автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Механические свойства и структура металла в локальных зонах концентрации напряжений изделий машиностроения

Дубов Александр Анатольевич

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И СТРУКТУРА МЕТАЛЛА В ЛОКАЛЬНЫХ ЗОНАХ КОНЦЕНТРАЦИИ НАПРЯЖЕНИЙ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ

Специальность - 05.16.09 Материаловедение (машиностроение)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

-¡Ш 2013

005531203

На правах рукописи

Дубов Александр Анатольевич

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И СТРУКТУРА МЕТАЛЛА В ЛОКАЛЬНЫХ ЗОНАХ КОНЦЕНТРАЦИИ НАПРЯЖЕНИЙ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ

Специальность - 05.16.09 Материаловедение (машиностроение)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Университет «МЭИ» на кафедре «Технология металлов».

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор кафедры «Технология металлов» НИУ МЭИ Матюнин Вячеслав Михайлович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, заведующий отделом экспертизы металлов ЗАО «ЦНИИПСК» им. Мельникова Горицкий Виталий Михайлович

доктор технических наук, профессор кафедры «Механическое оборудование, детали машин, технология металлов» НИУ МГСУ Гудков Анатолий Александрович

Ведущая организация: ОАО «Научно-исследовательский и проектный

институт азотной промышленности и продуктов органического синтеза (ГИАП)», г. Москва Защита диссертации состоится «25» июня 2013 года в /т на заседании диссертационного совета Д 212.126.03 при Московском автомобильно-дорожном государственном техническом университете (МАДИ) по адресу: 125319, г. Москва, А-319, Ленинградский проспект, 64, ауд. 42. Телефон для справок: (499) 155-93-24. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета.

Автореферат разослан « ЛК ^и^Л 2013: Ученый секретарь диссертационного совета Д.212.126.03, к.т.н., доцент

Д.С. Фатюхин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы обусловлена необходимостью определения механических свойств металла в зонах концентрации напряжений (ЗКН), являющихся источниками развития повреждений изделий машиностроения.

Причины возникновения ЗКН в изделиях машиностроения можно подразделить на металлургические, технологические, конструктивные и эксплуатационные. Отдельно следует выделить локальные структурные ЗКН, образующиеся в процессе изготовления или эксплуатации изделий под воздействием рабочих нагрузок, температуры, давления. В этих зонах происходят пластические сдвиги на разных масштабных уровнях. Как показывают экспериментальные исследования, локальные структурные ЗКН могут иметь размеры в пределах от нескольких микрометров до нескольких миллиметров. При средних напряжениях в изделии ниже предела текучести в локальных ЗКН напряжения значительно возрастают, а в некоторых случаях достигают разрушающих напряжений, вызывая образование трещин.

Особую актуальность проблема определения механических свойств металла локальных ЗКН приобретает в настоящее время в связи с необходимостью оценки остаточного ресурса оборудования и конструкций во всех отраслях промышленности.

Анализ существующих видов механических испытаний материалов показал, что индентирование (твердометрия) является наиболее перспективным способом определения механических свойств локальных ЗКН. Однако трудности такого вида испытания состоят в том, что из-за малых размеров ЗКН для контроля механических свойств можно использовать только мезо-, микро-, наноиндентирование. Определяемые при этом значения мезо-, микро-, нанотвердости превосходят значения макротвердости из-за влияния масштабного эффекта. А существующие связи характеристик прочности, определяемых при растяжении образцов, с характеристиками твердости, определяемыми при индентировании, установлены для макроуровня деформирования металла. В справочниках, сертификатах на металл и машиностроительную продукцию значения твердости и других механических характеристик представлены по результатам испытаний также на макроуровне. Поэтому необходимо установить условия подобия и обосновать возможность пересчета характеристик прочности по характеристикам твердости на разных масштабных уровнях.

Таким образом, разработка методики определения механических свойств металла ЗКН непосредственно в элементах оборудования по характеристикам твердости на разных масштабных уровнях, представляется актуальной задачей.

Целью исследования является - разработка методики определения фактических механических свойств металла ЗКН непосредственно в элементах оборудования, используя возможность пересчета характеристик прочности по характеристикам твердости на разных масштабных уровнях.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Исследовать влияние масштабного фактора на механические свойства конструкционных материалов при растяжении образцов разного диаметра.

2. Исследовать влияние масштабного фактора на твердость этих же конструкционных материалов, определенную методом Виккерса при изменении нагрузки вдавливания и на твердость, определенную методом Бринелля при изменении диаметра индентора.

3. Выявить общие закономерности влияния масштабного фактора на характеристики прочности материалов, определенные испытаниями образцов на растяжение и характеристики твердости, определенные вдавливанием инденторов.

4. Предложить условия подобия для сопоставления характеристик прочности с характеристиками твердости материалов в целях установления связи между ними на разных масштабных уровнях..

5. Разработать методику определения механических свойств металла структурных ЗКН изделий машиностроения, возникающих в условиях эксплуатации.

6. Исследовать микроструктуру металла ЗКН на разных масштабных уровнях.

7. Оценить упрочнение металла ЗКН и критическое напряжение, необходимые для образования трещины, согласно дислокационным моделям.

8. Провести экспериментальное опробование разработанной методики на различных элементах оборудования, находящегося в эксплуатации.

Методы исследования. В ходе выполнения диссертационной работы были применены современные методы и технические средства микроструктурного анализа, электронной микроскопии, спектроскопии, фрактографии со стереоизображением в формате ЗБ, определения механических свойств металла растяжением и индентированием на разных масштабных уровнях.

Научная новизна полученных результатов.

Установлено, что параметр деформационного упрочнения при вдавливании сферических инденторов и предельная равномерная деформация при растяжении подобных цилиндрических образцов снижаются при уменьшении диаметра индентора и диаметра образца. Особенно сильно эти параметры снижаются при переходе от мезо- к микроуровням деформирования металла.

Установлен и экспериментально подтвержден общий характер влияния масштабного фактора на изменение характеристик прочности стали при растяжении образцов различного диаметра и характеристик твердости при вдавливании сферических инденторов различного диаметра. Предложены условия подобия, при выполнении которых возможен пересчет характеристик твердости на характеристики прочности по единой зависимости на макро-, мезо-, микроуровнях деформирования металла. Такими условиями являются равенство поверхности отпечатка и абсолютного изменения площади поперечного сечения образца, а также равенство относительной пластической деформации при вдавливании и растяжении.

Разработана методика определения механических свойств металла ЗКН путем индентирования на мезо-микроуровнях с последующим пересчетом значений механических свойств на макроуровень по предложенным зависимостям.

Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждены всесторонними исследованиями, выполненными с применением современных методик, приборов, оборудования, вычислительной и информационно-измерительной техники, сравнением и достаточно точным совпадением предложенных аналитических и расчетных зависимостей с экспериментальными данными.

Практическая значимость и реализация результатов работы:

Разработанная методика определения механических свойств металла ЗКН на мезо-микроуровнях индентирования расширяет возможности оперативного контроля и дополняет ценными сведениями оценку фактического структурно-механического состояния металла элементов конструкций и машин в условиях эксплуатации. Для повышения эффективности методики необходимо дополнять ее анализом микроструктуры металла с использованием метода пластических реплик.

Практическое опробование методики выполнено на следующих узлах энергетического и нефтяного оборудования:

- гибы и лопатки паропроводов энергоблока №4 Конаковской ГРЭС;

- шпильки фланцевого соединения пароперепускных труб ЦВД турбины ПТ-60-130/13 Дягилевской ТЭЦ;

- трубы конвективного пароперегревателя КПП «ИнтерРАО»;

- прутки диаметром 22 мм для изготовления валов электроцентробежных насосов нефтедобычи (ЭЦН).

На защиту выносятся следующие положения и результаты:

1. Условия подобия для определения характеристик прочности металла растяжением образцов и характеристик твердости вдавливании сферического индентора на одном масштабном уровне.

2. Общие закономерности и зависимости влияния масштабного фактора на характеристики прочности и твердости.

3. Методика определения механических свойств металла ЗКН путем индентирования на мезо- и микроуровнях с последующим пересчетом значений механических свойств на макроуровень по предложенным зависимостям.

4. Результаты исследования микроструктуры металла ЗКН, оценка упрочнения металла ЗКН индентированием и расчетом по дислокационной модели Тейлора.

5. Экспериментальное обоснование предложенной методики для определения механических свойств металла ЗКН, образовавшихся на различных узлах энергооборудования и изделий установок нефтедобычи.

