ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Результат выполнения НИР

Современный уровень развития промышленности, строительства, машиностроения характеризуется стремлением использовать материалы максимально высокой прочности, которые обеспечивают надежную работу деталей машин, механизмов, конструкций и пр., исключая возможность их катастрофического разрушения.

Кроме того, значительно усложняются условия работы многих конструкций: необходимость увеличения срока их службы (ресурса), применение агрессивных рабочих сред, расширение диапазона рабочих температур от очень низких (температура жидкого водорода или гелия) до очень высоких (2000°С - 3000°С).

Все эти факторы обусловили новые требования при проектировании и расчетах конструкций.

Для оценки механических свойств, в связи с многообразием условий эксплуатации и обработки проводят различные испытания, имитирующие эти условия.

При повышении температуры все физико-механические свойства металла в той или иной степени изменяются: уменьшаются предел прочности (s_в), предел текучести (s_т), возрастает коэффициент объемного расширения, общую тенденцию к увеличению имеют относительное удлинение (d₅) и относительное сужение площади поперечного сечения (y).

Для работы при температуре 350°С могут применяться обычные углеродистые и легированные стали. Для работы в области температур 350-500°С применяются легированные стали перлитного и ферритного классов, легированные хромом, молибденом и другими элементами.

Для определения характеристик прочности металлов при высоких температурах используют кратковременные испытания (растяжение, сжатие, изгиб и т.д.) и длительные (ползучесть, длительная прочность).

Показатели прочности, полученные в результате кратковременных испытаний при повышенных температурах, с одной стороны используются в качестве расчетных характеристик при выборе режимов горячей обработки давлением, при контроле качества металла. С другой стороны эти показатели позволяют произвести сравнительную оценку механических свойств материалов в широком интервале температур, что особенно важно при разработке механизмов и конструкций с заданными свойствами и многих других случаях.

Предел текучести (s_т) является основной расчетной характеристикой при проектировании деталей машин и конструкций. При расчетах на хрупкую прочность элементов конструкций, изготовленных из малоуглеродистых и низколегированных марок сталей, важная роль отводится температурной зависимости предела текучестиs_т(Т) для установления вязко-хрупкого перехода.

Предел текучести при повышенных температурах может служить основой для сравнительной оценки материалов, расчетной характеристикой в области температур, выше которых становится значительным влияние времени на ход кривой «напряжение -деформация», и при этом необходимо принимать во внимание коэффициент запаса.

С повышением температуры испытания значения предела прочности (s_в) нелегированной стали проходят минимум между 50°С и 100°С, максимум - примерно при 200-250°С (температура синеломкости) и при дальнейшем повышении неуклонно снижаются до очень малых значений. С повышением температуры предел текучести (s_т) снижается, уменьшая разницу между верхним и нижним пределами, причем вплоть до примерно 350°С быстрее, чем предел прочности. После 350°С предел текучести снижается медленнее предела прочности. При температуре синеломкости отношение предела текучести к пределу прочности имеет минимальное значение. По отношению к пределу прочности при комнатной температуре предел текучести при повышенных температурах нелегированных сталей изменяется в относительно узких пределах, так что испытания на растяжение при комнатной температуре дают уже примерное представление о пределе текучести при повышенных температурах.

Значения механических свойств легированных сталей имеют, в основном, такую же температурную зависимость, как и углеродистые стали, только отдельные кривые сдвигаются, и максимум предела прочности либо выражен менее резко, либо совсем отсутствует. Для легированных сталей характерны, как правило, более высокие значения отношенияs_ткs_в.

Относительное удлинение (d₅) и сужение (y) изменяются с температурой примерно противоположно изменению предела прочности: удлинение углеродистой стали имеет минимум приблизительно при 150°С, сужение - приблизительно при 250°С, в легированных сталях эти минимумы часто сдвигаются в сторону более высоких температур.

Нагружающими механизмами для испытания при высоких температурах служат разрывные машины. Рабочее пространство испытательной машины позволяет устанавливать нагревательное устройство с удлинительными штангами для крепления образцов, обеспечивающими надежное центрирование образца в испытательной машине.

Нагревательное устройство обеспечивает равномерный нагрев образца по его рабочей части до заданной температуры испытания и поддержание этой температуры с предельным отклонением ± 5°С. Стандартом установлены продолжительность нагрева до температуры испытаний не более 1 часа и время выдержки при заданной температуре 20-30 мин. Температура измеряется при помощи первичного термопреобразователя (термопары), рабочий конец которого имеет надежный контакт с поверхностью образца и изолирован от радиационного нагрева.

Образцы для испытаний могут быть цилиндрические, на головках которых должна быть резьба, соответствующая гаечной в удлинительных штангах. Применяют плоские образцы, в головках которых просверливают отверстия для шпилек, удерживающих их в удлинительных штангах. Можно применять плоские образцы с удлиненными головками. Переходная часть от головок к расчетной длине должна быть сделана по плавной кривой, подрезы в этих частях образца недопустимы.

На металлургическом комбинате за последние годы увеличился объем заказов на поставку некоторых видов горячекатаного листового проката с требованием по определению предела текучести (s_т) при повышенных температурах.

Цель настоящей работы - оценка уровня предела текучести (s_т) при температуре 350°С, 425°С, 450°С толстолистового горячекатаного проката.

Нами исследовался листовой прокат толщиной 14-108 мм из стали марок 09Г2С, 20К. Испытания проводились в соответствии с ГОСТ 9651, ГОСТ 1497 на цилиндрических образцах.

В таблице 1 представлен выход годного по пределу текучести (s_т) при температурах 350°С, 425°С, 450°С относительно норм ГОСТ 5520 для горячекатаного проката из стали марок 09Г2С, 20К.

Таблица 1 - Выход годного по результатам первичных испытаний с определением предела текучестиs_тпри повышенной температуре

Анализ статистических данных по уровню предела текучести при повышенных температурах показал, что:

- принимая гипотезу нормального распределения уровняs_тпри повышенных температурах, вероятность соответствия нормам ГОСТ 5520 для листового проката из стали марки 20К (толщиной 14-75 мм) составляет 0,999, а для проката из стали марки 09Г2С (толщиной 40 - 108 мм) - 0,995;

- с доверительной вероятностью 0,95 можно утверждать, что вероятность нахожденияs_т=350°cдля проката из стали марки 09Г2С в интервале 186,6 -338,3 н/мм ² (при норме ГОСТ 5520s_тtі176 Н/мм ²) иs_т=450°cдля проката из стали марки 20К - в интервале 203,0 - 264,2 н/мм ² (при норме ГОСТs_тtі118 н/мм ²) будет не менее 99,73%.

Фактические средние значения предела текучести (s_т) проката из стали марок 09Г2С, 20К по результатам испытаний за период 1999-2003 гг. превышают нормы ГОСТ 5520 на 48-90%.

Следует отметить, что коэффициент стабильности процесса во времени ( , где - среднее квадратическое отклонение в мгновенной выборке, а - среднее квадратическое отклонение всей выборки) показал, что К _С<1,0, что="" характеризует="" стабильный="" уровень="">

Толстолистовой прокат по ГОСТ 5520 из стали марок 09Г2С, 20К характеризуется стабильным и высоким уровнем предела текучести при повышенных температурах, что является одним из факторов, подтверждающим качество этого проката и перспективность его использования в машиностроении, строительстве и других отраслях промышленности.