автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Определение ресурса сварных конструкций из феррито-перлитных сталей на основе структурно-механической модели разрушения с учетом собственных напряжений и двухчастотного нагружения

ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ НЕФТИ И ГАЗА имени И. М. ГУБКИНА

На правах рукописи

МАТОХИН Геннадий Владимирович

УДК 621. 791. 052:539. 4

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕСУРСА СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ФЕРРИТО—ПЕРЛИТНЫХ СТАЛЕЙ НА ОСНОВЕ СТРУКТУРНО—МЕХАНИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ РАЗРУШЕНИЯ С УЧЕТОМ СОБСТВЕННЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ДВУХЧАСТОТНОГО НАГРУЖЕНИЯ

Специальность 05. 03. 06. — Технология и машины сварочного производства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1997 г.

Работа выполнена в Научно-исследовательском физико-техническом институте при Дальневосточном государственном университете.

Научный консультант — доктор технических наук, профессор СТЕКЛОВ О. И.

Официальные оппопенты: доктор технических наук, профессор МАКАРОВ Г. П.,

доктор технических наук, профессор ТЕРЕНТЬЕВ В. Ф„

доктор технических наук ЧУБУРКПН В. Ф.

Ведущее предприятие: Центральный научно-исследовательский институт проектирования стальных конструкций

Защита состоится «

Я » ^¿¿СЛС^ . . 199£г. в ауд.^в/Г.

часов на заседании специализированного Совета Д. 053. 27. 13 в Московской Государственной Академии нефти и газа им. И. М. Губкина по адресу: 117917, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, 65.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан « 29» .вГ-ТХ^^ . 199?.г.

Ученый секретарь специализированного совета д. т. п., профессор ' / Е. Е. ЗОРИН

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В последние годы наметалась тенденция к резкому увеличению количества разрушений металлических конструкций, последствия которых проявляются в масштабах предприятий или целого региона и связаны не только с человеческими жертвами, но и с загрязнением окружающей среды. Ликвидация последствии аварий требует серьезных материальных н трудовых затрат. Основной причиной повышения интенсивности отказов является увеличение количества силовых конструкций, отработавших свой нормативный срок. Например, в Дачьневосточном регионе России около 65% парка грузоподъемной техники н*котельного оборудования исчерпали свой проектный ресурс. Безаварийная эксплуатация таких объектов не может быть гарантирована без организации системы наблюдений за техническим состоянием несущих элементов конструкции с целью своевременного выявления изменений в объекте, нх оценки, предупреждения и устранения негативных процессоз. Указанные системы включают технические средства контроля параметров технического состояния и диагностические модели, которые должш.^ обеспечивать оценку текущей работоспособности сварных конструкций с учетом особенностей их изготовления н условий эксплуатации. Одним из путей повышения эффективности диагностических систем является использование моделей, позволяющих провести оценку работоспособности объеета по сведениям, полученным нераз-рушающнмн методами контроля параметров технического состояния.

Разработка моделей неразрушающей диагностики требует изучения закономерностей многостадийного, многомасштабного, многофакторного процесса разрушения, устанавливающих количественные связи между свойствами металла, которые можно определить неразрушшощими методами, условиями эксплуатации и критериями, оценивающими предельное состояние элементов конструкции. Существенно усложняется решение указанной проблемы в приложении к сварным конструкциям, так как сварные соединения представляют собой сложную физико-химическую, механическую и электрохимическую макро- и микрогетерогенную систему, характеризующуюся неоднородностью свойств. Возникающие в процессе сварки остаточные напряжения в результате взаимодействия с переменным полем внешней нагрузки могут значительно изменять усталостные характеристики зон сварного соединения. Механика взаимодействия собственных и внешних полей напряжений изучена недостаточно полно.

Важно отметить, что к настоящему времени доказано наличие фундаментальной, однозначной связи между исходной структурой материала и его сопротивлением микроразрушению. Поэтому особое практическое значение имеет установление связи между микрокритериями, определяющими сопроптпляе-

мость микроструктуры металла развитию субмикротрещнн, и макроьритерцямн, которые оценивают конструктивную прочность. Наличие такой зависимости по-звелят белее -эбосноззнно, о учетом условий эксплуатации выбирать характеристики материала, оптимизировать параметры технологических процессов н создать оснозь: комплексной неразрушающей диагностики металлических конструкций, обеспечивающие разработку алгоритмов оценки полной и остаточной долговечности .

Целью работы явилось: на основе предложенной физнко-мгханлчсскон модели образования и развития разрушения в феррито-перлитных сталях создать диагностическое обеспечение, позволяющее осуществить оцеш.-у остаточной долговечности сварных конструкций на базе сведений о состоянии ее элементов, полученных неразрушающимн методами.

Для выполнения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

-разработать структурно-механическую модель кинетики разрушения, устанавливающую зависимость между микро- и макрохарактеристикамн сопротивляемости материала развитию трещин;

-получить решение задачи определения параметров напряжеино-дефор-мирозашюго состояния в вершине макротрещшш при реализации степенного закона упрочнения металла;

- создать расчетные методы определения пороговых и критических характеристик по сведениям о состоянии микроструктуры;

- изучить влияние деградации свойств металла на разшггне усталостного и хрупкого разрушения и преддожшъ метод, позволяющий оценить изменение характеристик трещиностойкости металла в процессе эксплуатации;

- разработать алгоритм и расчетную схему оценки продолжительности стадн:: зарождения и развития макротрещины при поличастотном погружении на базе сведений о состоянии металла напряженных элементов обследуемой конструкции, полученных неразрушающим методом;

- изучить влияние технологических и эксплутационных факторов на процесс зарождения и развития разрушения;

- создать комплекс оборудования, методики и комплект прикладных программ, позволяющих по текущей информации о состоянии объекта, полученной на базе неразрушающих методов, произвести оценку его остаточной работоспособности и определить время до следующего обследования.

Методы исследования, применяемые в работе, включают: математические методы решения задач теории упругости и пластичности ( аналитические, чис-. ленные) при анализе напряженно-деформированного состояния в вершине трещины и оценки перераспределения поля внутренних напряжений в процессе развития трещины; современные представления о физике прочности; металлографический метод исследования с использованием комплексной статистической обработки; комплекс методов неразрушающего контроля (магнитные, ка-

пнлярпъге, акустические); тензометркческпе измерения; испытания крупногабаритных образцов при двухчастотном нагружении в условиях реализации меха-<ю-корро.шоиного и механического разрушения; электрохимические измерения элешродн! ¡X нотенцналоз.

В работе представлены методичесхие разработки, расширяющие возможность коэрцнтнметрического метода яри определении повре;кденности трубных элементов поверхности нагрева.

Научная новизна работы. 1. На базе комплексного статистического анализа организационного строения микроструктурных элементов феррито-перлитных сталей установлено, 'по размеры структурных мод металлов, не подверженных воздействию механических сил, подчиняются закону геометрической прогресс!1,!! (fd, (где п = 1,2,3,...; q - коэффициент, раппый 1,39+1,43; d¡ - лппешп.ш размер моды). Пластическое деформирование металла сопроводимте;! образованием фрзгментироваиной (диссипатаимсй) структуры, которая определяет механические свойства металлов з процессе разрушения. Размеры фрагментироканных мод зависят от размеров исходной структуры в соответствии с зависимостью d,={\ \ ,65)гdф¡.

2. Предложена физпко-мехаиичесхая модель развития макротрещгаш типа I а полихристзллических материалах, основанная на реализации возможности образования "гриффитовскнх" субмикротрещин в зоне предразрушзния и учитывающая различную рель компонентов напряжетго-деформирозанного состояния (НДС) в вершине трещины при образовании субмикротрещин и разрушении перемычки между макро- и микротрещиной. Показано, что образование субмикротрещин, которые обеспечнзают разрушения перемычки, контролируется напряжениями, направленными параллельно линии продолжения трещи:;:-.!.

3. Получено решение задачи распределения напряжений з вершине трещины при степенном законе упрочнения, которое совместно с установленными закономерностями фрагментации структурного строения поликристаллоз при пластическом деформировании легло в основу создания расчетных зависимостей пороговых характеристик (К,/,, ЛКл) от простых механических свойств и параметров структуры металлов. Разработана методика расчетного определения пороговых характеристик для любых значений асимметрии цикла нагруження,

■ что обеспечивает возможность аналитического построения диаграммы усталости металлов.

4. На базе предложенной физико-механической модели н представлений о накоплении критической энергии в структурных элементах, расположенных в зоне предразрушения, определены условия наступления предельного состояния тела с трещиной. Принято, что критическим следует сч!ггать такое состояние, когда макротрещина за один цикл нагруження может продвинуться на расстояние равное (0,6-f0,8V/„jwj . Именно такой момент характеризует начало нестабильного роста трещины.

Получены расчетные зависимости критических характеристик К/с и <5/с от простых механических свойсти и параметров структуры металлов.

5. Уста"Х)Ълено, что остаточные сварочные напряжения (ОСИ) при воздействии внешних переменных напряжений изменяютне только асимметрию цикла нагруження, но и в некоторых случаях существенно увеличивают размах суммарной амплитуды напряжений, действующих в районе сварных соединений. Концентрация суммарных напряжений происходит в области растягивающих напряжений около окончания прерывистых швов при действии внешних напряжений вдоль шва, а также в кольцевых швах сосудов давления в переходной зоне между сжимающими н растягивающими ОСН.

6. На основании результатов численного моделирования развития трещины в активной зоне сварного соединения установлены основные закономерности перераспределения ОСИ в процессе роста поверхностной мпкротрещниы. Показано, что при развитии трещины в области ее вершины знак растягивающих ОСИ не изменяется даже в том случае, когда вершина трещины щеазывает-ся в районе сжимающюс ОСН.

7. Установлено неоднозначное влияние ОСИ на развитие поверхностных трещин. Показано, что при ориентации поверхностных трещин вдоль шва растягивающие ОСН ускоряют развитие разрушения в низкоамплитудных областях КДУР и несколько замедляют рост трещин в высокоамшнпудных областях. Сжимающие ОСН замедляют развитие разрушения. Для сквозных трещин наблюдается противоположное влияние: растягивающие напряжения замедляют, а сжимающие ускоряют развитие усталостного разрушения.

8. Предложена рассчгтная зависимость снижения критического коэффициента интенсивности напряжения от срока и температуры эксплуатации. Расчет критерия хрупкой прочности, учитывающий ослабление межзерешшх (межатомных) связей за счет проявления тепловой и водородной хрупкости, позволяет определить критическую трещину в текущий момент эксплуатации.

Практическая ценность работы. Научные результаты работы легли а основу ряда методик расчета остаточной долговечности и создания систем практической диагностики сварных конструкций. Разработана методика, комплект программ и комплекс оборудования, позволяющие проводить неразрушающую диагностику и оценку остаточного ресурса с учетом технологической наследственности, фактической, начальной погрежденностн элементов при изготовлении и ¿эксплуатации конструкций в условиях воздействия коррознонно-акпшных сред. Созданы алгоритмы и расчетные схемы, обеспечивающие оценку про-доляштельности стадии образования макротрещин и стадии стабильного ее развития при поличастотной нагрузке на базе текущей информации о состоянии структуры материала, получешюй неразрушающимн методами.

Доработана технология съема информации о состоянии структуры металла элементов эксплуатирующихся конструкций с помощью реплик.

Разработана расчетная методика оценки снижения механических характеристик металлов э процессе эксплуатации з зависимости от воеменк, температуры и исходных свойств.

Предложен расчетный метод построения диаграммы усталости металлов.

Разработана методика определения наиболее слабого звена сварного соединения в реальных условиях эксплуатации, что позволяет оптимизировать технологию сварки на базе критериев конструктивной прочности.

