Когда сталь трещит как стекло?

Как-то раз на позапрошлой неделе пришлось сильно задержаться на работе, потому как нужно было скорректировать отчет о работе, которую я выполнял еще около полугода назад (определение критической температуры хрупкости стали). Корректировать отчет нужно было потому, что непосвященным высокопоставленным лицам было непонятно, что там вообще написано, и нужно было расписать в отчете все о-о-очень подробно… Естественно, тратить время на подобное разжёвывание материала людям, вообще никоим образом в технической части не имеющим отношения к этой работе и которым это, в принципе, не нужно и неинтересно, желания не было. А потом вдруг меня осенило: да ведь это же в блог можно выложить (естественно, кое-что изменив)!

В итоге я с воодушевлением принялся писать в надежде, что некоторым из моих нынешних или будущих читателей материал может когда-нибудь пригодиться.
Итак, методика определения критической температуры хрупкости по ПНАЭ.
Для начала определение критической температуры хрупкости.
Под критической температурой хрупкости (далее КТХ) «понимается температура, принимаемая за температурную границу изменения характера разрушения материала от хрупкого к вязкому». «Она определяется по энергии, затрачиваемой на разрушение, в качестве показателя которой принимается ударная вязкость, и по виду излома образцов, в качестве показателя которого принимается доля вязкой составляющей в изломе или значение поперечного расширения образца в зоне излома» [1, стр. 193].
Помню, когда поручили мне эту работу в прошлом году, чтобы «въехать» в суть метода определения критической температуры хрупкости, пришлось мне перечитывать правила ПНАЭ несколько раз. А теперь, умудренный практикой и своими косяками, вылезавшими по ходу выбора стратегии испытаний, могу про это написать и изложить в виде алгоритма действий (можно его распечатать и ставить галочки напротив каждого пункта по ходу выполнения :-).
Будем считать мое изложение первым приближением к идеалу. Сам идеал, конечно же, изложен в первоисточнике [1], который все равно при необходимости читать придется.
Поехали!

poehali

1. Первое, что нужно сделать — это отобрать пробы от проката и провести испытания на растяжение при температуре +20°С, как минимум, на двух образцах, и получить в результате стандартный набор характеристик: предел текучести, временное сопротивление разрыву и относительное удлинение (см. стандарты для проведения испытаний на растяжение, ГОСТ 1497). Допустим, мы получили значения предела текучести (Rp0.2) 360 и 370 МПа.
2. Открываем правила ПНАЭ Г-7-002-86 [1, стр. 193] и видим две такие таблицы:

KCVI

KCVII
3. Из наших результатов испытаний на растяжение берем большее значение предела текучести (это 370 МПа) и сравниваем его с табличными значениями. Смотрим, в какой диапазон попадает наше значение Rp0.2, и выбираем соответствующие критические значения ударной вязкости KCVI и KCVII (в [1] они обозваны «критериальные»). Согласно данным таблиц, критериальные значения ударной вязкости будут следующие: KCVI = 39 Дж/см² и KCVII = 59 Дж/см².
3. Делаем заготовки двух графиков: один в координатах «температура испытаний — ударная вязкость», второй в координатах «температура испытаний — доля вязкой составляющей в изломе». Можно сделать еще и третий «температура испытаний – относительное уширение», но необязательно. Он предоставляется информативно. Его мы делать и не будем :).
4. На заготовку графика «температура испытаний — ударная вязкость» наносим две горизонтальные линии, соответствующие значениями KCVI и KCVII, которые мы определили в пункте 3: у нас это KCVI = 39 Дж/см² и KCVII = 59 Дж/см².

zagotovka-grafika-KCV

5. На заготовку графика «температура испытаний — доля вязкой составляющей в изломе» наносим значение 50%.

zagotovka-grafika-dolya-vyazkoy

6. Проведение испытаний на ударный изгиб. Теперь проводим испытания на ударный изгиб на образцах с V-образным надрезом (тип 11 по ГОСТ 9454) при нескольких температурах испытания. Вариантов проведения испытаний, по-моему, может быть два: когда образцов много и нам не жалко ни своего времени, ни времени тех людей, кто изготавливает образцы и проводит испытания, и второй – когда все-таки есть стремление сэкономить время и трудовые затраты свои и товарищей. Сейчас мы эти два варианта рассмотрим, но перед этим важное замечание: после проведения испытаний образцы нужно сохранить (хотя бы половинки), т.к. помимо показаний ударной вязкости нам еще нужно будет смотреть на изломы и проводить оценку доли вязкой составляющей.
6.1. Начну с варианта второго. Если образцов все-таки мало, а совести у Вас много, то придется немного изловчиться. Можно сделать, например, так: сначала провести испытания 6 образцов при двух температурах, отличающихся на 30°С, и посмотреть, какие будут свойства при этих температурах и удовлетворяют ли они определенным условиям. Если все хорошо и есть запас, то имеет смысл проводить испытания дальше при более низких температурах, проверять, хорошие мы получили результаты или нет и таким образом постепенно приближаться к искомой КТХ. Или же, наоборот: при первых двух температурах все плохо, и нужно подниматься вверх по температурам. Про то, как определить, что такое «хорошо», а что такое «плохо», читаем далее.

