автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Оценка степени поврежденности конструкционных материалов по изменению деформационного рельефа поверхности стали

На правах рукописи

ДЕМЧЕНКО АРТЕМ АЛЬБЕРТОВИЧ

ОЦЕНКА СТЕПЕНИ ПОВРЕЖДЕННОСТИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НО ИЗМЕНЕНИЮ ДЕФОРМАЦИОННОГО РЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТИ СТАЛИ

Специальность 05.16.09 - «Материаловедение» (машиностроение в нефтегазовой отрасли)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

12 ДЕК 2013

Уфа-2013

005543354

Работа выполнена на кафедре «Технологические машины и оборудование» ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Кузеев Искандер Рустемович

Официальные оппоненты: Лутфуллин Рамиль Яватович

доктор технических наук, старший научный сотрудник, ФГБУН «Институт проблем сверхпластичности металлов» РАН / лаборатория «Сверхпластическая обработка перспективных материалов», зав.

лабораторией

Лебедев Юрий Анатольевич

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, ФГБУН «Институт физики молекул и кристаллов» Уфимского научного центра РАН / лаборатория физики твердого тела, старший научный сотрудник

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный

авиационный технический университет»

Защита диссертации состоится «20» декабря 2013 года в 14-30 на заседании диссертационного совета Д 212.289.05 при ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г.Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет».

Автореферат диссертации разослан «20» ноября 2013 года.

Ученый секретарь —

диссертационного совета .¿сГ' "V Ризванов Риф Гарифович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Значительная доля технологического оборудования нефтегазоперерабатываю-щей отрасли изготовлена из конструкционной стали ВСтЗсп5: резервуары, технологические трубопроводы, теплообменное оборудование, цилиндрические емкости, аппараты. Данное оборудование зачастую эксплуатируется в условиях циклического нагру-жения, которое в конечном итоге приводит к разрушению. Наибольшую опасность представляет упруго-пластическая область деформирования, поскольку разрушение происходит с большой скоростью. В целях предупреждения аварийного разрушения объектов необходимо проводить оценку технического состояния и ресурса оборудования. Совершенствование методов оценки ресурса требует наличия информации о состоянии материала и динамике его изменения при накоплении повреждений в условиях знакопеременного нагружения.

Известно, что значительная часть разрушений начинается с поверхности и подповерхностных слоев. Поэтому информация об изменениях на поверхности может служить в качестве оценочной характеристики состояния материала. При накоплении материалом усталостного повреждения на его поверхности образуется деформационный рельеф. Систематические исследования процессов, происходящих при усталости металла, показывают изменение деформационного рельефа, что создает предпосылки для возможности количественной оценки накопленного усталостного повреждения. В связи с этим, целесообразно определить взаимосвязь степени поврежденности и изменения деформационного рельефа, формирующегося при циклическом нагружении.

Многочисленные исследования (Е.А. Наумкина, О.Г. Коццрашовой, А.Т. Ша-рипкуловой, Т.Р. Бикбулатова и многих других) зависимостей физических параметров: температурного градиента порога хладноломкости, среднего размера зерна, предела прочности, поверхностной энергии, скорости ультразвука, скорости коррозии, относительной напряженности магнитного поля от степени поврежденности показывают характерные экстремумы в областях поврежденности Ni/Np = 03^0,4 и Ni/Np = 0,7+0,8 (Ni/Np - отношение количества циклов нагружения на момент измерения к количеству циклов до разрушения). В работе Ивановой B.C. показано, что при накоплении матери-

алом критической энергии происходит смена механизмов адаптации материала к внешним воздействиям, что объясняет наличие экстремумов на зависимостях. Большой интерес представляет выявление масштабного уровня, на котором происходит смена

механизмов адаптации.

В связи с вышеизложенным, целью диссертационной работы является установление взаимосвязи параметров деформационного рельефа поверхности стали ВСтЗсп5 и степени поврежденности, накопленной при малоцикловой усталости, и выявление масштабного уровня, на котором происходит смена механизмов адаптации стали.

Диссертационная работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и образования РФ (Проект №7.8591.2013, тема «Термические и акустические эффекты при разрушении стали с различным содержанием углерода»).

Задачи исследования

1 Освоить методики бесконтактной 31>съемш деформационной поверхности с помощью конфокальной лазерной сканирующей микроскопии, выявить физические основания фрактальных закономерностей процесса развития деформационного рельефа, провести фрактальный анализ сталей при малоцикловой усталости разными методами с определением их фрактальных характеристик.

2 Установить зависимости изменения параметров деформационного рельефа поверхности в стали ВСтЗсп5 от степени накопления усталостных повреждений в области упруго-пластической деформации на разных масштабных уровнях, используя сравнительный анализ дисперсионных и фрактальных методов (КЗ, и Щ оценки деформационного рельефа поверхности и степени изменения его параметров под влиянием знакопеременных нагрузок.

3 Разработать методики фрактального подхода разного типа (одномерного, двумерного и трехмерного) для анализа динамики развития морфологии деформационного рельефа поверхности стали при накоплении усталостных повреждений. Разработать рекомендации по применению параметров деформационного рельефа при оценке состояния стали ВСтЗсп5, подверженной циклическому нагружению.

Научная новизна

1 Установлено, что интегральный параметр Е5а шероховатости деформационного рельефа поверхности стали ВСтЗсп5 при накоплении усталостных повреждений в области упруго-пластических деформаций имеет тенденцию к росту, достигая значительной скорости в потенциальной зоне разрушения, а также стадийность, характеризуемую двумя экстремумами в областях ЫШр = 0,3+0,4 и Г4Шр = 0,7-4),8 степени поврежденноста, наиболее выраженными на наноуровне.

2 Обнаружено, что зависимость фрактальной размерности деформационного рельефа поверхности стали ВСтЗсп5, полученная методом агрегирования интегральной дисперсии, от уровня накопленных повреждений при малоцикловой усталости подтверждает наличие двух участков поврежденноста №/Ыр = 0,2-Ю,4 и = 0,6-Ю,8 с немонотонным распределением фрактальной размерности.

3 Зависимости фрактальной размерности поверхности стали ВСтЗсп5 от степени поврежценности, полученные методом нормированного размаха и методом объёмного «Ьох-соипНгщ» на разных масштабных уровнях, показали влияние каждого масштабного уровня на динамику формирования деформационного рельефа. Ери этом в интервале = 0,0+0,4 происходит неоднородное образование дефектов на всех масштабных уровнях, особенно выраженное на наноуровне; в интервале ИШр = 0,4+0,8 происходит одновременное распространение дефектов на всех масштабных уровнях; в интервале Ы^р = 0,8+1,0 до полного разрушения фиксируется резкий рост фрактальной размерности, преобладающий на субмикроуровне.