Установлены основные факторы, влияющие на развитие разрушения в коррознонно-ахтивных средах при коррозпонно-усталостном разрушении сварных элементов из феррито-перлитных сталей. Предложен расчетный метод определения продолжительности стадии образована макротрещины з разаязею-шемся коррозионном дефекте.

На базе коэрнитиметрического метода разработан метод оценки механических свойств труб поверхности нагргза хотлов в процессе эксплуатации. Полосни зависимости, позволяющие провести ранжировку труб ::а стадии изготовления блокоз поверхностей нагрева. Внедрение в промышленность этого метода при .капитальном ремонте гсотлоагрегатов з Дальневосточном регт'С.че и разработанных систем диагностики дало суммарный экономический эффект более 2,0 млн.руб. (по ценам до 19S9 года).

Материалы диссертации включены в учебный процесс. Они составит.!! основу дисциплины "Техническая диагностика" и вошли з дисциплины "Физика прочности" и "Проектирование сварных конструкций" для студентов специальности 1205 "Оборудование и технология сварочного прсиззодства".

Основные положения. вмноснмьге из защиту.

1. Физико-механическая модель спрагивапня и развития махротргщзпш, основанная на особенностях формирования локального напряженного состояния и микромеханизмов образования субмикротрещин а зоне предразрушенкя и на разделении роли компонентой напряжений в вершине трещины на стадии образования субмнкротренцш и на стадии разрушения перемычки между микро- и макротрещиной, а также учитывающая закономерности образования фрагментироваиной структуры с болынеугловыми границами.

2. Решение задачи определения параметров напряженно-деформированного состояния в вершине трещины для степенного закона упрочнения металла.

3. Полученные однозначные аналитические зависимости между пороговыми (Кл, ЛК,ь), критическими (К¡с, Sic) макрохарактеристиками, оценивающими конструктивную прочность, и микрохарактеристиками сопротивления металла развитию разрушения, определяемыми структурой металла.

4. Метод расчетной оценю! остаточной долговечности сварных элементов при действии двухчастотной нагрузки, учитывающий фактическую поврежден-ность, состояние структуры металла, снижение механических характеристик в процессе эксплуатации и воздействие коррозионно-активных сред.

5. Установленный эффект концентрации суммарных напряжений из-за натгшя ОСИ при определенных схемах действия внешнего нагружения, полу-

ченные закономерности перераспределения ОСН при развитии поперечной относительно шва трещины в активной зоне сварного соединения и установленные закономерности влияния ОСН на развитее поверхностных и сквозных трещин, расположенных вдоль шва.

6. Расчетная методика построения диаграммы усталости по сведениям о микроструктуре металлов. Методика определения наиболее "слабой" зоны сварного соединения с учетом параметров действующей нагрузки, позволяющая провести оптимизацию технологии сварки на базе критериев конструктивной прочности.

7. Неразрушшощий метод оценки остаточной работоспособности поверхностей нагрева котельных агрегатоз.

8. Методика проведения технической диагностики эксплуатирующихся крупногабаритных металлических конструкций из феррито-перлигных сталей, основанная на информации о текущем состоянии структуры и на разработанных расчетных методах оценки продолжительности различных стадий разрушения в данных условиях эксплуатации и использовании комплексной методики не-разрушающего контроля.

Апробация работы. По теме диссертации опубликовано 64 работы, в том числе получено 5 авторских свидетельств на изобретения. Под руководством автора защищено 3 кандидатских диссертации. Наиболее важные положения работы докладывались: на научно-технических конференциях по сварке в судостроении и судоремонте (Владивосток, 1983, 1984, 1987 гг.); Всесоюзной науч-ко-технической конференции "Состояние к перспектива развития электротехнологии" (Иваново, 1987г.); Дальневосточной научно-технической конференции "Повреждения к эксплуатационная надежность судовых конструкций" (Владивосток, 1987г.); Дальневосточной научно-технической конференции "Пути ускорения НТП в сварочном производспзе"(Влад1гоосток, 1988г.); Всесоюзном совещании "Оценка предельного состояния теплоэнергетического оборудования" (Союзтехэнерго, 1988г.); Всесоюзном совещании "Применение ЭВМ в научных исследованиях к разработках" (ЦНИИЧермет, Москва, 1988г.); Всесоюзной конференции "Прочность материалов и конструкций при звуковых и ультразвуковых частотах нагружения" (Киев, 1988, 1992 гг.); Всесоюзном симпозиуме по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел" (Звенигород, 1988г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы создания позой техники освоения шельфа" (Горький, 1989г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы снижения матсриалостойкости силовых конструкций" (Горький, 1989г.); Международной конференции "Сварные конструкции" (Киев, 1990г.); Всесоюзном симпозиуме по механике разрушения (Житомир, Киев, 1990г.); Международном конгрессе "Защита-95" (Москва, 1995г.).

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка литературы из 276 наименований. Работа изложена на 300 страницах машинописного текста, содержит 8 таблиц и 107 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, поставлена цель и сформулированы положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая ценность работы.

Глппа 1. Общий подход х оценке ресурса сварных конструкций на стадии изготовления и эксплуатации

Maccor.ce увеличение количества нагруженных конструкций, отработавших свой проектный срок, поставило проблемы технической диагностики в ряд первоочередных, от решения которых зависит дальнейшее развитие важнейших отраслей народного хозяйства. В соответствии с основными задачами технической диагностики крупногабаритных сварных конструкций, которые заключаются в оценке фактического технического состояния объекта и определе-• иш! его остаточной работоспособности, развитие систем диагностики прежде всего связано с совершенствованием методов оценки параметров, определяющих техническое состояние объектов и моделей процесса разрушения, адекватно отражающих сопротивляемость сварных элеме:ггов обследуемых конструкций разрушению в данных условиях эксплуатации. Выбор гаи разработка моделей процесса разрушения основывается на изучении факторов, определяющих доминирующие механизмы накопления повреждения, кинетики развития разрушения до достижения параметрами технического состояния значений, при которых объект переходит в предельные состояния, и обосновании крэтериев этих состояний.

Проведенный анализ причин разрушения крупногабаритных сварных конструкций - объектов повышенной опасности (котлов, сосудов давления, конструкций мостов, кранов и т.д.) - показал, что факторы, определяющие аварии сварных конструкций, могут быть разделены на три группы: 1 - неблагоприятные геометрические факторы (конструктивтгые, технологические , эксплуатационные концентраторы напряжений); 2 - высокие напряжения растяжения (от внешней нагрузки, температурные или остаточные); 3 - недостаточная пластичность металла, связанная с химическим составом, исходной структурой стали или ее изменением под действием технологических и эксплуатационных факторов. Указанные факторы являются причиной как усталостных так и хрупких разрушений сварных конструкций. Подавляющее большинство отказов связано с возникновением трещин (обычно в сварных швах или их окрестности).

Несмофя ка то, что изучению усталостной долговечности материалов по-сгящены многие фундаментальные работы, которые позволяют на стадии проектирования провесп: детальный анализ особенностей работы элементов конструкций к принять мерь: г.о обеспечению ее надежности, наблюдаемые на практике разрушения свидетельствуют о недостаточности имеющихся представлений с неблагоприятных ситуациях, возможных для рассматриваемого класса конструкций з связи с особенностями их эксплуатации, нрщьтшмн конструктивными решениям!!, используемыми материалами и технологией изготовления. К сожалению, подавляюще® большинство моделей, используемых на стадия проектирования для оценки ресурса конструкций, включает в качестве основных параметров лишь характеристики нагружения и условий эксплуатации, что делает оценку фактической позрехсденности зависимой от знания истории ¡¡агружеиия обследуемых объектов за весь период эксплуатации. Анализ характеристик разного типа кинетических уравнений накопления поврежденности, которые лежат в основе полуэмпирических моделей процесса разрушения, показывает, что определенными возможностями для целой технической диагностики могут обладать модели, кинетические уравнения поврежденности которых базируются на мере поврежденности, определяемой не через параметры нагрузки, а через характеристики, оценивающие свойства металла.

Принципиально для диагностических целей физические модели разрушения более предпочтительны. Изучением физических аспектов разрушения шггенсизно занимались как отечественные, так и зарубежные авторы: В.Е.Пан-ип, В.В.Рыбин, В.И.Владимиров, Ю.Я.Мешков, В.П.Алехин, Л.Г.Орлов.В.В.Фе-дороз, А.Х.Котгрел, Дж.Си, К.Миллер, В.М.Финкель, Дж.Гилмаи, Н.Дж.Петч, Дж.Т.Хан н многие другие. Однако, сравнивая титанические усилия ученых, занимающихся изучением физической сути процесса разрушения, и сравнительно скромные успехи, достигнутые в области создания моделей, позволяющих выйти ка определение несущей способности конструкции, нельзя надеяться, что в скором будущем физические модели займут доминирующее положение в проблемах прогноза работоспособности металлических конструкций.

В связи с этим возникает необходимость в разработке таких подходов и физико-механических моделей, которые, базируясь на физически обоснованных показателях поврежденности и методах корректной оценки этих показателен, в то же время использовали бы преимущества хорошо разаитых и проверенных на практике полузмпирических моделей. Благодаря работам таких ученых, как Г.П.Черепанов, Дж.Ирвин, П.Парис, Дж.Ф.Нотт, Д.Кроек, Е.М.Морозов Дж.Коллинз, В.В.Болотин, Р.В.Херцберг, В.З.Партон, Н.А.Махутов, С.Я.Ярема, В.В.Панасюк, П.П.Карзов, О.И.Стеклов, В.С.Иванова, В.Ф.Терентьев, О.И.Ро-маннв, Ст.Коцаньда, В.П.Когаев, В.М.Горшшш, Т.Екоборн, А.Р.Ботвина, В.А. Винокуров, С.А.Куркин, А.И.Макаров, Е.Е.Зорин, В.И.Волков, В.Т.Трощенко и многих других, к настоящему времени ясны основные аспекты разрушения металлов.

Показано, что разрушение является многостадийным, многомасштабным, многофакторным процессом. Поэтому описать все стадии процесса в рамках одной модели, как правило, не удается. При усталостном разрушении целесообразно принять, что ресурс изделия сост, ляет продолжительность стадии накопления рассеянных повреждений (кумулятивное повреждение, КП), приводящей к образованию макротрещины, и стадии развития макротрещины до критических размеров.

Эффективность расчетных схем стадии накопления КП зависит от необходимого объема априорной и апостериорной информации, используемой для расчета. Предпочтительны такие модели и такие методы оценки фактической поврежденное™, которые бы позволяли производить оценку ресурса на базе апостериорной информации, снимаемой с объекта.

В этом случае появляется возможность более точного определения механических характеристик, разброс которых в допустимом ГОСТами диапазоне дает разброс долговечности более, чем на два порядка, и учета изменения значения критериев предельных состояний для конкретных условий эксплуатации.

Одним из направлений создания указанных моделей может быть путь использования полуэмпнрических моделей, где поврежденность определяется как отношение изменения предела выносливости поврежденного в процессе -экс-пуатации металла к исходному его значению. Предел выносливости весьма чувствителен к накоплению поврежденностн и, как показал анализ, может быть рассчитан при известных значениях длин микротрещин, имеющихся в металле, и порогового коэффициента интенсивности напряжения Ко, . Следовательно, для разработки расчетных моделей первой стадии необходимо создание методов расчета пороговых характеристик конкретных элементов обследуемого объекта.

Расчетные оценки продолжительности второй стадии процесса разрушения - стадии стабильного роста макротрещины - требуют аналитических методов определили пороговых и критических характеристик по сведениям, полученным при обследовании конструкции. Создание расчетных алгоритмов указанных критериев невозможно без глубокого изучения процессов пластического деформирования, протекающих на мезоуровне и формирующих при больших деформациях фрагментировашгую структуру, которая определяет основные критерии разрушения.

