Способ определения пика пластичности для металлов

Авторы патента:

G01N3/08 - путем приложения растягивающих или сжимающих статических нагрузок (G01N 3/28 имеет преимущество)

Владельцы патента RU 2685118:

Общество с ограниченной возможностью "Специальные Стали и Сплавы" (RU)

Изобретение относится к области прогнозирования максимальной деформации металлов и их сплавов. Способ определения пика пластичности для металлов, включающий осевое растяжение плоских и круглых образцов при фиксированной температуре испытания, отличается тем, что скорость деформации при которой имеем максимальное значение относительного удлинения δ₅,_max, определяют по формулам: для плоского образца δ₅,_max = 4А_*Е/3cμσс₀₂ при , и для круглого образца δ₅,_max = А_*Е/3cμσ₀₂ при . Здесь соответственно Е - модуль Юнга, c - скорость звука продольных волн в металле, А_* - эффективная энергия разрушения, μ - коэффициент динамической вязкости, σ₀₂ - предел текучести. Технический результат – обеспечение определения условий, при которых металл максимально деформируется без разрушения. 1 табл.

Изобретение относится к области прогнозирования максимальной деформации металлов и их сплавов вплоть до разрушения при растягивающих нагрузок, приложенных к стандартным плоским или круглым образцам исследуемых металлов (см. ГОСТ 10006-80). Известно [1, 2], что предельная деформация металла имеет максимальное значение при определенной скорости деформирования и температуре испытаний, вплоть до состояния сверхпластичности. Например [3], для цинко-алюминиевого сплава (Zn+25%Al), предельная деформация (δ₅,_max) ~ 1700% при скорости деформации ~ 0,5⋅10^-2 1/с и температуре испытаний Т ~ 150°С. Когда как при стандартных испытаниях, согласно ГОСТ 10006-80, ГОСТ 1497-77, где ~ 0,25⋅10^-2 1/с, Т ~ +20°С, для названного сплава предельная деформация δ₅,_max ~ 55%.

На сегодня актуально в обработке металлов давлением, иметь расчетный прогноз о максимальной деформации металлов в различных технологических процессах: производство бесшовных труб на станах горячей и холодной прокатки, глубокая штамповка металлических изделий, горячая и холодная прессование, … . Здесь, при разработке технологии изготовления конкретного изделия, встает вопрос о выборе технологического маршрута деформирования металла с максимальной производительностью, не допуская появления трещин в металле.

Наиболее близкий по технологической сущности к изобретению является способ определения механических свойств металлов при растяжении плоских и круглых образцов при фиксированной скорости деформации и температуры испытаний (патент РФ №2543673, БИ №7, 2015 г.).

Недостатком данного способа является отсутствие критерия прогнозирования пика пластичности при деформировании металла с конкретной скоростью деформации при фиксированной температуре.

Целью изобретения является определение условий, при которых металл максимально деформируется без разрушения. Поставленная цель достигается тем, что, скорость деформации при котором имеем максимальное значение относительного удлинения δ₅,_max определяют по формулам:

для плоского образца

δ₅,_max=4А_*Е/3cμσ₀₂ при ,

и для круглого образца

δ₅,_max=А_*Е/3cμσ₀₂ при

Здесь соответственно Е - модуль Юнга, с - скорость звука продольных волн в металле, А_* - эффективная энергия разрушения, μ - коэффициент динамической вязкости, σ₀₂ - предел текучести.

Таким образом, оставаясь в рамках моделирования деформации металлов при растяжении плоских и круглых образцов в схеме вязкопластичного материала, где условно геном конкретного металла характеризуется семью параметрами (σ_b, σ₀₂, δ₅ , μ, А_*, Т), получаем возможность рассчитать скорость деформации, при которой металл максимально деформируется без появления трещин на поверхности. Согласно патенту РФ №2543673, на основании стандартных испытаний (ГОСТ 1497-77, ГОСТ 10006-80), определяются параметры исследуемого материала. После чего по приведенным выше формулам, конкретизируется величина скорости деформации, при которой прогнозируется максимальное относительное удлинение материала δ₅,_max.

В качестве примера рассмотрим данные ГОСТ 21945-76, где регламентируются механические свойства (σ_b, σ₀₂, δ₅) бесшовных горячекатанных труб из сплавов на основе титана. Здесь плоские образцы (ГОСТ 10006-80) подвергались растяжению при скорости деформаций и фиксированной температуре +20°С. Усредняя данные мехсвойств (табл. 3, ГОСТ 21945-76), в табл. 1 представлены механические свойства основных титановых сплавов ПТ1М, ПТ7М, ПТ3В, ОТ4, 14, которые имеют широкое применение в судостроении и авиации. В табл. 1, на основании патента №2543673, представлены расчетные значения μ, А_* для рассматриваемых титановых сплавов. В расчетах приняты следующие значения постоянных: модуль Юнга Е-103ГПа, скорость звука в титане с=3260 м/с, скорость деформации .