Практическая значимость работы

Разработанная методика «Определение степени поврежденноста стали ВСтЗсп5 по зависимости параметров деформационного рельефа поверхности от степени накопления усталостных повреждений при малоцикловой усталости» используется в учебном процессе при проведении лабораторных занятий по дисциплине «Оценка накопленных повреждений и предельного состояния материала» для подготовки магистров по направлению 151000 Технологические машины и оборудование в ФГБОУВПОУГНТУ.

Положения, выносимые на защиту

1 Зависимости параметра шероховатости И5а деформационного рельефа поверхности стали ВСтЗсп5 от степени накопления усталостных повреждений.

2 Методики вычисления одномерной, двухмерной и трехмерной фрактальной размерности параметров шероховатости КЗа поверхности стали ВСтЗсп5.

3 Зависимости фрактальной размерности параметров шероховатости ИБа поверхности стали ВСтЗсп5 от степени накопления усталостных повреждений.

4 Масштабный уровень, на котором происходит смена механизмов адаптации стали ВСтЗсп5 к внешним воздействиям.

В качестве объекта исследовшшй была выбрана конструкционная сталь ВСтЗсп5, распространённая для изготовления оборудования, эксплуатируемого в условиях циклических нагрузок.

Апробация

Основные результаты работы доложены и обсуждены на следующих конференциях: 61-я научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых УГШУ (Уфа, 2010 г.); 62-я научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (Уфа, 2011 г.); VII Международная конференция «Фазовые превращения и прочность кристаллов» (Черноголовка, 2012 г.); научно-технический семинар УГНТУ «Остаточный ресурс нефтезаводского оборудования» (Уфа, 2013 г.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 6 статей в ведущих научных журналах, включенных в перечень ВАК РФ.

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованных источников из 93 наименований, содержит 100 страниц машинописного текста, 45 рисунков и 4 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрыта актуальность выбранной темы диссертационной работы, сформулированы цель и основные задачи исследований, а также отражены науч-

ная новизна выполненных исследований и их практическая ценность, основные защищаемые положения.

В первой главе рассмотрены проблемы малоцикловой усталости металла, приведено обоснование выбора в качестве объекта исследования морфологии деформационного рельефа поверхности стали и фрактального подхода к анализу полученных параметров деформационного рельефа. Показано, что разрушения конструкций от малоцикловой усталости происходят когда к обычным переменным напряжениям, меньшим напряжения текучести от (вызывающим многоцикловую усталость), прибавляются переменные кратковременные напряжения, близкие к ат или превышающие его. Рассмотрены механизмы накопления усталостных повреждений. К специфическим механизмам зарождения трещин в условиях усталости можно отнести механизм зарождения трещин, связанный с образованием экструзий и интрузий за счет локализованного скольжения в условиях знакопеременного нагружения.

Для предотвращения разрушений малоцикловой усталости необходимо непрерывное получение информации о степени поврежденности и высокую чувствительность методов диагностики. Современные методы диагностики на первый план выдвигают неразрушающий контроль, который позволяет осуществлять раннюю диагностику повреждений. Много публикаций и разработок посвящено оценке степени поврежденности металла оборудования на основе анализа изменения физико-механических свойств материала. Исследованиям данного направления посвящены работы М.Г. Баширова, О.Г. Кондрашовой (магнитные свойства), А.Т. Шарипкуло-вой, Т.Р. Бикбулатова (электрический сигнал), В.М. Матюнина (твердость) и др.

В работах Карускевич MB., Корчук Е.Ю., Якушенко A.C., Маслак Т.П., Коцаньда С.Т., Кузнецова ПВ., Петраковой ИВ., Шрайбер Ю., Лепова В.В. показано, что при силовом нагружении материала происходят изменения деформационного рельефа, что создает предпосылки для возможности отслеживания динамики морфологии рельефа поверхности оборудования, работающего в условиях циклического нагружения.

Обзор методов анализа деформационной поверхности показал перспективность применения неразрушающего оптического метода с применением лазерного

сканирующего микроскопа Это говорит о том, что результаты исследований с применением оптических и лазерных методов могут быть положены в основу методов оценки степени поврежденности материала оборудования.

В последнее время для оценки структурных изменений материала используется фрактальный и мультифрактальный подход, развитый в работах Ивановой B.C., Встовского Г.В., Колмакова А.Г., Оксогоева A.A. Опыт применения данного подхода показал свою эффективность для анализа скрытых процессов, происходящих внутри металла. В работах Ивановой B.C., Баланкина A.C., Бунина И.Ж., Овсянникова В.Е., Ясникова RC., Эстрин Ю., Севостьяновой И.Н., Кулькова С.Н. показано, что фрактальная размерность может претендовать на то, чтобы являться характеристикой, описывающей эволюцию профиля поверхности.

В заключении первой главы сделаны выводы о целесообразности и актуальности выбранной темы диссертационной работы.

Во второй главе диссертационной работы приведены оборудование, программы для ЭВМ и методики исследования.

На предприятиях нефтегазовой отрасли присутствует большое количество трубопроводов, аппаратов, емкостей и других видов оборудования. Один га основных видов оборудования нефтегазоперерабатьшающих предприятий, резервуарных парков - это насосы и компрессоры. Вследствие циклической работы последних в локальных зонах находящегося рядом оборудования могут возникать напряжения, превышающие предел текучести от, поэтому экспериментальные исследования в работе построены по направлению циклического нагружения металла В качестве материала выбрана сталь ВСтЗспЗ, широко используемая для изготовления данного оборудования.

Для испытаний на малоцикловую усталость были использованы образцы круглого сечения из стали ВСтЗсп5, изготовленные согласно ГОСТ 25.502-79. Расположение измерительных контрольных зон на поверхности показано на рисунке 1.

мю

Рисунок 1 - Схема расположения контрольных областей образца Зона№ І находится вблизи закрепления образца на усталостной установке и является самой нагруженной; зона № 2 расположена в центре рабочей поверхности образца; зона № 3 находится вблизи крепления груза и является наименее натуженной.

Различные напряжения во всех зонах образца обеспечивались за счет различных значений плеча веса груза. Расчет груза производился таким образом, чтобы напряжения в зоне нагружения образца соответствовали условиям упруго-пластических деформаций. Зная длину груза (Ь = 134 мм), рассчитали моменты и напряжения в контрольных зонах: Мі = 7 Н-м, М2 = 5 Н-м, М3 = 4 Н-м, в, = 285 МПа, а2=204 МПа и а3 = 163 МПа. Эксперименты проводились на установке для усталостных испытаний по схеме кругового консольного изгиба при симметричном цикле (рисунок 2).