Таким образом, принципиальной основой разработки расчетных схем, базирующихся на апостериорной информации, является фундаментальная связь между критериями макроразрушения и критериями, оценивающими сопротивляемость микроструктуры развитию микротрещин, т.е. необходимо установить зависимости между критериями, оценивающими сопротивляемость металла разрушению на разных иерархических уровнях.

Известная к настоящему времени фундаментальная однозначная связь между исходной структурой материала и его сопротивлением микроразруше-

ниго может лечь в основу разработки физико-механической модели, которая позволила бы найтн требуемую зависимость.

Учитывая все вышеизложенное, и были сформулированы цель и задачи работы.

Глава 2. Исследование структурной повреждаемости при упруго-пластическом деформировании феррито-перлитных сталей.

Основная цель этой главы заключается в установлении размера структурного элемента фрагментированной структуры, образующейся при больших пластических деформациях и определяющей критерии разрушения.

Для исследования процесса формирования фрагментированной структуры был разработан комплекс оборудования и специальное математическое обеспечение, позволяющее провести полный статистический анализ организационного строения структурных элементов, а также проследить кинетику зерногрлнич-ных перестроек в процессе внешних воздействий на материал.

Установлено, что размеры структурных мод металла, который не подвергался внешнему воздействию механических сил, подчиняются закону геометрической прогрессии и, +п ^срй; , где н=1,2,3,...; <? - коэффициент, равный ^=1,39+1,43; </,• - линейный размер моды.

Образование самоорганизующихся диссипативных структур при пластическом деформировании происходит согласованно на всех иерархических уровнях. Организацию иерархии структурных уровней можно описать зависимостью типа геометрической прогрессии в виде

¿.-М, (1)

где ¿=0,1,2,...,«; q - знаменатель прогрессии. ЗЬо позволяет инверсию и симметрию между уровнями определить из условия Я,.„ •Д1+„=Аг. Для дислокационного уровня, который имеет размеры 1700-3500 А, инверсионно-симметричным относительно следующего фрагментарного уровня, имеющего размеры 1-2 мш согласно (1), будет уровень с пространственными размерами 3-60 ыкм. Эго указывает на важность изучения явлений, происходящих на так называемом мезо-урозне (2-20мкм), на котором должны отражаться все процессы накопления повреждений, происходящие на уровне дислокаций.

Статистические исследования образовашы деформированных диссипативных структур, проведешшш в работе, позволили установить, что размеры мод деформированной структуры с большеугловыми границами определяются размерами исходной структуры согласно зависимости

1,6+1,65)4^,,

где (¡ф; - размеры деформировашюй структуры, Ф - размер моды исходной структуры.

Показано, что накопление повреждений в металлах при любом характере нагрузки сопровождается существенным изменением статистических параметров, описывающих организационное строение зеренной структуры. Однако

циклический характер этого изменения затрудняет использование указанных параметров с целью оценки степени псзрежденности при практической диагностике.

Глава 3. Разработка структурно-механической модели развития трещины, связывающей микро- и макрохарактеристики сопротивления разрушению.

Изучение особенностей напряженно-деформированного состояния в вершине трещины показало, что из-за крайне неоднородной пластической деформации в зоне предразрушення формируется локальное поле напряжений, противоположное приложенному знещнему полю. Поэтому в зоне предразрушення напряжения, направленные вдоль линии развития трещины, могут превышать напряжеши, направление которых совпадает с направлением внешней нагрузки.

Кинетические процессы пласпиеского деформирования к микроразру-шсння з вершине трещины, протекающие на микроскопическом и субмикроскопическом уровнях, вызывают образование субмикротрещнн, являющихся первоначальным источником разрушения. В зоне предразрушення могут реализоваться три механизма образования субмикротрепцш, имеющих идеально острую вершину: микроскол (дислокационный); квазихрупкое разрушение яо границам фрагментирозанной структуры (днсклинационный); термофлухтуапнол-нын, который проявляется в объемах металла, находящегося з квазиаморфном состоянии в результате больших пластических деформаций.

Независимо от механизма образования критические размеры таких субмикротрещнн можно определить решая задачу Гриффнтса для соответствующих объемов металла. В этом случае критические размеры субмикротрещнн с идеально острой вершиной не будут зависить от микромеханизма их образования. Так как в настоящее время не сложилось единой теории, позволяющей в каждом конкретном случае отдать предпочтение тому или иному микромеханизму разрушения, то для оценки параметров напряженно-деформированного состояния в вершине трещины, при котором происходит раззитие макротрещины (образуются субмикротрещины критических размеров), можно использовать полученные Ю .Я.Мешковым и Г.А.Пахаренко простые и ясные расчетные зависимости напряжения микроскола (Лл/с) от структурных параметров.

В основу физико-механической модели развития разрушения положены установленные во второй главе закономерности образования деформационных диссипзтивных структур и результаты анализа физических аспектов формирования НДС в вершине макротрещины, а также анализа механизмов микрораз-рушення.

Приняты следующие постулаты:

1. В пластических материалах развигие макротрещины происходит в результате кинетических процессов, протекающих в зоне предразрушения и приводящих к образованию микронесплошностей на некотором расстоянии от вершины трещнны. Подрастание трещины связано с разрушением перемычки между макротрещиной и микронесплошностями зоны предразрушения.

2. Для ОЦК-металлов образование субмикротрещин в зоне предразрушения может происходить по одному из трех механизмов: дислокационному (модель скола или квазискола); дисклинационному (образование хрупких трещин по границам фрагментов при их повороте); термофлуктуационному. Независимо от того, какой из указанных механизмов контролирует процесс, критические размеры субмикротрещин можно определить из условия Грнффитса.

3. В процессе пластической деформации в металлах формируется фрагментарная структура, имеющая болынеугловые границы и значительно изменяющая механические характеристики материала. Образование фрагментарной структуры происходит в соответствии с определенными законами масштабного иерархического строения материала. Для ОЦК-металлов наиболее вероятные размеры деформированной структуры в 2,6+2,8 раза меньше размеров элементов исходных зерен.

4. В зоне предразрушения из-за крайне неоднородной пластической деформации формируется внутреннее локальное поле напряжений, направленное противоположно внешнему полю, вызывающему пластическую деформацию.

В соответствии с принятыми постулатами для феррнто-перлитных сталей условие образования субмикротрещин в зоне предразрушения можно записать в виде

Л. а

МСе шах

-7- = -^—. (2)

е I

где Ккке - сопротивляемость микросколу деформированного метала; сге - напряжение течешм в условиях сложного напряженного состояния (СНС); о; - интенсивность нормальных напряжений.

Схема развития макротрещины представляется следующим образом. В процессе нагружения около вершины трещины развивается зона, границей которой является линия о; , соответствующая условию (2) (рис. 1а). Внутри этой зоны формируется зона предразрушения , где око}. В то время, когда размеры границы О/ в направлении у станут равными <1^ (реализуются условия зеренно-го микроскола), образуются микронесплошиости, которые в зоне II (рис. 1а) контролируются напряжениями При появлении микронесплошиости достаточно близко к вершине макротрещины в перемычке исчезает локальное внутреннее поле и в результате действия напряжений <37 она разрушается. Разрушение перемычки в зависимости от свойств металла и параметров СНС может

происходить хрупко, либо по мех'аиизму'1язкого отрыва или пластического среза (рис.1б), т.е. микрорельеф поверхности разрушения определяется механизмом разрушения перемычки. На базе предложенной модели получены аналитические зависимости пороговых и хр'гг. юсхкх характеристик развития макротрещины (конструктивных критериев прочности) от параметров структуры металла.

¿.'АЛ I

Рис.1..Схема формирования зоны разрушения: а 1 - зона, соответствующая условию микроскола для а), II - зона предразрушения; б - рельеф поверхности: 1 - при хрупком разрушении перемычки, 2 - при вязком разрыве, 3 - пластический срез.

Аналитическое решение задачи определения параметров НДС в вершине трещины для условий плоской деформации

о)=о;/и: С}~ >фаи (3)

где q=íJг/<7i=const, В - коэффициент перенапряжения при СНС, е учетом степенного закона упрочнения металла позволило получить зависимости

1,1

т

т

КГ 2<> -—cos -2 яг 2

9 ? О (1 —2/i) +3sir, —

ß =

(1+ст) (1-2я)

(4)

(5)

где т - коэффициент упрочнения, К - коэффициент интенсивности напряжений, г, в - координаты точки, в которой оценивается ilflC.

В соответствии с принятой физико-механической моделью н зависимостями (2)-{4) определение порогового значения Ко, осуществляется по формуле

(Л

'МСе

- + 1 ■Dfm

4ml

Ii-'] "

af -1,7

(6)

где «^=¿,/2,7 (¿.-размерзерна); Да/с«=( 1,6н-1,7)ЛЛ/с (Ллгс=5,7аГ/;/г).

Корректность расчета по формуле (6) проверялась для сталей разного классе. Сравнение результатов расчета и экспериментальных данных приведены в табл.1. Зависимость (6) положена в основу теоретического построения диаграммы усталости, которое можно осуществить с использованием зависимости Л.И.Домошфоза, модифицируя ее следующим образом:

-0,5

„2

"Fr - "fc

7d-

ДА'

Ihr

(?)

где - предел выносливости для определешюго коэффициента асимметрии г; / - размер трещины, не изменяющий предел выносливости (/ = 0ДХ^0/ст^2; АГ^о

- рассчитывается по (6)); ojc - для r=-1 <Jfc^OJ<Jo.2, для rä0 в упругой области ддя г>0 при cw,>ai).j 0/с=(т„; Ж,*, - пороговый размах А' для определенного значения г, который рассчитывается по формуле

АК^КмНгЛ.ЩЛКо.о.а-Км), (8)

где Ж,;,о.*= 3[МПа-м1/2]т0,0008[м1Д]с7в.г.

В соответствии с концепцией Дж.Си стабильный рост трещины обусловлен последовательным повреждением структурных элементов, в которых поочередно достигается удельная критическая энергия (A\V1AVC)C. Данное условие записывается

31С/Г0! = 5г/Г02 = .. ■ = Гщ = 8с/гос > (9)

где - коэффициент плотности энергии разрушения; ТУ - энергия деформаций; V- объем; ту- расстояние от вершины трещины до границы области, где достигается гср:пгнческая плотность энергии деформации. Из условия (9) момент страгнваштя н момент начала нестабильного роста махротрещины отличаются только величиной области, з которой достигается критическая плотность энергии деформации. Уч1ггывая установленные закономерности образования де-формирозанной структуры и известные экспериментальные данные о том, что величина фасеток транскристаллитиого скола при хрупком разрушении составляет (0,6-0,8)4,, можно показать, что критический скачок мгкротрещияы будет разным (0,618-^0,764)г/3 , после чего макротрещпна начнет ускоренно сг.мояро-изгольно развиваться. Отсюда, для расчета К ¡с в (2) вместо сгтСг надо подста-знть а2 , а тогда из (2), (3)

о-,=КМсеО/а. (10)

Таблица 1.

