автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.09, диссертация на тему:Роль структурных факторов в оценке остаточного ресурса элементов нефтехимического оборудования из стали Ст3

кандидата технических наук
Галлямов, Азат Муратович
город
Уфа
год
1996
специальность ВАК РФ
05.04.09
Автореферат по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению на тему «Роль структурных факторов в оценке остаточного ресурса элементов нефтехимического оборудования из стали Ст3»

Автореферат диссертации по теме "Роль структурных факторов в оценке остаточного ресурса элементов нефтехимического оборудования из стали Ст3"

о л

< .1

На правах рукописи

ГАЛЛЯМОВ АЗЛГ МУРАТОВИЧ

РОЛЬ СТРУКТУРНЫХ ФАКТОРОВ В ОЦЕНКЕ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ЭЛЕМЕНТОВ НЕФТЕХИМИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ИЗ СТАЛИ СтЗ

05.04.09 - машины и агрегаты нефтеперерабатывающих и химических производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа - 1996 г.

Работа выполнена в Уфимском Государственном Нефтяном Техническом

Университете

Научные руководители: доктор технических наук, профессор Кузеев И.Р. кандидат физико-математических наук, т.н. с. Ценев Н.К.

Официальные оппоненты: доктор технических наук.

профессор Грешнов В.М. доктор технических наук, профессор Зайнуллин P.C.

Ведущая организация - НПО " Техником "

Защита диссертации состоится _" и/£>/)Я 1996 г. в часов

на заседании диссертационного совета Д 063. 09. 03 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете ( 450062 , г. Уфа, ул. Космонавтов, I ).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке УГНТУ.

Автореферат разослан " 4 " 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д. т. н., профессор \ Jd\\ (¡АЛ/1 П.Л. Ольков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. В настоящее время промышленные пред-[ятия накопили значительный опыт диагностики эксплуатируемого оборудования, ользуя для этого различные методы контроля: визуальный осмотр, нейтроногра-я, радиография, ультразвуковая дефектоскопия и толщинометрия, расчетные мето-и др. Но к сожалению все эти методы позволяют лишь обнаруживать опасные ,емные дефекты: трещины, поры, непровары, включения и т.д. Ни один из них, ни совокупность не позволяет провести достоверной оценки остаточного ресурса конскими. Особую сложность вызывает прогнозирование ресурса работоспособности ктрукций, работающих в условиях знакопеременных нагрузок. Это связано с тем, ) усталостное разрушение зависит от ряда факторов: вида и условий нагружения, шературы и среды эксплуатации, структурного состояния стали.

Все это затрудняет проведение работ по оценке остаточного ресурса стальных ютрукций. Однако в общем случае процесс усталости связан с постепенным зарож-шем, накоплением и взаимодействием дефектов кристаллической решетки, приводя-х к зарождению и развитию усталостных повреждений в виде образования и роста кро- и макротрещин. Поэтому явлению усталостного разрушения присуща стадий-:ть процесса, характеризующаяся вполне определенными структурными изменения. Исследование этих вопросов для стали СтЗпс, нашедшей широкое применение в 1арагосгроении, представлялось актуальной задачей и было вызвано практической збходимостью разработки методики оценки остаточного ресурса элементов нефте-иического оборудования с учетом эволюции структуры, влияющей на изменения ме-шческих свойств, характер зарождения и скорость развития трещин.

Цель работы. Заключается в установлении закономерности эволюции дислока-онной структуры и ее влияния на механические свойства стали и работоспособность ¡ментов нефтехимического оборудования а условиях малоциклового нагружения.

Поставленная цель достигается путем решения следующих основных задач:

1. Анализ существующих методов оценки остаточного ресурса оболочковых кон-эукций в свете современных подходов малоциклового разрушения.

2. Анализ закономерностей эволюции структуры материала в процессе малоцик-вой деформации.

3. Изучение микроструктуры, фазового и химического состава, механических ойств исследуемой стали СтЗпс в исходном состоянии.

г

4. Исследование эволюции дислокационной структуры стали СтЗпс в процес малоцикловой деформации и ее влияния на механические свойства и характ разрушения.

5. На основе полученных данных разработать методику оценки остаточного сурса элементов нефтехимического оборудования из стали СтЗ.

Научная новизна. По итогам проведенных исследований получены новые I учные результаты, заключающиеся в следующем:

1. На примере широко применяемой в аппаратостроении стали, типа СтЗ, уст новлены основные закономерности эволюции дислокационной структуры и механич« ких характеристик элементов нефтехимического оборудования при эксплуатации в ; ловиях малоциклового нагружения.

2. Экспериментально доказана возможность формирования "ножевых" гран при циклической деформации стали СтЗпс на растяжение, способствующих охрупчиванию и снижению ресурса конструктивных элементов оборудования всл( ствии зарождения микротрещин в зернах феррита по границам деформационнс происхождения.

3. Установлена количественная взаимосвязь характеристик работоспособное конструктивных элементов нефтехимического оборудования с дислокационной стр; турой и типом границ микрофрагменгов.

Практическая значимость работы. На основе полученных эксперимента ных результатов разработана методика оценки остаточного ресурса элементов неф химического оборудования, учитывающая изменение структуры и механическ свойств металла в процессе циклического деформирования и позволяющая у станов! возможность его дальнейшей эксплуатации с назначением гарантийных сроков бе: пасной работы и показателей надежности элементов оборудования. Методика утвер дена как стандарт предприятия и введена в действие в следующих организациях:

- БашНИИнефтемаш (приказ №76 от 22.08.95 г.);

- АО "Нефтехимремстрой" (приказ №103 от 14.09.95 г.).