На основании приведенных выше формул для плоского образца и полученных данных А_*, μ, определяют значения скорости деформации , при которой имеем максимальное относительное удлинение δ₅,_max. Эти данные сведены в табл. 1. Из которой следует, что при определенной скорости деформаций, реально увеличить значение максимального относительного удлинения. Например, при стандартной регламентируемой ГОСТ 1497-77 скорости деформаций для сплава титана ПТ7М имеем значение δ₅=10%. А при скорости деформации , предельную деформацию без разрушения образца получим δ₅,_max=21%, более чем в два раза. Для мало пластичного сплава титана 14, наоборот, при более низкой скорости деформации , достигается максимальная деформация (δ₅,_max≈12,6%).

Отметим перспективность настоящего изобретения при изготовлении бесшовных труб со специальными физическими свойствами. Например, в конструкции высокочастотного генератора, применяется трубка 10×0,15 мм (диаметр и толщина стенки) из технически чистого тантала (ТВЧ ТУ 14-3-1388-85). Ее изготовление по традиционной технологии весьма дорогостоящее производство: электронно-лучевая плавка слитка, ковка, обточка и расточка слитка, для получения трубной заготовки 25×4×500 мм. Далее на стане холодной прокатки труб (ХПТ32) и на роликовом стане (ХПТР8-15), происходит прокат заготовки по маршруту: 25×4→20×2,5→16×l,5→14×1→12×0,5→11,5×03→11×0,25→10,5×0,20→10×0,15 мм. В итоге, поэтапно разбивается суммарная деформация ~ 6700%. При этом, трубка из тантала, после каждого проката отжигается в глубоком вакууме при температуре нагрева +1350°С.

Также отметим, что трубка 10×0,15 мм из других металлов, сталь, титан …, практически изготавливают по аналогичному маршруту. Существенная разница только в режимах термообработки.

Вернемся к изобретению, на примере трубки из тантала. Как ранее было отмечено, каждый металл имеет свой конкретный геном, набор параметров (σ_b, σ₀₂, δ₅ , μ, А_*, Т), характеризующие прочность, пластичность, внутреннее трение, удельную работу разрушения при заданных скорости деформаций и температуре испытания. На основании испытаний на растяжение стандартных плоских образцов (ГОСТ1497-77) получим данные для тантала σ_b, σ₀₂, δ₅. А согласно патента РФ №2543673, определяем характеристики μ, А_*. Полученных данных достаточно, чтобы на основании приведенных выше формул, получить оптимальный скоростной режим для проката танталовой трубы.

Известно [6], для технически чистого тантала имеем при +20°С, : σ_b=204 МПа, σ₀₂=183 МПа, δ₅=36%, Е=186 ГПа, с=3350 м/с при плотности тантала 16,6 г/см³. На основании этих данных и патента №2543673, определяем μ=4,2 ГПа⋅с, А_*=3,85 ГДж/м². Тогда согласно предлагаемой формуле изобретения, получим δ₅,_max≈40%.

Таким образом, при для увеличения деформационных характеристик при прокате танталовой трубы, необходимо придерживаться в технологии скорости деформации ~ 2,2⋅10^-2 1/с. Что на практике, позволяет существенно сократить цикличность переката и что важно, количество термообработок.

Таблица 1. Механические характеристики титановых сплавов (усредненные, согласно ГОСТ 21945-76 при +20°С) и расчетные данные коэффициента динамической вязкости μ и эффективной энергии динамического разрушения А_*, скорости деформации и максимальное относительное удлинение

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Сериков С.В. Правда о металлах. - Изд-во: Palmarium Akademik Publishing (Deutschland).2014 г., 84 c.

2. Сериков С.В. О скоростной деформации металлов - Изд. АН СССР, Металлы. М, 1989, №2, с. 48-52.

3. Лэнгдон Т.Г. Экспериментальные наблюдения сверхпластичности. Сверхпластическая формовка конструкционных сплавов. - Под ред. Пейтона Н. и др. М.: Металлургия, 1985, с. 36.

4. Сериков С.В. и др. Способ определения механических свойств металлов. - Патент РФ №2543673, БИ №7, 2015 г.

5. ГОСТ 1497-77, ГОСТ 10006-80, ГОСТ 21945-76, Москва, Издательство стандартов.

6. Свойства элементов. Справ. изд. В 2-х кН. Кн. 1/Под ред. Дрица М.Е. - 3-е изд. - М.: Издательский дом «Руда и Металлы», 2003. - 448 с.