horosho-i-ploho

По правилам ПНАЭ [1] испытания должны быть проведены как минимум при 6 температурах: КТХ-10, КТХ, КТХ+10, КТХ+20, КТХ+30, КТХ+40. После того как КТХ найдена, нужно посмотреть, какие температуры еще не охвачены, и просто провести испытания при этих температурах. Итак, приступим, наконец, к испытаниям на ударный изгиб.
Мы решили действовать по совестливой схеме (по второй) и начать испытания с двух отстоящих друг от друга на 30°С температур: например, при температуре -10°С и +20°С.
7. Нанесение результатов испытаний на графики. Образцы мы разбили и получили значения ударной вязкости для -10°С: 41, 36, 35 Дж/см2, для +20°С – 157, 147, 132 Дж/см2. Что делаем теперь?

7.1. Находим среднее значение ударной вязкости для каждой из температур: (41+36+35)/3=37, (157+147+132)/3=145 – и наносим их на график в координатах «температура испытаний — ударная вязкость».

perviye-2-tochki

7.2. Определяем долю вязкой составляющей в половинке каждого образца (только в одной половинке). Делается это по методике ГОСТ 4543 [2].

Кстати, при желании можно сфотографировать все изломы и определить долю вязкой составляющей с использованием программ для анализа изображений.
7.3.Долю вязкой составляющей в каждом из 6 изломов мы нашли. Пусть это будут значения 14, 14, 23% для температуры -10°С и 84, 86, 78% для температуры +20°С. Выбираем минимальные значения вязкой составляющей для каждой из температур: у нас это 14% для -10°С и 78% для +20°С, и наносим эти точки на график «температура испытаний — доля вязкой составляющей в изломе».

perviye-2-tochki-dolya-vyazkoy

8. Проверка условий. Теперь, имея две точки (две температуры испытаний), нужно выяснить, в каком направлении двигаться дальше. Меньшая из наших температур – это предполагаемая КТХ. У нас это -10°С. Большая из температур – это так называемая температура КТХ+30. У нас это +20°С. Если все из перечисленных ниже условий выполняются, то это может означать, что критическая температура хрупкости найдена, и нам повезло, но если запас явно велик, нужно двигаться дальше вниз по температурам испытаний. Если же какое-либо из условий не выполнятся, необходимо провести испытания при более высокой температуре. Итак, проверяем.

1. При критической температуре хрупкости (КТХ) среднеарифметическое значение ударной вязкости должно быть не ниже значений KCVI В нашем случае KCVI=39 Дж/см2) Для нашего первого приближения к КТХ (т.е при -10°С) KCV = 37 Дж/см2.
Условие не выполняется.
Дальнейший процесс проверки условий можно прекращать, т.к. для КТХ должны выполняться ВСЕ пять условий. Но мы все же проверим исключительно в целях обучения.
2. Минимальное значение ударной вязкости отдельного образца при предполагаемой температуре хрупкости должно быть не менее 70% от KCVI. Из значений 41, 36, 35 Дж/см2 минимальное 35. 35 больше чем 0,7•39 = 27,3. Условие выполняется.
3. При температуре на 30 градусов выше предполагаемой температуры хрупкости (КТХ+30) среднеарифметическое значение ударной вязкости должно быть не ниже значений KCVII. 145 больше 59. Условие выполняется.
4. Минимальное значение ударной вязкости отдельного образца при КТХ+30 должно быть не менее 70% от KCVII. При +20 минимально значение KCV = 132. Что больше чем 41,3 Дж/см2 (0,7 х 59 Дж/см2). Условие выполняется.
5. При температуре на 30 градусов выше температуры хрупкости минимальное значение вязкой составляющей в изломе должно быть не менее 50%. При +20 доля вязкой составляющей 84, 86, 78%. Минимальное 78 больше чем 50%. Условие выполняется.