Кроме того, полученные результаты важны для более глубокого понимания фи ческой природы процесса усталости и развития теории разрушения и могут быть пользованы при разработке методов оценки остаточного ресурса на основе нераз шающих методов контроля.

На защиту выносится

Метод оценки остаточного ресурса элементов нефтехимического оборудования, гывающий закономерности изменения дислокационной структуры и механических актеристик металла при малоцикловом нагружении.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссер-ионной работы доложены и обсуждены на Всесоюзной научно-технической конфе-ции " Физико- механические свойства материалов и их экспресная оценка неразру-ошими методами и портативными техническими средствами "(Волгоград, 1995), XXVI научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых за, 1995), XIV Международной конференции "Физика прочности и пластичности гериалов " (Самара, 1995), II Международном семинаре "Эволюция дефектных уктур в металлах и сплавах " (Барнаул, 1994), VII Международной конференции ежзеренные и межфазные границы в материалах " (Лиссабон, ¡995).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 работ и две работы шяты в печать. Список работ приведен в конце автореферата.

Объем н структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, водов, примечания, приложений и списка литературы, содержащей 165 наименова-

изложена на 154 страницах, включая 27 рисунков и 9 таблиц.

Основное содержание работы

Введение раскрывает актуальность выбранной темы диссертационной работы, в л сформулированы цель работы и основные положения, выносимые на защиту, а еже отражена научная новизна выполненных исследований и их практическая шоегь.

Обзор литературы

В данной главе рассмотрены и проанализированы работы, посвященные вопросам :плуатации стальных вертикальных резервуаров. Показано, что долговечность шьного резервуара зависит, в первую очередь, от напряженно-деформированного гтояния его конструктивных элементов. Напряженно- деформированное состояние цеального" резервуара является ссгсимметричным и определяется геометрическими змерами резервуара и воздействующими эксплуатационными нагрузками. В связи с ям в одном из разделов главы рассмотрены основные эксплуатационные нагрузки.

Однако в практике, резервуаров не имеющих дефектов изготовления и монтажа встречается. Поэтому следующий раздел главы посвящен анализу наиболее час встречающихся дефектов. Приведена их краткая характеристика и классификация.

Рассмотрены методы расчета долговечности конструкций, показаны их недостг ки и необходимость прогнозирования остаточного ресурса. Сделан обзор существу щих методов оценки ресурса остаточной работоспособности. Наиболее широкое р; пространение получили расчетные методы, основанные на решении уровнения Коф<{ на-Менсона. Несмотря на большие возможности и широкий диапазон применения де ного метода определен его главный недостаток, заключающийся в том, что долгов! ность считается независящей от временных механизмов усталости, а также процесс деформационного старения материала. В следующем разделе главы рассмотрены вс роем влияния циклического нагружепия на эволюцию структуры, механические евс ства и характер разрушения сталей и сплавов.

Из проведенного анализа состояния вопроса следует вывод о целесообразное^ актуальности темы диссертации.

В последнем разделе первой главы на основе анализа литературных данных сф< мулиропаны конкретные задачи диссертационной работы. Здесь же дано обоснов.и выбора материала для экспериментального исследования.

Материал и методики исследований

В качестве материала для исследования была выбрана малоуглеродистая ферр но-перлитная сталь СтЗпс. Выбор данной марки стали обусловлен ее широким нспо зованпем в рсзервуаростроенин и наличием огромного числа резервуаров, отработ ших свой срок службы и требующих оценки остаточного ресурса, изготовленных этого материала. Приведены основные характеристики исследуемой стали (фазовы химический состав, механические свойства).

Механические свойства стали изучали при помощи универсального динамоме фирмы "Инстрон". Скорость деформации составляла 8-Ю'3 с'1, температура испытан 293 К.

С целью изучения поведения стали при циклическом нагружении, определе уровня накапливаемых повреждений, получения данных необходимых для выполне расчета усталостной долговечности и оценки остаточного ресурса были проведены пытания на малоцикловую усталость. Нагружение образцов производилось на уни) сальной испытательной машине КэАЮ-А "Шенк ". Максимальная нагрузка дефор рования выбиралась из условия, что напряжения по сечению рабочей части образца ставят величину равную 0,9ог для данной стали.

Изменение величины вязкости разрушения стали под действием циклического на-кения исследовали по методике, основанной на рассмотрении ниспадающих участ-полных диаграмм деформирования, которые можно получить, используя испытание машины большой жесткости.

Для выявления влияния циклической деформации на микроструктуру исследуе-стали использовали метод "прицельной съемки". Для разметки зон наблюдения ис-ьзовали микротвердомер ПМТ- 3, нагрузка на алмазный индентор составляла 200 Микроструктурные исследования проводили при помощи металлографических роскопов " Неофог" и "Эпиквант".

Электронно-микроскопические исследования тонкой структуры стали выполняли шектронном микроскопе "JEM- 2000 EX" в режимах светлого поля и микродифрак-при ускоряющих напряжениях 120- 200 кВ. Для определения конкретных характе-тик границ зерен электронно- микроскопически определяли только азимутальную гавляющую параметра вектора разориентировки соседних микрофрагментов- угол ворота 0 . Для этого с каждой пары смежных микрофрагментов в режиме микрофракции снимали электронограммы. Затем по полученным рефлексам рассчитывали мутальную составляющую угла разориентировки границы между микрофрагмента-Использованная методика позволяет определять 9 с точностью до 0,1°.

Фрактографический анализ изломов ударных образцов осуществляли на растро-t электронном микроскопе "JSM- 840".

