СИНЕРГЕТИЧЕСКИЕКРИТЕРИИ СТРУКТУРНОЙ УСТОЙЧИВОСТИ СТРОИТЕЛЬНОЙ СТАЛИ

 

Густов Ю.И., Воронина И.В., Орехов А.А., Ярмолик Н.В.

(МГСУ, г. Москва, РФ)

 

The study of stress decomposition of metals based on the synergy of plastic deformation using a standard equation for a strength-plastic indicators allows us to consider the synergistic stability criterion for the structure of metals.

 

Изучение напряжений деструкции металлов на основе синергетики пластической деформации [1] с использованием уравнения относительных стандартных прочностно-пластических показателей [2,3] позволяет рассмотреть синергетический критерий устойчивости структуры металлов вида

                                       (1)  

где – истинное временное сопротивление разрыву;

– напряжение деструкции;

 – относительное равномерное сужение при относительном равномерном удлинении δ_р.

Представляет интерес сопоставление критериев К_у и А_S=HV/σ_0,2, предложенного в [1].

В качестве исходных использованы экспериментальные стандартные показатели σ_0,2,σ_В, δ,ψ работы [1], а также указанные выше расчетные величины ψ_р, S_B, и σ_D.

Результаты расчетного определения критерия устойчивости структуры К_устроительной стали 09Г2С приведены в табл. 1.

 

Таблица 1 - Критерий устойчивости структуры К_у стали 09Г2С

№	Состояние	σ0,2, МПа	σВ, МПа	δ, %	ψ, %	ψр, %	SB, МПа	σD, МПа	Ку	АS
1	Исходное	343	490	17	15	11,6	554	460	0,445	4,34
2	Охлаждение в печи	322	439	32,9	32,1	20,8	554	433	0,552	4,94
3	Охлаждение на воздухе	371	544	24,4	21,0	15,9	647	496	0,547	4,74
4	Охлаждение в воде + отпуск	543	620	23,3	23,5	16,3	741	623	0,596	3,76
5	Охлаждение в воде	974	1015	16,1	13,9	11,9	1152	939	1,200	3,41

 

Графическая зависимость критериев К_у и А_S(рис.) показывает, что наименьшему значению А_S (отвечающему наиболее устойчивому состоянию структуры №5) соответствует наибольшее значение критерия К_у согласно линейной зависимости (1). Качественно одинаковый характер изменения критериев получается, если рассматривать показатель

 

                                           (2)

В этом случае с увеличением А_S возрастает К_у1и, следовательно, устойчивость структуры стали снижается (см. зависимость 2).

Соответственно, в первом приближении можно принять следующие аппроксимирующие функции:

,                                                    (3)

.                                                (4)

Сравнение значений (К_у1)_а и К_у1 показывает, что расхождение для состояний 2 и 3 составляет 8,2 и 6,3% соответственно,  для состояний 1, 4, 5 – 25, 22,1 и 29,5 %. Расхождение  значений (К_у1)_а и 1/(К_у)_а для состояний 1, 4, 5 – 28; 31,6 и 28,5 %. Таким образом, между сопоставляемыми критериями отмечается приближенная линейная корреляция, позволяющая перейти от объемных показателей прочности к твердости стали (HV). Это делает возможным оценить износостойкость металла, например, в условиях абразивного изнашивания.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок - Взаимосвязь критериев устойчивости К_у, К_у1 и А_S

Из уравнения (3) имеем

,                                                  (5)

из уравнения (4) следует

.                                             (6)

Расчетные значения твердости по (5) и (6) уравнениям практически совпадают с твердостью, приведенной в [1] – табл. 2.

Таблица 2 - Значения твердости по (5), (6) и [1]

№	(Ку1)а	(Ку)а	HV по [1]	HV по (5)	∆, %	HV по (6)	∆, %
1	1,684	0,83	1490	1489	0,07	1492	0,13
2	2,074	0,53	1590	1591	0,06	1594	0,03
3	1,944	0,63	1760	1758	0,10	1762	0,10
4	1,306	1,12	2042	2042	0,0	2045	0,15
5	1,079	1,30	3253	3312	1,8	3328	2,30

Поскольку предел текучести и напряжение деструкции являются критическими параметрами для точек бифуркаций, отвечающих границам стадии обратимой повреждаемости структуры металла, заслуживает внимания критерий устойчивости.

                                                                                       (7)

В этом случае взаимосвязь K_y2 и A_s аппроксимируется линейной зависимостью

                                                       (8)

Аналогично A_s, наименьшему значению K_y2 соответствует наибольшая структурная устойчивость металла. Расхождение расчетных по (7) значений K_y2 с экспериментально-расчетными значениями (σ_D)_р/(σ_0,2) (см.табл.1) составляет 1,1-2,0 % (для состояния 4 – 7,1 %).

Из уравнения (8) получаем выражение для определения твердости

 

                                                     (9)

Расхождение с экспериментальными значениями HV составляет   0,5–2,2 % (для состояния 4 – 8,7 %).

Для экспериментальных значений σ_Dиσ_0,2 [1] получена аппроксимирующая функция

,                                                   (10)

практически совпадающая с (8). Расхождение результатов по (10)  с экспериментальными значениями 0,27-8,4 %. Выражение для определения твердости HV_p будет

                                                  (11)

Различие HV_pс фактической твердостью HV (см. табл.2) составляет

 

состояние	1	2	3	4	5
σD/σ0,2	1,376	1,314	1,372	1,112	1,032
HVp	1647	1467	1776	2035	3339
∆, %	10,5	7,7	0,9	0,3	2,6

 

Из [1] имеем

                                         (12)

При соответствующих значениях твердости (см. табл.2) получены критерии:

σ_D/σ_0,2 = 1,344; 1,293; 1,227; 1,150; 1,005, удовлетворительно совпадающие с выше приведенными значениями σ_D/σ_0,2 для состояний 1 – 5 (расхождение 1,6-10,6 %).

Таким образом, проведенные исследования позволяют рекомендовать согласующиеся между собой критерии устойчивости структуры стали на основе синергетики.

По результатам приведенных исследований можно сформулировать следующие основные выводы.

 

1.            Предложенные критерии структурной устойчивости позволяют определить наиболее устойчивое состояние металла (сталь 09Г2С) соответственно по их наибольшему (K_y) и наименьшему (K_y1,K_y2)значениям.

2.            Между критериями устойчивости структуры К_у, К_у1, K_y2иА_S установлены линейные зависимости, позволяющие перейти от объемных показателей прочности металла к поверхностным. Становится возможным оценка износостойкости металла по твердости.

3.            Установлено совпадение выводов о наиболее устойчивой структуре стали (состояние 5) по критериям К_у, К_у1, K_y2и А_S.

 

Литература

1.    Ефименко Л.А., Иванова Ю.С., Сарафанова Я.А. О взаимосвязи характеристик сопротивления пластической деформации стали на стадии обратимой повреждаемости. // Фракталы и прикладная синергетика. Сборник статей.- Москва.: Интерконтакт – наука, 2005. – С. 261-262.

2.    Густов Д.Ю., Густов Ю.И. К развитию научных основ строительного металловедения // Доклады Х российско-польского семинара «Теоретические основы строительства». Варшава. -М: изд. АСВ, 2001. – С.307 – 314.

3.    Густов Ю.И., Густов Д.Ю., Воронина И.В. Синергетические критерии металлических материалов. // Сборник докладов XV Российско-словацко- польского семинара  «Теоретические основы строительства». -Варшава, 2006. – С.179-184.