автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Разработка методов оценки поврежденности конструкционных сталей при пластическом и упругопластическом циклическом деформировании

На правах рукописи

005049142

Гончар Александр Викторович

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ПОВРЕЖДЕННОСТИ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ ПРИ ПЛАСТИЧЕСКОМ И УПРУГОПЛАСТИЧЕСКОМ ЦИКЛИЧЕСКОМ ДЕФОРМИРОВАНИИ

Специальность 05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 < яне

Нижний Новгород - 2013

005049142

Работа выполнена в Нижегородском филиале Федерального государственного бюджетного учреждения науки "Институт машиноведения им. A.A. Благонравова Российской академии наук"

Научный руководитель:

Мишакин Василий Васильевич

доктор технических наук, заведующий лабораторией неразрушающего контроля и диагностики материалов и конструкций, НФ ИМАШ РАН (г. Нижний Новгород)

Официальные оппоненты:

Пачурин Герман Васильевич доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева» (г. Нижний Новгород)

Родюшкин Владимир Митрофанович доктор технических наук, заведующий лабораторией ЗАО «СКВ «Инфотранс» (г. Нижний Новгород)

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Защита состоится «15» февраля 2013 г. в 1300 на заседании диссертационного совета Д 212.165.07 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева» по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24, корп.1, ауд. 1258.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексееба».

Отзывы на автореферат, заверенные печатью организации, в двух экземплярах просим выслать по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан «14» января 2013 г. Ученый секретарь диссертационного совета

Д 212.165.07

доктор технических наук, профессор

В.А. Ульянов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность

В настоящее время одним из приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации является энергоэффективность, энергосбережение и рациональное природоиспользование, включающее утвержденные РФ критические технологии предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера. В связи с этим, обеспечение эффективности, надежности и безопасности объектов машиностроения авляется актуальной задачей и требует разработки новых и совершенствование существующих методов оценки прочности и долговечности металлических сплавов, особенно на ранней стадии разрушения.

В последние годы возрастает интерес к работам, относящимся к изучению структурного состояния материалов, подвергающимся пластическому деформированию и усталостному разрушению, с использованием физических методов исследования.

Особенно важными для определения структурного состояния при пластическом деформировании и усталостном разрушении являются конструкционные стали и металлические сплавы, подверженные локальному термическому воздействию, например при изготовлении сварного соединения, в зоне термического влияния (ЗТВ) которого наблюдается градиент физических и механических свойств.

Большой вклад в изучение структурного состояния и его изменения при усталостном нагружении внесли B.C. Иванова, В.Ф. Терентьев, Мухраби X., Трощенко В.Т., Серенсен C.B. и др.

Современные представления о физике и микромеханизмах процессов разрушения металлов при развитой пластической деформации были заложены работами В.В.Рыбина, В.И. Трефилова, С. А. Фирстова и др.

Учитывая то, что процесс накопления рассеянной микроповрежденности занимает до 80% ресурса материала, актуальной задачей является оценка структурных изменений при пластическом и упругопластическом циклическом деформировании металлических сплавов на ранних стадиях разрушения задолго до образования макротрещин.

Использование современных портативных металлографических комплексов для проведения исследований на поверхности материала конструкции и ультразвуковые исследования в объёме позволяют проводить контроль состояния на отдельных участках масштабных объектов без их разрушения при одностороннем доступе к ним.

Теоретические и экспериментальные исследования связи микропластических деформаций с разрушением металла при циклическом деформировании проводились Гурьевым A.B., Гуревичем М.И., Махутовым М.А. и др. В работах Шетулова Д.И., Пачурина Г.В. и др. в качестве диагностических параметров оценки усталостного разрушения использовались характеристики полос скольжения.

Однако, исследование связи микропластических деформаций на уровне зерна с характеристиками грубых полос скольжения с целью разработки методов оценки состояния циклически деформируемых сплавов не проводилось.