Апробация диссертационной работы.

Основные результаты диссертационной работы представлены на:

- четырех международных научно-технических конференциях аспирантов и студентов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Москва, МЭИ (ТУ), 2009, 2010,2011,2012 гг.;

- третьей международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов», Москва, ИМЕТ РАН, 2009 г.;

- 18-ой Всероссийской конференции и Международной специализированной выставке приборов и оборудования для неразрушающего контроля и технической диагностики в промышленности. Н. Новгород, НГТУ, 30.09 - 02.10.2008 г.;

- научный семинар кафедры «Металловедения и термообработки» Московского автомобильно-дорожного Государственного Технического Университета, 2013 г.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Содержит 136 страниц текста, 45 рисунков, 9 таблиц и 122 наименования цитированной литературы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование необходимости определения механических свойств металла ЗКН, являющихся источниками развития повреждений при эксплуатации оборудования и конструкций. При средних напряжениях в элементах конструкций ниже предела текучести напряжения в ЗКН могут сильно возрастать, а в некоторых случаях и достигать разрушающих значений.

В первой главе «Зоны концентрации напряжений (ЗКН) и их влияние на механические свойства и прочность металла изделий машиностроения» выполнен анализ причин и механизмов возникновения ЗКН и их влияния на надежность изделий в процессе эксплуатации

Рассмотрены основные виды металлургических и технологических дефектов, возникающих в процессе изготовления изделий, являющихся источниками образования ЗКН. Технологические и металлургические дефекты в локальных ЗКН изделий создают высокий уровень остаточных напряжений и при неблагоприятных сочетаниях с напряжениями от рабочей нагрузки могут привести к образованию трещин.

На основе положений материаловедения и механики разрушения, изложенных в работах Давиденкова H.H., Фридмана Я.Б., Бернштейна М.Л., Махутова H.A., Карзова Г.П., Панина В.Е., Тушинского Л.И., Малинина В.Г., Горицкого В.М., Тейлора, Орована, Зинера, Стро, Екобори и других исследователей рассмотрены механизмы образования ЗКН. В частности, показано, что на начальном этапе развития повреждений в ЗКН возникают устойчивые полосы скольжения на уровне отдельных структурных элементов (на уровне напряжений III рода). По мере накопления поврежденности металла в ЗКН в результате взаимодействия структурных элементов происходит формирование напряжений II рода и затем напряжений I рода, уравновешивающихся в объеме изделия.

Показано значительное различие микротвердости металла локальных ЗКН и вне их. В локальных ЗКН под действием рабочих нагрузок формируется максимальная плотность дислокаций и, соответственно, максимальный уровень деформаций и напряжений. Дана оценка размеров ЗКН в объеме изделия.

Во второй главе «Масштабный эффект при определении механических свойств материалов» исследовано влияние масштабного фактора на прочность и твердость материалов.

Масштабный эффект рассматривается как физическое явление, состоящее в изменении свойств материалов под действием масштабного фактора. Масштабный фактор, как причина проявления размерного эффекта, состоит в изменении размеров образцов, зоны пластической деформации, деформируемого объема, элементов структуры и субструктуры материалов и др. Параметрами масштабного фактора могут быть линейные (длина, ширина, толщина), плоские (площади поверхностей, сечений), объемные (исходный, деформируемый, смещенный) исследуемого объекта, образца, элементов структуры, зоны пластической деформации и др.

Масштабный фактор проявляется при различных видах механических испытаний материалов. О влиянии масштабного фактора на механические свойства материалов известно давно. Систематические исследования такого влияния были проведены в работах A.A. Гриффитса, А.П. Александрова и Журкова, Г.В. Ужика, Е.М. Шевандина и Ш.С. Маневича, Б.Б. Чечулина, Atkinson M.J.,Федосова С.А., Пешека Л., Гловина Ю.И. и др. В настоящее время в связи с бурным развитием наноматериаловедения и нанотехнологий возрос научно-практический интерес к масштабному эффекту. Масштабный эффект стали рассматривать более широко с анализом влияния не только геометрических параметров образцов, но и очага пластической деформации, структуры и субструктуры материала. Особый интерес представляет влияние масштабного фактора на характеристики прочности материала, определяемые испытаниями образцов на растяжение, и на характеристики твердости, определяемые вдавливанием инденторов. Это объясняется тем, что испытания на растяжение и твердость (вдавливанием индентора) являются наиболее распространенными видами механических испытаний, а в расчетах на прочность деталей и конструкций чаще всего используют значения механических характеристик материала, определяемые растяжением. Учитывая наличие связи прочности и твердости, имеется возможность взаимного пересчета этих механических характеристик, что позволяет не только упростить процесс контроля, но и оценить механические свойства материала индентированием непосредственно на изделиях машиностроения. На этом основании разработаны безобразцовые методы определения механических свойств материалов по характеристикам твердости (научные школы профессоров Марковца М.П., Дрозда М.С. и др.). Однако известные связи характеристик прочности и твердости металла были установлены на макроуровне, а при переходе на микро- и наноуровни эти характеристики возрастают и тем в большей мере, чем меньше деформируемые объемы металла. Так, например, значения

микротвердости металла могут превосходить значения макротвердости этого же металла в 1,5 - 2 раза в зависимости от величины нагрузки вдавливания, а следовательно и от деформируемого объема. Предел текучести и временное сопротивление металла, определенные на микрообразцах диаметром 1 мм и менее, также возрастают в сравнении с этими же механическими характеристиками, определенными на макрообразцах диаметром 6-10 мм. В связи с этим возникает вопрос о возможности пересчета характеристик прочности по характеристикам твердости на разных масштабных уровнях. Ответ на этот вопрос можно получить, располагая закономерностями изменения твердости и прочности металла при переходе от одного масштабного уровня к другому.

В настоящем разделе диссертационной работы были выполнены эксперименты и исследования по влиянию масштабного фактора на характеристики твердости, определяемые вдавливанием пирамиды под разными нагрузками, и вдавливанием сферических инденторов различного диаметра при условии равенства угла вдавливания (отношения диаметра отпечатка к диаметру индентора). Если за критерий масштабного уровня выбрать глубину отпечатка, то эти уровни можно условно разграничить следующим образом. Наноуровень соответствует глубинам отпечатка менее 0,1 мкм (100 нм), микроуровень - 0,1... 1 мкм, мезоуровень -1... 10 мкм, макроуровень >10 мкм.

Для исследования влияния масштабного фактора на твердость, определяемую методами Виккерса и Бринелля, были взяты три образцовые стальные плитки, поверхности которых обрабатывались электролитным способом для снятия поверхностного наклепа. Плитки имели различный уровень макротвердости по Виккерсу, определенной под нагрузкой 5 кГ и с выдержкой под нагрузкой 10 с: плитка I - HV5/io 160, плитка II - HV5/10 200, плитка III - HV5/10 260. Причем эти же плитки имели примерно такие же значения макротвердости по Бринеллю, определенные вдавливанием индентора диаметром D = 2,5 мм под нагрузкой 187,5 кГ и с выдержкой под нагрузкой 10 с: плитка I — HB2,5/i87,5/io 162, плитка II - HB2,5/i87,5/io 205, плитка III -HB2,5/i87,5/io 262. При определении твердости по методу Бринелля были изготовлены сферические и сфероконические инденторы с радиусами скругления при вершине R = 0,05 - 5 мм (диаметром D = 0,1 - 10 мм). Вдавливание пирамиды и сферических инденторов с R = 0,05 - 2,5 мм проводили на аттестованном приборе МЭИ-Т7, снабженном сменными силовыми пружинами в зависимости от уровня нагрузки вдавливания и микроскопом МПВ-1 для измерения диаметров отпечатков. Вдавливание инденторов с R = 1,5 - 5 мм проводили на универсальной машине «Instron -5982» в режиме нагружения сжатием.

Следует отметить, что при вдавливании пирамиды под разными нагрузками соблюдается условие геометрического подобия за счет постоянства угла а между гранями или ребрами в вершине пирамиды (рис. 1). При вдавливании сферического индентора одного диаметра под разными нагрузками нарушается условие геометрического подобия за счет изменения угла вдавливания <р, однозначно связанного с отношением d/D = sin (ф/2) (рис. 2). Поэтому сравнивать значения твердости по Бринеллю, определяемые вдавливанием сферических инденторов различного диаметра, необходимо при d/D = const. Известно, что при увеличении нагрузки вдавливания на один и тот же сферический индентор происходит увеличение твердости по Бринеллю до некоторого максимального значения, которое затем стабилизируется в некотором интервале d/D. Для многих конструкционных материалов выход твердости HB на максимальное значение НВв происходит при d/D близком к 0,375. Степень нагружения P/D2, при которой HB = НВв, зависит от уровня твердости материала и регламентирована ГОСТ 9012-59. Для конструкционных машиностроительных материалов P/D2 = 30 кГ/мм2 (294 Н/мм2).