Эволюция структуры при малоцнкловой усталости и ее влияние на механические свойства стали

Микроструктура исследуемой стали состоитиз зерен феррита и перлитных копон-i неопределенной формы. Металлографические исследования показали, что прл ма-¡икловой деформации в ферритных зернах наблюдается крайне неоднородное рас-щеление деформации как между зернами, так и в их теле. Деформация на протяже-1 всего циклирования протекает преимущественно в отдельных активных зернах зрита при сохранении в сечении образца большого числа слабодеформ "кованных ен. Сопоставление данных о деформации индивидуальных зерен при различных слах показывает, что одно и то же зерно может иметь как положительную, так и от-цательную деформацию ( направление деформации изменяет знак). Это происходит за того, что при циклической деформации стали в ферритных зернах работают од-временно, либо попеременно две - три системы скольжения. О последовательном íctbhh дислокационного скольжения по различным кристаллографическим плоско-!м свидетельствует размытие линий скольжения в зернах , а также изменение

расстояния между линиями скольжения и их смещение внутри одного и того же зери При увеличении количества циклов нагруження наблюдается уширение полос сколь* кия внутри зерен, что свидетельствует о прохождении интенсивной пластической I формации в этих областях. С приближением к моменту разрушения в области шей практически все зерна вовлечены в деформацию.

Принципиально важно отметить, что при малоцикловой усталости стали СтЗ кр ме действия внутризеренного дислокационного скольжения, происходят разрывы смещения рисок на границах зерен, что свидетельствует о развитии зерногранично проскальзывания. Причем данный механизм пластической деформации реализуется схеме: трансляция +- поворот зерна как целого, либо как его части. Проведена коли ственная оценка величины сдвига по границам индивидуальных зерен от числа цши деформации.

Таким образом, экспериментально установлено, что малоцикловая деформ.и осуществляется за счет внутризеренного дислокационного скольжения зернограничного проскальзывания. Причем, действие обоих механизмов носит осц .пирующий характер и осуществляется в тесной взаимосвязи.

Рентгенографическими исследованиями установлено, что в исходном состоя ни ферритных зернах наблюдается достаточно высокая плотность решеточных дислс нин ( р = 2-10'° - 8-!0'° см"; ). Электронно-микроскопическими исследованиями оонз жено крайне неоднородное распределение дислокаций, наблюдаются участки, в кс рых отдельные дислокации неразрешимы. Причем упругие искажения, создавав этими участками как правило проходят через всезерно.

На начальной стадии малоциклопой деформации (50 циклов) происходит увел! ние плотности решеточных дислокаций до ~!0" см":. Последующая малоцикловая формация приводит к существенным изменениям в дислокационной структуре ст После 200-циклового деформирования в ферритных зернах формируется практич< однородная ячеистая структура с плотными границами. Средний размер ячеек состг около 1мкм, а углы разориентировок между ними не превышали 1-2°. Следует о тить, что внутри ферритных зерен деформация протекает неоднородно. Встреча! участки, в которых наблюдается начальная стадия формирования границ ячеек.

Дальнейшее увеличение числа циклов приводит к разрушению ячеистой стру ры. Обнаружено, что 400- цикловая деформация приводит к формированию фраг тированной структуры с плавно изогнутыми, очень тонкими и совершенными гран ми. Образующиеся фрагмента разориентированы на большие углы. Размеры фраг тов колеблются от 3 мкм до 15 мкм. Внутри фрагментов ячеистая структура част; сохраняется.

Интересные особенности структурных изменений наблюдаются после 600 циклов агружения. Видно, что увеличение числа циклов приводит к полному разрушению яче-стой структуры внутри фрагментов. Однако, высокая плотность решеточных дислока-,ий внутри фрагментов сохраняется. Одновременно происходят заметные изменения в троении границ образовавшихся фрагментов. Появляются малоугловые границы, ко-орые выглядят в виде дислокационных стенок. Кроме того, наблюдается появление ольшеугловых границ, для которых характерно наличие полосчатого дифракционно-о контраста, а также "оборванных" субграниц- дисклинаций.

Дальнейшее нагружение не приводит к заметным изменениям в дислокационной труктуре внутри фрагментов. Однако, при этом возрастают углы разориентнровки |ежду фрагментами. В пользу этого свидетельствует заметное облагораживание границ ерен, а также прямые электронномикроскопические измерения углов разориентировок "

Отмечено, что в перлитных колониях в результате малоцикловой деформации за-ютных изменений в дислокационной структуре не происходит.

Таким образом, установлено, что малоцикловая деформация приводит к существенным изменениям п микроструктуре стали СтЗ, в результате которых формируются >азличные типы дислокационных структур. Эта структурные изменения должны оказы-ать существенное влияние на механические свойства стали. Однако специфические )Собенностп данного влияния до сих пор остаются малоизученными.

В работе проведены механические испытания на растяжение после различных ста-[ий усталости, позволившие выявить различия в механических свойствах при комнат-юй температуре как на начальной стадии кривой растяжения, так и на стадии стабнль-юго течения. В таблице 1 приведены результаты механических испытаний стали на ра-тяжение после предварительной малоцикловой деформации.

Таблица 1

Число циклов 0 50 200 400 600 1000

Предел текучести, МПа 286 276 252 293 260 277

Предел прочности. МПа 430 453 380 510 440 342

Относит, удлинение, % 26 26 24 18 22 16

Интересные особенности механических свойств наблюдаются при испытаниях на дарную вязкость. В таблице 2 представлены результаты значений ударной вязкости ■тали после малоцикловой деформации.