1 - двигатель; 2 - ременная передача; 3 - редуктор; 4 - муфта; 5 - захват; 6 - образец; 7 - груз; 8 - станина Рисунок 2 - Схема установки Нагружение осуществлялось при помощи крепления грузов на образце и закрепления образца в захвате установки. Захват вращался с частотой 10 об/мин. Один полный оборот захвата соответствовал одному циклу нагружения образца. Через каждые 500 цик-

лов и до самого разрушения производилась съемка деформационного рельефа поверхности в контрольных зонах.

Съемка рельефа проводилась на лазерном сканирующем микроскопе «LSM-5-Exciter» (Carl Zeiss, Germany) (рисунок 3).

Данная система позволяет производить съемку поверхности любых объектов (проводящих и непроводящих, сплошных и несплошных, волокнистых, порошковых и т.д.) в трехмерных координатах «X-Y-Z» и количественно измерять линейные, плоскостные и объемные параметры с помощью современной программы анализа 3D-изображений «ZEN-2008». Прибор определяет параметры шероховатости в соответствии с международным стандартом DEN EN ISO 4287. Система не требует вакуумирования объекта, не сильно ограничена размерами реального изделия, позволяет определять локальный и интегральный рельеф поверхности (с оценкой усредненных по всей снимаемой области параметров шероховатости «RS;»), а также анализировать «истинную» шероховатость с вычитанием радиуса кривизны сложной поверхности. В зависимости от кратности увеличения, максимальных размеров рельефа и других факторов трехмерное изображение может создаваться из порядка от 100 до 2000 снимков оптических срезов поверхности с шагом по оси «Z» вплоть до ~10нм при разрешении в плоскости «X-Y» -180hm.

Рисунок 3 - Лазерный сканирующий микроскоп Для реализации ЗЭ-измерений параметров деформационного рельефа поверхности использовался бесконтактный конфокальный метод сканирования, измерялась 2-Ъ и З-В топография. Обработка полученных рельефов осуществлялась в программном ком-

плексе «Zen-2008». В трехмерных координатах «X-Y-Z» определялись изменения характеристик: интегральный и локальный деформационный рельеф поверхности с оценкой различных параметров шероховатости RSj по международному стандарту DIN EN ISO 4287. В качестве иллюстрации на рисунке 4 представлена топография одного из этапов исследования поверхности.

а) 2-0 топография поверхности б) 3-Б топография поверхности

Рисунок 4 - Топография поверхности стали ВСтЗсп5 с уровнем накопленных повреждений Ni/Np = 0,8 в программном комплексе «2еп-2008» Рисунок 4а показывает 2,5-15 рельеф, который отображает распределение высот рельефа по цветам, рисунок 46 показывает 3-0 рельеф, на котором выделена отдельная профилограмма На фотографиях прослеживаются линии деформации.

В третьей главе диссертационной работы приведены результаты исследований изменения морфологии деформационного рельефа поверхности стали ВСтЗсп5 при накоплении повреждений.

В ходе экспериментов, проведенных на образцах круглого типа, были получены зависимости параметра дисперсии деформационного рельефа от степени поврежденно-сти ИБа = (Ы/Ир), закономерность изменения которых носит циклический характер. На рисунке 5 представлена зависимость изменения дисперсии деформационного рельефа от степени поврежденное™ образца.

0,16

о

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0.7 0,8 0.9 I Степень поврежденное™ Ni/Np

Рисунок 5 - Зависимость RSa от степени поврежденное™ на наноуровне Установлено, что при накоплении усталостных повреждений в областа упруго-пластических деформаций металла интегральный параметр RSa шероховатости деформационного рельефа поверхности имеет тенденцию к росту. Зависимость изменения интегральной дисперсии деформационного рельефа поверхности имеет стадийный характер, связанный со сменой механизмов адаптации материала к внешним воздействиям. Имеются два характерных верхних экстремума в областях N/Np = 0,3-Ю,4 и N/Np = 0,7-Ю,8 степени поврежденное™. Максимальная амплитуда RSa имеет наибольшее значение в областа N/Np= 0,7-Ю,8 - стадии предразрушения. Данный параметр имеет большую скорость роста при накоплении усталостных повреждений в месте, подверженном большим напряжениям (рисунки 1 и 5: зона №1, область упру го пластических деформаций), тем самым являясь чувствительным к потенциальной зоне разрушения. На рисунке 6 приведены топографии рельефа наиболее нагруженной зоны №1: ба - в исходном состоянии (N/Np = 0); 66 -при N/Np = 0,8; бв - при разрушении (N/Np = 1).

а)Ы^Р = 0 б) N/N„ = 0,8 = 1

Рисунок 6 - Топографии рельефа наиболее нагруженной зоны образца

В целях получения более точных данных о степени поврежденности материала были проведены исследования с использованием методики фрактального подхода.

В четвертой ¿ шее описаны методы определения фрактальной размерности деформационной поверхности стали ВСтЗсп5 с применением результатов измерений параметров рельефа

Определялись фракгальности разного типа (одномерного, двумерного и трехмерного). Фрактальтость одномерного типа определялась методом нормированного размаха по данным координат локальных профилограммам деформационного рельефа поверхности. Определяющим параметром для фрактальной размерности в этом случае является размах высот профилограммы. Фрактальность двумерного типа определялась методом агрегирования интегральной дисперсии деформационного рельефа от величины масштабного уровня, которая задавалась различными увеличениями х(5, ., 100) применяемых объективов при съемке рельефа поверхности. В данном случае определяющим был параметр интегральной дисперсии рельефа поверхности, который является характеристикой размаха высот z по сканируемой площади поверхности. Фрактальность трехмерного типа определялась так называемым методом объёмного «box-counting», при этом результирующими являлись координаты рельефа х и у. Координата z была представлена градацией серого на карте высот рельефа.

Суть метода определения фрактальной размерности методом нормированного размаха состоит в следующем:

- вычисляются отклонения от среднего значения, так называемые отсчеты;

- на каждой итерации получается N-1 значений, которые используются для определения размаха. Производится нормирование размаха посредством деления его на стандартное отклонение N значений временного ряда: стандартное отклонение вычисляется по N значениям временного ряда;

- логарифмируются значения R/S и N и строится график функции, где R - размах значений временного ряда, S - стандартное отклонение;

- по графику функции определяется угол наклона путем линейной аппроксимации методом наименьших квадратов. Тангенс этого угла является показателем Херста

Данные вычисления производились в программе FRACTAN 4.4, разработанной Сычевым В В. Фрактальная размерность рельефа определялась по 128 профилограммам

рельефа сканируемой поверхности, представленным в виде многомерных рядов. В качестве иллюстрации на рисунке 7 приведен один из расчетов фрактальной размерности го параметру шероховатости: рисунок 7а - вычисленные отклонения профилограмм от среднего значения, то есть отсчеты, рисунок 76 - вычисление фрактальной размерности.