Рис.1. Схема, иллюстрирующая условие геометрического подобия при вдавливании пирамиды и влияние масштабного фактора на твердость по Виккерсу НУ.

D, = D2; Р2 > Р,; d2>d,; q>2>q>,; D2>D,; P2>Pii c^xi,; ф, = ф2;

d/D2 > d,/D,; HBK > HBP1 d,/D, = (У1>2; HBP, > HBK

Рг

Рис.2. Схемы, иллюстрирующие условие геометрического подобия при вдавливании сферического индентора и влияние масштабного фактора на твердость по Бринеллю НВ.

Таким образом, выявление масштабного фактора при вдавливании сферических инденторов различного диаметра возможно или при сравнении максимальных значений твердости НВв или при сравнении значений твердости, определенных при d/D = const. Если выбранная степень нагружения обеспечивает получение НВв, то можно сравнивать НВ при P/D2 = const.

При определении микротвердости металла подготовленных плиток вдавливанием пирамиды минимальная нагрузка вдавливания составляла ЮГ. Испытания проводились на автоматизированных микротвердомере Buehler Micromet 2500 и твердомере Instron Tukon. На рис. 3, а представлены в графическом виде результаты определения твердости по Виккерсу для трех контрольных плиток при различных нагрузках вдавливания Р.

HV. кПмм: HV, кГ/мм:

Р. кГ l /d, i/мм

а) б)

Рис.3. Изменения НУ в зависимости от Р (а) и в зависимости от 1/с1 (б). Как следует из рис. 3 резкое повышение твердости НУ начинается при нагрузке Р < 0,5 кГ (область микротвердости). Анализ зависимостей НУ - Р, представленных на

рис. 3, а показал, что при перестройке их в координаты НУ - Щ (с! - диагональ отпечатка) получаются практически прямолинейные зависимости (рис. 3, б) следующего вида:

НУ = НУ5 + к (1Л1), (1)

где к - постоянный коэффициент для данного материала, имеющий размерность кГ/мм.

Для определения коэффициента к достаточно выполнить всего два вдавливания пирамиды под разными нагрузками.

Характер изменения твердости по Бринеллю НВ в зависимости от диаметра индентора Б при РЯ52 = 30 кГ/мм2 (294 Н/мм2) для трех контрольных плиток показан на рис. 4, а. Как следует из этого рисунка твердость НВ постепенно возрастает при уменьшении Б. При Б < 0,4 мм масштабный уровень испытаний перемещается в область микроиндентирования и происходит более резкое увеличение НВ. Если представить зависимости, показанные на рис. 4, а, в координатах НВ - 1/Б, то они становятся также практически прямолинейными при изменении 1/Б от 0,4 до 10 (1/мм) (рис. 4,6) и могут быть аппроксимированы следующим уравнением:

НВ = НВ2,5/187,5/5+А:1(1Ю), (2)

где к] - постоянный коэффициент для данного материала, имеющий размерность кГ/мм.

НВ. кГ/мм 400

300

200

100

НВ, кПмм1

4 6 8 10 '""0 12 3 4 5 D, мм I/D, 1/мм

а) б)

Рис 4. Изменения НВ в зависимости от D (при P/D2 = 294 Н/мм2) (а) и в зависимости от 1 /D (б).

В третьей главе «Общие закономерности влияния масштабного фактора на прочность и твердость материалов» изложены результаты исследований по влиянию масштабного фактора на изменение характеристик прочности стали при растяжении образцов и характеристик твердости при вдавливании сферических инденторов. Цель этих исследований заключалась в установлении общих закономерностей изменения характеристик прочности и твердости на разных масштабных уровнях. Были выполнены испытания по определению предела текучести, временного сопротивления, предельной равномерной деформации при растяжении подобных образцов различного диаметра, а также твердости на уровне предела текучести и твердости на уровне временного сопротивления при вдавливании сферических инденторов различного диаметра. Однако, прежде всего были предложены следующие два условия подобия для обоснованного сопоставления характеристик прочности и твердости на разных масштабных уровнях. Первое условие обеспечивает одинаковые

маспггабные уровни при деформировании материала растяжением и вдавливанием:

AF = M , (3)

где AF - абсолютное изменение площади поперечного сечения образца при растяжении; M - площадь поверхности отпечатка при вдавливании индентора.

Второе условие обеспечивает одинаковые относительные пластические деформации при растяжении и вдавливании:

»¡/РАС. _ vj/ВД.^ (4)

где Ч/РАС- относительное сужение образца при растяжении в области равномерной деформации; Ч'^'-относительная пластическая деформация при вдавливании индентора.

Для выполнения второго условия необходимо было использовать сферический индентор, который позволяет получать различные значения пластической деформации за счет изменения угла вдавливания в процессе одного нагружения. Для получения различных значений пластической деформации при вдавливании пирамиды необходимо использовать набор инденторов с разными углами при вершине. Кроме того, следует отметить, что при малых глубинах внедрения пирамиды, например на наноуровне, индентирование происходит фактически сферическим индентором.

Средняя условная пластическая деформация при вдавливании сферического индентора Твд оценивалась по следующей формуле:

Ч/ВД = М/М0 = t/R, (5)

где М0 - половина поверхности шара; t - глубина отпечатка; R - радиус индентора.

Уравнения (3) - (5) позволяют получить связь диаметра индентора D и начального диаметра образца при растяжении do, при которых выдерживаются предложенные условия подобия:

D = 0,707 do; do = 1,414 D. (6)

Для экспериментов были подобраны прутки из углеродистых сталей марок 20, 30, 45 диаметром 20 мм. От прутков отрезались шайбы для испытаний на вдавливание и заготовки для изготовления образцов на растяжение. Диаметры образцов находились в диапазоне do = 0,62 - 14 мм и были примерно выдержаны в соответствии с условием (6) в зависимости от соответствующих диаметров инденторов D = 0,4 - 10 мм. Рабочие поверхности шайб и образцов подвергались электролитической обработке для снятия наклепа, полученного при механической обработке. Испытания на растяжение выполнялись на универсальной машине «Инстрон», позволяющей менять шкалы нагрузок в зависимости от do. При растяжении были определены не только предел текучести Оод, временное сопротивление <Jb, но и предельное равномерное сужение абсолютное изменение площади поперечного сечения

образца на уровне предела текучести AF0^ и на уровне временного сопротивления AFB (см. таблицу 1).

При вдавливании инденторов различного диаметра были определены параметры а и л в уравнении Е. Мейера, параметр А = a D "~2, твердость на пределе текучести НВод, твердость на уровне временного сопротивления НВв (максимальная твердость)

и соответствующая ей деформация Ч'в0^ площади поверхностей отпечатков на уровне предела текучести М0д и на уровне временного сопротивления Мв.

Значения НВ0 2 и НВв были определены по методике, разработанной в МЭИ и рассчитывались по следующим формулам:

НВ0Д=(2А/71)[(аЮ)\2)/%,2вд]; НВв = (2 А/л) [(сШ)"в)/хРввд], (7)

где (с№)од - относительный диаметр отпечатка, соответствующий НВ02 при деформации % - относительный диаметр отпечатка,

соответствующий НВв при деформации Ч,ввд.