Механические характеристики и параметры трещиностойксети

Кл, МПа ■Т/с,МП?. -\'м

Мерка стали е., МПа с», г. МПа Г я» ¿1, м Яна МПа Расчет по (6) пери- мент Расчет по (51) Зкс-перн-:-мект

Ст22К 540 310 0,69 0,16 3-Ю'5 1030 9,72 9,6 97 сМ

СтЗстЗи-п 450 270 0,71 0,16 3,7-10'5 930 10,7 10,3 103 102

Ст50 680 350 0,62 0,16 2,5-10"' 1100 8,2 3,4 78 Й45

Ст!0 320 190 0,73 0,17 6,6-10' 690 11,57 11,4 ¡03,6 -

37Х113А 1014 743 0,60 0,12 б-Ю* 1584 5 5,4 73,4 73,8

Далее, в (4), приняв 0 0, получим формулу для в виде

К\С =

- + 1

1*МСе°Г

¿♦'ЦП

Я

(И)

Принятая в работе физико-механнческая схема разв!ггия макротрещины позволяет с достаточной точностью рассчитать и критическое раскрытие трещины (КРГ) §1с. Критерий ¿¡с связан с К/с известной в механике разрушения зависимостью

Для определена 5¡с необходимо рассчитать коэффициент Л . В критической ситуации з точке 0,61от вершины трещины можно записать

М М I1-1] 2 -

Ï ~ 2я.0,61^с 1С-

гт+

Из (11) и (12) получим

Ml

Я >о!р(\-ги)Е

х' Ы ы

«Sç. '-U'-I>m ■

Формула (14) дает результаты, сопоставимые с последними экспериментальными данными, что подтверждает адекватность принятой физико-механкческой схемы развития разрушения.

Зависимость (И) получена при условии реализации вязкого микроскола в вершине макротрещины, т.е. предполагается, что металл находится в пластичном состоянии. В области низких температур, когда аь.2 становится равным Rue, реализуется чисто хрупкое разрушение. Тогда зависимость (11) приводится к виду

^^(Ям:)1-Я--(6,18+ 7,64 yi,. (15)

Заменяя в (15) RMCf=5,ldm получим, что в области нижнего шлейфа исчезает зависимость критического коэффициента интенсивности напряжений от размера зерна. Этот результат полностью согласуется с известными экспериментальными данными. На рис.2 приведена расчетная кривая изменения К ¡с от Т для стали 10. Расчет для температур, при которых ao.2=R/,iC, проводился по зависимости (15), а при более высоких температурах необходимо учитывать соответствующие изменения механических характеристик и значений Rue.- Таким образом, зкая закономерности изменения основных механических характеристик материала и изменение RMCe в определенном диапазоне температур, используя формулы (11 ), (15) можно оценить хрупкую прочность элементов конструкции.

Па базе полученных расчетных зависимостей разработана методика определения полного и остаточного ресурса для первой стадии разрушения. По Генри можно записать

N г

N

где Иг - оставшееся количество циклов до разрушения, N - исходный ресурс, <Аг, Оп- - пределы выносливости исходного и поврежденного металла, соответственно.

Kic

30

20

10

0

-200 -180 -160 -140 -120 Т°С Рис. 2. Изменение трещиностойкости стали 10 от температуры. Учитывая, что N = N„ + N,, из (16) для Nr

N = г

Nl\aFr{°-aFrl)-aFrlSa ~ °>г>

(17)

JFrLK" ~"Fr'

где Nn -продолжительность развития макротрещины (вторая стадия разрушения); oprir предел выносливости элемента конструкции с трещиной, равной минимальному размеру макротрещины: Минимальный размер макротрегцины определяется из (6), если вместо К& подставить выражение

К,,=а Ш-М, (18)

th шах

где М - поправочный коэффициент; L - минимальная длина макротрещины. Выполнив подстановку, получим

(-4

/- MLe _ стГ Поч

• il-,] ' ( } > V M

T max

Для определения полного ресурса первой стадии (Ni) надо в формуле (17) вместо Nr подставить N/, a of, заменить на еЛ>.

, Расчет Nu можно осуществить, используя механическую модель развития трещины, разработанную Г.П.Карзовым с сотрудниками, если в нее ввести физически обоснованный размер объема металла с критической плотностью энергии деформации, который по мере развития трещины изменяется.

Из (9) следует *

(20)

С учетом известной связи между S и К и установленных закономерностей фрагментации структуры получена зависимость •

К?,-0,618«/,

К2 3 > <21>

. 1С

где г,* - размер объема металла, который разрушается в начальный момент стра-гивания макротрещйны. Однако величина г1(1> как правило, составляет десятые или даже сотые доли микрона, поэтому использование уравнений механики сплошных сред для таких объемов металла некорректно. Определение величины начального размера структурного элемента в расчетной модели можно произвести по величине начальной скорости, соответствующей K,h. Принято, что пороговая скорость развития трещины (при экспериментальном определении пороговых характеристик) должна быть равна 10*'°м/цикл, следовательно величина структурного элемента, которая обеспечивает указанную скорость, и должна быть принята за начальный шаг трещины.

В процессе стабильного развития размеры элементов изменяются от г,л до roc. Известно, что изменение расстояния между усталостными бороздками про. исходит не монотонно, а дискретно, т.е. существуют отрезки времени, когда шаг трещины не изменяется. Установлено, что соотношения между размерами скачков трещины соответствуют соотношениями между; элементами деформированной структуры. Вследствие этого ступенчатое изменение линейного размера-структурного элемента целесообразно^ принять с коэффициентом 1,41. Продвижение трещины на дискретном шаге в соответствии с механической моделью будет определяться на основании деформационного критерия, включающего усталостное повреждение от размаха интенсивности пластической деформации в структурном элементе.

Д еР^т _'

21 еР

ер

7

где Ае?- размах интенсивности пластических деформаций в вершине трещины;

N - количество циклов, необходимых для продвижения трещины на шаг Д1; с и т - коэффициенты уравнения Коффина-Мэнсона (т=0,5 для сталей а„< 700 МПа, с=0,51п(1-!?)"1, где У - относительное сужений); е? - интенсивность пластических деформаций; е? = 1п(1- У7)"1 - критическая пластическая деформация.

По мере роста трещины каждый структурный элемент в упруго-лластической зоне претерпевает свой путь упруго-пластического деформирования до разрушения и получает на каждом шаге определенное повреждение. Поэтому количество циклов, необходимое для разрушения каждого структурного элемента, будет определяться по зависимости

е? к-1 2 Р,

ер

X

j=0

к}

Мт

(23)

где к=1.....п - порядковый номер структурного элемента (л - количество структурных элементов) <1тр в упруго-пластической зоне гр, - шаг продвижения трещины на длину &Ь=г1стр, - число шагов на всей траектории движения трещины; £ Р^ - поврежденностъ, полученная на предыдущих стадиях.

Ресурс на стадии устойчивого развития трещины от Ь до будет определяться суммированием количества циклов на каждом шаге продвижения трещины

Чс

Размеры структурного элемента на каждом шаге контролируются с помощью соотношения

К2 6,6Ш„ = ^шах -3_г (25)

где Ж, - текущий размер структурного элемента; Ау тах • коэффициент, интенсивности напряжений, соответствующий моменту выбора размера структурною

Рис.3. Сопротивление развитию усталостной трещины малоуглеродистых феррито-перлитных сталей при г-0.07:1- сталь 22К; 2 -сталь ВСтЗ; ® - основной металл; сварные соединения.

Рис.4. Кривая усталости стали ВСтЗкп при коэффициенте асимметрии г=г 1, • - экспериментальные данные, о- расчетные данные по (1-7).

Рис. 5. Кривые усталости образцов из стали 22К, имеющих различную начальную новрежденность: 1,3- поврежден-ности нет; 2, 5 - Цшч = 1.5 мм; 4 - Ь,шч = 0.8 мм.

элемента на j-л шаге. Как только на каком-то j+n шаге величина AL станет равна Л1;>„=1,41/1/,у, происходит смена величины структурного элемента.

Приведенная на рис.3 расчетная КДУР для сталей 22IC и ВстЗ показывает хорошее соответствие с экспериментальными данными. Результаты расчета кривых усталости и определение первой стадии процесса разрушения для образцов из вышеуказанных сталей, имеющих различную начальную поврежден-ность, приведены на рис.4,5.

Таким образом, разработанная физико-механическая модель развития разрушения позволила установить практически важные зависимости между критериями механики разрушения и структурой металла, что обеспечило аналитическое определение полного и остаточного ресурса элементов сварных конструкций из феррито-перлитных сталей при наличии сведения о фактической по-врежденностн металла в виде закона распределения длин микротрещин и данных о параметрах микроструктуры.

Глава 4. Влияние технологических и эксплуатационных факторов на ресурс напряженных сварных конструкций.

Существенное влияние на процесс развития разрушения сварных конструкций из феррито-перлитных сталей оказывают два фактора технологического происхождения: уровень ОСН и дефекты сварки.

Изучение взаимодействия ОСН и внешней переменной нагрузки позволило выявить ряд новых аспектов роли ОСН в зарождении и развитии трещины. В работе показано, что при совпадении направлений продольных ОСН и действующей нагрузки изменяется не только асимметрия цикла, но в некоторых случаях существенно увеличивается суммарная амплитуда напряжений, действующих в районе сварного соединения. Увеличение амплитуды рабочих напряжений происходит в районах окончания прерывистых швов. Эффект увеличения амплитуды суммарных напряжений проявляется также при работе кольцевых швов в сосудах давления. В области перехода сжимающих ОСН в растягивающие наблюдается концентрация суммарных напряжений из-за разной сопротивляемости этих зон внутреннему давлению.

. Используя разработанный в главе 3 алгоритм расчета КДУР, проведен анализ влияния ОСН на развитие трещин, расположенных перпендикулярно (рис.6) шву и вдоль него (рис.7, 8). Из представленных результатов видно, что в

первом случае ускорение развития трещины происходит из-за увеличения асимметрии рабочего цикла. Во втором случае влияние ОСН зависит от типа трещины (поверхностная, сквозная). Растягивающие остаточные сварочные напряжения ускоряют развитие поверхностных трещин в низкоамплитудной области КДУР и несколько замедляют рост трещин в высокоамплитудной. Сжимающие ОСН замедляют развитие разрушения. Для сквозных трещин наблюда-

м/цнкл

1 10 ЛК, МПа м1'

Рис.6. Влияние ОСН на К ДУР сварных соединений стали 22К.

м/цикл

ю-"

10

20

30 40 50 60 70 Ж.МПам1

Рис.7. Кинетика развитая поверхностной трещины в сварном соединении стали ВСтЗ: 1 - без ОСН; 2 - аосн = - 0.4 оьУ, 3 - сг()сц - 0.8 а, 2

ется противоположная тенденция: растягивающие напряжения замедляют, а сжимающие ускоряют развитие усталостного разрушения. Эффект влияния ОСН на скорость развития трещин определяется схемой их взаимодействия с параметрами трехосного напряженно-деформированного состояния в вершине трещины. Если суммарное поле напряжений приводит к повышению ст, в упруго-пластической области вершины трещины, то скорость роста трещины увеличивается и, наоборот, скорость уменьшается при снижении ст,.

Рис.8. Кренетика развития сквозной трещины в стали 22К: 1 - без ОСН;

2 - ода/ ~ -0.4Оо.;; 3 - оосн" ОЯсто.з.

В работе численным методом решена задача перераспределения остаточных ОСН при росте трещины в зоне ОСН. Показано (рис.9), что перераспределение ОСН происходит таким образом, что зона максимальных растягивающих напряжений сопровождает трещину при ее росте в активной зоне; при переходе в сжимающую область величина растягивающих ОСН в вершине трещины уменьшается, но знак не меняет.

Известно, что многие сварные конструкции работают в условиях двухчас-готно.} нагружения, которое резко интенсифицирует процесс разрушения. На основе разработанных в главе 3 расчетных методов оценки ресурса сварных злемеитов предложена методика расчета долговечности при двухчастотном на-гружении. Принятая схематизация двухчастотного цикла рассматривает низко-«стотный цикл с размахом Лаг 2(<Та * <7а°) и частотой/!, и последовательность

О 5 /0 а ¿0 .25 30

Рис.9. Перераспределение остаточных сварочных напряжений при движении трещины: а - длина трещины 9 мм; б - длина трещины 18 мм; в - длина трещины 30 мм.