координаты точек профилограммы по оси х а)

' И" ■ ♦

/

/

Логарифм количества приближений б)

Рисунок 7 - Фрагмент вычисления фрактальной размерности в программе РЯЛСТАЙ 4.4 стали ВСтЗсп5 методом нормированного размаха: а) отклонения профилограмм от среднего значения; б) вычисление фрактальной размерности (показатель Херста Н=0,9679±0,3493, фрактальная размерность 0,=2-Н=1,0321±0,3493)

На рисунке 8 представлены зависимости фрактальной размерности, определенной методом нормированного размаха, от степени поврежденности на разных масштабных уровнях (нано-, субмикро- и микроуровни).

I ктоуроисчи.

1.6 1.4 1.2

* * ■ V V». / »

1 ■ /* ^ V /

\ »■ ч'«/ V'

3 <1,6 С. ут!икрт|ншс|п, . .

2 МИКрОурОВеНЬ

I °-4 02

о

0 1).| 0.2 0.3 0.4 0,5 0.6 0,7 0.К 0.9 I Степень поврезкдешшетн.

Рисунок 8 - Зависимость фрактальной размерности, определенной методом нормированного размаха, от степени поврежденности на разных масштабных уровнях По полученной зависимости установлено, что в интервале степени поврежденности ЫШр = 0,0-Ю,4 степень разупорядоченности структуры, то есть фрактальная размерность, немонотонна на всех масштабных уровнях Происходит периодическое зарождение сдвиговых дефектов у концентраторов напряжений на всех масштабных уровнях, особенно выраженное на наноуровне; в интервале степени поврежденное™ №/Ыр = 0,4-Ю,8 значения фрактальной размерности коррелируют друг с другом на разных масштабных уровнях. Происходит самоорганизация сдвиговых дефектов, зародившихся на ранней стадии. В интервале степени поврежденности М1/Ыр = 0.84,0 до полного разрушения фиксируется рост фрактальной размерности, преобладающий на субмикроуровне, что является следствием релаксации критических напряжений с образованием крупных дефектов.

Суть метода определения фрактальной размерности методом агрегирования состоит в следующем. Согласно определению самоподобного процесса, имеет место следующее соотношение дисперсий временных рядов

D,

n

(1)

где Ох - дисперсия процесса X ; £>,„ - дисперсия агрегированного процесса X, полученного уменьшением размера шкалы наблюдений X в т раз. Параметр р связан с параметром Херста Я соотношением

Поскольку Inf Dx) является константой, не зависящей от ш, то график зависимости ln(D,) от 1п(и0 представляет собой прямую с наклоном, равным (-/?). Построив график зависимости (3) и линию тренда, определяли аппроксимированное значение ß (рисунок 9).

Учитывая, что параметр ß связан с показателем Хёрсга Н = 1- у, а фрактальная размерность в свою очередь D = 2 - н, получали значения фрактальной размерности.

■3,5

Логарифм уменьшения т кратности объектива, 1п(т)

Рисунок 9 - Зависимость (3) для определения показателя р стали ВСтЗсп5 методом агрегирования

ß = 2-(\-Н) .

(2)

Логарифмируя выражение (1), получим: 1п(£>„) = 1п(Ох) - /? ■ 1п(/я) .

(3)

2

Для определения фрактальности при съемке использовались объективы с разным увеличением х (5... 100). Такой набор объективов охватывает широкий спектр масштабных уровней (мезо. микро и нано). Как известно, фрактальная размерность отражает характер рельефа поверхности и в общем случае не зависит от самой удельной поверхности, что очень удобно при ее определении оптическими методами. В связи с этим, подбирались равные площади сканирования при различных увеличениях, которая составила 128 х 128 мкм. Используя возможности программы анализа трехмерных изображений, определялись геометрические параметры рельефа поверхности.

Одной из них является интегральная дисперсия рельефа поверхности Данный параметр усредняется по всей измеряемой площади и меняется в зависимости от рассматриваемого масштабного уровня, что позволяет определить фрактальную размерность поверхности.

На рисунке 10 представлена зависимость фрактальной размерности, определенной методом агрегирования интегральной дисперсии от степени поврежденное™.

1,86 1.84 1,8:

а

А

I 1.78 &

3 1.76 2.

3 1.74 ¡1.72

1.68 1,66 1,64

■І

0.2

0.4 0.6

Степень поврежденностн, Nь'Nр

0.8

Рисунок 10 - Зависимость фрактальной размерности параметра шероховатости 115и, определенной методом агрегирования, от степени поврежденностн По рисунку 10 видно, что график зависимости имеет 2 зоны поврежденностн ЫШр = 0,2-Ю,4 и ЫУЫр = 0,6-Ю,8 с хаотичным распределением фрактальной размерно-

ста и рост фрактальной размерности в зоне Ni/Np = 0,8+1,0 перед разрушением, что подтверждает данные многочисленных исследований.

Фрактальность по методу объёмного «box-counting» вычислялась в программном комплексе ImageJ, разработанном американским институтом National Institutes of Health при помощи плагина MapFractalCount, который вычисляет фракталы для 3-D топографии, по 2-D изображению рельефа в градациях серого.

Данный метод вычисления основан на алгоритме SDBC, разработанном в университете Feng Chia, отдел электротехники, Тайчжун, Тайвань. Этот алгоритм основан на рекурсивном подсчёте количества необходимых для покрытия ячеек от их размера, предварительно нанесенной сетки на изображение, с учетом того что цвет ячейки задает ее координату z в градациях серого.

На рисунке 11 представлен один из этапов вычисления фрактальной размерности в программе ImageJ с плагином MapFractalCount.

>(«Ш - ° 3S2SI iroagej

Рисунок 11 - Фрагмент вычисления фрактальной размерности стали ВСтЗсп5 методом «объёмного» box-counting в программе ImageJ На рисунке 12 представлены полученные зависимости фрактальной размерности, определенной методом объёмного «box-counting», от степени поврежденности на разных масштабных уровнях.