Между (с1ЛЭ)в и параметром упрочнения п существует однозначная связь:

{Ш>)в = [п(п-2)}ш / (п-1). (8)

Из формул (5) и (8) следует:

Ч^ввд = (п-2)/(п-1). (9)

Таблица 1. Результаты определения механических характеристик стали 20 растяжением образцов различного диаметра ¿о и вдавливанием инденторов различного диаметра О (радиуса Я)

с!о, мм 14,18 10,11 7,01 5,69 4,34 3,45 2,71 1,37 0,62 0,30*

о„,2 * 10-', Н/мм2 24,8 25,7 26,2 27,1 27,9 30,6 32,7 40,4 53,9 80,2

5 а. * 10 39,1 39,8 40,6 41,0 41,7 42,8 43,5 45,1 60,3 83,4

1) Н/мм2

Т,р", % 22,0 19,5 18,0 17,5 16,0 15,0 14,0 10,0 5,4 3,0

а. ЛТо^, мкм2 3,16 х105 1,6 хЮ5 7,72 хЮ4 5,08 хЮ" 2,96 хЮ4 1,87 хЮ4 1,15 хЮ4 2,94 хЮ3 6,02 хЮ2 1,41 хЮ2

3,47 1,56 6,95 4,44 2,37 1,40 8,08 1,47 1,62 2,10

мкм2 хЮ7 хЮ7 хЮ6 хЮ6 хЮ6 хЮ6 хЮ5 хЮ5 хЮ4 хЮ3

О(Я), мм 10(5) 7,1(3,55) 5(2,5) 4(2,0) 3(1,5) 2,5(1,25) 2(1,0) 1(0,5) 0,4(0Д) 0,2(0,1)

п 2,27 2,24 2,215 2,21 2,20 2,17 2,15 2,10 2,06 2,03

и НВо,2* 10-Н/мм2 69,3 75,9 82,0 83,8 88,4 99,1 106,3 126,8 126,8 253

9 ш 3 НВ„* 10', Н/мм2 114,3 117,6 118,7 120,0 121,0 125,0 131,9 146,6 179,8 262

1 Т,,д, % 21,3 19,3 17,7 17,4 16,7 14,5 13,0 9,1 5,7 2,9

« Мод", мкм2 3,14 х10' 1,6 хЮ5 7,85 хЮ4 5,02 хЮ4 2,83 хЮ4 1,96 хЮ4 1,26 хЮ4 3,14 хЮ3 5,02 хЮ2 1,26 хЮ2

м„щ, мкм2 3,34 хЮ7 1,54 хЮ7 6,94 хЮ6 4,37 хЮ6 2,35 хЮ6 1,42 х10б 8,16 хЮ5 1,43 хЮ5 1,43 х104 1,80 хЮ3

Фп/НВо.2 0,358 0,339 0,320 0,323 0,316 0,309 0,308 0,319 0,321 0,317

аУНВ, 0,342 0,338 0,342 0,342 0,344 0,342 0,330 0,308 0,335 0,318

* Образцы с с!„ =0,3 мм изготовлены из проволоки

Анализ результатов испытаний, представленных в таблице 1, позволяет сделать следующие выводы. Имеется полная аналогия в изменении механических характеристик, определенных растяжением и вдавливанием. В интервале с1о = 14 - 1,4 мм наблюдается монотонное повышение о0>2 и ов, однако при ё0 < 1 мм происходит значительное повышение этих механических характеристик. Такая же картина наблюдается и для изменения НВ0>2 и НВв: монотонное повышение при вдавливании инденторов диаметром Б = 10-1 мм и значительное повышение при Б < 1 мм. Однако наибольший интерес представляет изменение параметров п, Уввд, УВРАС. Принято считать, что параметр упрочнения п не зависит от Б. Однако, как показали

выполненные эксперименты, параметр п также изменяется при изменении Б; происходит снижение п при уменьшении Б и тем в большей степени, чем меньше Б. Установлено, что такой же характер изменения наблюдается и для Ч,ввд, которое также снижается при уменьшении <±о. Таким образом, параметры упрочнения п, Ч'в8,4 при вдавливании и Ч'аРАС при растяжении не являются константами материала, а уменьшаются при уменьшении Б и 4 Следствием такого изменения параметров упрочнения является сближение значений НВ0д и НВв при уменьшении Б и сближение значений ст0,2 и св при уменьшении <Зо- Известно, что при отношении Стод/Ов, близком к 1, происходит снижение способности материала к деформационному упрочнению, резкое снижение предельной равномерной деформации и повышение склонности к хрупкому разрушению.

Масштабный фактор оказывает влияние не только на значения характеристик прочности и твердости, но и на форму диаграмм растяжения и вдавливания. На рис. 5 представлены диаграммы растяжения «условное напряжение с - относительное сужение УРАС» для образцов диаметром 10, 1.37, 0,62 мм из стали 20 и диаграммы вдавливания той же стали « контактное напряжение по Бринеллю НВ - относительная деформация при вдавливании ХРВД» для инденторов диаметром 10, 1, 0,4 мм.

О.МПа ив. МП«

а) б)

Рис.5. Диаграммы растяжения (а) и вдавливания (б) стали 20. Диаметры образцов: 1)- 10 мм, 2)- 1,37мм, 3)- 0,62 мм. Диаметры инденторов: 1)-10мм,2)-1 мм, 3)-0,4мм

Диаграммы получены в пластической области деформирования в интервале от Со,2 ДО св при растяжении и от НВо,2 до НВв при вдавливании. Видна явная аналогия диаграмм растяжения и вдавливания, при этом с уменьшением Б и <1о диаграммы располагаются выше, а их выход на ов и НВв происходит при меньших значениях »РВРАС и ХРВВД'. Более того значения ХРВВД.

Более наглядное представление об изменении исследуемых механических характеристик стали 20 при растяжении и вдавливании можно получить из рис. 6. Зависимости, аналогичные изображенным на рис.6, были получены и для других марок стали с разным уровнем прочности и твердости.

а,,,; ст„х10 ,Н/.мм"'

Ч'и.%

НВ„,;НВ,,х10', Н/мм:

Торны

проволочек

Микрошлиф лля шметировамня проволочных обра шоп

2.1

2.0

7.5 10 12.5 и о 2 4 6

мм О, мм

а) б)

Рис. 6. Изменения <7а 2, гтй Уа в зависимости от ¿о (а) и изменения //йо г, НВв, п в зависимости

от О (б).

Следует отметить, что полученные результаты дают возможность оценить безобразцовым способом по характеристикам твердости значения механических характеристик одного и того же материала для образца заданного диаметра (поперечного сечения). А в расчетах на прочность использовать такие значения механических характеристик, которые соответствуют поперечному сечению образца, близкому к поперечному сечению сплошной детали. Это позволяет более обоснованно выбрать коэффициент, учитывающий влияние масштабного фактора, при расчетах деталей и конструкций на прочность.

Другой важный вывод заключается в том, что, несмотря на резкое изменение механических характеристик при растяжении и вдавливании в зависимости от размерных параметров, значения отношений Сод/НВод и ав/НВв изменяются незначительно и примерно равны 1/3. Это свидетельствует о том, что связь между характеристиками прочности при растяжении образцов и характеристиками твердости при вдавливании инденторов остается одинаковой по крайней мере на макро- и мезоуровнях деформирования при соблюдении предложенных условий подобия. Однако полученных результатов недостаточно для того, чтобы распространить этот вывод на микроуровень. В связи с этим были проведены испытания проволочных образцов диаметром 350 мкм. Эти образцы предварительно отжигались при 850°С для снятия наклепа, а затем испытывались на растяжение. Для испытаний вдавливанием проволочных образцов изготовлялись специальные микрошлифы. Для этого отрезки проволок помещались в цилиндрическую обойму, заполненную разогретым и размягченным полистиролом. Продольные оси отрезков выдерживались перпендикулярно основанию цилиндра. После затвердевания полистирола торцы проволок, расположенные в одной плоскости, фрезеровались, шлифовались и полировались. В результате такой подготовки можно было вдавливать инденторы малого диаметра в торцы проволочных образцов. Расчеты показали, что и для проволочных образцов с <10 = 0,30 мм, значения отношений Оо,2/НВ02 и ов/НВв оказались также примерно равными 1/3(см. таблицу 1).

Можно предположить, что выявленные закономерности сохраняются и на наноуровне. Однако для проверки этого предположения необходимо провести испытания металла на растяжение и вдавливание на этом масштабном уровне. В настоящей работе такая задача не ставилась. Вместе с тем следует отметить, что на наноуровне может проявляться аномальное явление, заключающееся не в увеличении характеристик прочности и твердости металла, а, наоборот, в их снижении. Такой

аномальный эффект установлен также и для зависимости Холла-Петча, согласно которой твердость и предел текучести должны увеличиваться с уменьшением размера зерна, однако, при очень малых размерах нанозерен (порядок 10-20 нм) эти механические характеристики начинают снижаться, на что было обращено внимание в работах А.Н. Chockshi, A. Rosen (1989 г.), Н.И. Носковой, Е.Т. Пономаревой (1994 г.), М.А. Глезера (2005 г.), Meyers, A.M. Michra, D.J.Benson (2006 г.), и других исследователей. По мнению Ю.И. Головина, основные причины такой аномалии заключаются в изменении механизма пластической деформации при доминирующей роли зернограничного проскальзывания или за счет образования и движения точечных дефектов и их кластеров.

