РАЗДЕЛ 2
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ,
ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА МАТЕРИАЛА
2.1. Обоснование выбора материала исследования
Взаимосвязь между характеристиками прочности и пластичности наиболее подробно рассмотрена в работе [99]. В ней на большом массиве экспериментальных данных установлена корреляционная связь между пределом текучести (?Т) и пределом прочности (?В), а также линейная зависимость между пределом прочности и величиной, обратной относительному удлинению (?-1/2). Однако установленные ранее [93, 100] статистические соотношения между прочностными и пластическими характеристиками имеют сложную математическую форму корреляционной зависимости.
В связи с этим в работе были установлены новые зависимости между характеристиками прочности и пластичности, которые позволили упростить выбор материала для металлических конструкций промышленного и гражданского строительства.
В основу исследований было положено часто наблюдаемое повышение предела прочности (?В) с одновременным снижением пластичности (?). Исходя из этого, в работе исследовали характер связи между величиной работы разрушения (Аразр) и прочностными характеристиками (?В и ?Т).
Математическая обработка результатов работы [100] показала, что произведения типа ?В?? и ?Т??, являются величинами практически не зависящими от температуры отпуска для каждой из исследованных сталей. На рисунке 1 приведены графики зависимостей произведений ?Т?? от ?Т, построенные на основе материалов [100] с построением таблиц данных в Microsoft Exсel.
Обработка данных показывает, что для всех уровней предела текучести, достигаемых отпуском закаленных сталей с содержанием углерода 0,45; 0,65; 0,82; 1,02; 1,12%, произведение ?Т?? относительно ?Т остается величиной почти постоянной.
Рис. 2.1. Зависимость произведения предела текучести и относительного удлинения (?Т??) от предела текучести (?Т), при содержании углерода С = 0,65; 0,82; 1,02; 1,12%, для закаленных и отпущенных сталей, Тотп.= 325...650?С, с шагом 25?С.
Аналогичны зависимости и для произведений ?В?? от ?В (рис.2.2)
Рис. 2.2. Зависимость произведения предела прочности и относительного удлинения (?В??) от предела прочности (?В), при содержании углерода С = 0,65; 0,82; 1,02; 1,12%, для закаленных и отпущенных сталей, Тотп.=325...650?С, с шагом 25?С.
Поскольку диаграммы относятся к наиболее применяемым в технике чистым углеродистым сталям и наиболее широко используемому методу упрочнения (закалке) и способу разупрочнения (отпуску), то можно считать, что закономерность, вытекающая из них, является общей.
Как видно из рисунка 2.3, для сталей ВСт3, 16Г2АФ и 12Г2СМФ, подвергнутых отпуску после закалки с отдельного и прокатного нагревов, произведение типа ?В?? или ?Т?? является величиной постоянной или слабо изменяющейся для всех температур отпуска. Однако, для температуры отпуска 650?С наблюдается резкое увеличение произведений ?В?? и ?Т?? для сталей марок Ст3 и 12Г2СМФ. При этом, ТМО дает более высокий уровень произведения ?Т??, для различных значений ?Т по сравнению с обычной закалкой, что позволяет считать, что найденное по данным [100] постоянство произведений ?В?? является достаточно общей закономерностью, проявляющейся для различных способов упрочнения конкретных марок сталей.
Анализ типичной диаграммы "напряжение - деформация" (рис. 2.4) показывает, что можно принимать, как величину равную работе разрушения (Аразр). Анализ физического смысла произведений ?В?? и ?Т?? показал, что эти величины должны быть пропорциональны работе разрушения. Действительно, работа разрушения (Аразр) образцов, подвергнутых растяжению, равна:
Аразр=, где F=??S
На диаграмме напряжение - деформация, работа разрушения пропорциональна площади фигуры ОАВС?С??? (область , рис. 2.4).
В свою очередь, площадь этой фигуры отличается от произведения ?Т?? на величину площади ВС?С (область ) и меньше величины произведения ?В?? на величину площади АА?С?. Произведение отличается от площади ОАВС? С??? на величину площади, обозначенной областью - , т.е. практически совпадает с ней.
Рис. 2.3. Взаимосвязь произведений предела прочности и предела текучести на относительное удлинение (?В?? и ?Т??) от предела прочности (?В) и предела текучести (?Т), соответственно для сталей ВСт3, 16Г2АФ, 12Г2СМФ закаленных с прокатного (1) и отдельного (2) нагревов с последующим отпуском,
Тотп.= 100...650?С, с шагом 50...100?С.
Анализ большого числа экспериментальных диаграмм растяжения сталей показал, что отличается от площади кривой ОАВС?С???диаграммы "напряжение - деформация" на 1,03...1,05%, а в среднем на 1,042%.
Рис. 2.4. Диаграмма "напряжение - деформация" для сталей с площадкой текучести.
В то же время, поскольку между ?В и ?Т существует корреляционная зависимость, то вместо можно использовать К2??Т, где К2 - коэффициент корреляции между ?Т и ?В [99], следовательно, демонстрируемое на диаграммах (рис. 2.2, 2.3) постоянство произведения (?Т??) с повышением предела текучести (?Т) можно сформулировать в виде принципа постоянства величины работы разрушения для сталей, упрочненных закалкой с отпуском или термомеханической обработкой.
По данным работы [99], были получены корреляционные зависимости между прочностными и пластическими характеристиками для большого количества сталей, применяемых в современных металлических конструкциях (рис. 2.5, 2.6).
Анализ показывает, что наиболее перспективными материалами для исследований являются стали, у которых значения произведения (?Т??) выше, чем у сталей с одинаковым пределом текучести. Таким образом, найденная зависимость позволяет выбрать в пределах одного класса прочности такие марки стали, у которых максимальный предел текучести отвечает повышенному значению произведения предела текучести на относительн