Моделювання та розрахункові методи все більше впроваджуються в повсякденне робочу практику інженерів. Воно й зрозуміло: адже краще, маючи під рукою інструменти для комп'ютерного моделювання процесів литва, обробки металів тиском, термообробки або зварювання, спочатку провести віртуальні експерименти і зрозуміти доцільність використання тієї чи іншої технології, перш ніж «переводити купу металу в шихту». Проте серед моїх колег не раз зустрічав противників моделювання та розрахункових методів. Ось і сьогодні я розповім про одну з таких методик, хоча і набагато більш простий в порівнянні з програмами, заснованими на методі кінцевих елементів, але тим не менше дозволила нам домогтися потрібних властивостей стали.
Розповідати я буду про прокаліваемость стали. тому тим, хто призабув, що це таке і як її визначають, рекомендую звернутися до підручників з металознавства і ГОСТ 5657 [1].
Під прокаливаемостью розуміють здатність стали сприймати загартування на певну глибину [2, с. 5].
Нижче ще одне визначення, але вже з прив'язкою до микроструктуре стали.
Загальновизнаним методом визначення прокаливаемости є метод Джомини (див. ГОСТ 5657 або інші стандарти з випробувань на прокаліваемость).
Випробування полягає в наступному: циліндричний зразок нагрівають до температури гарту, витримують в печі необхідний час, потім виймають з печі і ставлять в спеціальну установку таким чином, щоб один торець зразка знизу охолоджувався струменем води.
Мал. 1. Установка для визначення прокаливаемости за методом Джомини
Після охолодження зразка до кімнатної температури зразок піддається обробці на шліфувальному верстаті: уздовж твірної циліндра знімають метал так, щоб отримати дві паралельні площини, на яких вимірюють твердість в напрямку від загартованого торця до незагартованої. За отриманими даними будують діаграму твердості (криву прокаливаемости).
Мал. 2. Приклад кривої прокаливаемости
У стандартах на марки сталей, призначених для гарту і відпустки, існують норми прокаливаемости, які при поданні їх у графічному вигляді будуть називатися смугами прокаливаемости (див. Рис. Нижче). Верхня допустима межа - це верхня лінія смуги прокаливаемости, нижня допустима межа - це суть справи смуги прокаливаемости; одержувані результати повинні строго перебувати в області, обмеженої цими лініями, тобто всередині смуги прокаливаемости.
Мал. 3. Смуга прокаливаемости для стали 40ХФА.
Отже, у нас були проблеми з прокаливаемостью однієї легованої сталі: споживач хотів отримати більш вузьку смугу прокаливаемости в порівнянні зі стандартною смугою, наведеної в ГОСТ 4543 для цієї марки стали.
А ось тепер згадаю про супротивників розрахункових методів і погоджуся з ними в тому, що не варто забувати про те, що отримані коефіцієнти всього лише цифри, і вони не відображають фізики процесу. У кожному з коефіцієнтів «сидить помилка», яку ми отримали з-за того, що не врахували ще безліч факторів крім хімічного складу, які, безумовно, впливають на стійкість аустеніту і протікання перетворення в сталі, а отже, і на прокаліваемость.
Але, незважаючи на ці недоліки, метод розрахунку прокаливаемости за коефіцієнтами є дуже практичним і навіть прийнятий на озброєння німецьким союзом інженерів: видано стандарт SEP тисячі шістсот шістьдесят чотири [4], в якому викладена методика побудови регресійних рівнянь для розрахунку прокаливаемости, а також є таблиці з готовими формулами для діапазонів хімічних елементів, в які потрапляють допустимі змісту елементів типових сталей. Ось, наприклад, таблиця зі стандарту SEP 1664 для розрахунку прокаливаемости середньовуглецевих сталей:
Разом: будь-який розрахунковий метод несе в собі помилку, і використовувати його потрібно з обережністю; розуміючи фізику процесу, можна оцінити, бреше модель чи ні.
А завершу статтю словами одного свого викладача, який, до речі, теж когось цитував: «Будь-яка модель неправильна, але багато хто з них корисні».
1. ГОСТ 5657-69. Сталь. Метод випробування на прокаліваемость
2. Качанов Н. Н. Прожарювана стали. 2-е изд. М., «Металургія», 1978. з
3. Лахтин М.Ю. Основи металознавства. М. Металургія, 1988. 320 с.
4. SEP 1664. Ermittlung von Formeln durch multiple Regression zur Berechnung der Härtbarkeit im Stirnabschreckversuch aus der chemischen Zusammensetzung von Stähle n