высокочастотных циклов Лс/^2<Та и /, , которые меняют коэффициент асимметрии Га в пределах низкочастотного цикла. В том случае, когда известны усталостные характеристики для одночастотного нагружения, ресурс стадии зарождения макротрещины для двухчастотного нагружения оценивается по зависимости

».■■"«.К,

(26)

где п"=2п-\ - количество повреждающих высокочастотных циклов за один низкочастотный; п - номер высокочастотного цикла, начиная с максимума низкочастотной гармоники (и=1.....р/2); р - соотношение частот; Л^ - количество

циклов, рассчитанное по формуле (17).

При оценке долговечности стадии стабильного подрастания макротрещины упруго-пластическое деформирование материала в вершине трещины представляется как сумма размахов упруго-пластического цикла с размахом КИН ЛК/ и высокочастотных циклов АК'

£ер = АеР" + Аерв (\) + Аерв (2)+...+Аерв (п) = Аери + £ ерв (п)\ (27)

' ' ' ' п = 1 '

ъ

Количество повреждающих высокочастотных циклов определяется в соответствии с условием

АКв=Аав4л.-М^АК, . (28)

пг ■ тг

Максимальные значения К"^^ при оценку Ле^п) для каждого повреждающего цикла рассчитывались по зависимости

Кв ш. . =ст"Тя£-М тах(и) а

1 + г„ 4(я-1)

—— + <7 +1—1--

1 -г

II

(29)

где q=сг,,"/сга"; гн - коэффициент асимметрии низкочастотного цикла.

Разработанная расчетная схема долговечности элемента' конструкции при двухчастотном нагружении представлена на рис.10. Предлагаемый алгоритм обеспечивает оценку живучести сварных элементов в широком диапазоне параметров двухчастотного нагружения. На рис.11 представлены результаты расчета и экспериментальные данные для образцов из стали ВстЗ. Эксперименты проводились на разработанном исследовательском комплексе, позволяющем испытывать крупногабаритные сварные цилиндрические образцы при различных режимах нагружения и в различных коррозионных средах.

Все факторы, воздействие которых меняет характеристики трещиностой-кости материала в процессе эксплуатации, можно разделить на две большие

Ввод исходной информации: о»«» 0ты > йз, Е, % а,, а, о-«™, т

Определение механических характеристик:

Установление параметров нагружения:

Р = а{(?тох , ■ СТа', О'оси ,«); Л, , гД д. р

Вычисление пороговых характеристик:

АК,), ,, К ¡с "ЛДмСг, От, г, т)\ _сгрг ~М АКЛг, г)_

разрушении нет

Вычисление минимального и критического размера .макротрещины: Ь, Ьс =ЛЯ\(С<, О^тах » ^стр » т, ог)

Расчет К^тах , АКН , гД £К,иг1, АЬ,1, "ЛК^ , К 1С , <1з)\

_МА =яктах, Ж г,); д,=гр _

Поврежденность за цикл: П'гЛА1Г, £,)

Определение гл за цикл низкой частоты

¿.с/ = Ае{ + Аег *п

П,-АЪЬеГ, = дя ,, еГ, Рк,-)

= Ь +

Нет

NЦ = N,I + N,i

NI =№п, <Л>, /и, о/УО

I

N = NI + N,I

Рис. 10. Схема оценки ресурса элементов конструкций при двухчастотном магружении

с!ШЫ м/цикл

2 4 6 8 10 20 40 ДК, МПа глш

Рис.11. Влияние параметров двухчастотного нагружения на КДУР стали ВСтЗ.

группы: факторы, изменяющие механические и структурные характеристики металла, и факторы, ослабляющие связь между зернами без существенного изменения видимых в микроскоп параметров структуры сталей и их механических свойств. Влияние первой группы факторов на долговечность конструкций достаточно полно учитывается предложенной в главе 3 схемой расчета ресурса сварных конструкций. Вторая группа факторов связана, в основном, условиями эксплуатации, вызывающими тепловую и водородную хрупкость. В условиях эксплуатации, когда масштаб пластических деформаций в вершине трещины существенно ограничен (низкие температуры, динамические нагрузки и т.п.), фактор ослабления связей по границам зерен может достаточно сильно изменить сопротивляемость сталей хрупкому разрушению.

3 работе на базе кинетической теории прочности и полученной зависимости (И) предложена формула для расчета снижения характеристик трещиностойкоста в зависимости от температуры и времени эксплуатации

*1С(г,7>

1,62

мс

Г/0-32ДЛГ

О

+ 1

3'

(30)

где Я - универсальная газовая постоянная; Т - абсолютная температура; 1/о -энергия сублимации железа.

Расчетная и экспериментальная кривые снижения Кс для стали ЕстЗ приведены на рис.12. Экспериментальные данные (кривая 1, полученная Горищам В.М. и др.) изменения трещиностойкоста стали ВстЗ, отработавшей 28 лет при различной температуре эксплуатации (-20+320 Т°С), получены при Т°С=-20°С. Расчет по (30) для соответствующих ДТк (величины охрупчивания) представлены кривой 2.

■гх.

л? ~и м ~~ *г> л> м

Рис.12. Изменения характеристик трещиностойкоста стали ВстЗ в процессе эксплуатации.'

Учет влияния нейтральных коррозионных сред, являющихся типичными средами для конструкций нз феррито-перлитных сталей, на долговечность сварных элементов зависит от вида разрушения. При переменных нагрузках можно выделить два основных типа разрушения: механо-коррозионное и корро-зпонно-механическое. В первом случае ответственным за разрушение является механический фактор. Наличие среды не меняет сути стадий разрушения, а только интенсифицирует процесс роста трещин. Для коррозионно-механического разрушения первая стадия состоит из двух: формирование эксплуатационного концентратора (коррозионного дефекта) н зарождение б нем трещины. В работе предложен расчетный метод определения продолжительности стадии образования макротрещины в развивающемся коррозионном дефекте. Метод учитывает усиление коррозии за счет механо-химического эффекта и позволяет консервативно определять ресурс элементов х;онструкцнй. Оценка стадии зарождения макротрещины осуществляется путем сравнивания расчетных кинетических диаграмм развития разрушения для определенной системы металл-среда и расчетной зависимости скорости роста коррозионного дефекта от параметров действующей нагрузки, ■•¡то позволяет найти размер дефекта, при котором механический фактор станет ведущим. Скорость роста коррозионного дефекта Ук рассчитывается по формуле

V, =Уп-К , (31)

к 0 у.к. '

где У0 - скорость равномерной коррозии, определяемая экспериментально при обследовании объекта по формуле Г0 = (£„,, - проектная и факти-

ческая толщина элемента, соответственно; г - время эксплуатации); КУ.К. - коэффициент усиления коррозии за счет механо-химического эффекта, который рассчитывается по известной зависимости

К = (А' гп -¡- 1)ехр(АГ Атт), (32)

у.к. с/я н

где Кс, - механо-химический параметр (5+6 - для углеродистых сталей, 6+7 -для низколегированных), К ■ 11Т(у - мольный объем стали); А и ш -

параметры кривой деформационного упрочнения.

Результаты экспериментального исследования влияния коррозионных сред на КДУР приведены в таблице 2. Анализ экспериментальных данных позволяет сделать вывод, что коэффициеот, определяющий ускорение развития разрушения в среде {¡у, зависит, главным образом, от двух характеристик системы металл-среда: величины рН и значения анодного потенциала <р. Для одной и тон же среды зоны сварных соединений различных металлов, имеющие примерно одинаковые значения <р , характеризуются и приблизительно одинаковыми значениями ру. Общая тенденция такова: понижение рН и повышение абсо-

лютного значения <р снижает сопротивляемость металла усталостному разрушению.

Таблица 2.

Марка стали Тип среды (р, мВ V, м/цикл на воздухе V, м/цикл в среде • Ру

| 17ГС Водный раствор с добавкой едкого натра рН=9,2-9,4 Шов -530 10"' 4,1-Ю'7 4,1

ОШЗ -580 1,6-10"7 7,5-10"7 4,7

ОМ -490 1,3-10"7 4,3-Ю"7 3,3

I 20К то же Шов -500 1,5-Ю"7 5,9-10"7 3,9

ОШЗ -480 2,3-10"7 10^ • 3,7-

ОМ -460 2-10"7 6-10"7 3

; 22К [ то же Шов -520 ю-7 4-Ю"7 4

ОШЗ -500 1,5-10"7 5,4-Ю"7 3,6

ОМ -470 1,5-Ю"7 4,6-Ю"7 3,1

09Г2С Водный раствор 3% №.С1 рН=6,5-7 Шов -560 2,1-Ю"7 9-10"7 4,3

ОШЗ -640 2,3-Ю"7 3-Ю"6 5,8

ОМ -510 1,8-Ю"7 7-10"7 3,9

17ГС то же Шов -540 1,2-10"7 4,8-10"7 4,2

ОШЗ -600 2-10'7 10"° 5,2

ОМ -500 1,5-Ю"7 5,7-10'7 3,8

Примечание: При изготовлении образцов использовалась ручная дуговая сварка электродами УОНИ 13/45, 04 км.

Глава 5. Разработка систем технической диагностики сварных крупногабаритных металлоконструкций, основанных на неразруша-ющих методах.

Основной задачей технической диагностики крупногабаритных сварных конструкций является распознавание фактической поврежденкосп: металла элементов объекта, выявление механизма накопления позрежденности, установление определяющих параметров технического состояния и закономерностей их изменения в условиях эксплуатации, определение предельных состояний и их критериев, прогнозирование ресурса и обоснование вариантов решений о возможности дальнейшей эксплуатации. Указанный комплекс проблем предопределяет состав систем технической диагностик;!, который должен включать следующие основные элементы:

1) физико-механические модели накопления повреждений и разрушения металлов, адекватно описывающие сопротивляемость разрушению в условиях изготовления и эксплуатации конструкции и позволяющие прогнозировать живу-

честь объекта при данном его состоянии по критериям предельных состояний, переход в которые определяет остаточный ресурс обследуемого объекта;

2) методы и средства диагностики, позволяющие достоверно с приемлемой точностью и полнотой оценить свойства металла, его напряженно-деформированное состояние и воздействия среды по диагностическим параметрам, необходимым для проведения прочностных и ресурсных расчетов;

3) методики и алгоритм диагностики, в том числе методики диагностики и определения исходных свойств, оценки изменения свойств в процессе изготовления и эксплуатации; методики оценки напряжешю-деформировашюго состояния; методики и расчетные алгоритмы определения остаточного ресурса с учетом условии эксплуатации, вида разрушения и типа предельного состояния;

4) банки данных, необходимых для проведения расчетов параметров эксплуатационной надежности с учетом условий эксплуатации и специфики воздействия сред, разработки технологий ремонта;

5) рекомендации по разработке эффективных мер обеспечения надежности конструкции на основании комплексной оценки ее состояния и определение срока следующего обследования;

6) систему подготовки высококвалифицированных технических кадров, способных обеспечить проведение технического диагностирования на требуемом уровне.