Если рассматривать общие причины проявления масштабного эффекта, то для их объяснения используются такие подходы, как статистический (вероятность нахождения дефектов в объеме образца или детали), структурно-механический (неоднородность структуры, свойств материала, распределения напряжений и деформаций по сечению образца или объему детали), энергетический (различие в запасе упругой энергии) и др. На каждом размерном уровне первостепенные причины проявления масштабного эффекта различаются. Для микро- и наноуровней решающую роль приобретают такие факторы, как состояние поверхностного слоя, поверхностная энергия, смена механизма пластической деформации, увеличение скорости деформации и др.

В четвертой главе «Исследование структуры и упрочнения металла в локальных ЗКН» приведены результаты исследований микроструктуры металла ЗКН с использованием макро-и микроструктурного анализа и электронной микроскопии. В качестве объекта исследования были взяты отрезки труб 0 36x5 мм из стали ДИ-59 (10Х13Г12С2Р2Д2) котлоагрегата Еп-620-140-565БТ. При опрессовке были выявлены течи на прямолинейных участках этих труб. Исследование микроструктуры металла в местах протечек показало, что трещина возникает в области внутреннего дефекта. Этот дефект технологического происхождения явился местом скопления полос скольжения. Анализ скопления полос скольжения в ЗКН выполнялся с помощью растрового электронного микроскопа «TESCAN MIRA LMU». При увеличении в 1000 и более раз можно было увидеть пересекающиеся полосы первичного и вторичного скольжения, измерить их длину и расстояния между ними. На рис.7, а представлена микроструктура стали ДИ-59 в поперечном сечении трубы с дефектом (темная линия) и скопление полос скольжения у этого дефекта (рис.7,б). Эта зона скопления полос скольжения является типичным примером структурной ЗКН. Общая ширина области скопления полос составила =150 мкм, а длина =1200 мкм. Средняя длина отдельных полос составила =15 мкм, а расстояние между ними = 0,5 мкм. После анализа полос скольжения были выполнены испытания индентированием с определением значений микро и макротвердости металла вне ЗКН и микротвердости в ЗКН (см табл.2). Для металла вне ЗКН оценен коэффициент влияния масштабного фактора Д=НУ0,1/НУ10, используя который можно было рассчитать макротвердость металла в ЗКН HV10 = HV0,1/Yi. Принимая примерно равными значения HV и HB на макроуровне, по значениям HB можно было оценить ав металла в ЗКН и вне ЗКН на макроуровне по приближенной зависимости ов= 0,33 HB (см. табл. 2). Приращение Дств в ЗКН за счет деформационного упрочнения составило 272,8 Н/мм2 (27,8 кГ/мм2).

а) (хЮО). б) (хЮОО).

Рис. 7. Микроструктура стали ДИ-59 с ЗКН (темная полоса) (а) и скопление полос скольжения в ЗКН (б)

Научно-практический интерес представляет оценка деформационного дислокационного упрочнения металла по модели Тейлора, а также напряжения необходимого для появления трещины по модели Зинера-Стро.

Согласно Тейлору деформационное упрочнение при скоплении дислокаций можно оценить по следующей формуле

Ат = [й Ь / (2тск)] ^р ,

где Дг - степень упрочнения в касательных напряжениях; в - модуль сдвига: Ь -вектор Бюргерса; р - плотность дислокаций к = 1.

По исследованиям Одинга И.А. с сотрудниками и Горицкого В.М., плотность дислокаций в ЗКН может достигать р = Ю10 - 10й см "2. Принимая р = Ю10 см "2, й = 89000 Н/мм2, Ь = 3*10" мм, можно получить по формуле Тейлора Ат = 134,4 Н/мм2 (13,7 кГ/мм2) или в нормальных напряжениях До = 268,8 Н/мм2 (27,4 кГ/мм2), что примерно совпадает с приращением временного сопротивления Дов, определенном методом твердости (см. таблицу 2).

Согласно модели Зинера-Стро критическое напряжение тк, вызывающее появление трещины, можно оценить по формуле:

тк= {ЗлСгу / [8(1-у) Ь]}1/2

где у - поверхностная энергия; V - коэффициент Пуассона; Ь - длина полосы скольжения.

Принимая в = 89000 Н/мм2, у = 0,002 Н/мм, Ь = 0,015 мм (измеренное значение), у=0,28, можно получить тк = 139,3 Н/мм2 (14,2 кГ/мм2) или ок = 278,6 Н/мм2 (28,4 кГ/мм2).

Следует отметить, что в области некоторых ЗКН произошло локальное мартенситное превращение под воздействием технологических факторов в процессе изготовления труб из данной стали аустенитного класса. Мартенситное превращение можно рассматривать в данном случае как дополнительный сдвиг локального объема металла с одновременным у —> а превращением. Подтверждением образования ос-фазы является локальное появление намагниченности металла в ЗКН.

Из представленных выше результатов определения прироста напряжения в ЗКН, а также напряжения, необходимого для образования трещины, полученных расчетно-экспериментальным путем, следует их примерное совпадение.

Таблица 2. Механические характеристики металла в ЗКН и вне ЗКН трубы 36x5 мм из стали ДИ-59 (10Х13Г12БС2Н2Д2).___

HV, кГ/мм2 вне ЗКН HV, кГ/мм2 в ЗКН Р а., Н/мм2 (кГ/мм2) вне ЗКН <7в, Н/мм2 (кГ/мм2) в ЗКН До,, Н/ мм2 (кГ/ мм2) в ЗКН

Макроуровень 1,102 Макроуровень

176 HV10 |260 HV0,i 568 (58) 840,8 (85,8) 272,8 (27,8)

Микроуровень

194 HVo.i |286 HVo.i

В пятой главе «Разработка методики определения механических свойств металла ЗКН » рассматриваются основные положения методики и ее практическое опробование на реальных деталях и конструкциях.

За основу методики взята методика МЭИ, которая используется на макроуровне при индентировании сферическими инденторами диаметром 2,5 и 10 мм. Для применения этой методики на мезо-и микроуровнях индентирования в целях определения механических свойств металла локальных структурных ЗКН необходимо учитывать влияние масштабного фактора на результаты индентирования индентором диаметром менее 1 мм. Для этого можно воспользоваться установленными зависимостями характеристик твердости металла от диаметра индентора и характеристик прочности от диаметра образца, а также предложенными условиями подобия, обеспечивающими испытания металла вдавливанием и растяжением на одном масштабном уровне. Для реализации методики можно использовать переносной аттестованный прибор МЭИ-Т7, оснастив его инденторами диаметром D=0,4 мм для индентирования на мезо-и микроуровнях и диаметром D= 2,5 мм для индентировании на макроуровне. Методика предусматривает двукратное вдавливание под разными нагрузками инденторов диаметром D=0,4 мм и D=2,5 мм в металл, расположенный вне ЗКН, и двукратное вдавливание индентора диаметром D=0,4 мм в металл, расположенный в ЗКН. Для повышения локальности индентирования рекомендуется вдавливать каждый индентор под разными нагрузками в одну и ту же точку поверхности металла. Максимальная нагрузка вдавливания составляет 4,8 кГ для D=0,4 мм и 187,5 кГ для D=2,5 мм, что соответствует степени нагружения P/D2=30 кГ/мм2 (294 Н/мм2) согласно ГОСТ 9012-59. Этих испытаний достаточно для определения следующих механических характеристик металла вне ЗКН при вдавливании инденторов диаметром D=0,4 мм и D=2,5 мм: а, п, НВв = f(а, п, D), <TB=f(HBB), k= o0,2/oB=f(«). Эти же механические характеристики определяются для металла ЗКН при вдавливании индентора диаметром D=0,4 мм. Затем для металла вне ЗКН рассчитываются коэффициенты, учитывающие влияние масштабного фактора; Pi ="гУ"о,4 и Р2=(НВв)о,4/(НВв)2,5 (индексы 0,4 и 2,5 означают диаметры инденторов, мм). Зная р! и р2> можно рассчитать для металла ЗКН следующие механические характеристики на макроуровне индентирования: «2,5=Pi"04> (НВв)2,5=(НВв)о,4)/р2>

aB=f(HBB)2,5, k=o0p,laB=î(n2<s), ст0>2=kaB, ^flfos)-

Если задача состоит в приближенной экспресс-оценке на макроуровне только НВ2>5 и а„ металла ЗКН, то методика упрощается и сводится к определению НВ0,4, НВ2.5, р2=НВоУНВ2,5 для металла вне ЗКН, а затем по НВ0,4 и Рг, HB2j5= НВ0УР2, cB=f(HB2>5) для металла в ЗКН. При невозможности использования для металла ЗКН индентора диаметром D=0,4 мм из-за размеров отпечатков, превосходящих протяженность ЗКН, можно ограничиться определением микротвердости HV0)i и макротвердости HV10, оценить для металла вне ЗКН коэффициент Р=НУоУ HVW, а затем рассчитать для металла ЗКН макротвердость

НУю=НУо1/р. Учитывая близость значений твердости по Виккерсу и Бринеллю на макроуровне можно принять НУ10= НВ2,5 и оценить ов=А[НВ2,5).