Способ определения пика пластичности для металлов, включающий осевое растяжение плоских и круглых образцов при фиксированной температуре испытания, отличающийся тем, что, скорость деформации при которой имеем максимальное значение относительного удлинения δ₅,_max, определяют по формулам:

для плоского образца

δ₅,_max = 4А_*Е/3cμσс₀₂ при ,

и для круглого образца

δ₅,_max = А_*Е/3cμσ₀₂ при ,

здесь соответственно Е - модуль Юнга, c - скорость звука продольных волн в металле, А_* - эффективная энергия разрушения, μ - коэффициент динамической вязкости, σ₀₂ - предел текучести.

Изобретение относится к физико-механическим испытаниям скальных и полускальных горных пород, имеющих хрупкий характер разрушения, и может быть использовано при инженерно-геологических изысканиях.

Способ метрологической аттестации теплового контроля поглощения энергии поражающего элемента многослойной текстильной броневой преградой и устройство для его осуществления // 2683436

Изобретения относятся к области измерительной техники и могут использоваться для оценки погрешности контроля качества композитных броневых преград на основе результатов теплового контроля при попадании поражающего элемента в броневую преграду за счет поглощения энергии броневой преградой, а также для проведения непосредственно контроля.

Способ управления трещинообразованием в материале и соответствующее устройство для его осуществления // 2682583

Изобретение относится к области управляемого трещинообразования в материалах, в частности, с целью определения свойств заданного объема материала при образовании трещин.

Способ определения прочности бетона при раскалывании // 2679646

Изобретение предназначено для определения прочности бетона и относится к разрушающим методам контроля и повышения точности измерений при упрощении методики испытаний.

Машина испытательная универсальная сервогидравлическая для механических испытаний образцов материалов на растяжение, сжатие, изгиб и малоцикловую усталость при растяжении-сжатии // 2678935

Изобретение относится к средствам (испытательные машины) и методам механических испытаний материалов на растяжение, сжатие, изгиб и малоцикловую усталость. Машина содержит основание, два гидроцилиндра, закрепленных на верхней плоскости основания симметрично относительно оси нагружающего устройства, траверсу, скрепленную со штоками гидроцилиндров, два захвата для закрепления испытуемых образцов, датчик силы, датчик перемещения, приспособление для испытания на сжатие, содержащее нижнюю и верхнюю плиты, устанавливаемые на захваты нагружающего устройства, приспособление для испытания на изгиб, содержащее изгибную траверсу с опорными роликами для установки образца и опору с комплектом ножей, устанавливаемые на захваты нагружающего устройства, а также насосную установку, содержащую насос высокого давления, клапан предохранительный, гидрораспределители для управления захватами, компенсатор давления и сервоклапан для управления гидроцилиндрами (нагружением образца).

Устройство для испытания образцов // 2678903

Изобретение относится к устройствам для испытания радиоактивных образцов в радиационно-защитной камере на прочность. Устройство содержит первый захват, раму, состоящую из плиты, двух стоек и балки, а также связанное с рамой средство вертикального реверсивного перемещения, снабженное кареткой, содержащей два толкателя с траверсами, на одной из которых расположен второй захват, а на другой закреплен датчик контроля усилия, взаимодействующий со штоком средства вертикального реверсивного перемещения.

Модель для определения деформаций стержней пространственной стержневой конструкции // 2676957

Изобретение относится к наглядным учебным пособиям и предназначено для использования в учебных и исследовательских лабораториях по теоретической, строительной механике, строительным конструкциям как в качестве наглядной демонстрации работы стержневых пространственных конструкций, так и в качестве моделей шарнирно-стержневых систем при проектировании зданий и сооружений, при изучении работы пространственных стержневых конструкций.

Способ и установка для измерения скорости восстановления формы эластичных элементов // 2673776

Изобретение относится к методам исследования упругих свойств эластичных элементов, в частности уплотнительных резиновых колец. Установка содержит удерживающий узел, нагружающий узел и средства измерения.

Способ теплового контроля поглощения энергии поражающего элемента многослойной текстильной броневой преградой и устройство для его осуществления // 2673773

Группа изобретений относится к области измерительной техники и может быть использована для контроля качества композитных броневых преград на основе результатов теплового контроля при попадании поражающего элемента в броневую преграду.