Наноуровснь

Микроуровень

I 2,75 ^

А

£.2,65

£ 2,55

Субмикроуровень

2.45

2.4

О 0,1 0,2 0.3 0.4 0,5 0,6 0.7 0,« 0.9 Степень поврежденное! II №Мр

Рисунок 12 - Зависимость фрактальной размерности параметра шероховатости ИБа, определенной методом объёмного «Ьох-соипйг^», от степени поврежденное™ на

По полученным графикам видно, что закономерности изменения фрактальной размерности от степени поврежценности, выявленные методом нормированного размаха, подтверждаются методом объёмного «Ьох-сошйкщ». В интервале степени поврежценно-сти МьМр = 0,0-Ю,4 преобладает зарождение дефектов на наноуровне, в области степени повревденности ШЫр = 0,8-^1,0 преобладают дефекты микроуровня.

Для выяснения механизма образования полученных зависимостей на ЭВМ проведено моделирование процесса зарождения микротрещин на границах зерен и фаз идеальной структуры.

Важным является моделирование таких процессов как зарождение и развитие трещин на наноуровне внутри структуры в области различных концентраторов напряжений. Накопление усталостных или коррозионных повреждений происходит в отдельных зернах и на отдельных участках межзеренных границ. Зарождение макроскопической трещины является результатом слияния дефектов в местах случайного скопления наиболее поврежденных или наиболее напряженных элементов структуры.

разных масштабных уровнях

В программном комплексе LAMMPS (англ. Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator) выполнено моделирование методом молекулярной динамики с использованием парного потенциала В качестве исходной структуры рассматривался двухмерный ГЦК кристалл. Расчетная ячейка включала четыре зерна правильной шестиугольной формы, имеющих одинаковые размеры. В каждом зерне имелась своя кристаллографическая ориентация. На данную структуру были наложены периодические граничные условия. Исходная расчетная ячейка состояла из n ~ 2,3-105 атомов, при этом средний размер зерна составлял ~ 100 нм. На расчетную ячейку накладывалась квадратная сетка из меченых атомов. Исходная структура была подвергнута «отжигу» при гомологической температуре Т ~ 0,9Т,П, где Тт - температура плавления. Равновесное состояние считалось достигнутым, когда макроскопические параметры (объем, температура и давление) переставали изменяться со временем. Деформация микроструктуры системы тройных стыков границ зерен осуществлялась в режиме ползучести при разных постоянных сдвиговых напряжениях с максимальными значениями х = 3,2 -Ю^В и г = 4,1 10° В, где В - объемный модуль упругости кристалла. Напряжения задавали вдоль направлений осей абсцисс и ординат при наличии гидростатического давления р = -1,36 10'2B. Расчеты проводились при температуре Т ~ 0,8Тга.

На рисунке 13 представлены результаты моделирования методом молекулярной динамики зарождения нанотрещин в поликристаллах на атомарном уровне.

Рисунок 13 - Зарождение нанотрещин в поликристаллах на атомарном уровне На деформированных атомах видна динамика развития дислокационных «факелов» (нанотрещин) на уступах (неровностях) границ зерен и из тройных стыков границ

зерен поликристаллов, которые являются естественными (структурными) концентраторами напряжений.

Таким образом, моделированием подтверждены полученные экспериментальные данные о преобладании образования нададефекгов на начальном этапе формирования деформационного рельефа материала

В пятой главе описана методика оценки степени поврежденности стали ВСтЗспб по параметрам деформационного рельефа поверхности при малоцикловой усталости.

На рисунке 14 показан разработанный алгоритм оценки степени поврежденности по интегральной дисперсии И5а и фрактальной размерности деформационного рельефа поверхности.

Пгш.ггаппя пйращяв, тготпялснт.« іп материала ітсслслуемпго оґгьскта

Попросіте іаншнмосіеЛ шеримтлкчщ рельеф:« ИЗ.і и фр.ікі.і.іьноіі р;нчі-|>ииіліі шсрпїпвагпсгп І) от сиіігпп нгжргждгттстп МОч'р ц.іабирлі ирных илшїимх

іііучсші« .іик>мсіііілпші оиьекіа. _сСир шіфири.ііпііі о иііісріи.іе__

Определение іон \iaupiia.iii, подверженных > її р> і и-п лас і н че екії м де форма и пи м

Сі.гчка 311 релі.гфл попс|импсіп п наиболее шииіі.і\ іонах. Определение шеромміаіосін Н5;і, иичікмсішефікіїчПмьниЛ рзіічеріїисіп О

:-. .1 ............

С'рз|1Ш1телм1Ы1| анл.пи na.iyifiini.TX

?кгпгрпмгптял1.1п>п данных с ишкпмоетячи,

__иилччеииьшн^влаборшормых^глиний*___

Определение истин иииреллениосш чаи'риала М>"|) а iKt.itu4Ml.lv юнах

Рисунок 14 - Алгоритм оценки степени поврежденности по интегральной дисперсии ЯБ» и фрактальной размерности деформационного рельефа поверхности Для определения степени поврежденности материала объекта необходимо изучить проектную и рабочую документацию на объект, произвести осмотр объекта с выделением зон, подверженных упруго-пластическому деформированию. Далее произвести испы-

тания образцов из исследуемого материала в условиях знакопеременных нагрузок. В процессе испытаний необходимо производить периодическую съемку 3-Э рельефа поверхности образцов, с последующим измерением дисперсии рельефа ИБ» и вычислением фрактальной размерности деформационного рельефа поверхности методом нормированного размаха, агрегирования и объемного «Ьох-сошйт$р>. По полученным данным установить зависимости степени поврежденное™ ИШр и параметров деформационного рельефа поверхности.

Следующим этапом произвести съемку 3-Б рельефа поверхности исследуемых зон объекта, измерить дисперсию Л5а и вычислить фрактальную размерность Бг Произвести сравнительный анализ данных, полученных при исследовании образцов и реального объекта, и установить степень поврежденное™ материала в исследуемых зонах.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1 Установлена взаимосвязь параметров морфологии деформационного рельефа поверхности стали ВСтЗсп5 и степени накопленных повреждений при малоцикловой усталости. С использованием фрактального подхода проведена оценка динамики развития морфологии деформационного рельефа поверхности стали при накоплении усталостных повреждений и выявлены масштабные уровни, на которых происходит смена механизмов адаптации стали к внешним воздействиям. Адаптация материала в области степени поврежденное™ ШК1р = 0Д-Н),4 происходит на наноуровне, в области степени поврежденное™ М/Ыр = 0,6-Ю,8 - на микроуровне.

2 Разработан метод оценки степени поврежденное™ стали ВСтЗсл5, эксплуатируемой в условиях малоцикловой усталости, основанный на фрактальном анализе и анализе изменения параметров морфологии деформационного рельефа поверхности стали ВСтЗсп5, измеренных лазерным сканирующим методом.