Таблица 2

Число циклов 0 50 200 400 600 1,000

КСУ, Дж/смг 185 200 157 78 123 107

Проведен анализ возможных причин влияния структурных изменений в процесс малоцикловой деформации на механические свойства стали СтЗ при испытаниях н; растяжение и ударный изгиб с позиций зарождения и взаимодействия дислокаций и и; коллективных форм движения.

Металлографическими исследованиями установлено, что при малоцикловой де формации стали СтЗ действует несколько плоскостей скольжения. Результатом взаимс действия дислокаций при множественном скольжении является образование протяжен ных дислокационных барьеров, скоплений, что подтверждается электронномикроскс пическими исследованиями.

Повышение плотности дислокаций в теле ферритных зерен на начальных стадия циклической деформации является основной причиной деформационного упрочнени стали. Зависимость между напряжением и плотностью дислокаций выражаете соотношением: *

а = СТр+аЬСр"2 , (

где оР - напряжение трения (составляющая сопротивления движению дислокации, обу ловленная силами не дислокационного происхождения).

Вторая составляющая напряжения в выражении (1) обусловлена междислокац онным взаимодействием. Вызванное им торможение дислокаций возрастает в процес деформации. Уровень Ор при деформации не изменяется, но это напряжение мож влиять на деформационное упрочнение, изменяя интенсивность междислокациони взаимодействий: увеличение оР приводит к уменьшению вероятности контактного вз имодействия дислокаций со всеми вытекающими отсюда последствиями для упрочь ния кристалла.

Из (1) видно, что с увеличением плотности дислокаций в объеме зерен долж возрастать и запасенная упругая энергия (действующие напряжения). Этот вывод пс тверждается результатами механических испытаний, полученными после 50 циклов представленными в таблицах I и 2.

С последующим увеличением числа циклов все большее количество зерен подее гается пластической деформации. Плотность дислокаций в отдельных, благоприят ориентированных зернах, достигает предельных величин, что обуславливает возш новение на их границах со смежными зернами значительных поворотных момент! приводящих к развитию зернограничного проскальзывания, сопровождающей

жомодационным дислокационным скольжением. В то же время в объеме таких зерен юявляются коллективные эффекты эволюции ансамблей сильнодействующих днсло-щий, вызывающих ротационные моды пластичности, носителями которых являются кгтпчмые дисклинации (оборванные субграницы). Результатом движения частичных |склинаций является возникновение ячеистой структуры. Другими словами релак-пшя упругих напряжений в объеме зерен происходит путем перестройки дислокацион-эй структуры в ячеистую. Результатом такой перестройки является снижение действу-щнх напряжений как при растяжении, так и при испытаниях на ударную вязкость (см. |блицы 1 и 2).

После 400 циклов, когда появляются "ножевые" границы с большими углами разо-юшировок, при деформации на растяжение наблюдается значительное повышение еханических свойств (о„„ а„). Известно, что при совершенной субзеренной структуре наличии значительной разориентировки вклад границ субзерен в упрочнение можно штывать, как вклад границ зерен.

Действительно, при деформации на растяжение, с одной стороны, происходит шчитедыюе накопление дислокаций вблизи "ноженыч" границ, являющихся эффектПв-ыми барьерами, для их движения. Л повышение плотности дислокаций, очевидно прн-эдит к повышению уровня напряжений. С другой стороны, как показали электронно-икроскогшческие исследования, на таких границах происходит образование мроды-ювы.х микротрещин, появление которых приводит к разупрочнению. Поскольку, как оказывают результаты механических испытаний на разрыв, мы наблюдаем повыше-ие пределов прочности и текучести, то можно утверждать, что вклад зерпограничного прочнения существенно выше вклада разупрочнения, происходящего из-за образова-ия микротрещин. В то же время, поскольку такие границы служат эффективными сто-орами для движения дислокаций, при испытаниях на ударную вязкость должно проис-одить некоторое охрупчивание стали и снижение значения КСУ, что и подтверждается кспериментально. Столь значительное снижение величины ударной вязкости объяснятся дополнительным, помимо границ, влиянием микротрещки.

Однако при дальнейшем увеличении числа циклов значения ударной вязкости новь несколько возрастают, а значения пределов текучести и прочности при растяже-ин- снижаются. Это указывает на большее, влияние при ударных нагрузках, субструк-уры, чем микротрещин. При большем (в сравнении с влиянием субструктуры), влия-ии микротрещин наблюдается снижение значений ударной вязкости.

Таким образом на основании экспериментальных данных были сделаны следующие выводы'.

1. Вся пластическая деформация при циклической усталости сосредоточена в фе: ритных зернах, причем наблюдается крайне неоднородное ее распределение как меж; зернами, так и в их теле.

2. Установлено, что основными механизмами при циклической деформации явл ются дислокационное скольжение и зернограничное проскальзывание, которые ос ществляются в тесной взаимосвязи. Проведена количественная оценка зернограннчн го проскальзывания.

3. Изучена эволюция дислокационной структуры и структуры границ зерен п] малоцикловой усталости. Показано, что на начальных этапах малоцикловой усталое происходит увеличение плотности дислокаций, затем наблюдается формирование яче стой структуры с небольшими углами разориентировки. Дальнейшее циклирован приводит к фрагментированнон структуре, характеризуемой очень тонкими и совс шенпыми большеугловыми границами. В последующем формируется субзеренн структура.

4. Установлено, что зародышевые микротрешины образуются на "ножеви границах.

