Визначення характеристик тріщиностійкості для сталі 22К за результатами випробувань зразків різних типів

Abstract

В наш час в різних галузях промисловості, зокрема в атомній енергетиці, для визначення характеристик тріщиностійкості поряд із стандартними випробуваннями компактних зразків, які є доволі дорогими та складними, розробляються методи визначення цих характеристик за результатами ударних випробувань зразків Шарпі зі встановленням залежностей між ударною в’язкістю (енергією руйнування) та критичним коефіцієнтом інтенсивності напружень (J-інтегралом). В роботі проаналізовано кореляційні та аналітичні методи, автори яких вважають їх універсальними для певного класу сталей. Кореляційні методи поділяються на одноетапні та двоетапні. Одноетапні методи дозволяють за відомою енергією руйнування отримати значення критичного коефіцієнта інтенсивності напружень. Двоетапні методи на першому етапі пропонують розрахунок динамічного критичного коефіцієнта інтенсивності напружень, на другому зсув по температурі та отримання статичного критичного коефіцієнта інтенсивності напружень. Аналітичні методи за діаграмою ударного руйнування зразка дозволяють побудувати J-R криву та за нею розрахувати значення J-інтегралу. Проведено серію випробувань на тріщиностійкість СТ зразків із теплостійкої сталі 22К, визначено референсну температуру Т0 за однотемпературною методикою стандарту ASTM-1921 та побудовано Майстер криву. Проведено серію ударних випробувань стандартних зразків Шарпі у діапазоні температур -50…+100°С з використанням інструментованого вертикального копра, обладнаного високошвидкісною системою реєстрації. За результатами ударних випробувань зразків Шарпі визначено характеристики тріщиностійкості з використанням різних методів. Встановлено, що як аналітичні, так і кореляційні методи не можуть бути універсальними та використовуватись для визначення характеристик тріщиностійкості сталі 22К. Тому було запропоновано нову експоненціальну кореляційну залежність між енергією руйнування зразка Шарпі та критичним коефіцієнтом інтенсивності напружень для теплостійкої сталі 22К.Nowadays, in various industries, in particular in nuclear energy, to determine the fracture toughness, along with standard tests of compact specimens, which are quite expensive and complex, methods are developed to determine these characteristics by impact tests of Charpy specimens using different correlations between Charpy impact fracture energy (CVN) and critical stress intensity factor (J-integral). The paper analyzes correlation and analytical methods, the authors of which consider them universal for a certain class of steels. Correlation methods are divided into one-stage and two-stage. One-stage methods allow to obtain the value of the critical stress intensity factor by the known fracture energy. Two-stage methods in the first stage offer the calculation of the dynamic critical stress intensity factor, in the second the temperature shift and obtaining a static critical stress intensity factor. Analytical methods according to the іmpact fracture diagram of the specimen allow to construct a J-R curve and calculate the value of the J-integral. A series of fracture tests of CT specimens made of heat-resistant steel 22K was carried out, the reference temperature T0was determined according to the single-temperature method of the ASTM-1921 standard and the Master curve was constructed. A series of standard Charpy specimens impact tests in the temperature range -50…+100°Сwas performed using an instrumented drop-weight impact testing machine equipped with a high-speed registration system. According to the results of Charpy specimens impact tests, the fracture toughness were determined using different methods. It is established that both analytical and correlation methods cannot be universal and can be used to determine the fracture toughness of 22K steel. Therefore, a new exponential correlation was proposed between the fracture energy of the Charpy specimens and the critical stress intensity factor for heat-resistant steel 22K.