Разработанная структурно-механическая модель, полученные расчетные зависимости критериев, оценивающих наступление предельного состояния при усталостном и хрупком разрушении, разработанные расчетные схемы оценки остаточного ресурса при двухчастотном нагруженин п результаты исследования влияния ОСН и коррозионно-активных сред на кинетику процесса разрушения легли в основу диагностической модели, позволяющей решать задачи технической диагностики на базе методов неразрушающего контроля. Важной особенностью модели является то обстоятельство, что параметры технического состояния, оценивающие свойства металла и характеристики предельных состояний элементов объекта, определяются не для некоторой генеральной совокупности изделий, а непосредственно для конкретного объекта. Это позволяет при индивидуальном прогнозировании ресурса сократить количество случайных факторов, а в некоторых случаях обосновать объективность использования детерминистических подходов к моделей. Структурная схема диагностической модели расчета остаточного ресурса в детерминистической постановке приведена .¡а рис.13,а. Предполагается, что свойства объекта и свойства процесса на-гружения описаны достаточно полно, т.е. детерминистически. Для определеши требуемых характеристик в работе предполагается комплекс оборудования и специальное математическое обеспечение, которые составляют технические средства диагностических систем, основанных на неразрушшоших методах. Об-

Рис. 13. Структурная схема расчетной оценки остаточного ресурса (а-детерминистическая модель; б - вероятностная модель).

щий алгоритм проведения диагностики крупногабаритных сварных конструкций приведен на рис.14. Алгоритм предусматривает решение основных задач технической диагностики, включая задачу определения сроков (7) до следующего обследования.

При реализации детерминистической модели определение времени до следующего обследования (7) связано с соотношением стадий М1ост и //#. Если М[ост<№п, то с использованием определенных коэффициентов запаса базой для определения Т является величина N¡0^- При Л'/^ > Л'// целесообразно за базу определения Т принять Иц. Это, естественно, не влечет за собой допущение макротрещины в конструкции. Однако такой подход может повысить гарантию при определении срока безопасной эксплуатации.

Если о{С) является случайным стационарным и эргодическим процессом, закон распределения остаточного ресурса представляется в виде:

= -»кИОСт\УкКошУП\ <33>

где 7* - момент измерения; Ф - нормированная функция распределения Гаусса;

со

¡л, = |/(сг)• р{а)с1а\ У^-2\К{(т)с!т - параметры случайного процесса ш-

ЕЦо) " О

груженкя; £)* - текущая поврежденность металла.

Определенней осуществляется либо по формуле

п _£г-(34)

К сг

• Рг

либо, используя модель (рис. 13,а), по зависимости

I (35)

к о гвМ

По известной функции ДЛЬсНТ) дая назначенного нормативного значе-Ш1Я функции надежности находится остаточный ресурс.

Структурная схема вероятностной диагностической модели приведена на рис 13,6. Надо отметил., что вероятностные модели, учитывающие разброс нагрузочных реализаций а свойств объекта, значительно усложняют расчеты, поэтому для оценки индивидуального- ресурса их использование нецелесообразно.

Технические средства систем неразрушающей диагностики должны быть согласованы с диагностическими моделями и обеспечивать качество и полноту информации для расчетов. Для каждого типа объекта выбор методов контроля,

Рис.14. Алгоритм неразрушающей диагностики.

определяющих параметров технического состояния имеет важное значение. На примере разработки системы неразрушающей диагностики поверхностей нагрева энергетического оборудования показан подход к выбору и усовершенствованию метода контроля снижения их механических характеристик в процессе эксплуатации. Метод основан на коэрцитиметрическом методе и на полученных зависимостях коэрцитивной силы от содержания углерода при разных формах перлитной составляющей (пластинчатой и зеренной). Указанные зависимости получены для различных типоразмеров труб.

Разработанные основные этапы проектирования систем технической диагностики, базирующиеся на неразрушающих методах, созданное диагностическое обеспечение и технические средства позволяют достаточно оперативно решать проблемы диагностики нагруженных крупногабаритных сварных конструкций, отработавших свой проектный ресурс.

Основные выводы и результаты работы

1. Разработан метод расчетной оценки индивидуального ресурса сварных конструкций из феррито-перлитных сталей, основанный на структурно-механической модели процесса разрушения, позволяющей определить параметры технического состояния, кинетику их изменения в процессе эксплуатации и критерии предельных состояний конструкций с учетом фактической поврежденности их сварных элементов и условий эксплуатации.

2. На базе комплексного статистического анализа организационного строения микроструктурных элементов феррито-перлитных сталей установлено, что размеры структурных мод фрагментировшшон, образующейся в процессе пластической деформации структуры, которая определяет механические свойства металла при разрушетш, в 2,6+2,8 раза меньше размеров исходной структуры.

3. Предложена физико-механическая модель страпгвания макротрещншл, основанная на реализации возможности образования "гриффитовскнх" субмик-ротрещин в структурных элементах зоны предразрушения и на разделении роли компонеотов напряжений в вершине трещины на стадии образования субмик-ротрещин и стадии разрушения перемычки между макро- и микротрещшюй. Показано, что образование субмикротрещин, которые обеспечивают разрушение перемычки, контролируется напряжениями, направленными параллельно линии продолжения макротрещины.

4. Получено решение задачи, распределения напряжений в вершине тре-щнни с учетом степенного закона упрочнения, которое совместно с установленными закономерностями фрагментации структурного строения поликристаллов при пластическом деформирогагаш легли в основу создания расчетных зав>'снмостей пороговых характеристик (К& , АКо) от простых механических свойств и параметров структуры металлов.

Разработана методика расчетного определения пороговых характеристик для любых значений асимметрии цикла нагружения, что обеспечивает возможность аналитического построения диаграмм усталости металлов.

5. На базе предложенной физико-механической модели и представлений о накоплении критической энергии в структурных элементах, расположенных в зоне предразрушения, получена зависимость для оценки текущего размера элемента с критической энергией, который определяет шаг макротрещины при циклическом нагружении. Показано, что при достижении размера элемента с крипгческой энергией равного 0,6+0,Sd,epllt, наступает момент начала нестабильного развития разрушения.

Получены расчетные зависимости критических характеристик К;с и 0;с от простых механических свойств и параметров структуры металлов, позволяющие оценить трещиностсикость сталей в широком Диапазоне температур.

6. Предложена формула для расчета снижения критического коэффициента интенсивности напряжения от сроха и температуры эксплуатации. Расчет критерия хрупкой прочности, учитывающий ослабление межзеренных (межатомных) связей за счет проявления тепловой и водородной хрупкости, позволяет определить критическую трещину в текущий момент эксплуатации. Для изделий, работающих в условиях, при которых вероятность хрупкого разрушения достаточно высока, остаточный ресурс необходимо определять с учетом снижения Ко

7. Показано, что остаточные сварочные напряжения (ОСИ) при воздействии внешних переменных напряжений изменяют не только асимметрию цикла нагружении, но и в некоторых случаях существенно увеличивают размах суммарной амшпгтуды напряжений, действующих з районе сварных соединений. Концентрация суммарных напряжений происходит в области растягивающих напряжений около окончания прерывистых швоэ при действии внешних напряжений вдоль шва, а также в кольцевых швах сосудов давления з переходной зоне между сжимающими и растягивающими ОСН.

Установлено, что ОСИ в реактивной области могут существенно понизить предел выносливости сварного элемента при действии поперечной относительно шва внешней нагрузки.

Показано неоднозначное влияние ОСН на развитие поверхностных трещин, направленных здоль шва: в области невысоких скоростей развития разру-шештя (припороговая область) растягивающие ОСН ускоряют рост поверхностных трещин и несколько замедляют в высокоамплитудных областях КДУР; сжимающие ОСН замедляют развитие поверхностных трещин. Для сквозных трещин наблюдается противоположная тенденция: сжимающие напряжения ускоряют, а растягивающие - замедляют развитие усталостного разрушения.

8. На основании результатов численного моделирования развития перпендикулярной относительно шва трещины в активной зоне сварного соединения установлены основные закономерности перераспределения ОСН в процессе роста поверхностной макротрещины. Показано, что при развитии трещины в области ее вершины знак ОСН не изменяется даже в том случае, когда вершина трещины оказывается в районе сжимающих ОСН.

9. Влияние коррозионно-активиых сред на кинетику усталостного разрушения сварных элементов из феррито-перлитных сталей определяется двумя основными факторами: величиной рН и значением анодного потенциала (р. Понижение рН и повышение абсолютного значения (р понижает сопротивляемость сварных соединений усталостному разрушению. Показано, что при одинаковом значении рН интенсивность снижения сопротивляемости зон сварных соединений различных феррито-перлитных сталей определяется величиной <р.

Предложен расчетный метод определения продолжительности стадии образования макротрещины в развивающемся коррозионном дефекте. Метод учитывает усиление скорости коррозии за счет механо- химического эффекта и позволяет консервативно (в запас прочности) определять ресурс сварных элементов по стадии зарождения трещины при рабочих нагрузках меньше предела выносливости материала.

10. Разработана расчетная схема продолжительности стадий зарождения и стабильного роста макротрещины, позволяющая на базе информации о состоянии металла и параметров рабочей нагрузки в детерминиспгческой или вероятностной постановке оценить ресурс сварных элементов металлических конструкций из феррито-перлитных сталей при изготовлении и эксплуатации с учетом особешюстей режимов нг1ружения (одно- или двухчастотное), технологической наследствешюста (уровень ОСН, параметры структуры, технологические концентраторы), условий эксплуатации (параметры среды, свойства системы металл-среда, температура) и времени работы.

11. Предложен комплекс оборудовшшя и созданы комплекты прикладных программ, являющиеся техническими средствами проведения практической не-разрушающей диагностики крупногабаритных сварных конструкций, отработавших свой проектный ресурс. Экономический эффект от внедрения результатов работы составил более 2,0 млн.рублей в ценах 1989 года.

Основные положения диссертации отражены в работах:

1. Стеклов О.И., Сорокин В.Н., Матохин Г.В. К исследованию кинетики коррознонно-усталостного разрушения // Физико-химическая механика материалов,- 1979,- №4,- С.35- 40.

2. Стеклов О.И., Матохнн Г.В. Диагностика механизма коррозионно-механнческого разрушения при мало-цикловом нагружении // Известия высших учебных заведении. Сер. "Машиностроение",- 1979.- №8,- С.5 - 9.

3. Матохин Г.В., Бодрихин Н.Б. Закономерности развития формы поверхностных трещин при одноосном растяжении //Там же,- 1979,-№10,- с. 14-17.

4. Сорокин В.Н., Стеклов О.И., Матохин Г.В., Михайлов B.C., Заикнн В.И

Комплексная методика исследования влияния технологического воздействия на коррозионно-механическую стойкость судостроительных тонколистовых материалов // Вопросы судостроения. Вып. 21,- 1979.- с.29 - 34.

5. Матохнн Г.В., Янченко Ю.А. Коррознонно-механическая прочность сварных соединений при ультразвуковой обработке: Экспресс-информация ЦНКИТЯЖ МАШ - 1979,- №29,- С.4 - 7..

6. Матохин Г.В., Стеклов О.И. Оценка сопротивляемости сварных соединений разрушению в коррозионных средах с использованием методов механики разрушения // Труды МВТУ им.Н.О.Баумана,- 1980,- С.9 -21.

7. Матох1ш Г.В. Контроль трещинообразоваш»я при двухосном малоцикловом нагруженнн // Известия высших учебных заведений. Сер. "Машиностроение",- 1979,-№10,-С. 11 - 15.

8. Михайлов B.C., Заихин В.И., Стеклов О.И., Сорокин В.Н., Матохин

Г.В. Влияние местного нагрева при тепловой плавке на коррозношю-усталост-ную прочность листов из алюминиевого сплава // Технология судостроения.-1980,- №8,- С.15 - 21.

9. Матохин Г.В. Исследование закономерностей коррозионно-усталостно-го разрушения сварных тонколистовых элементов судовых конструкции,- Автореферат дисс. канд.техн. наук,- М., 1980.- 16 с.

10. Матохин Г.В., Погодаев В.П., Баранец И.В. Влияние параметров структуры сварных соединений на стадию зарождения механо-коррозионного разрушения // Материалы Всесоюзной конф. по сварке в судостроении и судоремонте .-Владивосток, 1983,-С.26.,

11. Матохин Г.В., Погодаев В.П., Сальцнн A.M. Прогнозирование ресурса работы сварных соединений судовых конструкций // Материалы IX Дальневосточной научн.-техн. конф. по повреждениям н эксплуатационной надежности судовых конструкций.- Владивосток, 1984,- С.52.