Для обоснования возможности использования коэффициентов Р] и р2 при определении механических свойств металла ЗКН были проведены следующие эксперименты. Сталь 45 была термически обработана по двум режимам: 1-й режим -закалка 850°С и низкий отпуск 200°С; 2-й режим - закалка 850°С и высокий отпуск 600°С. В результате такой обработки структурно-механическое состояние стали резко различалось. После 1-го режима термообработки структура стали состояла из мартенсита отпуска и имела высокий уровень остаточных напряжений и твердости. После 2-го режима термообработки сталь приобрела структуру сорбита отпуска зернистого строения, остаточные напряжения и твердость резко снизились. На микрошлифе из этой стали, обработанной по двум режимам, были определены значения п2,5, и0,4, (НВв)2,5> (НВв)0,4, Рь Рг (см. таблицу 3).

Таблица 3. Значения п, НВв Д, р2 для стали 45 в различном структурно-механическом состоянии, определенные на разных размерных уровнях._

Термическая обработка О = 0.4 мм О = 2.5 мм Р. Р2

По,4 (НВв)о.4 П2,5 (НВв)2.5

Н/мм2 кГ/мм2 Н/мм2 кГ/мм2

Закалка 850°С, отпуск 200°С 2.02 5788 590 2.06 5121 522 1.020 1.130

Закалка 850°С, отпуск 600°С 2.06 2511 256 2.10 2207 225 1.019 1.138

Как следует из таблицы 3 значения р] и р2 оказались примерно одинаковыми независимо от структурно- механического состояния стали 45. Аналогичные результаты были получены и для стали ЗОХГСА, термически обработанной по таким же двум режимам. Таким образом, проведенные эксперименты позволяют сделать вывод о том, что предложенные коэффициенты Р] и р2, учитывающие влияние масштабного фактора, могут быть использованы для одного и того же материала независимо от его структурно-механического состояния. Из этого следует, что предложенную методику можно применить для определения механических свойств металла ЗКН.

Основные этапы применения методики:

- уточнение границ и контуров ЗКН по результатам неразрушающего контроля (например, акустическим или магнитным методами) и измерений микротвердости; маркировка ЗКН и выбранных мест испытаний для определения механических характеристик;

- подготовка поверхности металла ЗКН и вне ЗКН для металлографического анализа; снятие пластических реплик с контролируемых мест;

- испытания металла вне ЗКН и в ЗКН индентированием на микро-мезо-макроуровнях с определением механических характеристик;

- анализ микроструктуры и механических свойств металла в ЗКН и вне ЗКН;

- принятие решений о структурно-механическом состоянии металла в ЗКН.

Методика была опробована на гибах паропроводов, поверхностях нагрева

котлоагрегатов, лопатках и роторах турбин, шпильках, а также на изделиях установок нефтедобычи, на которых были обнаружены локальные ЗКН. Кроме того, методика была использована для определения механических свойств металла в локальных зонах сварных соединений (зона термического влияния, линия сплавления и др.), в которых испытания можно проводить только микроиндентированием. Методику можно

использовать и в других целях, когда требуется определение механических свойств весьма малых объемов металла, например, тонких покрытий, пленок, отдельных зерен и их границ и др.

В качестве примера в таблице 4 приведены результаты определения механических свойств металла ЗКН лопатки паровой турбины К-300 Конаковской ГРЭС. Лопатка была изготовлена из стали 20X13 и пробыла в эксплуатации около 40 лет. В таблице также приведены механические свойства металла той же лопатки вне ЗКН. Данные таблицы свидетельствуют о резком увеличении отношения Оо.г/Ов металла ЗКН и снижении предельной равномерной деформации \|/в до критических значений. Металлографический анализ показал, что в месте расположения некоторых ЗКН образовались микротрещины, вследствие чего лопатка была демонтирована и заменена на другую.

Таблица 4. Результаты определения механических свойств металла в ЗКН и вне ЗКН лопатки паровой турбины из стали 20X13 после 40 лет эксплуатации.

Механические Металл Металл

свойства вне ЗКН в ЗКН

п 2,09 2,05

НВв, Н/мм2 (кГ/мм2) 2649 (270) 2992(305)

Ов, Н/мм2 (кГ/мм2) 883(90) 994(101)

Со.2, Н/мм2 (кГ/мм2) 716(73) 922(94)

(T0.2/ÖB 0,81 0,93

8.3 4,8

Аналогичным образом были определены механические свойства металла ЗКН на гибах паропроводов диаметром 423x40 мм из стали 15Х1М1Ф. Результаты испытаний показали, что для металла ЗКН отношение Сод/Ств и предельная равномерная деформация еще не достигли критических значений (Оод/ов = 0,86, 4>в = 5,5 %), хотя и выходят за рамки допускаемых значений этих характеристик, согласно нормативным документам. Несмотря на то, что металлографический анализ показал отсутствие трещин, структурно-механическое состояние металла в ЗКН приближается к предельно допустимому.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Установлено, что структурные зоны концентрации напряжений (ЗКН), образующиеся в процессе эксплуатации изделий машиностроения могут стать причиной зарождения трещин и очагом разрушения металла. Чаще всего ЗКН имеют малые размеры в диапазоне от нескольких микрометров до нескольких миллиметров, что сильно усложняет контроль их механических свойств.

2. Показано, что образование ЗКН происходит путем концентрации полос скольжения вокруг неметаллических включений, карбидных частиц, границ зерен и других элементов структуры металла, а также дефектов металлургического и технологического происхождения, что приводит к резкому увеличению плотности дислокаций, твердости металла и его охрупчиванию.

3. Установлен и экспериментально подтвержден общий характер влияния масштабного фактора на изменения характеристик прочности стали при растяжении образцов различного диаметра и характеристик твердости при вдавливании сферических инденторов различного диаметра.

4. Установлено, что параметр деформационного упрочнения при вдавливании сферического индентора п (параметр Е. Мейера) и предельная равномерная деформация при растяжении Ч'ВРАС подобных образцов снижаются при уменьшении диаметра индентора и диаметра образца соответственно. Особенно сильно эти параметры начинают снижаться при переходе от макро- к мезо- и микроуровням деформирования металла.

5. Предложены условия подобия, при выполнении которых возможен пересчет характеристик твердости на характеристики прочности по единой зависимости на макро-мезо-микроуровнях деформирования металла. Такими условиями являются равенство площади поверхности отпечатка и абсолютного изменения площади поперечного сечения образца, а также равенство относительной пластической деформации при вдавливании и растяжении.

6. Разработана методика определения механических свойств металла ЗКН путем индентирования на мезо- микроуровнях с последующим пересчетом значений механических свойств на макроуровень по предложенным зависимостям. Предложены коэффициенты, учитывающие влияние масштабного фактора на определяемые значения характеристик твердости.

7. Выполнен спектральный, микроструктурный и электронномикроскопический анализы металла ЗКН. Выявлены полосы первичного и вторичного скольжения, измерены их длины и расстояния между ними. Определена степень деформационного упрочнения металла ЗКН экспериментальным путем по результатам микроиндентирования, а также расчетным путем по дислокационной модели Тейлора. Показано примерное совпадение экспериментальных и расчетных значений.

8. Выполнено опробование разработанной методики определения механических свойств металла в ЗКН лопаток и роторов паровых турбин, гибов паропроводов, поверхностей нагрева, шпилек, сварных соединений и других конструкций. Показано, что характеристики твердости, предел текучести, временное сопротивление, отношение предела текучести к временному сопротивлению металла ЗКН резко возрастают, а предельная равномерная деформация столь же резко снижается, в результате чего повышается склонность металла к хрупкому разрушению. Для более обоснованной оценки степени опасности ЗКН необходим совместный контроль механических свойств и микроструктуры металла. Количественными показателями степени опасности ЗКН могут быть значения отношения предела текучести к временному сопротивлению и предельной равномерная деформации.

