Ударная вязкость после механического старения для чего она
Испытание стали на склонность к старению
Под термином «старение» понимают изменение механических свойств стали с течением времени. Процесс, протекающий при комнатной температуре, называют естественным старением, а в условиях нагрева — искусственным старением. Особая опасность старения заключается в том, что нежелательная уже сама по себе нестабильность механических свойств развивается в наиболее неблагоприятном направлении: происходят постепенное упрочнение и охрупчивание стали. Упрочнение выражается в повышении твердости, предела текучести и, в меньшей мере, предела прочности стали, а охрупчивание — в уменьшении пластичности и вязкости.
Старение протекает без заметного изменения ферритно-перлитной структуры, свойственной низкоуглеродистой горячекатаной стали. В общем случае оно обусловлено уменьшением растворимости в а-железе примесных атомов внедрения (прежде всего углерода и азота), которое наблюдается при понижении температуры от 650—700 °С до комнатной. При ускоренном охлаждении (например, от температуры конца прокатки или в зоне термического влияния после сварки) примесные атомы не успевают выделиться из а-твердого раствора и при комнатной температуре образуется неравновесный перенасыщенный а-раствор. С течением времени наблюдается постепенное перераспределение атомов внедрения к дислокациям (линейным дефектам кристаллической решетки), где атомы скапливаются и образуют так называемые атмосферы Коттрелла. Движение дислокаций затрудняется, что и вызывает увеличение прочности и падение пластичности стали. Процесс старения значительно интенсифицируется при нагреве до 50—150 °С, так как при этом возрастает диффузионная подвижность примесных атомов.
При изготовлении и монтаже корпусных конструкций многие технологические операции (например, гибка, правка, механическая резка) связаны с холодной пластической деформацией проката. Это способствует усилению процесса старения в силу повышения плотности дислокаций.
Изменение во времени механических свойств стали, происходящее после холодной пластической деформации, называют механическим (деформационным) старением. Повышение температуры способствует увеличению скорости механического старения.
При температурах старения до 100 °С ведущую роль играет азот, в то время как воздействие углерода на процесс старения стали значительно усиливается лишь при нагреве выше 200 °С.
Суммарная концентрация азота и углерода в твердом растворе, достаточная для развития деформационного старения, составляет 0,000 2—0,000 4 %.
Кислород сравнительно слабо влияет на деформационное старение стали в силу малой растворимости и низкой диффузионной подвижности его атомов в а-железе. Водород, наоборот, имеет слишком высокую подвижность атомов при комнатной и повышенной температурах. Поэтому по сравнению с азотом и углеродом его влияние на закрепление дислокации и, таким образом, на деформационное старение практически не проявляется.
Казалось бы, путь устранения склонности стали к механическому старению очевиден: необходимо довести до минимума содержание примесей внедрения (прежде всего азота) при выплавке и разливке стали. Однако на практике существующие технологии производства стали в мартеновских печах и кислородных конвертерах не гарантируют получения металла с содержанием азота менее 0,002—0,004 и кислорода менее 0,005 %. Эти значения на порядок превышают их допустимое содержание в феррите нестареющей стали. Для уменьшения концентрации газов в расплавленной стали применяют метод вакуумной дегазации, а также рафинирующие (очищающие) переплавы.
Наряду с совершенствованием методов металлургического производства стали используют и другой путь подавления ее склонности к механическому старению. В расплавленную сталь вводят модификаторы — элементы, уменьшающие концентрацию азота и углерода в а-растворе путем связывания их в виде нитридов и карбидов. Наибольший эффект обеспечивает модифицирование алюминием, титаном и ванадием. Причем алюминий используется и как раскислитель. Образовавшиеся при затвердевании высокодисперсные включения нитридов и карбидов типа A1N, VN, V(CN) и других способствуют также получению мелкозернистой структуры стали.
Склонность стали к механическому старению (ГОСТ 7268—82) определяют по величине показателя c = [(KV— —KVA)/KV]100 %, где KV и KVA — средние арифметические значения работы удара (Дж), затраченной при испытании серии образцов на ударный изгиб. Для испытаний вырезают не менее чем по три образца из заготовок двух типов: одну из них подвергают предварительной деформации, из другой контрольные образцы вырезают в исходном состоянии. При толщине проката 12 мм и более вырезают заготовки сечением 12X12 и длиной не менее 250 мм. При меньшей толщине проката поперечное сечение заготовок равно аХ12 мм, где а — фактическая толщина проката. Одну заготовку с нанесенной на ней расчетной длиной 120, 160 мм или более растягивают до получения 10±0,5 % остаточного удлинения. Деформированные образцы до испытаний подвергают искусственному старению при температуре 250 ±10 °С с выдержкой в течение 1 ч и последующим охлаждением на воздухе.
По требованиям Регистра СССР образцы, подвергнутые старению, должны выдерживать не менее 50 % минимальной работы удара KV (для сталей высшей категории качества) или обеспечивать ударную вязкость KCU (для сталей первой категории качества), устанавливаемые для стали в исходном состоянии. Помимо этого во всех случаях работа удара должна быть не менее 27 Дж (2,8 кгс-м), а ударная вязкость — не менее 29 Дж/см 2 (3 кгс · м/см 2 ).
Ударная вязкость после механического старения для чего она
Метод определения склонности к механическому старению по испытанию на ударный изгиб
Steel. Method for determination of ability to mechanical ageing by impact bend testing
Дата введения 1983-01-01
Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 3 сентября 1982 г. N 3519 дата введения установлена 01.01.83
Ограничение срока действия снято по протоколу N 4-93 Межгосударственного Совета по стандартизации, метрологии и сертификации (ИУС 4-94)
* ИЗДАНИЕ (февраль 2002 г.) с Изменением N 1, утвержденным в ноябре 1986 г. (ИУС 2-87).
Настоящий стандарт устанавливает метод определения склонности к механическому старению по испытанию на ударный изгиб листового и полосового проката номинальной толщиной не менее 5 мм, а также фасонного и сортового проката.
Метод состоит в определении работы удара или ударной вязкости стали, подвергнутой холодной пластической деформации и искусственному старению, или в сравнении этих величин с работой удара или ударной вязкостью стали в исходном состоянии с определением показателя склонности к старению.
Стандарт полностью соответствует СТ СЭВ 1957-79.
Если в нормативно-технической документации на металлопродукцию не оговорено определение показателя склонности к механическому старению, то вырезают только одну заготовку.
Допускается также вырезка заготовок размером 12 х 30 мм или х 30 мм и длиной не менее 250 мм.
Заготовки, вырезанные из проката номинальной толщиной более 12 мм, должны иметь одну прокатанную поверхность (кроме заготовок, вырезанных из листа толщиной более 40 мм и из сортового проката).
Заготовки, вырезанные из проката толщиной 12 мм и менее, должны сохранять обе прокатанные поверхности.
Примечание. При номинальной толщине проката более 12 мм допускается проведение деформации на заготовках с двумя необработанными прокатанными поверхностями.
(Измененная редакция, Изм. N 1).
1.3. Тип образца для испытаний на ударный изгиб указывается в нормативно-технической документации на металлопродукцию. Если такие указания отсутствуют, то, в зависимости от толщины проката, испытания проводят на образцах типа 1, 2 или 3 по ГОСТ 9454-78.
При толщине деформированной заготовки менее 5 мм образец изготовляют с двумя прокатанными поверхностями при толщине образца, равной толщине деформированной заготовки.
1.4. Количество образцов для испытаний на ударный изгиб после старения устанавливают в нормативно-технической документации на металлопродукцию. Если указания отсутствуют, то испытание должно быть проведено не менее чем на трех образцах.
Образцы должны быть одного типа по ГОСТ 9454-78.
2.1. Разрывные и универсальные испытательные машины и прессы для деформации заготовок должны соответствовать требованиям ГОСТ 28840-90.
2.2. Нагревательное устройство должно обеспечивать равномерный нагрев образцов до установленной температуры старения и поддержание постоянства температуры в течение необходимого времени выдержки.
2.3. Термоэлектрические преобразователи первичные (термопары) должны соответствовать требованиям ГОСТ 6616-94, ГОСТ 3044-84*.
* В Российской Федерации действует ГОСТ Р 8.585-2001.
2.4. Регулирующие и измерительные приборы должны соответствовать требованиям ГОСТ 7164-78, ГОСТ 9245-79, ГОСТ 9736-91 и иметь класс точности не ниже 0,5.
2.5. При разногласиях в оценке качества металла применяют устройство с автоматической записью температуры.
2.6. Маятниковый копер должен соответствовать ГОСТ 10708-82.
Разд.2. (Измененная редакция, Изм. N 1).
3. ПОДГОТОВКА К ИСПЫТАНИЮ
3.1. Заготовку с нанесенной на ней расчетной длиной 120, 160 мм или более подвергают деформации растяжением из расчета получения (10±0,5)% остаточного удлинения.
Расстояние от захвата машины до начала расчетной длины заготовки должно составлять не менее 10 мм.
При наличии в нормативно-технической документации на металлопродукцию указаний допускается проведение деформации сжатием заготовок образцов для испытаний на ударный изгиб по толщине (b) размером b х 12 х 57 мм. При этом остаточная деформация после сжатия должна составлять (7±0,7)%.
Допускаются и другие степени деформации, если это оговорено в нормативно-технической документации на металлопродукцию.
3.2. Деформацию заготовок проводят при температуре (20 )°С.
3.3. Из заготовки, подвергнутой деформации, изготовляют образцы для испытаний на ударный изгиб в соответствии с ГОСТ 9454-78.
Место вырезки заготовок для образцов, подвергнутых деформации растяжением, должно находиться в пределах расчетной длины деформированной заготовки.
3.4. Образцы для испытаний на ударный изгиб, изготовленные из предварительно деформированной заготовки, подвергают нагреву (искусственному старению) при температуре (250±10)°С с выдержкой 1 ч при этой температуре и с последующим охлаждением на воздухе, если в нормативно-технической документации на металлопродукцию не имеется других указаний.
Допускается искусственное старение проводить на предварительно деформированных заготовках.
4. ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ
4.2. Температура испытания указывается в нормативно-технической документации на металлопродукцию. При отсутствии таких указаний испытание проводится при температуре (20 )°С.
5. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ
5.1. Работа удара или ударная вязкость вычисляется по ГОСТ 9454-78.
5.2. Показатель склонности стали к механическому старению (C) в процентах вычисляется по формуле
,
5.3. Сравнению подлежат только те результаты испытаний, которые получены при одном и том же способе деформации заготовок на одинаковых типах образцов.
6. ПРОТОКОЛ ИСПЫТАНИЯ
В протоколе испытания указывают:
тип и размеры образца;
способ проведения деформации;
температуру нагрева и время выдержки при старении образца, если они отличаются от установленных в настоящем стандарте;
величину работы удара или ударной вязкости после старения;
величину показателя склонности стали к механическому старению, если она нормируется в нормативно-технической документации на металлопродукцию.
1. ОТБОР ПРОБ
Если в нормативно-технической документации на металлопродукцию не оговорено определение показателя склонности к механическому старению, то вырезают только одну заготовку.
Допускается также вырезка заготовок размером 12 ´ 30 мм или а ´ 30 мм и длиной не менее 250 мм.
Заготовки, вырезанные из проката номинальной толщиной более 12 мм, должны иметь одну прокатанную поверхность (кроме заготовок, вырезанных из листа толщиной более 40 мм и из сортового проката).
Заготовки, вырезанные из проката толщиной 12 мм и менее, должны сохранять обе прокатанные поверхности.
Примечани е. При номинальной толщине проката более 12 мм допускается проведение деформации на заготовках с двумя необработанными прокатанными поверхностями.
(Измененная редакция, Изм. № 1).
1.3. Тип образца для испытаний на ударный изгиб указывается в нормативно-технической документации на металлопродукцию. Если такие указания отсутствуют, то, в зависимости от толщины проката, испытания проводят на образцах типа 1, 2 или 3 по ГОСТ 9454-78.
При толщине деформированной заготовки менее 5 мм образец изготовляют с двумя прокатанными поверхностями при толщине образца, равной толщине деформированной заготовки.
1.4. Количество образцов для испытаний на ударный изгиб после старения устанавливают в нормативно-технической документации на металлопродукцию. Если указания отсутствуют, то испытание должно быть проведено не менее чем на трех образцах.
Образцы должны быть одного типа по ГОСТ 9454-78.
2. АППАРАТУРА
2.1. Разрывные и универсальные испытательные машины и прессы для деформации заготовок должны соответствовать требованиям ГОСТ 28840-90.
2.2. Нагревательное устройство должно обеспечивать равномерный нагрев образцов до установленной температуры старения и поддержание постоянства температуры в течение необходимого времени выдержки.
* В Российской Федерации действует ГОСТ Р 8.585-2001.
2.4. Регулирующие и измерительные приборы должны соответствовать требованиям ГОСТ 7164-78, ГОСТ 9245-79, ГОСТ 9736-91 и иметь класс точности не ниже 0,5.
2.5. При разногласиях в оценке качества металла применяют устройство с автоматической записью температуры.
2.6. Маятниковый копер должен соответствовать ГОСТ 10708-82.
Разд. 2. (Измененная редакция, Изм. № 1).
3. ПОДГОТОВКА К ИСПЫТАНИЮ
3.1. Заготовку с нанесенной на ней расчетной длиной 120, 160 мм или более подвергают деформации растяжением из расчета получения (10 ± 0,5) % остаточного удлинения
Расстояние от захвата машины до начала расчетной длины заготовки должно составлять не менее 10 мм.
При наличии в нормативно-технической документации на металлопродукцию указаний допускается проведение деформации сжатием заготовок образцов для испытаний на ударный изгиб по толщине (b) размером b ´ 12 ´ 57 мм. При этом остаточная деформация после сжатия должна составлять (7 ± 0,7) %.
Допускаются и другие степени деформации, если это оговорено в нормативно-технической документации на металлопродукцию.
3.2. Деформацию заготовок проводят при температуре 
3.3. Из заготовки, подвергнутой деформации, изготовляют образцы для испытаний на ударный изгиб в соответствии с ГОСТ 9454-78.
Место вырезки заготовок для образцов, подвергнутых деформации растяжением, должно находится в пределах расчетной длины деформированной заготовки.
3.4. Образцы для испытаний на ударный изгиб, изготовленные из предварительно деформированной заготовки, подвергают нагреву (искусственному старению) при температуре (250 ± 10) °С с выдержкой 1 ч при этой температуре и с последующим охлаждением на воздухе, если в нормативно-технической документации на металлопродукцию не имеется других указаний.
Допускается искусственное старение проводить на предварительно деформированных заготовках.
4. ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ
4.2. Температура испытания указывается в нормативно-технической документации на металлопродукцию. При отсутствии таких указаний испытание проводится при температуре
5. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ
5.1. Работа удара или ударная вязкость вычисляется по ГОСТ 9454-78.
5.3. Сравнению подлежат только те результаты испытаний, которые получены при одном и том же способе деформации заготовок на одинаковых типах образцов.
6. ПРОТОКОЛ ИСПЫТАНИЯ
В протоколе испытания указывают:
тип и размеры образца;
способ проведения деформации;
температуру нагрева и время выдержки при старении образца, если они отличаются от установленных в настоящем стандарте;
величину работы удара или ударной вязкости после старения;
величину показателя склонности стали к механическому старению, если она нормируется в нормативно-технической документации на металлопродукцию.
Ударная вязкость (сопротивление хрупкому разрушению)
При создании высокотвердых, прочных материалов необходимо учитывать такое их свойство как вязкость или сопротивление хрупкому разрушению, определяющее способность материала пластически деформироваться в условиях динамических нагрузок.
Хрупкий тип разрушения — самый опасный, так как трещина возникает мгновенно, в течение долей секунды, быстро растет, превращаясь в так называемую магистральную трещину. В случае линий трубопровода магистральная трещина может пройти вдоль нескольких труб за считанные секунды.
Особое внимание на возможность сталей сопротивляться хрупкому разрушению уделяют при расчете металлоконструкций, предназначенных для эксплуатации в условиях северных широт, так как низкие температуры способствуют охрупчиванию металла. В ходе инженерных расчетов используют такой критерий, как ударная вязкость, которая количественно описывает сопротивление материала хрупкому разрушению.
Ударная вязкость
Ударная вязкость показывает, сколько нужно энергии (работы) для разрушения образца заданного поперечного сечения. Испытание для определения ударной вязкости относится к динамическим и осуществляется с помощью маятникового копра. Принцип действия заключается в падении бойка с определенной высоты на испытываемый стандартный образец металла. После чего, основываясь на разнице энергий бойка до и после удара, определяется работа, потраченная на разрушение образца. Чтобы полученные на разных образцах значения можно было сравнивать, их приводят к площади сечения испытываемого образца.
Образцы для испытаний стандартизованы и имеют вид стержня с квадратным сечением площадью 1 см2. В середине образца на одной из сторон наносят искусственный концентратор напряжений, имеющий три варианта исполнения:
При испытаниях на ударную вязкость оценивают также поверхность разрушения образца и определяют соотношения доли вязкой и хрупкой составляющей в изломе. Такой анализ выполняется либо визуально, либо с применением цифровых методов текстурного анализа, реализованных в анализаторе изображений Thixomet.
Если металл после испытания на ударную вязкость при нормальных климатических условиях показывает хрупкий излом, то его эксплуатация при пониженных температурах недопустима.
Критическая температура хрупкости
Как уже отмечалось выше, температура окружающей среды и, соответственно, самого металла, оказывает существенное влияние на его сопротивление хрупкому разрушению. Это явление называется хладноломкостью, и обусловлено переходом металла из вязкого состояния в хрупкое при снижении температуры.
На основании полученных результатов строят график зависимости доли вязкой составляющей от температуры. Точка перегиба на получившейся кривой соответствует критической температуре хрупко-вязкого перехода Тхр. Чем выше ее значение, тем выше склонность металла к хрупкому разрушению.
Почему металлы имеют различную хрупкость?
Помимо низких температур и высокой скорости нагружения к хрупкому разрушению могут приводить следующие факторы:
Методы испытаний изделий
Набор характеристик определяют назначение металлопроката. Если продукция не соответствуют нормативам, изделия направляют на переделку или бракуют.
О качестве проката судят по соответствию размерам, геометрии, микроструктуре, чистоте поверхности, численным значениям механических свойств. В стандартах указаны требования к изготовлению, визуальному контролю, отбору проб и проведению испытаний.
Прочность проката на сжатие
Правила проведения мероприятия перечислены в ГОСТ 25.503-97. По результатам испытаний строят график, который показывает зависимость между напряжением и характером деформации. Результат проверки используют в случаях:
Чтобы провести испытания, отбирают призматические и цилиндрические образцы с гладкими или торцевыми выточками.
Стандарт содержит таблицу, в которой указаны формы и размеры четырех типов проб. Приведены численные значения высоты, диаметра цилиндра, толщины призмы. Перечислены характеристики, которые получают в результате испытаний:
В стандарте указаны параметры для построения кривой упрочнения.
Норматив определяет место, откуда вырезают образец, и дальнейшую обработку. Прокат требуемой формы получают на металлорежущем оборудовании. Указаны размеры и допуски.
Предельное отклонение поперечного сечения призмы размером до 10 мм — 0,01 мм, выше 10 мм — 0,05 мм. Если предусмотрен нагрев, операцию выполняют до механической обработки.
Чтобы провести испытания, используют машины для сжатия, тензометры, измерительные инструменты и приборы. В комплект входит самопишущее устройство, которое отмечает численные значения механических свойств и строит кривую упрочнений.
Наименьшее количество образцов при проверке прочности на сжатие — не менее пяти. Стандарт указывает на необходимость соблюдения правил безопасности и минимального эксцентриситета приложения нагрузки.
Результаты проверки каждого образца отмечают в журнале. После испытаний делают вывод о возможности дальнейшей эксплуатации. Экспертное заключение оформляют протоколом.
Испытание на ударный изгиб и склонность металла к старению
Требования к испытаниям изложены в ГОСТ 7268-82.
Старение металла — невидимое человеческому глазу изменение структуры проката во времени. Явление присуще низкоуглеродистым сталям с массовой долей «С» менее 0,025%.
Чтобы определить склонность металла к старению, проводят испытания на ударный изгиб. Об ухудшении свойств судят по изменению микроструктуры стали. Характерные признаки старения:
Ударная вязкость металлопроката
Второе название характеристики — внутреннее трение. Это способность сплава поглощать внешнюю энергию. Когда на образец действуют сторонние силы, металл деформируется или разрушается. Ударная вязкость зависит от величины касательной силы и площади приложения.
В лабораториях используют специальные таблицы, где указана величина «KC» (в зависимости от угла отклонения копра). Параметр «F» имеет стандартное значение. При испытаниях учитывают массу и толщину образца, термическую обработку и другие показатели.
На численное значение ударной вязкости влияют параметры:
Во время испытаний изменяют «T» и повторяют процедуру. Когда есть несколько показаний, строят график изменения параметров: прочности, хладоемкости, пластичности. Цель мероприятия — указать оптимальный режим эксплуатации с лучшим набором характеристик.
Регламент устанавливает размеры проб и методы испытаний сортового и фасонного проката. Норматив распространяется на листовую и полосовую сталь толщиной более 5 мм.
Цель мероприятия — определить ударную вязкость металла в условиях пластической деформации или искусственного старения. Метод проверки основан на сравнении результатов до и после нагрузки. Существенная разность параметров свидетельствует об ухудшении механических свойств, то есть, о старении металла.
Работу начинают с подготовки образцов. Размер брусков зависит от габаритов профиля. Для проката толщиной более 12 мм вырезают образец 12х12х250 мм. Если в нормативно-технической документации не указано количество, подготавливают не менее трех проб.
Для тестирования используют устройства:
Старение металла
Чтобы выявить тенденцию ухудшения механических свойств, концы заготовки зажимают в фиксирующих приспособлениях. На поверхности металла делают отметки.
Различают несколько форм надрезов. Разновидности обозначений:
Заготовку кладут надрезом вниз. Когда установку включают, маятниковый копер ударяет участок, который находится напротив отметки. Температура проведения испытания — +20 0 C.
Работу маятникового копра определяют по шкале. Согласно стандарту, степень деформации на растяжение составляет 10±0,5% остаточного удлинения.
Чтобы выявить склонность металла к старению, применяют формулу:
Численные значения параметров используют для построения графика. Нисходящая или восходящая кривая показывает тенденцию к старению.
Если испытывают деформированную конструкцию, контрольный образец подвергают искусственному старению. Технология включает этапы:
Методы отбора проб
Правила подготовки образцов перечислены в ГОСТ 7564-97. Отдельные пункты продублированы в стандартах, которые регламентируют испытания на изгиб, растяжение, усадку, старение.
В общих требованиях (приложениях к нормативу Б, В и Г) перечислены параметры:
Перед работой контрольные образцы маркируют. Минимальное количество проб указано в регламентах на соответствующий вид испытаний.
Положительные и отрицательные результаты записывают в журнале и протоколах.