5. Показано влияние дислокационной структуры на механические свойства era СтЗ. Увеличение плотности решеточных дислокаций приводит к повышению харак ристик прочности и значений ударной вязкости, а при образовании ячеистой струк ры происходит их снижение.

6. Обнаружено резкое повышение пределов текучести и прочности и снижен значений ударной пязкости при образовании "ножевых" границ.

Усталоегь и характер разрушения стали СтЗпс В данной главе представлены прямые экспериментальные результаты, иллюст] рующие влияние малоцикловой деформации на характер разрушения стали СтЗ (г действием ударного изгиба и в результате малоцикловой усталости). Изучено влия! дислокационной структуры на параметры трещиностойкости.

Фрактографический анализ поверхности разрушения стали СтЗ в исходном сос янии показал, что для этого состояния характерно наличие вязкого излома, рельеф торого образуется совокупностью отдельных ямок. Диаметр ямок колеблется от 2 дс мкм. Глубина ямок, характеризующая размеры области интенсивной пластичен деформации на изломе в зоне макроотрыва достигает нескольких микрометров, поверхности разрушенных перемычек видны линии скольжения, образующиеся i пластической деформации перед разрушением. На "стенках" ямочного излома наб. даются области, не имеющие характерных особенностей структуры.

и

Последующая малоцикловая деформация приводит к заметным изменениям в мик-гтроении излома. Фрактографический анализ поверхности ударного разрушения ли после 200 циклов предварительной деформации (ячеистая структура) показывает шчие множества микропор, некоторые из которых сливаясь друг с другом, образуют гсротрешины. При этом происходит существенная пластическая деформация перемы-:, разделяющих соседние микропоры. Следует отметить, что глубина ямок, по срав-1ию с исходным состоянием, увеличивается. На поверхности чашечного излома, как исходном состоянии, наблюдаются усталостные бороздки и области, характерные i разрушения чистым сдвигом.

Интересные особенности в строении изломов наблюдаются после 400 циклов де-рмации, когда происходит перестройка ячеистой структуры в фрагментированную с тьшими углами разориентировок. Наблюдается появление признаков, характерных i хрупкого излома. Фрактографическими признаками хрупкого внутризеренного ¡рушения являются фасетки скола и ручьевой узор. На поверхности скола еидны пе-сгые ориентированные внутрь зерна и четко разделенные между собой полосы раз-ления. Количественный анализ поверхности разрушения показал, что доля хрупкой :т:шляю1цей равна 20-30 % .

Дальнейшее увеличение количества циклов до 600 и 1000 приводит к разрушению эжевых" границ, что обусловливает исчезновение в изломе признаков хрупкого раз-шения. Однако, в этом случае, при ударном разрушении наблюдается возрастание |.иы и ширины микротрещин. Длина микротрещин достигает нескольких сот микро-тров, а их ширина достигает 10 ... 40 мкм.

Таким образом видно, что предварительная малоцикловая деформация оказывает дествениое влияние на характер поверхности разрушения.

Проведен анализ возможных причин влияния предварительной малоцикловой де-рмации на процессы разрушения стали СтЗ изгибом с точки зрения взаимодействия эшины трещины с границами феррит-феррит, феррит-перлит и различными дислока-оннымн структурами, образующимися при малоцикловой деформации в теле зерен ррита.

Наличие в исходном состоянии и после 50 циклов высокой плотности решеточ-IX дислокаций в теле зерен и вблизи большеугловых границ, их неоднородное распре-яение приводит к появлению локальных участков с большими перенапряжениями и, к следствие, к ротационной неустойчивости. При приложении ударных нагрузок к разцу, по-види часть дислокаций из участков с высокой плотностью аннигили-ет с дислокациями, испускаемыми вершиной трещины, а другая часть ею поглощает. Поглощение вершиной трещины решеточных дислокаций приводит к ее затупле-:ю. На преодоление вершиной трещины границ зерен, в этом случае, затрачивается

больше энергии. В результате мы наблюдаем повышение значений KCV и вязкий из лом, характеризуемый ямками отрыва.

В случае ячеистой структуры (200 циклов) при ударном нагружении наблюдаете снижение значений KCV, а фракто графически ми исследованиями обнаруживаются уч; стки вязкого излома, на которых видно, что разрушение кроме пластической деформации, осуществляется по механизму объединения микропор. Можно полагать, что пр движении вершины трещины ячеистая структура распадается на отдельные дислок; ции. Упругое поле дислокаций, образовавшихся в результате этого распада складыв; ется с упругим полем дислокаций, испускаемых вершиной трещины и в результате пр< исходит снижение значений KCV.

После 400 циклов, когда образуются "ножевые" границы и микротрещины, мы н блюдаем резкое снижение значений K.CV и появление хрупкой составляющей на пове хности излома. Очевидно, что снижение значений KCV обусловлено наличием микр трещин, а появление хрупкой составляющей можно понять с позиций движения ми рогрещии вдоль "ножевых" граннц. Действительно, края микротрещин выглядят в вн. очень острою надреза. Для острого надреза касательные напряжения в плоскости тр типы меньше предела текучести ог, поэтому пластическая деформация там отсутству и в результате в таких местах наблюдается появление хрупкого излома при ударнс разрушении.

После 600 циклов произошло изменение структуры границ фрагментов внут] ферритных зерен. Наблюдается образование субструктуры. Эта перестройка дпелоь ционнон структуры привела к исчезновению хрупкой составляющей в изломе и пов шению (в сравнении с 400- цикловой дефорлшцией) значений KCV. По-виднмому, до сопротивления росту трещин, вносимая границами микрофрагментов, превышает до; разупрочнения стали, вносимую микротрещинами и микропорами.