12. Матохин Г.В., Погодаев В.П., Сальцин A.M. Прогнозирование способности сварных конструкций, эксплуатирующихся в коррозионных средах, с использованием методов механики разрушения // Тр. Московского института нефти и газа,- 1987,- №196,- С.75-80.

13. Матохин Г.В., Погодаев В.П. Оценка эксплуатационной пригодности сварных соединений с учетом остаточных сварочных напркх<екий при двухчас-тотном нагружении // Материалы Всесоюзной научн.-техн. конф. "Состояния и перспективы развития злектротехнологии",- Иваново, 1987,- С.59.

14. Матохин Г.В., Погодаев В.П., Гридасов A.B. Техническая диагностика эксплуатационной надежности сварных труб поверхностей нагрева котлов ТЭС// Материалы Дальневосточной научн.-техн. конф. "Пути ускорения научно-технического прогресса в сварочном производстве".- Владивосток, 1987,-С.46.

15. Матохин Г.В., Погодаев В.П., Гридасов A.B. Оценка эксплуатационной пригодности сварных соединений судовых конструкций // Материалы X Дальневосточной научн.-техн. конф. "Повреждения и эксплуатационная надежность судовых конструкций",- Владивосток, 1987.- С.34.

16. Матохин Г.Б., Погодаев В.П. Эксплуатационная пригодность сварных элементов при даухчастотном нагружении // Дсп. в ВИНИТИ!! 16.09.88 №7015-В88.-М., 1988,-С. 15;

17. A.c. №1293575. Установка для испытания на коррозию / Матохин Г.В., Сальцин А.М., Гридасов A.B. - 1986.

18. A.c. №4352217/8. Способ контроля механических свойств углеродистых сталей /Матохин Г.В., Баранец И.В. - 1987.

19. Матохин Г.В., Гридасов A.B., Баранец И.В. Расчетная оценка эксплуатационной пригодности элементов теплоэнергетического оборудования // Материалы Всесоюзного совещания "Оценка предельного состояния Мс элементов теплоэнергетического оборудования",- М.: Союзэнерго, 1988,- С.36.

20. MaToxim Г.В., Гридасов A.B., Матохин A.B. Оптико-цифровой комплекс для определения поврежденкос.ги материалов // Материалы Всесоюзного совещания "Применение ЭВМ в научных исследованиях и разработках",- М.: ЦНИИЧермет, 1988,- С.56.

21. Матохин Г.В., Наумешсо Л.Ф., Матохин A.B. Статистические оценки эволюции поля дислокационных структур // Материалы Всесоэдзн. конф. "Прочность материалов конструкций при звуковых и ультразвуковых частотах нагружения",- Киев, 1988,- С.43.

22. Матохин Г.В., Юдин В.В., Матохии A.B., Яковлева Т.Ю., Хламенок A.B. Лазерная дифрастометрия поверхности усталостных изломов при наложении циклических нагрузок // Проблемы прочности,- 1988,- №7,- С.107-110.

23. Матохин Г.В., Науменко'Л.Ф., Матохин A.B., Тюрина Н.Л., Яковлева Т.Ю. Автоматизированный диагностический комплекс в анализе РЭМ-информацш! // Материалы. Всесоюзн. симпозиума по растровой электронной

микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел.- Звенигород, 1988,- С.55.

24. Матохин Г.В., Стеклов О.II, Гридасов A.B. Разработка систем Texirn-ческой днапюстики для обеспечения надело гости конструкций при освоении шельфа // Материалы научн.-техн. конф. "Проблемы создания новой техники дня освоения шельфа",- Горький, 1989,- С.36.

25. A.c. № 1397806. Установка для испытания на коррозию / Матохлш Г.В., Баранец И.В.,'Гридасов A.B. - 1988.

26. A.c. №1467453. Установка для нспыташш на коррозноино-механи-ческую прочность / Матохин Г.В. Стеклов О.И., Гридасов A.B. - 1988.

27. Матохин Г.В., Матохин A.B., Погодаев В.П., Гридасов A.B. Оценка ресурсных характеристик силовых конструкции на базе закономерностей эво-даоцнн структуры при усталости // Материалы Всесоюзн. конф. "Проблемы снижения материалоемкости силовых конструкций",- Горький, 1989.- С.60-61.

28. Матохин Г.В., Юдин В.В., Матохин A.B. Лазерно-днфрактомет-рнческий анаша юшетшш поверхностных трещин в металлах // Проблемы прочности,- 1989.-Ш.-С.120.

29. Матохин Г.В., Матохин A.B., Погодаев В.П., Баранец И.В. Техническая диагностика инженерных сооружений. Состояние и перспективы // Материалы РНПК "Проблемы полного обеспечешш реализации долговременной гос.программы". - Владивосток, 1990,- С.91 - 92.

30. Матохин Г.В., Маютиш A.B., Наумешсо Л.Ф., Гридасов A.B. Диагностика сварных соедошештй на базе структурных моделей // Материалы международной конф. "Сварные конструкции",-Киев, 1990,- С.226-227.

31. Матохин Г.В., Гридасов A.B., Баранец И.В. Связь пороговых характеристик зон сварных соединений феррито-перлнтных сталей с их структурой // Там же. - 1990,- С.296.

32. Матохин Г.В., Матохин A.B., Погодаев В.П. Расчет пороговых характеристик конструкционных сталей // Материалы Всесоюзн. симпозиума по механике разрушения.- Житомир; Киев, 1990,- С.73.

33. Матохин Г.В., Наумепхо Л.Ф., Погодаев В.П., Баранец И.В. Статистические оценки эволюции зерешюй структуры сплава АМгб при высокочастотном нагружентш // Проблемы прочности,-1991,- №8,- С.37-42.

34. Матохин Г.В., Матохин A.B., Гридасов A.B. Диагностика и оценка остаточного ресурса элементов конструкций из ннзколегировшшых сталей // Техническая диагностика и неразрушающий контроль,-1991,- №3,- С.28-35.

35. Матохин Г.В., Стсклои О.И., Гркдасов A.B., Баранец И.В. Диагностика пороговых характеристик сварных соединений конструкционных сталей // Сварочное ;;ро:;зБсдстзо.- 1991- №5,- С.20 - 34. '

36. Матохик Г.В., Матохии А В., Погодаеа В.П. Прочность и надежность сварных соединений // Учебное пособие,- Владивосток: Изд-во Дальневост. Унта, J 991,-89 с.

37. Матохии Г.В., Магохин A.B. Расчетные оценки пороговых и критических характеристик феррито-перлитиых сталей // Фгонко-химическая механика материалов.-1991.- №5,- С.77 - 81.

38. Магохин Г.В., Магохин A.B., Грндасов A.B. Расчетные оцеп;:;; пороговых характеристик для ферритс-псрлнтных сталей // Проблемы прочностн,-1992,- №3,- С.50-55.

39. Матохин Г .В., Матохии A.B. Кинетика накопления рассеянных повреждений в металлах при высокочастотном нагружешш // Материалы Всесоюзн. конф. "Прочность материалов к элементов конструкций при звуковых и ультразвуковых частотах нагружения",- Киев, 1992,- С.52 - 53.

40. Матохин Г.В., Давыдова JI.B. Влияние технологии сварки на прочностные показатели сварного соединения // Тр. Дальневосточного го-суд.технического университета. Вып.З, сер.З. "Кораблестроение и океанотехни-ка",- Владивосток, 1993,- С.43- 45.

41. Матохии Г.В., Москаленко И.А., Матохин A.B. Коррозионная устойчивость аморфных покрытий // Материалы Всесоюзн. семинара по аморфному магнетизму,-Красноярск, 1986,-С.137.

42. Матохин Г.В., Баранец И.В., Грндасов A.B. Методика оценки повреж-денности металлов на базе микроструктурного анализа // Материалы Дальневосточной научи.-техн. конф. - Владивосток, 198J.- С.20.

43. Матохин Г.В., Гргдасов A.B. Влияние остаточных сварочных напряжений на несущую способность сварных конструкций при переменном нагру-женин // Труды Дальневосточного государственного технического университета. Вып. 114, сер. 3. - 1994,- С.82-85.

44. Maroxim Г.В. Оценка остаточного ресурса тяжелонагруженных конструкций // Материалы международного конгреса "Защнта-95".-М., 1995.-С.40-41.

45. Матохин Г.В., Погодаев В.П., Гридасов A.B. Неразрушагощнй контроль механических свойств углеродистых сталей // Труды Дальневосточного государственного технического университета. Вып. 113, сер.З,- 1994,- С.86-90.

¿0 (С 0(-(1о/о<

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИИ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИИ ИНСТИТУТ при ДАЛЬНЕВОСТОЧНОМ ГОСУДАРСТВЕННОМ УНИВЕРСИТЕТЕ

На правах рукописи

МАТОХИН Геннадий Владимирович

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕСУРСА СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ФЕРРИТО-ПЕРЛИТНЫХ СТАЛЕЙ НА ОСНОВЕ СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ РАЗРУШЕНИЯ С УЧЕТОМ СОБСТВЕННЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ДВУХЧАСТОТНОГО НАГРУЖЕНИЯ

Специальность 05.03.06. - Технология и машины сварочного

производства

-Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

■Ад. <#

Научный консультант- доктор технических наук, профессор

СТЕКЛ<3&^

, ¡1/ -¿Т?

¡V

ч

^ Владивосток -1997

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................5

1. ОБЩИЙ ПОДХОД К ОЦЕНКЕ РЕСУРСА СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА СТАДИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ........................................................................14

1.1. Основные факторы, влияющие на эксплуатационные свойства сварных конструкций из феррито-перлитных сталей...................14

1.2. Диагностические свойства моделей процесса накопления повреждений...........................................................................24

1.2.1. Полуэмпирические модели стадии накопления кумулятивных повреждений..................................................28

1.2.2.Структурные модели прогнозирования стадии зарождения макротрещины....................................................38

1.2.3. Моделирование развития усталостной трещины...............40

1.3. Некоторые физические аспекты эволюции дислокационной структуры при пластическим деформировании и образовании микротрещин.....................................................................60

1.4. Постановка цели и задач исследования.....................................66

2. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРНОЙ ПОВРЕЖДАЕМОСТИ ПРИ УПРУГО-ПЛАСТИЧЕСКОМ ДЕФОРМИРОВАНИИ ФЕРРИТО-ПЕРЛИТНЫХ СТАЛЕЙ..................................................................71

2.1. Методика статистического анализа зернограничных структур.......71

2.1.1. Лазерно-дифрактометрический метод количественного описания двухмерного изображения.......................71

2.1.2. Методика потокового анализа стохастических систем.......80

2.2. Закономерности накопления поврежденности структур при механических воздействиях..................................................84

Выводы к главе 2.............................................................................98

3. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ РАЗВИТИЯ ТРЕЩИНЫ, СВЯЗЫВАЮЩЕЙ МИКРО- И МАКРОХАРАКТЕРИСТИКИ СОПРОТИВЛЕНИЯ РАЗРУШЕНИЮ................................................101

3.1. Особенности напряженно-деформированного состояния и микромеханизмов разрушения в вершине трещины...........................101

3.1.1. Формирование напряженно-деформированного состояния

в зоне предразрушения.............................................101

3.1.2. Физико-механические гипотезы разрушения металла в вершине трещины.........................................................105

3.2. Расчет пороговых характеристик............................................119

3.3. Расчет критических характеристик..........................................123