Наиболее удобным в инженерном плане структурно чувствительным методом является акустический. Однако сложный комплекс структурных изменений при пластическом деформировании и усталостном разрушении не позволяет связать состояние реального поликристаллического материала с его акустическими параметрами. Тем не менее, можно выделить два основных фактора, влияющих на акустические характеристики деформируемого материала: изменение микронеоднородности структуры (накопление микропор, микротрещин, изменение дислокационной структуры, эффективных модулей упругости в локальных зонах из-за наличия микронапряжений и т. д.) и изменение кристаллографической текстуры, которое на макроуровне приводит к изменению модулей упругости, упругой анизотропии материала и, следовательно, к изменению акустической анизотропии.

В работах Гранато-Люке, Лазло А, Салганика Р.Л., Вавакина A.C. представлены модели, учитывающие влияние дислокационной структуры, размеры и концентрацию несплошностей на затухание, скорость распространения упругих волн и упругие постоянные. Характеристики кристаллографической текстуры поликристаллических материалов, в том числе текстуры деформации с помощью акустического метода определялись в работах Алена Д., Сайерса С., Хирао М. В работах Хирао М. приведено хорошее соответствие полюсных фигур полученных рентгеновским методом и полюсных фигур полученных по данным акустических измерений.

Проведение совместных металлографических и ультразвуковых исследований позволяет учесть комплекс структурных изменений как на поверхности материала, так и в его объеме, и получить более полную информацию о фактическом состоянии пластически деформируемых и подвергаемых усталостному нагружению металлических сплавов, в том числе сталей, имеющих структурную неоднородность, связанную с локальным термическим воздействием.

Цели и задачи исследования

Целью диссертационной работы является разработка методов оценки поврежденности на ранней стадии разрушения конструкционных сталей при пластическом и упругопластическом циклическом деформировании по данным металлографических и ультразвуковых исследований.

Для реализации этой цели необходимо решение следующих частных задач:

1. Проведение металлографических и ультразвуковых исследований структурного состояния широко используемых в промышленности горячекатаных конструкционных сталей 07ГБЮ, СтЗсп, 12ГС, 20, 40, 14ХГС, 15 ЮТ А, подвергаемых пластическому деформированию и усталостному разрушению.

2. Моделирование влияния процесса усталостного разрушения поликристаллического материала на его упругие характеристики и акустические

параметры, сравнительная оценка степени влияния структурной поврежденностн и кристаллографической текстуры на модули упругости и скорости распространения (СР) упругих волн (УВ).

3. Разработка метода оценки поврежденностн при циклическом деформировании конструкционных низколегированных сталей на основе металлографических исследований изменения структурного состояния на ранней стадии разрушения до образования макротрещины.

4. Разработка метода оценки величины пластической деформации и поврежденностн в конструкционных сталях, подверженных локальному термическому воздействию по данным ультразвуковых и металлографических исследований.

Научная новизна

1. Впервые с помощью численного моделирования процесса усталостного разрушения конструкционных малоуглеродистых и низколегированных сталей проведена сравнительная оценка влияния структурной поврежденностн и рассеяния текстуры при малоцикловой усталости на их упругие и акустические характеристики.

2. Выявлена корреляционная связь между концентрацией грубых полос скольжения (ГПС) и величиной микропластических деформаций на уровне зерна при различных значениях амплитуды нагружения стали 15ЮТА.

3. Предложен метод оценки величины поврежденностн на ранней стадии усталостного разрушения до образования макротрещины на основе измерения микропластической деформации и концентрации ГПС.

4. Экспериментально выявлено, что интенсивность изменения коэффициента Пуассона на начальном этапе усталостного нагружения, рассчитанная через соотношения скоростей распространения продольных и поперечных упругих волн для сталей 15ЮТА и 07ГБЮ имеет высокую корреляционную связь с критическим значением количества циклов, соответствующим образованию макротрещины, что предлагается использовать для прогнозирования числа циклов до разрушения.

5. Предложен метод прогнозирования величины пластической деформации и поврежденностн в ЗТВ конструкционных углеродистых и низколегированных сталей 20, 40, 12ГС, 14ХГС, СтЗсп, 07ГБЮ по данным металлографических и ультразвуковых исследований.