3 Установлены зависимость изменения интегрального параметра ЯБа шероховатости деформационного рельефа поверхности в стали ВСтЗсп5 от степени накопления усталостных повреждений в области упруго-пластической деформации, которая имеет тенденцию к росту, и два характерных верхних экстремума в областях = 0,3-Ю,4 и Ки^р = О,7-Ю,8 степени поврежденное™, вызванные сменой механизмов адаптации материала к внешним воздействиям.

4 При накоплении металлом усталостных повреждений интегральный параметр ИЗ,, шероховатости деформационного рельефа поверхности имеет тенденцию к росту. При этом чем больше напряжение в измеряемых зонах, тем большая скорость роста шероховатости Н5а.

5 Фрактальность поверхности показала три характерных участка поврежденно-сти материала на всех масштабных уровнях. Ранняя стадия эксплуатации материала связана с зарождением дефектов на наноуровне, а перед разрушением дефекты выявляются на микроуровне.

6 Моделирование зарождения и развития нанотрещин внутри структуры в области различных концентраторов напряжений методом молекулярной динамики подтвердило полученные экспериментальные данные о зарождении дефектов на наноуровне.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1 Демченко, А. А. Накопление повреждений в материале стенки РВС / А. А. Демченко, А. В. Сисанбаев, Е. А. Наумкин // 61-я научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ: материалы конф. / УГНТУ. - Уфа, 2010. -Кн. 1, —С. 206.

2 Демченко, А. А. Динамика деформационного рельефа поверхности стали при малоцикловом нагружении / А. А. Демченко, Е. А. Науъжин // 62-я научно-техническая конференция студентов,' аспирантов и молодых ученых УГЙТУ: материалы конф. / УГНТУ. —Уфа, 2011. —Кн. 1 . — С. 217. .

3. Сисанбаев, А. В. Моделирование аккомодационных процессов в тройных стыках нанокристаллов с разным размером зерен / А. В. Сисанбаев, А. А. Демченко, М. В. Демченко // Химическая физика и мезоскопия. -2012. -Т. 14, № 2. - С. 253-257.

4. Демченко, А. А. Взаимосвязь деформационного рельефа поверхности и степени иоврежденноста стали при малоцикловом нагружении / А. А. Демченко, М. В. Демченко, А. В. Сисанбаев [и др.] // Химическая физика и мезоскопия. -2012. - Т. 14,№3.-С. 426429.

5. Демченко, А. А. Исследования фрактальной размерности деформационной поверхности стали лазерным методом / А. А. Демченко, М. В. Демченко, А. В. Сисанбаев, И. Р. Кузеев // Химическая физика и мезоскопия. - 2012. - Т. 14, № 4. - С. 569-573.

6. Сисанбаев, А. В. Экспериментальное моделирование аккомодации в тройных стыках общего типа при деформации трикристаллов и нанокристаллов / А. В. Сисанбаев,

А. А. Демченко, М. В. Демченко // Деформация и разрушение материалов. - 2012. -№ 9.

\

-С. 2-6.

7. Демченко, А. А. Исследование взаимосвязи деформационного рельефа и степени повреждешюсга стали / А. А. Демченко, М. В. Демченко, А. В. Сисанбаев [и др.] // Заводская лаборатория. Диагностика материалов.—2013.—Т. 79, № 2. - С. 42-44.

8. Демченко, А. А. Методика исследования фрактальной размерности деформационной поверхности стали/ А. А. Демченко, М. В. Демченко, А. В. Сисанбаев, И. Р. Кузеев // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2013. - Т. 79, № 7, Ч. 1. — С. 44— 42.

Подписано в печать 20.112013 г. Бумага офсетная. Формат 60x841/16 Гарнитура «Тайме». Печать трафаретная. Усл. печ. л 1 Тираж ПО экз. Заказ № 1420 Типография ООО «Зна»> Адрес издательства и типографии: 45004, г. Уфа, ул. Космонавтов, 3

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ОЦЕНКА СТЕПЕНИ ПОВРЕЖДЕННОСТИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПО ИЗМЕНЕНИЮ ДЕФОРМАЦИОННОГО РЕЛЬЕФА

ПОВЕРХНОСТИ СТАЛИ

На правах рукописи

04201454644

ДЕМЧЕНКО АРТЕМ АЛЬБЕРТОВИЧ

Специальность 05.16.09 - «Материаловедение» (Машиностроение в нефтегазовой отрасли)

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Кузеев И.Р.

Уфа-2013

4 9

19

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1 Анализ исследований степени поврежденности металла по профилю поверхности в условиях малоцикловой усталости

1.1 Проблемы малоцикловой усталости 9

1.2 Деформационный рельеф поверхности 11

1.3 Методы исследования поверхности конструкционных материалов 16

1.4 Фрактальный подход к оценке параметров деформационного рельефа поверхности

1.5 Особенности оценки степени поврежденности сталей 33 Выводы по первой главе 36

2 Оборудование и методики исследования 37

2.1 Объект исследования 37

2.2 Методика усталостных нагружений 38

2.3 Оборудование для исследования морфологии деформационного

40

рельефа

2.4 Программное обеспечение для обработки полученных данных 46 Выводы по второй главе 50

3 Исследование изменения морфологии деформационного рельефа поверхности металла

3.1 Подбор оптимального режима съемки поверхности стали на ЬБМ 51

3.2 Обработка сканированной поверхности стали в программном комплексе 7ЕИ-2008

3.3 Результаты исследования изменения морфологии деформационного рельефа поверхности металла

Выводы по третьей главе 62

4 Вычисление фрактальной размерности деформационной поверхности металла с применением результатов измерений парамет- 63 ров рельефа

55

57

68

71

4.1 Определение одномерных фрактальных характеристик рельефа методом нормированного размаха

4.2 Определение двумерных фрактальных характеристик рельефа методом агрегирования интегральной дисперсии

4.3 Определение трехмерных фрактальных характеристик рельефа методом объемного «box-counting» с помощью алгоритма SDBC

4.4 Сравнительный анализ зависимостей фрактальной размерности деформационного рельефа поверхности, определенной разными 74 методами, от степени поврежденности

4.5 Моделирование на атомарном уровне зарождения «нанотрещин»

76

в поликристаллах на начальной стадии развития деформации Выводы по четвертой главе 82

5 Разработка метода определения степени поврежденности нефтегазового оборудования по изменению фрактальной размерности 84 деформационного рельефа поверхности

Выводы по пятой главе 87

Основные результаты и выводы 88

Список использованных источников 90

ВВЕДЕНИЕ

Значительная доля технологического оборудования нефтегазоперерабатывающей отрасли изготовлена из конструкционной стали ВСтЗсп5: резервуары, технологические трубопроводы, теплообменное оборудование, цилиндрические емкости, аппараты. Данное оборудование зачастую эксплуатируется в условиях циклического нагружения, которое в конечном итоге приводит к разрушению. Наибольшую опасность представляет упруго-пластическая область деформирования, поскольку разрушение происходит с большой скоростью. В целях предупреждения аварийного разрушения объектов необходимо проводить оценку технического состояния и ресурса оборудования. Совершенствование методов оценки ресурса требует наличия информации о состоянии материала и динамике его изменения при накоплении повреждений в условиях знакопеременного нагружения.