3.4. Моделирование кинетики развития макротрещины.....................130

3.5. Феноменологический подход к оценке продолжительности

стадии зарождения макротрещины........................................141

Выводы к главе 3.............................................................................146

4. ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ФАКТОРОВ НА РЕСУРС НАПРЯЖЕННЫХ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ.........................................................................151

4.1. Роль остаточных сварочных напряжений в процессе зарождения и развития разрушения при переменных нагрузках...........151

4.2. Теоретическая и экспериментальная оценка сопротивляемости усталостным нагрузкам при двухчастотном нагружении............164

4.3. Изменение параметров трещиностойкости феррито-перлитных сталей в зависимости от срока службы и температуры эксплуатации...........................................................................188

4.4. Влияние коррозионной среды на несущую способность сварных элементов конструкций в условиях циклической нагрузки.........194

Выводы к главе 4...........................................................................202

5. РАЗРАБОТКА СИСТЕМ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ СВАРНЫХ КРУПНОГАБАРИТНЫХ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ, ОСНОВАННЫХ НА НЕРАЗРУШАЮЩИХ МЕТОДАХ...............205

5.1. Общие положения подхода к диагностике и проектированию систем диагностирования металлоконструкций...............205

5.2. Техника и технология неразрушающей диагностики

состояния металла элементов сварных конструкций..................219

5.3. Основы методологии оценки остаточной долговечности при неразрушающей диагностике.....................................237

5.4. Разработка схемы диагностирования поверхностей

нагрева............................................................................249

Выводы к главе 5.............................................................................269

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ................................271

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...............................................................................275

ЛИТЕРАТУРА.................................................................................278

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. В последние годы наметилась тенденция к резкому увеличению количества разрушений металлических конструкций, последствия которых проявляются в масштабах предприятий или целого региона и связаны не только с человеческими жертвами, но и с загрязнением окружающей среды. Ликвидация последствий таких аварий требует серьезных материальных и трудовых затрат. Основной причиной повышения интенсивности отказов является увеличение количества силовых конструкций, отработавших свой нормативный срок. Например, в Дальневосточном регионе России около 65% парка грузоподъемной техники и котельного оборудования исчерпали свой проектный ресурс. Безаварийная эксплуатация таких объектов не может быть гарантирована без организации системы наблюдений за техническим состоянием несущих элементов конструкции с целью своевременного выявления изменений в объекте, их оценки, предупреждения и устранения негативных процессов. Указанные системы включают технические средства контроля параметров технического состояния, диагностические модели, которые должны обеспечивать оценку текущей работоспособности сварных конструкций с учетом особенностей их изготовления и условий эксплуатации. Повышение эффективности диагностических систем связано с использованием моделей, позволяющих провести оценку работоспособности объекта по сведениям, полученным неразрушающими методами контроля параметров технического состояния.

Разработка таких моделей диагностики требует изучения закономерностей многостадийного, многомасштабного, многофакторного процесса разрушения. Еще не установлены зависимости между критериями, оценивающими сопротивляемость разрушению на различных масштабных уровнях. В этом направлении особую практическую роль имеет связь между макрокритериями, которые определяют конструктивную прочность элемента конструкции, и микрокритериями, определяющими сопротивляемость микроструктуры металла развитию субмикротрещин. Указанная фундаментальная зависимость могла бы

стать основой комплексной неразрушающей диагностики металлических конструкций, обеспечивающей создание расчетных алгоритмов оценки остаточной долговечности с учетом текущей поврежденности металла.

Целью работы явилось: на основе предложенной физико-механической модели образования и развития разрушения в феррито-перлитных сталях создать диагностическое обеспечение, позволяющее осуществить оценку остаточной долговечности сварных конструкций на базе сведений о состоянии ее элементов, полученных неразрушающими методами.

Для выполнения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

-разработать структурно-механическую модель кинетики разрушения, устанавливающую зависимость между микро- и макрохарактеристиками сопротивляемости материала развитию трещин;

-получить решение задачи определения параметров напряженно-деформированного состояния в вершине макротрещины при реализации степенного закона упрочнения металла;

- создать расчетные методы определения пороговых и критических характеристик по сведениям о состоянии микроструктуры;

- изучить влияние деградации свойств металла на развитие усталостного и хрупкого разрушения и предложить метод, позволяющий оценить изменение характеристик трещиностойкости металла в процессе эксплуатации;

- разработать алгоритм и расчетную схему оценки продолжительности стадии зарождения и развития макротрещины при поличастотном нагружении на базе сведений о состоянии металла напряженных элементов обследуемой конструкции, полученных неразрушающим методом;

- изучить влияние технологических факторов на процесс зарождения и развития разрушения;

- создать комплекс оборудования, методики и комплект прикладных программ, позволяющих по текущей информации о состоянии объекта, полученной на базе неразрушающих методов, произвести оценку его остаточной работоспособности и определить время до следующего обследования.

При решении поставленных задач получены новые научные результаты, обеспечивающие создание систем неразрушающей диагностики крупногабаритных конструкций.

1. На базе комплексного статистического анализа организационного строения микроструктурных элементов феррито-перлитных сталей установлено, что размеры структурных мод металлов, не подверженных воздействию механических сил, подчиняются закону геометрической прогрессии ^+п=с[,ф (где и=1,2,3,...; # - коэффициент, равный 1,39ч-1,43; ф - линейный размер моды). Пластическое деформирование металла сопровождается образованием фраг-ментированной (диссипативной) структуры, которая определяет механические свойства металлов в процессе разрушения. Размеры фрагментированных мод зависят от размеров исходной структуры в соответствии с зависимостью <Н 1,6-1,65)2Й^ .

2. Предложена физико-механическая модель развития макротрещины типа I в поликристаллических материалах, основанная на реализации возможности образования "гриффитовских" субмикротрещин в зоне предразрушения и учитывающая различную роль компонентов напряженно-деформированного состояния (НДС) в вершине трещины при образовании субмикротрещин и разрушении перемычки между макро- и микротрещиной.

Физико-механическая схема стабильного развития макротрещины представляется следующим образом. В процессе нагружения около вершины трещины развивается зона предразрушения, внутри которой напряжения равны или больше критических напряжений, соответствующих условию Гриффитса для данного металла. Границей этой зоны является соответствующая кривая

равной интенсивности напряжений (о?). При достижении границы о} в направлении eri размера элемента фрагмента диссипативной структуры создаются условия для образования стабильных микротрещин, ориентацию которых относительно макротрещины задают напряжения <т2 , так как в зоне предразрушения <72>c7i из-за крайне неоднородной пластической деформации. Если микротрещина возникает достаточно близко к вершине макротрещины, то в перемычке напряжения сг? снимаются и напряжения сг; разрушают перемычку, при этом макротрещина подрастает на величину, равную расстоянию между макро- и микротрещиной.

3. Получено решение задачи распределения напряжений в вершине трещины при степенном законе упрочнения, которое совместно с установленными закономерностями фрагментации структурного строения поликристаллов при пластическом деформировании легло в основу создания расчетных зависимостей пороговых характеристик (Kth, AKth) от простых механических свойств и параметров структуры металлов. Разработана методика расчетного определения пороговых характеристик для любых значений асимметрии цикла нагружения, что обеспечивает возможность аналитического построения диаграммы усталости металлов.

4. На базе предложенной физико-механической модели и представлений о накоплении критической энергии в структурных элементах, расположенных в зоне предразрушения, определены условия наступления предельного состояния тела с трещиной. Принято, что критическим следует считать такое состояние, когда макротрещина за один цикл нагружения может продвинуться на расстояние равное (0,6-r0,8)d3epHa . Именно такой момент характеризует начало нестабильного роста трещины.

Получены расчетные зависимости критических характеристик К ¡с и Sic от простых механических свойств и параметров структуры металлов.

5. Установлено, что остаточные сварочные напряжения (ОСН) при воздействии внешних переменных напряжений изменяют не только асимметрию

цикла нагружения, но и в некоторых случаях существенно увеличивают размах суммарной амплитуды напряжений, действующих в районе сварных соединений. Концентрация суммарных напряжений происходит в области растягивающих напряжений около окончания прерывистых швов при действии внешних напряжений вдоль шва, а также в кольцевых швах сосудов давления в переходной зоне между сжимающими и растягивающими ОСН.

6. На основании результатов численного моделирования развития трещины в активной зоне сварного соединения установлены основные закономерности перераспределения ОСН в процессе роста поверхностной макротрещины. Показано, что при развитии трещины в области ее вершины знак растягивающих ОСН не изменяется даже в том случае, когда вершина трещины оказывается в районе сжимающих ОСН.

7. Установлено неоднозначное влияние ОСН на развитие поверхностных трещин. Показано, что при ориентации поверхностных трещин вдоль шва растягивающие ОСН ускоряют развитие разрушения в низкоамплитудных областях КДУР и несколько замедляют рост трещин в высокоамплитудных областях. Сжимающие ОСН замедляют развитие разрушения. Для сквозных трещин наблюдается противоположное влияние: растягивающие напряжения замедляют, а сжимающие ускоряют развитие усталостного разрушения.

8. Предложена формула для расчета снижения критического коэффициента интенсивности напряжения от срока и температуры эксплуатации. Расчет критерия хрупкой прочности, учитывающий ослабление межзеренных (межатомных) связей за счет проявления тепловой и водородной хрупкости, позволяет определить критическую трещину в текущий момент эксплуатации.

Научные результаты работы легли в основу ряда методик расчета остаточной долговечности и создания систем практической диагностики сварных конструкций. Разработана методика, комплект программ и комплекс оборудования, позволяющие проводить неразрушающую диагностику и оценку остаточного ресурса с учетом технологической наследственности фактической на-

чальной поврежденности элементов при изготовлении и эксплуатации конструкций в условиях воздействия коррозионно-активных сред. Созданы алгоритмы и расчетные схемы, обеспечивающие оценку продолжительности стадии образования макротрещин и стадии стабильного ее развития при поличастотной нагрузке на базе текущей информации о состоянии структуры материала, полученной неразрушающими методами.

Доработана технология съема информации о состоянии структуры металла элементов эксплуатирующихся конструкций с помощью реплик.

Разработана расчетная методика оценки снижения механических характеристик металлов в процессе эксплуатации в зависимости от времени, температуры и исходных свойств.

Предложен расчетный метод построения диаграммы усталости металлов.

Разработана методика определения наиболее слабого звена сварного соединения в реальных условиях эксплуатации, что позволяет оптимизировать технологию сварки на базе критериев конструктивной прочности.

Установлены основные факторы, влияющие на развитие разрушения в коррозионно-активных средах при коррозионно-усталостном разрушении сварных элементов из феррито-перлитных сталей. Предложен расчетный метод определения продолжительности стадии образования макротрещины в развивающемся коррозионном дефекте.

На базе коэрцитиметрического метода разработан метод оценки механических свойств труб поверхности нагрева котлов в процессе эксплуатации. Получены зависимости, позволяющие провести ранжировку труб на стадии изготовления блоков поверхностей нагрева. Внедрение в промышленность этого метода при капитальном ремонте котлоагрегатов в Дальневосточном регионе и разработанных систем диагностики дало суммарный экономический эффект более 2,5 млн.руб. (по ценам до 1989 года).

Материалы диссертации включены в учебный процесс. Они составили основу дисциплины "Техническая диагностика" и вошли в дисциплины "Физика

и

прочности" и "Проектирование сварных конструкций" для студентов специальности 1205 "Оборудование и технология сварочного производства".

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Физико-механическая модель страгивания и развития макротрещины, основанная на особенностях формирования локального напряженного состояния и микромеханизмов образования субмикротрещин в зоне предразрушения и на разделении роли компонентов напряжений в вершине трещины на стадии образования субмикротрещин и на стадии разрушения перемычки между микро- и макротрещиной, а также учитывающая