После 1000 циклов доля разупрочнения вносимая микротрещинами велика и в ] зультате наблюдается снижение значений KCV. Последующий рост магистральной т\ ихины идет путем объединения этих микротрещин, что и наблюдается эксперимента: но .

Анализ усталостных изломов образцов с различной исходной дислокационн структурой показал, что поверхности разрушения имеют две ярко выраженные зо1 зону усталостного развития трещины и зону долома. Были проведены замеры и выч лены отношения площади усталостного пятна ко всей площади разрушения образ Результаты измерений представлены в таблице 3.

'■Э Таблица 3 Влияние дислокационной структуры на развитие усталостных трещин _при малоцикловой деформации в стали СтЗ_

Структура и предварительное количество циклов. Площадь усталостного излома, Эу, мм: Общая площадь,Б, мм:. Отношение Общее количество циклов до полного разрушения

Исходная (0 циклов) 21,5 40 0,54 39,800

Ячеистая (200 циклов) 19,2 40 0,48 19,300

Фрагментированная с "ножевыми" границами (400 циклов) 24 40 0,60 8200

Субструктура ( 600 циклов) 20 40 0,50 22,700

Субструктура ( 1000 циклов) 16 40 0,40 16,130

Зная площадь долома и приложенные усилия можно рассчитать напряжения, воз-икающне в зоне долома на последнем цикле деформации. Результаты оценки напряже-ии отрыва, возникающих в зоне долома, представлены в таблице 4.

Таблица 4

Влияние структуры стали на напряжение отрыва в зоне долома

Структура и предварительное количество циклов. Площадь долома, 8Д, мм" Приложенное усилие, Р, Н Напряжение отрыва, МПа

Исходная ( 0 циклов) 18.5 15,700 848

Ячеистая(200 циклов) 20,8 17,306 832

Фрагментированная с "ножевыми" границами (400 циклов) 16 14,064 879

Субструктура (600 циклов) 20 16,160 808

Субструктура ( 1000 циклов) 24 18,910 788

Из таблицы 4 видно, что наиболее высокие значения напряжения отрыва наблю-иются в стали с "ножевыми" границами (400 циклов). Причину наблюдаемых различий ложно понять, если исследовать микроструктурные аспекты усталостного разрушения. Зыли изучены как зона усталостного излома, так и зона окончательного долома.

Тщательное изучение микрорельефа поверхности разрушения, испытанных образ-дов, при малых увеличениях позволило обнаружить некоторые различия в их строении. Гак в образце, не подвергнутом предварительной циклической деформации, наблюдается микрополосы отрыва, расположенные перпендикулярно направлению роста тре-дины. Более грубые и короткие полосы микроотрыва наблюдаются в образце после 400- цикловой деформации (с "ножевыми" границами). В образцах же, подвергнутых

предварительной циклической деформации на 200, 600 и 1000 циклов таких полос н< наблюдается.

С увеличением длины трещины появляются усталостные бороздки. Причем ширина этих бороздок зависит от структурного состояния стали. Наиболее узкие усталостные бороздки наблюдаются в стали, не подверженой предварительной циклической деформации. В стали же с "ножевыми" границами (400 циклов) ширина усталостных бороздок больше чем в любом другом состоянии.

Сопоставление ширины усталостных бороздок и количества циклов до окончательного разрушения позволяет оценить среднюю скорость развития усталостной трещины (см. таблицу 5). Из таблицы видно, что чем меньше количество циклов до окончательного разрушения и больше ширина усталостных бороздок, тем выше скорость роста трещины. Наибольшая скорость наблюдается в стали с фрагментированноР структурой (36,6 -10"* м/ цикл).

Таблица

Влияние структуры стали на ширину усталостных бороздок н общее количество циклов до полного разрушения

Структура и предварительное количество циклов Средняя ширина усталости мх бороздок, мкм Общее количество циклов до полного разрушения Средняя длина усталостной трещины, м Средняя скорость роста трещины, м/ цикл

Исходная ( 0 циклов) 0,23 39,800 2,7 -10"3 6,8 10"8

Ячеистая (200 циклов) 0,47 19,300 2,4 -¡О"3 12,4 10^

Фрагментированная с "ножевыми" границами (400 циклов) 1,35 8,200 3,0 -10"3 36,6-Ю"8

Субструктура ( 600 циклов) 0,54 22,700 2,5 -10"3 11,0-КГ8

Субетруктура ( 1000 циклов) 0,31 16,130 2,0 -10"3 12,4-10"8

Поверхность зоны окончательного долома всех образцов характеризуется чаше ным строением, соседствующим с грубыми кратерами. Общая картина разрушения зоне окончательного долома аналогична типичному вязкому разрушению при одн кратном нагружении. Аналогичную картину усталостного разрушения наблюдали и других сталях. Таким образом, закономерности усталостного разрушения стали Ст'. различной дислокационной структурой (повышение напряжений в зоне долома, увег чение ширины усталостных бороздок, появление грубых кратеров и ямочного рел: фа), установленные в результате комплексного макро- и микрофрактографическс анализа изломов, сформировавшихся в результате циклического растяжен!

оляют сделать вывод о существенном влиянии структуры стали на кинетику и осо-юсти развития трешин в условиях малоцикловой усталости.

В основу оценки вязкости разрушения легла методика, описанная в главе 2. Резуль-ы проведенных испытаний представлены на рис. 1 (база измерений деформаций со-вляла 10 мм).

