
T - температура, ^oC,
A - константа, связанная с β соотношением
A = -4·10³+3,3·10⁵·β. (2)
Это соотношение установлено на основе предварительных экспериментов по результатам испытания на твердость 30 образцов сварных швов. Сварные швы были выполнены электродами, состав варьируемых компонентов которых приведен в таблице (остальное до 100% - ильменит).

Далее на основе этой зависимости устанавливали температурный коэффициент твердости β.
Для нахождения эмпирической взаимосвязи между критической температурой хрупкости и коэффициентом β проводили серийные испытания на ударную вязкость по стандартной методике (ГОСТ 9545-78). Строили номограмму (фиг. 1), связывающую температурный коэффициент твердости β и критическую температуру хрупкости T_кр для металла сварных швов указанных электродов.

Математически полученная зависимость между критической температурой хрупкости и термическим коэффициентом твердости описывается многочленом:
T_кр = K₁·β+K₂·β²+K₃, (3)
где коэффициенты K₁, K₂ и К₃, зависящие от типа стали и чистоты металла по неметаллическим включениям. Эти коэффициенты получали при математической обработке экспериментальных данных методом наименьших квадратов. Для сварных швов на низкоуглеродистой стали они равны соответственно:
K₁ = 7,178·10³,
К₂ = -1,09·10⁵,
К₃ = -105,513. (4)
Степень интенсивности охрупчивания адекватно оценивается температурным коэффициентом твердости β, высокие значения которого соответствуют повышенному значению критической температуры хрупкости, а низкие - более низкой температуре хрупкости и, следовательно, высокой хладостойкости стальных швов.

Для проверки точности предлагаемого способа по сравнению со способом по прототипу были проведены испытания на твердость образцов металла шва 25 составов электродного покрытия. Адекватность математической модели рассчитывали по критерию Фишера. У предлагаемого способа он составил 1,89, у способа по прототипу - 3,12. На фиг. 2 представлены экспериментальные точки для одного и того же металла шва и расчетные кривые, описывающие эти точки по предлагаемому способу (а) и по способу-прототипу (б). Коэффициент корреляции для прототипа (фиг. 26) составил 0,94, для предлагаемого способа - 0,98. Среднеквадратичное отклонение коэффициента корреляции у прототипа - 0,032, у предлагаемого способа - 0,012. Из сравнения очевидно, что точность приближения расчетной модели к экспериментальным значениям выше в предлагаемом способе.

Кроме того, на основе экспериментальных данных по 30 электродным покрытиям было получено уравнение регрессии для коэффициента твердости β в виде полинома 3-й степени:

где X₁, X₂, X₃, X₄ - содержание компонентов электродного покрытия (в соответствии с таблицей). Корреляция расчетных и экспериментальных данных для данного уравнения составила 0,81 по сравнению с прототипом, для которого корреляция - 0,64.

Таким образом, для оценки критической температуры хрупкости металла по предлагаемому способу достаточно измерить его твердость при охлаждении (без изготовления специальных образцов), определить по алгоритму формул (1) - (2) коэффициент температурной зависимости твердости β, и по корреляционному графику на фиг. 1 или формуле (3) определить критическую температуру хрупкости T_кр. Например, для металла сварного шва, выполненного электродом типа Э46 по стали ст.3, температурный коэффициент твердости β, вычисленный по формулам (1)-(2), равен 0,023. По номограмме этому значению β соответствует критическая температура хрупкости -10^oC.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет с высокой точностью, без больших трудо- и материальных затрат определять критическую температуру хрупкости сварных швов на низкоуглеродистой стали.

Источники информации
1. ГОСТ 9454-78. Метод испытаний на ударный изгиб при различных температурах. - М, 1994.

2. Патент RU N 2095783, М.кл. G 01 N 3/18, 1997.

Формула изобретения

1. Способ определения критической температуры хрупкости металлов и сплавов, заключающийся в том, что образец охлаждают, нагружают, устанавливают зависимость твердости от температуры, отличающийся тем, что температурную зависимость твердости описывают формулой

где - твердость металла при комнатной температуре;
β - коэффициент температурной зависимости твердости;
T - температура, ^oC;
A - константа, связанная с β соотношением A = -4·10³+3,3·10⁵·β,
затем определяют коэффициент температурной зависимости β и критическую температуру хрупкости.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что критическую температуру хрупкости определяют по зависимости
T_кр= K₁·β+K₂·β²+K₃,
где эмпирические коэффициенты равны K₁ = 7,178 · 10³, K₂ = -1,09 · 10⁵, K₃ = -105,513.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что критическую температуру хрупкости определяют по номограмме, связывающей температурный коэффициент твердости β и критическую температуру хрупкости T_кр металлов и сплавов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3