Известно, что значительная часть разрушений начинается с поверхности и подповерхностных слоев. Поэтому информация об изменениях на поверхности может служить в качестве оценочной характеристики состояния материала. При накоплении материалом усталостного повреждения на его поверхности образуется деформационный рельеф. Систематические исследования процессов, происходящих при усталости металла, показывают изменение деформационного рельефа, что создает предпосылки для возможности количественной оценки накопленного усталостного повреждения. В связи с этим, целесообразно определить взаимосвязь степени поврежденности и изменения деформационного рельефа, формирующегося при циклическом нагружении.

Многочисленные исследования (Е.А. Наумкина, О.Г. Кондрашовой, А.Т. Шарипкуловой, Т.Р. Бикбулатова и многих других) зависимостей физических параметров: температурного градиента порога

хладноломкости, среднего размера зерна, предела

прочности, поверхностной энергии, скорости ультразвука, скорости коррозии, относительной напряженности магнитного поля от степени поврежденности показывают характерные экстремумы в областях поврежденности Nj/Np = 0,3-Ю,4 и Nj/Np = 0,7-Ю,8 (Nj/Np - отношение количества циклов нагружения на момент измерения к количеству циклов до разрушения). В работе B.C. Ивановой показано, что при накоплении материалом критической энергии происходит смена механизмов адаптации материала к внешним воздействиям, что объясняет наличие экстремумов на зависимостях. Большой интерес представляет выявление масштабного уровня, на котором происходит смена механизмов адаптации.

В связи с вышеизложенным, целью диссертационной работы является установление взаимосвязи параметров деформационного рельефа поверхности стали ВСтЗсп5 и степени поврежденности, накопленной при малоцикловой усталости, и выявление масштабного уровня, на котором происходит смена механизмов адаптации стали.

Для достижения поставленной цели в работе ставились следующие задачи исследования:

- Освоить методики бесконтактной ЗБ-съемки деформационной поверхности с помощью конфокальной лазерной сканирующей микроскопии, выявить физические основания фрактальных закономерностей процесса развития деформационного рельефа, провести фрактальный анализ сталей при малоцикловой усталости разными методами с определением их фрактальных характеристик.

- Установить зависимости изменения параметров деформационного рельефа поверхности в стали ВСтЗсп5 от степени накопления усталостных повреждений в области упруго-пластической деформации на разных масштабных уровнях, используя сравнительный анализ дисперсионных и фрактальных методов (RSa и Df) оценки деформационного рельефа

поверхности и степени изменения его параметров под влиянием

знакопеременных нагрузок.

- Разработать методики фрактального подхода разного типа (одномерного, двумерного и трехмерного) для анализа динамики развития морфологии деформационного рельефа поверхности стали при накоплении усталостных повреждений. Разработать рекомендации по применению параметров деформационного рельефа при оценке состояния стали ВСтЗсп5, подверженной циклическому нагружению.

Поставленные задачи решались с использованием экспериментальных методов исследования морфологии деформационного рельефа поверхности при малоцикловом нагружении по схеме кругового консольного изгиба. Для реализации получения ЗЭ топографий рельефа поверхности применялся конфокальный лазерный сканирующий микроскоп Ь8М-5-Ехс^ег. В качестве исследуемого материала была выбрана сталь ВСтЗсп5, как наиболее широко распространенная при изготовлении оборудования нефтегазовой отрасли. По результатам исследований было обосновано применение дисперсионного И^а и фрактального Бг подходов к исследованию малоцикловой усталости металла нефтегазовых конструкций.

Научная новизна работы заключается в том, что интегральный параметр ЯБа шероховатости деформационного рельефа поверхности стали ВСтЗсп5 при накоплении усталостных повреждений в области упругопластических деформаций имеет тенденцию к росту, достигая значительной скорости в потенциальной зоне разрушения, а также стадийность, характеризуемую двумя экстремумами в областях =

0,3-Н),4 и Н/Ир = 0,7-Ю,8 степени поврежденности, наиболее выраженными на наноуровне.

Зависимость фрактальной размерности деформационного рельефа поверхности стали ВСтЗсп5, полученная методом агрегирования интегральной дисперсии, от уровня накопленных повреждений при

малоцикловой усталости подтверждает наличие двух

участков поврежденности Ni/Np = 0,2-Ю,4 и Nj/Np = 0,6-Ю,8 с немонотонным распределением фрактальной размерности.

Зависимости фрактальной размерности поверхности стали ВСтЗсп5 от степени поврежденности, полученные методом нормированного размаха и методом объёмного «box-counting» на разных масштабных уровнях, показали значимость каждого масштабного уровня на динамику формирования деформационного рельефа. При этом в интервале Nj/Np = 0,(НО,4 происходит неоднородное образование дефектов на всех масштабных уровнях, особенно выраженное на нано-уровне; в интервале Ni/Np = 0,4-Ю,8 происходит одновременное распространение дефектов на всех масштабных уровнях; в интервале N/Np = 0,8-^1,0 до полного разрушения фиксируется резкий рост фрактальной размерности, преобладающий на субмикроуровне..

По результатам исследования разработана методика «Определение степени поврежденности стали ВСтЗсп5 по зависимости параметров деформационного рельефа поверхности от степени накопления усталостных повреждений при малоцикловой усталости», которая используется в учебном процессе при проведении лабораторных занятий по дисциплине «Оценка накопленных повреждений и предельного состояния материала» для подготовки магистров по направлению 151000 Технологические машины и оборудование ФГБОУ ВПО УГНТУ.

Основные положения, выносимые на защиту:

- зависимости параметра шероховатости RSa деформационного рельефа поверхности стали ВСтЗсп5 от степени накопления усталостных повреждений;

- методики вычисления одномерной, двухмерной и трехмерной фрактальной размерности параметров шероховатости RSa поверхности стали ВСтЗсп5;

- зависимости фрактальной размерности параметров шероховатости

Ь^а поверхности стали ВСтЗсп5 от степени накопления

усталостных повреждений;

- масштабный уровень, на котором происходит смена механизмов адаптации стали ВСтЗспб к внешним воздействиям.