Площадь под ниспадающей ветвью ВК диаграмм деформирования определяет, как естно, работоспособность материала на стадии зарождения макротрещины, а плоть под ветвью КР- на стадии ее роста. Деградация механических свойств вслед-ие циклической наработки приводит к уменьшению площадей под этими ветвями. Анализ полученных данных показал, что независимо от структуры материала ки-ика разрушения стали носит общий характер. На участке ВК происходит накопле-: макроповреяодений. в точке К - их слияние в макротрещину и дальнейший ее рост асток КР), вызывающий разделение образцов на части.

Следует обратить особое внимание на то, что на всех кривых установлено наличие 1ального прямолинейного ниспадающего участка I ( см. рис.1, участок КС). Имен-с учетом наклона этих участков оценивалась энергоемкость процесса разрушения ¡ли в случае отрыва.

Полная диаграмма деформирования испытанных образцов

Р,кН|

5,0

В

2,5

_1_1-1-1-->

1,2 1,6 2,0 2,Ц Д1,мм

0

0,4

0,8

Рис.1

■/б

В таблице 6 представлены результаты обработки полученных полных диаграм деформирования испытанных образцов. Из таблицы видно, что для образцов подве] гнутых 50- цикловой деформации, когда происходит интенсивный рост плотное! дислокаций, наблюдается (по сравнению с исходным состоянием) некоторое повыш ние значений К1С.

При формировании фрагментированной структуры с "ножевыми" границами (4 циклов нагружения) происходит резкое снижение величины К,с.

Дальнейшее повышение количества циклов до 600 (когда формируется субстр; тура) приводит к тому, что значения К[с вновь возрастают.

Последующее увеличение числа циклов приводит к стабильному снижению в е. чины К.,..

Таблица

Параметры полных диаграмм деформирования испытанных образцов и значени коэффициента Кк. для стали СгЗпс в различном состоянии

Количество циклов и № образцов кГ Гк. мм* к! 7мм" 1г. мм % кГ/мм"2 а М11а м"2

0.1 420 4,86 86,42 0,312 59,5 1175,2 0,113 41.5

N=0 0.2 420 4,95 84,85 0,313 58,7 1152,3 0,113 40,7

1.1 415 4,43 93,71 0,335 58,4 1252,9 - 44,2

N=50 1.2 440 4,21 104,5 0.327 57,0 1291,8 - 45,6

1.3 420 4,41 95,2 0,341 56,9 1244,7 - 43,9

2.1 430 4,95 86,87 0,324 54,1 1133,5 - 40.0

N=200 2.2 440 5,34 82,40 0.319 55,2 1095.4 - 38,7

2.3 430 4,94 87,04 0,317 53,6 1110,3 - 39,2

3.1 410 5,67 72,30 0,310 52,1 990,2 - 34.9

N=400 3.2 419 5,73 73,12 0,298 51,4 966,4 - 34,1

3.3 428 5,90 72,5 0,305 48,5 944.9 - 33.4

N=600 4.1 420 4,88 86,06 0,316 58,8 1166,1 - 41,2

4.2 425 4,98 85,34 0,321 57,8 1156,7 - 40,8

4.3 420 4,86 87,5 0,318 58,5 1179,5 - 41,7

5.1 430 6,20 69,4 0,320 56,8 1029,5 - 36.4

N=1000 5.2 430 6,22 69,1 0,321 56,6 1028,9 - 36.3

5.3 425 6,11 69,6 0,298 56,3 994,9 - 35,1

Полученные результаты показывают, что зависимость величины К1С от числа ш лов предварительной деформации носит осциллирующий характер (Рис.2).

На основании проведенных исследований можно сделать вывод о том, что на зна-ие величины К!С заметное влияние оказывает дислокационная структура и струк-а границ микрофрагментов.

Таким образом установлено, что структура, формирующаяся в результате мало-ювой усталости, оказывает заметное влияние на изменения механических свойств и шетры трещиностойкости.

Зависимость коэффициента интенсивности напряжений К1С от числа циклов предварительного нагруження N

K-ic ,мп««|/!

50 1—----

0 —---- N

50 200 400 600 1000

Рис.2

На основе экспериментально-исследовательских данных, полученных в третьей и гвертой главах разработана методика оценки остаточного ресурса элементов неф-:имического оборудования с учетом изменения структуры и механических свойств [роцессе эксплуатации в условиях малоцикловой деформации. Методика оценки ос-гочного ресурса изложена ниже.

Основные концепции оценки остаточного ресурса конструкций, работающих в условиях малоциклоаой деформации В основу предлагаемого метода оценки остаточного ресурса металлических конст-:ций легли данные электронномикроскопических исследований дислокационной укгуры и расчеты скорости роста трещин при малоцикловой усталости. Хорошо известно,что схорость роста усталостных трещин (на стадии стабильного гга) определяется зависимостью Париса [36].

л аы

= С(АК)п

(2)

где

скорость роста усталостной трещины;

Д^ - размах значений коэффициента интенсивности напряжений. При отнуле вом режиме нагружекия равен Кт„;

С - коэффициент, принимаемый для стали СтЗпс, согласно [36], равным 0,16 10 "; п- переменная, характеризующая структуру материала.

Проведенные в данной работе исследования позволили выявить зависимость скоро сти роста усталостной трещины от дислокационной структуры материала (см. таблиц; 5). Подставляя в формулу (2) конкретные (для данной структуры стали) значения ско рости роста трещины и коэффициента интенсивности напряжений мы получаем выра жение (3) для расчета величины показателя степени п. Полученные значения показате ля степени п представлены в таблице 7.

П =

1пДК

(3

Таблица

Структура стали сншю», м / цикл С дк, МПа м"2 п 1р. м <гТ, МПа МПа м"!