9. Общее научно-практическое значение полученных результатов состоит в том, что они дают возможность:

- определения механических свойств металла в малых объемах на мезо- и микроуровнях деформирования (ЗКН, локальные зоны сварных соединений, покрытия различного назначения, пленки, поверхностные слои деталей, упрочненые различными способами обработки и др.), а также контроля наноматериалов, микро- и наноизделий;

- прогнозировать характеристики твердости для инденторов различного диаметра и характеристики прочности для подобных разрывных образцов различного диаметра;

- уточнять коэффициенты запаса при расчетах на прочность, используя значения характеристик прочности для образцов с поперечным сечением, равным поперечному сечению сплошных деталей;

- применять предложенную методику при входном контроле и в процессе эксплуатации изделий машиностроения.

Основные публикации по диссертационной работе в журналах, рекомендуемых ВАК РФ:

1. Матюнин В.М., Демидов А.Н., Проходцов М.А., Дубов A.A. Влияние масштабного фактора на результаты определения макротвердости материалов методом Бринелля // Технология металлов, 2008, № 8. С.49-52.

2. Кулагин Д.А., Суриев И.А., Дубов A.A. Оценка степени наклепа поверхности силового контакта ригелей пресса силой 750 МН после 50 лет эксплуатации // Кузнечно-пггамповочное производство. Обработка материалов давлением, 2009, № 10. С.42-44.

3. Матюнин В.М., Дубов A.A., Марченков А.Ю. Определение механических свойств металла в зонах концентрации напряжений изделий машиностроения // Технология металлов, 2009, № 6. С. 19-22.

4. Матюнин В.М., Дубов A.A., Марченков А.Ю. Общие закономерности проявления масштабного фактора при определении прочности и твердости материалов // Заводская лаборатория. Диагностика материалов, 2010, № 8. С. 43-47.

5. Матюнин В.М., Дубов A.A., Марченков А.Ю. Масштабный фактор при определении твердости металлических материалов // Заводская лаборатория. Диагностика материалов, 2009, № 9. С.59-62.

6. Матюнин В.М., Волков П.В., Дубов A.A. Применение склерометрии для оценки механических свойств локальных зон сварных соединений // Сварочное производство, 2010, № 1. С.32-34.

7. Matyunin V.M., Dubov A.A., Marchenkov A.Yu. Regularities in the Manifestation of the Scale Factor during Determination of the Strength and Hardness of a Metal/ Inorganic Materials, 2011, Vol.47, № 15, pp. 1696-1701.

Подписано в печать 23.05.2013 г. Формат 60x84/16. Печать офсетная. Усл. п. л. 1,25. Уч. - изд. л. 1.1 Тираж 100 экз. Заказ 370.

Ротапринт МАДИ 125319, г. Москва, Ленинградский проспект, 64.

ФГБОУ ВПО «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ «МЭИ»

На правах рукописи

04201358585

Дубов Александр Анатольевич

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И СТРУКТУРА МЕТАЛЛА В ЛОКАЛЬНЫХ ЗОНАХ КОНЦЕНТРАЦИИ НАПРЯЖЕНИЙ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ

Специальность 05.16.09 - Материаловедение (машиностроение). Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Научный руководитель -д.т.н., профессор Матюнин В.М.

МОСКВА-2013

Г'

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.................................................................................................................. 4

Глава I. Зоны концентрации напряжений (ЗКН) и их влияние на механические свойства металла изделий машиностроения............................................................ 5

1.1. Причины образования ЗКН в металле изделий машиностроения..................... 5

1.2.Механизмы образования ЗКН и структурно-механическое состояние металла

в ЗКН..............................................................................................................................................................................................................................................15

1.3.Существующие методы контроля микроструктуры и механических свойств металла в ЗКН.......................................................................................................... 30

1 АВыводы по первой главе. Цели и задачи диссертации....................................... 40

Глава II. Масштабный фактор при определении механических свойств 43 материалов.

2.1. Масштабный фактор при определении механических свойств материалов. Значение масштабного эффекта.................................................................................... 43

2.2. Масштабные уровни и причины проявления масштабного эффекта при определении твердости материалов......................................................................... 52

2.3.Влияние масштабного фактора на твердость материалов, определяемую методом Виккерса.................................................................................................... 56

2.4.Влияние масштабного фактора на твердость материалов, определяемую методом Бринелля.................................................................................................... 59

2.5. Выводы по главе II............................................................................................... 64

Глава III. Общие закономерности влияния масштабного фактора на прочность и твердость материалов............................................................................................... 65

3.1. Изменения предела текучести, временного сопротивления и предельной равномерной деформации материала в зависимости от диаметра образца.............. 65

3.2. Изменение твердости на пределе текучести, твердости на пределе прочности

и параметра упрочнения в зависимости от диаметра индентора............................. 70

3.3. Общие закономерности проявления масштабного фактора при определении прочности и твердости металла................................................................................. 73

3.4. Выводы по главе III............................................................................................. 79

Глава IV. Исследование структуры и упрочнения металла в локальных зонах концентарции напряжений с использованием электронной микроскопии.............. 81

4.1. Исследование процесса скопления дислокаций в зонах устойчивых полос скольжения (линий Чернова-Людерса) на стальных образцах при их растяжении..................................................................................................................... 81

4.2.Исследование структуры металла трубы 0 36 х 5 мм из стали ДИ-59

(10Х13Г12БС2Н2Д2) на растровом электронном микроскопе................................. 85

4.3.Определение микро- и макротвердости металла в ЗКН и вне ЗКН на образце трубы 0 36x5 мм из стали ДИ-59................................................................................. 95

4.4. Оценка уровня напряжений в ЗКН на основе дислокационной модели механизма разрушения при вторичном скольжении.................................................. 96

4.5. Выводы к главе IV............................................................................................... 98

Глава V. Разработка методики определения механических свойств металла в ЗКН путем индентирования с последующим пересчетом характеристик твердости на характеристики прочности. Экспериментальное обоснование методики.......................................................................................................................... ЮС)

5.1. Разработка методики определения механических свойств металла в ЗКН путем индентирования с последующим пересчетом характеристик твердости в характеристики прочности............................................................................................ ^0

5.2. Экспериментальные исследования характеристик твердости и прочности с использованием разработанной методики................................................................... 110

5.2.1. Исследование механических свойств металла труб из стали ДИ-59 ширмового пароперегревателя котла Еп-620-140-565БТ Харанорской ГРЭС......... 110

5.2.2. Оценка механических свойств металла гибов паропроводных труб по параметрам твердости.................................................................................................... 118

5.2.3. Оценка механических свойств металла лопаток паровой турбины К-300-

240 энергоблока № 1 Конаковской ГРЭС............................................................. 122

5.2.4. Результаты контроля механических свойств гибов водоопускных труб на котле № 4 ТЭЦ МЭИ................................................................................................. 124

5.2.5. Определение механических свойств в шпильке 0 60 мм из стали ЭП182 фланцевого соединения цилиндра высокого давления турбогенератора ПТ-60-

13 0 Дягилевской ТЭЦ............................................................................................... 128

5.2.6. Определение механических свойств прутков кругового проката 0 22 мм

из стали 05Х16Н4Д2Б........................................................................................................................................................................................................130

5.3. Выводы к главе V........................................................................................................................................................................................................134

Основные результаты и выводы по диссертационной работе......................................................................135

Литература............................................................................................................................................................................................................................................139

Введение

Под воздействием многих конструктивно-технологических и эксплуатационных факторов в металле изделий машиностроения образуются и развиваются зоны концентрации напряжений (ЗКН). Эти зоны могут возникнуть уже на стадиях технологической обработки металла при изготовлении изделий. В процессе эксплуатации изделий под воздействием рабочих нагрузок, собственной массы, температуры, давления, окружающей среды, времени и других факторов в металле происходят структурные изменения, пластические сдвиги на разных масштабных уровнях, что приводит к образованию дополнительных ЗКН. При средних напряжениях в детали ниже предела текучести напряжения в ЗКН могут сильно возрастать, а в некоторых случаях и достигать значений разрушающих напряжений, при которых образуются трещины, что может привести к разрушению конструкции в целом. Об опасности структурно-механического состояния металла в ЗКН могут свидетельствовать плотность дислокаций, скопления полос скольжения, накопленные повреждения, а так же характеристики прочности, пластичности, трещиностойкости, способности металла к упрочнению. Однако в ряде случаев ЗКН являются локальными, а их протяженность может находиться в пределах от нескольких микрометров до нескольких миллиметров. Поэтому оценить степень концентрации напряжений и деформаций, а тем более значения механических характеристик в таких ЗКН весьма проблематично. Существующие безобразцовые методы и приборы для определения механических свойств по характеристикам макротвердости не могут быть использованы для ЗКН вследствие того, что размеры отпечатков часто превосходят размеры ЗКН. Метод микротвердости может дать лишь качественную сравнительную оценку уровня прочности металла в ЗКН. Однако значения микротвердости в зависимости от нагрузки вдавливания могут превосходить значения макротвердости в 1,5-2 раза, что вызвано влиянием масштабного фактора.