Основные результаты работы доложены и обсуждены на следующих конференциях: 61-я научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (Уфа, 2010 г.); 62-я научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (Уфа, 2011 г.); VII Международная конференция «Фазовые превращения и прочность кристаллов» (Черноголовка, 2012 г.); семинар УНГТУ «Остаточный ресурс нефтезаводского оборудования» (Уфа, 2013

г.).

Автор выражает благодарность своему научному руководителю

д.т.н., профессору И.Р. Кузееву и консультанту по исследовательской части д.т.н., доценту Е.А. Наумкину за оказанную помощь при постановке задач и анализе результатов исследований.

1 Анализ исследований степени поврежденности металла по профилю поверхности в условиях малоцикловой усталости

1.1 Проблемы малоцикловой усталости

Явление усталостного разрушения было открыто В. Ранкином и А. Велером более ста лет тому назад [36]. Значительные успехи в изучении усталости были достигнуты несколькими коллективами ученых, в частности, под руководством Н.М. Беляева, H.H. Давиденкова, И.А. Одинга, Д.И. Гольцева, Г.С. Писаренко и В.Т. Трощенко, C.B. Серенсена, Л.И. Савельева, М.В. Воропаева, К.К. Симинского, H.H. Афанасьева С.Д., Волкова, Р.Д. Вагапова, H.H. Вассермана и В.А. Гладковского, И.А. Биргера, А.И. Кочетова и А.Д. Кролевецкого.

Явление разрушения под действием циклических напряжений, вызывающих пластическую деформацию материала, получило название малоцикловой усталости.

На рисунке 1.1 приведена схема усталостной кривой [37].

Hepanipan ршшжмцнесм yv uliim'I >шг i решшш

0 Мс 5 • 104 Л'с N

число циклов нагружения

ав - предел прочности; ап- напряжение разрыва; ак - критическое напряжение; оя(\у) - предел усталости; атц - циклический предел текучести, 1ЧК - критическое

число циклов Рисунок 1.1 - Полная кривая усталости:

Традиционно на кривой усталости выделяются две области: область малоцикловой (до 105 циклов) [37] и многоцикловой усталости (107-109 циклов). В последние десятилетия исследуется также область гигацикловой усталости (109-Ю10 циклов) [37]

Точке А соответствует временное сопротивление, при котором разрушение происходит за первый цикл. На участке АБ излом носит квазистатический характер. Участок БВ соответствует началу усталостного разрушения. Появляется усталостная трещина, продвигающаяся вперед при каждом новом цикле нагружения.

Малоцикловая усталость характеризуется наличием макроскопических пластических деформаций, охватывающих значительную часть сечения детали [1]. Область малоцикловой усталости детально изучалась в работах C.B. Серенсена, А.П. Гусенкова, P.M. Шнейдеровича, H.A. Махутова, С.С. Мэнсона, Л.Ф. Коффина, Б.Ф. Лангера и др.

Последствия разрушений усталости могут носить серьёзный характер. В декабре 1977 года на Череповецком химзаводе произошел разрыв стенки сушильной башни толщиной с образованием магистральной трещины длиной около 7 метров и шириной от 3 до 5 мм [2]. 10 января 1977 года произошло крушение 85-метрового танкера "Честер Поллинг". Судно попало в суровый зимний шторм. Высота волн превышала 10 метров [2]. В 1978 году обрушился мост в городе Туре. Тросы лопнули в тот момент, когда на мост въехал нагруженный двумя легковыми автомобилями и мотоциклом грузовик [2].

В отличие от обычной (многоцикловой) усталости малоцикловая усталость имеет три специфические особенности [1]: уровень высоких напряжений (деформаций), обусловливающий долговечность материала не более 105 циклов; низкую частоту циклических нагрузок (не более 50 цикл/мин, чаще всего — 0,1 —10 цикл/мин); наличие контролируемого параметра — вида нагружения (по предельной нагрузке или «условному»

напряжению — мягкое нагружение, а по предельной деформации — жесткое нагружение).

При циклической упруго-пластической деформации, так же как и при статической, образуются резкие полосы скольжения, число которых в процессе циклического деформирования увеличивается. Большие амплитуды вызывают возникновение глубокого сдвига и его распространение на расстояние, равное сотням периодов решетки, — отсюда немедленное появление видимых полос. При малоцикловой усталости зерна сразу же превращаются в разориентированные блоки, в то время как при обычной усталости ориентация внутри зерен не изменяется, что легко обнаруживается рентгеноструктурным анализом.

Циклическая упруго-пластическая деформация обычно рассматривается как трехстадийный процесс [1]. На первой стадии происходят структурные изменения и накопление дефектов решетки — эта стадия занимает около 1 % общей долговечности. В течение второй стадии на структурные изменения накладывается деструкция — зарождение и распространение первичных усталостных трещин. На этой стадии внутри зерен образуются видимые микроскопические блоки, разделенные трещинками; величина блоков обычно определяется амплитудой первого цикла и не изменяется при последующем деформировании. На третьей стадии мелкие трещины сливаются в магистральную трещину, которая распространяется вглубь и является непосредственной причиной разрушения. В физике прочности и пластичности выделяются три масштабных уровня процесса пластической деформации в окрестности любой точки тела и вершины трещины усталости: микроскопический, мезоскопический и макроскопический [36]. Процессы, происходящие на атомном и молекулярном уровнях, относятся к микроскопическому уровню, поведение ансамблей атомов - к мезоскопическому, поры и трещины - к макроуровню.

Закономерности процесса распространения трещины при малоцикловой усталости зависят от характера разрушения металла — межзеренного (интеркристаллитного) или внутризеренного (транскристаллитного). Как правило, при напряжениях ниже предела текучести металла, происходит транскристаллитное разрушение, а выше предела текучести — интеркристаллитное. При напряжении, приближающемся к пределу текучести, существует переходная зона, где наблюдаются одновременно оба вида разрушения.

1.2 Деформационный рельеф поверхности

Усталостное разрушение начинается с поверхности металлических материалов. Это связано с тем, что наиболее интенсивная пластическая деформация протекает в приповерхностных слоях, глубиной порядка размера зерна [21, 46]. Поведение и состояние этого слоя определяют долговечность до зарождения усталостных трещин и, во взаимосвязи с характеристиками всего объема материала, обусловливают уровень предела выносливости, а также уровень порогового коэффициента интенсивности напряжений, необходимого для начала усталостной трещины. [37]. Роль поверхности в зарождении разрушения является предметом многочисленных исследований металлов. Изучается влияние �