Исходная 6,8 23,943 3,35 0,017 268 41,5

Ячеистая 12,4 21,023 3,69 0,019 252 38,7

Фрагментированная с"ножевыми" границами 36,6 0,16 10-" 24,460 3.86 0,010 293 33,4

Суструктура 11,0 21,760 3,62 0,019 260 40,8

Субструктура 12,4 23,160 3,5В 0,013 277 35,1

Используя, определенные экспериментальным путем значения вязкости разрушени К1С стали СтЗпс (см. таблицу 6) по формуле (4) находим критическую (для данног структурного состояния стали) длину трещиноподобного дефекта 1(р (см. таблицу 7).

1кр -

Щс ЛСГта!

о

Используя данные прочностного расчета (с учетом фактической толщины стенм определяем наиболее нагруженную часть конструкции. Из нее, для проведения мехаш ческих испытаний и электронномикроскопических исследований структуры стали, вь резаем темплет.

- м

Просвечивающем электронной микроскопией исследуем дислокационную структу-

и структуру границ зерен. В зависимости от обнаруженной структуры (ячеистая, агментированная, субструктура) по таблице 9 принимаем конкретные (для данного эуктурного состояния материала) значения величин: (11Л1М; ЛК; 1к и п.

Используя данные дефектоскопического контроля, определив вид и размеры ( 10) наруженных дефектов расчитываем, по формуле (5), величину коэффициента интен-зности напряжений К0для наиболее опасного дефекта.

Ко = СТтахл/^

Примечание. В случае если методами дефектоскопического контроля не удалось об-ружить наличие дефектов, расчет остаточного ресурса следует выполнять по мето-ке [111].

Интегрируя уровнение (53) в пределах от начальной длины дефекта 10 до конечной кр и подставляя конкретные (для данного структурного состояния стали) значения жно определить число циклов N. при котором трещина достигает критической пичины.

Определив цисло циклов нагружения оборудования за год (п) можно расчитать его гаточный ресурс с учетом структурного состояния металла.

Т = Т (б)

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Обнаружено, что малоцикловая усталость приводит к изменению дислокацион-эй структуры и структуры границ зерен. Вначале формируется ячеистая структура с ¡большими углами разориентировки зерен, затем- фрагментированная, с очень тон-ши и совершенными большеугловыми границами. Увеличение числа циклов до )00 приводит к формированию субструктуры.

2. Показано влияние дислокационной структуры и структуры границ зерен на ха-ктер разрушения. Обнаружено, что возникновение "ножевых" границ зерен приво-:т к появлению характерных признаков хрупкого излома, а наличие ячеистой струк-ры и субструктуры - способствует появлению вязкого излома.

3. Установлено, что при перестройке структуры границ зерен изменяются показа-1я ударной вязкости и механических свойств. Так при наличии "ножевых" границ зе-н значения ударной вязкости резко снижаются, а значения пределов текучести и ючности - возрастают.

4. Обнаружено, что малоцикловая усталость приводит к зарождению и росту ми ропор, слияние которых, при увеличении числа циклов, приводит к появлению микр трещин. В результате снижаются значения ударной вязкости, пределов текучести прочности.

5. Установлено, что ширина усталостных бороздок коррелирует со структурой гр ниц микрофрагментов и скоростью роста усталостных трещин. В стали с "ножевым границами зерен значения ширины усталостных бороздок существенно превыша! значения таковых с любой другой структурой, а количество циклов до окончательно разрушения минимально, что указывает на более высокую скорость роста усталости трещин. В сталях же с наибольшим числом циклов до окончательного разрушения \ блюдаются наиболее узкие усталостные бороздки.

6. Разработана и опробована методика оценки остаточного ресурса с учетом эв люции дислокационной структуры и особенностей строения микрорельефа поверхнс ти усталостного разрушения.

СПИСОК НАУЧНЫХ ТРУДОВ ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Барышев В.А.. Галлямов A.M.. Кантемиров И.Ф. Эволюция дефектной струкгу стали при малоцикловой деформации // Тезисы докл. II Международной школы се пара "Эволюция дефектных структур в металлах и сплавах" .- Барнаул: Алт.ГТУ, 19' с. 214-215.

2. Галлямов А. М„ Прохоров А. В., Нагаева А. Г.. Ценев Н. К. О влиянии циклическ нагружения на эволюцию дислокационной структуры и характер разрушения ст СтЗ. II Тезисы докл. XXXXV! научно- техн. конф. студентов, аспирантов и мол о; ученых,- Уфа: УГНТУ, 1995,- с.139.

3. Ценев Н.К.,Кузеев И.Р., Барышев В.А.. Галлямов A.M., Сельский Б.Е., Завадс А.Р. Эволюция дислокационной структуры при усталости и ее влияние на механичес свойства и характер разрушения стали СтЗ. //Тезисы докл. XIV Международной koi ренции по физике прочности и пластичности материалов.- Самара: СамГТУ, 1995 83.

4. Ценев Н.К., Кузеев И.Р., Сельский Б.Е., Галлямов A.M. Методы неразрушаюи контроля в технической диагностике и оценке остаточного ресурса: преимущества достатки, перспективы. // Тезисы докл. Всероссийской научно-техн. конференции " зико- механ. св-ва материалов и их экспресная оценка неразрушающими метода) портативными техническими средствами",- Волгоград: ВолгГТУ, 1995.-е. 58-59.

5. Tsenev Ы.К.. Kuzeev I.R.. Selskyi В.Е., Baryshev V.A., Gailyamov A.M. The influen dislocation structure and intergranular boundaries on the character of fracture in the