Способ испытания на трещиностойкость образцов полимерных композиционных материалов // 2672035

Изобретение относится к области испытаний на трещиностойкость, а именно к способам испытания на трещиностойкость образцов полимерных композиционных материалов. Сущность: размещают на контрастном фоне образец материала с предварительно выполненной на его конце трещиной, прикладывают к упомянутому концу образца материала растягивающее усилие, в процессе приложения растягивающего усилия освещают образец, измеряют прикладываемое усилие и формируют временную последовательность цифровых изображений образца в отраженном свете, на каждом цифровом изображении образца определяют положение вершины трещины и вычисляют ее длину, и на основании вычисленных значений длины трещины и измеренного значения прикладываемого усилия определяют характеристику трещиностойкости образца, причем положение вершины трещины определяют посредством измерения интенсивности пикселей вдоль линии трещины на каждом цифровом изображении образца, для вычисления длины трещины на одном из цифровых изображений задают контрольный сегмент в окрестности характерной точки, в качестве последней выбирают точку, положение которой остается неизменным относительно точки отсчета начала длины трещины в процессе испытания, на каждом цифровом изображении образца определяют положение контрольного сегмента посредством сравнения цифровых изображений, вычисляют смещение точки отсчета начала длины трещины относительно контрольного сегмента и по результатам вычисления определяют положение точки отсчета начала длины трещины, а длину трещины вычисляют как длину кривой между вершиной трещины и точкой отсчета начала длины трещины на соответствующем изображении.

Устройство для испытания грунта на сжимаемость // 2686442

Изобретение относится к инженерным изысканиям для строительства при исследовании лабораторными методами деформационных свойств грунтов до начала строительства и при реконструкции старых зданий и сооружений. Устройство содержит обойму для образца грунта, основной и пригрузочный штампы с приспособлениями для их раздельного нагружения и измеритель деформаций, в пригрузочном и основном штампах образованы выступы и соответствующие пазы для взаимодействия друг с другом. Приспособление для нагружения пригрузочного штампа выполнено в виде рычажной системы с регулируемым стопором и снабжено измерителем усилий, взаимодействующим с регулируемым стопором посредством рычага нагрузочного приспособления. Пригрузочный штамп имеет фиксаторы положения по высоте и на нём располагаются индикаторы вертикальных перемещений основного штампа и свободной поверхности образца грунта. Диаметр жесткой обоймы превышает диаметр основного штампа. Технический результат: возможность проводить испытания основным штампом большего размера, позволяющего измерять тангенциальные сдвиговые деформации при боковом расширении образца, а также повышение информативности испытания, точности и достоверности получаемых результатов. 1 ил.

Способ определения величины предела пропорциональности материалов // 2686572

Изобретение относится к испытательной технике, к методам определения механических свойств материалов, а именно предела пропорциональности. Сущность: устанавливают испытуемый образец между неподвижной опорной площадкой и подвижной, затем нагружают образец предварительной малой нагрузкой, регистрируемой посредством датчика нагрузки, после чего посредством блока управления подают сигнал на шаговый двигатель и нагружают образец путем перемещения подвижной опоры в сторону неподвижной опоры при помощи винта, причем величину перемещения выбирают исходя из необходимой точности измерения, после первого нагружения снимают нагрузку путем перемещения подвижной опоры в сторону обратной от неподвижной опоры при помощи винта и снимают показание с датчика нагрузки. Если величина нагрузки соответствует величине предварительной малой нагрузки, то повторяют нагружение и снятие нагрузки путем перемещения подвижной опоры при помощи винта на величину n⋅L, где L - величина перемещения, n – число нагружений. Количество нагружений проводят до момента, пока величина нагрузки после снятия нагружения не станет меньше величины предварительной малой нагрузки, после чего фиксируют величину предела пропорциональности материала образца. Технический результат: повышение автоматизации измерения. 1 ил.

Устройство для испытания колец на растяжение и способ испытания // 2688590

Изобретение относится к испытательной технике и может использоваться для оценки прочностных и деформационных характеристик материала кольца из хрупких материалов, преимущественно керамических, при испытании на растяжение путем последовательного создания в двенадцати зонах растягивающих напряжений, максимально приближенных к чистому растяжению. Устройство для испытания колец на растяжение содержит два раздвижных полудиска и связанные с ними тяги для приложения растягивающего усилия. Раздвижные полудиски соединены между собой с одной стороны разъема двумя проушинами, соединенными крепежными элементами. В проточках полудисков размещены съемные проставки с буртиком. Между кольцом и проставками установлены антифрикционные прокладки. Способ испытания колец на растяжение включает нагружение кольца посредством раздвижных полудисков, измерение деформаций в виде диаграммы «нагрузка-деформация», вычисление модуля упругости и предела прочности в окружном направлении. Нагружение проводят поэтапно и последовательно в 12 равномерно распределенных зонах кольца с увеличением нагрузки на 10-15% на каждом этапе нагружения и при разрушении кольца определяют по расчетной формуле предел прочности материала кольца в окружном направлении. По измеренной деформации кольца в каждой из 12 зон кольца вычисляют модуль упругости материала кольца. Техническим результатом изобретения является значительное повышение точности и информативности при определении прочностных и деформационных характеристик материала колец из хрупких материалов на растяжение, максимально приближенное к одноосному напряженному состоянию чистого растяжения. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.