Взаимосвязь характеристик длительной и кратковременной прочности низколегированных сталей

Определение характеристик длительной прочности при разработке и освоении низколегированных конструкционных сталей, предназначенных для высокотемпературной службы, связано с большими затратами времени и средств, что зачастую сдерживает темпы и сроки новых разработок. В частности, требуется проведение не менее 10 индивидуальных испытаний при различной нагрузке, поскольку для надежной экстраполяции экспериментальных данных на срок службы до 10 ч необходимо проведение испытаний длительностью около 104 ч. В этой связи возможность прогнозирования свойств длительной прочности по результатам кратковременных испытаний на растяжение имеет большую практическую важность, в особенности в тех случаях, когда из ряда намечаемых композиций или режимов термообработки необходимо выбрать оптимальные по комплексу служебных характеристик варианты.
В качестве расчетных характеристик высокотемпературной прочности при конструировании сосудов давления используется наименьшая из следующих: а) допускаемое напряжение, определяемое по характеристикам прочности при высокотемпературном кратковременном растяжении (либо 2/3 от предела текучести Од 2, либо 1/(2,6) от предела прочности при рабочей температуре); б) допускаемое напряжение, определяемое по пределу длительной прочности при рабочей температуре на заданный срок службы (2/3 от значения Одп).
Существует переходная область температур (для углеродистых сталей в области приблизительно 400...450°С, для низколегированных — 450...500°С), в которой изменяется относительное расположение указанных характеристик, при этом выше переходной температуры лнмнтирующей является длительная, а ниже переходной температуры — кратковременная прочность материала.
В практике конструкционные материалы широко используются в области переходных температур или близких к ним, поэтому в ряде случаев возникает необходимость определения как кратковременных, так н длительных характеристик прочности при рабочей температуре.
Попытки установления связи между длительными и кратковременными свойствами материала предпринимались в ряде исследований. На основании обобщения статистических данных испытаний в работе показано существование и определены пределы надежности корреляционной зависимости между пределом текучести (пределом прочности) при различных температурах и пределом прочности при комнатной температуре. Эта зависимость имела прямолинейный характер. По результатам испытаний металла партии котельных листов из углеродистых и легированных молибденом теплоустойчивых сталей в работе показано существование прямолинейной корреляционной зависимости между пределом длительной прочности за 104 ч и пределом прочности при кратковременном растяжении в интервале температур 400...500°С. Однако с повышением температуры испытания точность этой зависимости понижалась, в особенности для молибденовой стали.
Целью настоящего исследования явилось установление взаимосвязи между характеристиками длительной прочности и кратковременными механическими свойствами группы низколегированных листовых конструкционных сталей, используемых в настоящее время для изготовления сосудов давления энергетических установок с рабочей температурой в интервале 300..,400°С.
Испытания на длительную прочность проводились в интервале температур 350...450°С, при этом длительность единичного испытания составляла 100...5000 ч. Кривые длительной прочности строились с использованием параметрической зависимости Ларсона — Миллера. В качестве примера на рисунке приведены параметрические графики длительной прочности для сталей 15Х2НМФА и 10ГН2МФА. По параметрическим графикам определяли значения пределов длительной прочности за 105 ч.
Результаты обработки испытаний на кратковременный разрыв и длительную прочность приведены в сводной табл. 1. По данным табл. 1 построены графики зависимости предела длительной прочности за 105 ч при температуре 350°С от характеристик кратковременной прочности, показанные на рис. 2, из которых видно, что результаты испытаний всех исследованных материалов описываются единой прямолинейной корреляционной зависимостью.
Общее уравнение прямых, аппроксимирующих результаты испытаний (рис. 2), можно выразить в виде, где Одп— предел длительной прочности за 106 ч при-350 °С; у— текущая характеристика кратковременной прочности; К а В — коэффициенты. Результаты расчета коэффициентов уравнения приведены в табл. 2.
Существование линейной взаимосвязи между характеристиками длительной (при 350 °С) и кратковременной прочности ряда низколегированных конструкционных сталей для сосудов давления свидетельствует о том, что при температурах 350 °С (и по-видимому до 400 °С) ползучесть в элементах конструкций из этих сталей во многих случаях не будет иметь существенного значения.