Это не означает такое же увеличение прочности металла в ЗКН. Для количественной оценки характеристик прочности по характеристикам микротвердости необходимо знать закономерности их изменения при переходе от одного масштабного уровня к другому, а также установить условия подобия, при которых можно было бы найти связь между этими характеристиками. Это дало бы возможность разработать методику безобразцового определения механических свойств металла в ЗКН изделия.

Актуальность темы подтверждается также и тем, что существует необходимость в оценке механических свойств металла не только в ЗКН, но и в тонких поверхностных обработанных слоях изделий, покрытиях различного назначения, пленках, локальных зонах сварных соединений, отдельных структурных составляющих и др.

Глава I. Зоны концентрации напряжений (ЗКН) и их влияние на механические свойства металла изделий машиностроения.

1.1. Причины образования ЗКН в металле изделий машиностроения.

При расчете любой конструкции на стадии ее проектирования необходимо ответить прежде всего на следующие вопросы: выдержит конструкция рабочие нагрузки или не выдержит; прочна конструкция или нет; какова степень ее надежности. Достигнуть равной прочности всех узлов конструкции даже на стадии проектирования и изготовления, как правило, не удается из-за наличия зон концентрации напряжений (ЗКН). Следует выделить три основных группы ЗКН в зависимости от их происхождения: конструктивные, технологические и эксплуатационные.

Конструктивные концентраторы напряжений достаточно хорошо изучены в сопромате и в прочностных расчетах. К конструктивным концентраторам напряжений относят различные неоднородности формы

изделий (углы, отверстия, сварные соединения, переходы от одного сечения к другому и пр.).

Следует отличать понятия «концентратор напряжений, обусловленный конструкцией изделия, от материаловедческого понятия «концентрация напряжений», возникающая в зонах различных дефектов и неоднородностей структуры металла изделий.

Согласно ГОСТ Р 52330-2005 [1], ЗКН - локальная зона изделия, в которой возникла большая деформация по сравнению со средней деформацией по всему объему изделия.

В настоящее время недостаточно изучено влияние на прочность изделий при их эксплуатации технологических дефектов изготовления, вызывающих возникновение нерасчетных ЗКН. К технологическим дефектам изготовления относятся:

металлургические дефекты (неоднородность структуры и неметаллические включения);

- дефекты литья в заготовках (усадочные раковины, рыхлость, пористость, трещины);

- дефекты проката (расслоение, волосовины, риски);

- дефекты штамповки и кузнечного производства;

- некачественная гибка (гофры, риски на внутренней поверхности

труб);

некачественная термообработка (например, крупнозернистая структура сталей);

- дефекты сварки (остаточные напряжения, непровары, шлаковые включения, поры и другие).

В процессе остывания литых заготовок и слитков наружные слои металла остывают быстрее, чем внутренние. В объеме изделий, особенно разнотолщинных, по этой причине возникают значительные термические напряжения. При таких условиях во внутренних слоях металла изделий

возникают типичные дефекты литья: усадочные раковины, рыхлоты, пористость, трещины. В процессе остывания металла в различных зонах стальной отливки отдельные кристаллы образуются в разное время и поэтому они имеют разный состав. Это явление называется ликвацией. Указанные условия литейного производства вызывают разброс структурно-механических свойств металла изделий.

Перечисленные выше технологические дефекты изготовления связаны с несовершенством технологий производства изделий машиностроения. Причины образования технологических дефектов по каждому виду технологии подробно рассматриваются, например, в работах [2, 3].

На заводах-изготовителях изделия машиностроения проходят выходной контроль различными методами неразрушающего и разрушающего контроля. Однако, из-за отсутствия на большинстве заводов 100% контроля изделий, а также из-за несовершенства самих методов и технических средств контроля, значительная часть технологических дефектов изготовления остается в изделиях, которые поступают в эксплуатацию на промышленные производства (электростанции, нефтехимические и нефтеперерабатывающие заводы, железнодорожный транспорт, газовая, нефтяная промышленность и другие производства).

Технологические дефекты изготовления, как известно, создают в локальных зонах изделия высокий уровень остаточных напряжений (ОН). Контроль ОН на отдельных производствах выполняется выборочно. При этом контролируется средний (объемный) уровень ОН, а локальные зоны ОН от дефектов, как правило, пропускаются.

На предприятиях, которые эксплуатируют поступившие изделия машиностроения, входной контроль, как правило, не осуществляется или выполняется выборочно, частично. Контроль ОН при входном контроле, как правило, не выполняется. По указанным причинам в первые же годы эксплуатации изделий под рабочей нагрузкой происходит их «отбраковка».

Технологические дефекты изготовления, и высокий уровень ОН в локальных зонах при неблагоприятных сочетаниях с напряжениями от рабочей нагрузки вызывают ускоренное развитие повреждений.

На рис. 1.1 представлен типичный график распределения отказов (повреждений) оборудования в процессе его эксплуатации.

п 1

/ I ж ж

Т,время

Рис. 1.1 Типичный график распределения отказов (п) в зависимости от

времени эксплуатации (Т).

Выделяются, как правило, три этапа в распределении повреждений оборудования в процессе эксплуатации:

- I этап, период «отбраковки» наиболее значительных технологических дефектов изготовления;

II этап, период нормальной длительной эксплуатации с незначительным (стабильным) числом отказов;

- III этап, период заметного роста числа отказов из-за повреждения при наработке выше расчетного срока эксплуатации.

Следует отметить, что во все указанные на рис. 1.1 периоды эксплуатации оборудования повреждения, как правило, происходят в ЗКН, обусловленные неудачным сочетанием конструктивных и технологических дефектов изготовления и условиями эксплуатации.

Например, на электростанциях Мосэнерго по статистике отказов котлов [4] за период 1984 - 1986 гг. повреждения поверхностей нагрева по

причинам распределились следующим образом, %:

Дефекты металла и дефекты изготовления труб....................................3,6

Кольцевые трещины в зоне термического влияния

сварки из-за недостатка компенсации....................................................................20,5

Дефекты сварки:

заводские............................................................................................................................................................6,1

монтажные........................................................................................................................................................3,0

ремонтные........................................................................................................................................................1,6

Повреждения в местах приварки креплений................................................2,6

Повторные повреждения труб в ремонтных вставках..................2,5

Повреждения гибов труб..............................................................................................................14,9

Коррозия................................................................................................................................................................10,2

Золовой (шлаковый) износ........................................................................................................4,3

Эрозия паром, водой..........................................................................................................................1,9

Износ дробью..................................................................................................................................................0,6

Повреждения труб и змеевиков, имеющих большое

гидравлическое сопротивление и тепловосприятие........................22,5

Прочие........................................................................................................................................................................5,7

Из представленных данных видно, что источниками 77,3% отказов котлов явились различные конструктивные и технологические концентраторы напряжений. В результате анализа конструктивных особенностей поврежденных труб в сопоставлении с их расположением в системе креплений установлено, что 73% отказов котлов, происшедших за указанный период на ТЭС Мосэнерго, были вызваны в основном недостаточной температурной компенсацией труб. Как указывается в работе [5], «недостаточная самокомпенсация труб поверхностей нагрева

связана с различными нарушениями и отступлениями от проектной схемы перемещений в подвижных узлах креплений, повышенной теплогидравлической разверкой, неправильной установкой ремонтных вставок, защемлением труб в ремонтных и монтажных сухарях и в местах прохода труб и змеевиков через обмуровку. Усилия защемления, возникающие на отдельных участках труб, приводят к большим поперечным изгибным напряжениям, при которых возможна потеря устойчивости трубы с прогибом ее в сторону и кручением. При этом наиболее опасными и предрасположенными к разрушению являются участки труб, на которых остаточные напряжения от сварки, гибки, технологических дефектов совпадают с максимальными изгибными напряжениями от компенсации температурных расширений и с тангенциальными напряжениями от давления среды. Именно этим обстоятельством, по-видимому, объясняется известный из практики факт, что повреждаются не все, а только отдельные трубы, работающие в