 Итак, не все условия выполняются – нужно провести испытания при температурах на 10°С выше, т.е. при 0°С и при +30°С.

9. Дальнейшие испытания. Проводим испытания при 0°С и +30°С и проверяем те же условия. Получены следующие значения:
• при 0°С KCV= 59, 82, 69, среднее 71 Дж/см2, B=32, 35, 38%, минимальное 32%;
• при 30°С KCV= 154, 164, 160, среднее 159 Дж/см², B=87, 91, 90%, минимальное 87%

10. Все 5 условий выполняются, а значит, учитывая то, что мы двигались от более низких температур к более высоким, можно утверждать, что критическая температура хрупкости найдена и равна 0°С. Таким образом, на данный момент проведены испытания при 4 температурах: -10, 0, 30, 40 (т.е. КТХ-10, КТХ, КТХ+30 и КТХ+40).
До полной картины нам не хватает 2 температур: 10 и 20°С (КТХ+10 и КТХ+20). Проводим испытания при этих температурах и достраиваем наши графики в координатах «температура испытаний — ударная вязкость» и «температура испытаний — доля вязкой составляющей в изломе».

serialnya-krivaya-KCV

 

vyazkaya-temperatura

Ситуация вторая. Образцов у нас много и времени хоть отбавляй на испытания!
1. Вообще ни о чем не думаем, просто берем и испытываем от минимально возможной температуры и до максимально возможной температуры с шагом 10 градусов.
2. Затем наносим результаты на графики, руководствуясь принципами, изложенными выше (для ударной вязкости выбираем среднее значение, для доли вязкой составляющей — минимальное).
3. Смотрим на готовые графики: находим на графике «температура испытаний — ударная вязкость» две точки: ближайшую точку, лежащую выше KCVII (это предполагаемая КТХ+30) и вторую, на 30 меньше (это предполагаемая КТХ).
4. Проверяем, выполняются ли для них 5 условий, описанных выше. Если все условия выполняются, КТХ найдена, если нет — проверяем выполнение условий для следующей пары точек, лежащих на 10 выше.

Вот и все на сегодня!
На днях научился делать тесты на блоге, так что скоро запущу на блоге конкурс в виде теста по металловедению. Для тех, кто отучился, будет возможность вспомнить студенчество, а для тех, кто еще учится, поможет быть в тонусе во время лета. Естественно, будут призы за 1, 2 и 3 место.
Чтобы не пропустить момент начала конкурса, рекомендую подписаться на обновления блога.

Ссылки
1. ПНАЭ Г-7-002-86 Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. М : Энергоатомиздат, 1989, 525 с.
2. ГОСТ 4543-71. Прокат из легированной конструкционной стали. Технические условия.

 

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Поделиться ссылкой:

Рубрика: Испытания. Метки: . Добавьте постоянную ссылку на эту страницу в закладки.

6 отзывов на Когда сталь трещит как стекло?

  1. Александра пишет:

    Уважаемый Максим!

    Скажите пожалуйста как вы определяли температуру образцов, отличную от комнатной?

    Для испытания при повышенной температуре нагревали согласно стандартным рекомендациям: 1 мин на 1 мм сеч?

  2. Александра, методика была следующая.

    Нагревали и охлаждали образцы в специальном резервуаре фирмы Zwick / Roell, позволяющем задавать целевую температуру как нагрева, так и охлаждения. Контроль нагрева осуществляется самим же устройством (для измерения температуры там стоят термопары, а для её контроля — спец. контроллеры, отключающие или включающие нагревательные элементы).

    Целевая температура нагрева была «температура испытаний + 5С» (см. приложение 2 ГОСТ 9454, температуры переохлаждения указаны там же).

    Выдержка образцов составляла 15 минут, что при использовании образцов типа 1 или 11 (10×10 мм) означает 1,5 мин на 1 мм толщины (п.3.4. ГОСТ 9454).

  3. Роман пишет:

    Максим, время переноса образца из печи в копер контролировалось!?

    А так очень познавательный отчет!

    Спасибо.

  4. Роман, спасибо. Ответ «Да, контролировали». Только фактическое время не фиксировали, а лишь следили за тем, чтобы оно не превышало допустимое значение (5 c учетом переохлаждения образцов согласно п. 3.4. и Приложению 2 того же ГОСТ 9454).

  5. Михаил пишет:

    Доступно написано. Сам начал вести такой блог, создав свой экспертный сайт. Вот статья про испытание на ударный изгиб. metall-expertiza.ru/articles/301429

  6. Иосиф Раша пишет:

    Спасибо , очень полезно и познавательно

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *