Неразрушающий контроль металла теплоэнергетических установок - Связь ударной вязкости с характеристиками испытаний на растяжение

Работа динамического разрушения, определяемая ударными испытаниями, является характеристикой, значение которой зависит как от прочности, так и от пластичности стали.
Авторами изучено влияние .различных параметров прочности и пластичности теплоустойчивых перлитных сталей на величину ударной вязкости. Были исследованы образцы с различными значениями ударной вязкости и с большим диапазоном показателей прочности и пластичности.
Механические характеристики стали чувствительны к изменению структуры. Поэтому рост зерен феррита или блоков при термической обработке и в процессе длительной эксплуатации при высоких температурах существенно отражается на механических свойствах стали.
Прочность изучаемых сталей определяется в основном дисперсностью карбидной фазы и ее составом, а также степенью упрочнения феррита.
Из характеристик пластичности металла наиболее достоверна в определении величина относительного сужения площади поперечного сечения образцов ψ. Относительное сужение мало зависит от размеров испытываемых образцов.

Относительное сужение, как и ударная вязкость, сильно реагирует на изменение размеров зерна — увеличение размеров зерен увеличивает вероятность появления более опасных дефектов при пластической деформации и тем самым приводит к уменьшению сосредоточенной деформации. Кроме того, ψк и ак реагируют на состояние карбидной фазы (число, размеры и распределение частиц). Относительное сужение, так же как и ударная вязкость, характеризует чувствительность металла к надрезу при статических и циклических (усталостных) испытаниях.
Исследованиями авторов было установлено отсутствие корреляции у хрупких материалов. С учетом того, что металл труб паропроводов достаточно пластичен, широко изучена зависимость ак=f(ψк). При этом изменение ψк тесно связано с изменением ак.
На основе экспериментальных данных авторами установлена зависимость между ударной вязкостью и относительным сужением трубных сталей 16М, 12МХ и 12Х1МФ, прошедших стандартную заводскую термическую обработку. Эта зависимость выражается формулой
(4-12)

где Р— коэффициент, зависящий от марки стали, значения ψк и состояния стали—исходное или после эксплуатации.
Значения коэффициента Р приведены в табл. 4-1.
Таблица 4-1

Точность определения ударной вязкости по этой формуле при испытании стали в исходном состоянии выше, чем после эксплуатации, где максимальная ошибка ее определения равна ±20%.

Оценить жаропрочность стали количественно можно, приняв допущение о возможности экстраполяции кривой Нг.т до τ=109 с. Экстраполяция эта может быть принята лишь условно, так как с увеличением времени выдержки снижение твердости затухает и кривая горячей длительной твердости приближается асимптотически к параллельной оси lg τ. Сравнив значения Нг.т за 105с при различных температурах со значениями предела длительной прочности при этих температурах, можно найти зависимость (5-1). Коэффициент перехода К от горячей твердости к пределу длительной прочности для стали 12Х1МФ колеблется в пределах от 0,125 до 0,192.
Таким образом, по значениям горячей длительной твердости с достаточным приближением может быть определена абсолютная величина предела длительной прочности. На рис. 5-2 показано изменение коэффициента перехода К от горячей твердости к пределу длительной прочности в зависимости от температуры испытания.
В [21] для количественной оценки длительной прочности жаропрочных сплавов по результатам испытаний на длительную твердость был применен параметрический метод Ларсона — Миллера. Достоинство этого метода заключается в возможности использования повышенных температур для сокращения длительности испытаний. В указанной работе на основании исследования большого числа сталей показано, что пределы длительной прочности и длительной твердости по Бриннелю связаны линейной зависимостью

где коэффициент К для некоторых сталей перлитного класса оказался равным 0,200—0,265, а для сталей аустенитного класса 0,160.
Крутасова и Талова [17] установили взаимосвязь между длительной прочностью и горячей твердостью сталей 12МХ и 15ХМ и рекомендуют для оценки жаропрочности металла соответствующую номограмму.
Применение метода длительной твердости в производственных условиях позволяет рекомендовать его для приближенного контроля жаропрочности сталей в процессе эксплуатации.
В [18] показано, что для сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф время выдержки образцов под нагрузкой должно составлять не менее 240 мин.
Препятствием к внедрению метода длительной твердости для контроля труб паропроводов без вырезки из них образцов является отсутствие компактной переносной установки для испытания на длительную твердость.