Практическая значимость

1. На основе проведенных металлографических и ультразвуковых исследований процесса разрушения конструкционных сталей, в том числе сварных соединений разработан метод оценки величины пластической деформации металлических сплавов, имеющих сильную структурную неоднородность, связанную с локальным термическим воздействием. Данный метод был использован в ООО «Газпром газнадзор» при проведении диагностических работ на магистральных газопроводах, где показал свою эффективность и внес вклад в экономию затрат.

2. Разработанная оригинальная методика цифровой обработки изображений микроструктуры дает возможность проводить визуализацию структурных изменений при усталостном нагружении поликристаллических материалов. Предложенный подход был использован при создании анимации процесса усталостного разрушения стали 15ЮТА. Демонстрационный материал применяется в учебных целях на кафедрах "Динамика, прочность машин и сопротивление материалов" и "Производственная безопасность и экология" Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева.

3. Разработан метод, позволяющий прогнозировать число циклов до появления макротрещины, заключающийся в измерении акустическим методом на начальном этапе усталостного нагружения интенсивности изменения коэффициента Пуассона.

4. Разработанный метод оценки величины поврежденное™ при усталостном нагружении на основе измерения микропластических деформаций и концентрации ГПС может быть использован для определения текущего состояния элементов конструкций и деталей машин при их усталостном повреждении.

5. Предложенное совместное использование портативных металлографических комплексов и ультразвуковых приборов позволяет значительно расширить возможности физических методов исследования структурного состояния материала конструкций.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Закономерности влияния пластической и циклической деформации на акустические параметры сталей 15ЮТА, 20, 40, 12ГС, 14ХГС, СтЗсп, 07ГБЮ.

2. Математическая модель процесса усталостного разрушения для сравнительной оценки влияния структурной поврежденности и изменения кристаллографической текстуры при малоцикловой усталости на упругие и акустические характеристики поликристаллического материала.

3. Метод оценки величины поврежденности при усталостном нагружении на основе измерения микропластических деформаций и концентрации ГПС.

4. Метод прогнозирования числа циклов до появления макротрещины с помощью измерения интенсивности изменения на начальном этапе усталостного нагружения коэффициента Пуассона, определяемого акустическим методом.

5. Неразрушающий метод оценки величины пластической деформации и поврежденности металлических сплавов, имеющих сильную структурную неоднородность, связанную с локальным термическим воздействием.

Личный вклад автора состоит в выборе научно-технического направления исследований, постановке задач исследования, анализе литературных источников, проведении экспериментов и интерпретации полученных результатов, разработке математической модели и проведении численного моделирования процесса усталостного разрушения, разработке методов оценки величины пластической деформации и усталостной поврежденности по данным акустических и

металлографических исследований, разработке оригинальной методики цифровой обработки изображений микроструктуры.

Достоверность полученных результатов обеспечена применением современных методов исследования структуры и свойств, подвергаемых разрушению конструкционных сталей, подтверждена значительным объемом экспериментальных данных, промышленным апробированием, натурными и модельными испытаниями, апробацией полученных результатов на научно-технических конференциях различного уровня.

Апробацпя работы

Результаты работы докладывались на 7-ом Международном Симпозиуме по НК в гражданском строительстве «ЫОТСЕ'09» 30 июня - 3 июля 2009 г., Франция, г.Нант; 18-й Всероссийской конференции с международным участием «Неразрушающий контроль и техническая диагностика» 29 сентября - 3 октября 2008 г., г. Н.Новгород; X Всероссийском съезде по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики, г. Нижний Новгород, 24-30 августа 2011 г.; XIX Всероссийской научно-технической конференции по неразрушающему контролю и технической диагностике, г. Самара, 6-8 сентября 2011 г.; XXIII Международной инновационно-ориентированной конференции молодых учёных и студентов (МИКМУС-2011), г.Москва, 14-17 декабря 2011г.; ежегодных Нижегородских сессиях молодых учёных (технические науки) 2008-2011 гг..

Публикации

По теме диссертации опубликовано 32 печатных работы, в том числе 5 статей в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 176 страниц, диссертация содержит 103 рисунков, 6 таблиц, 71 формулу. Список цитируемой литературы включает 130 наименования. В приложении представлены блок-схема математической модели, копии актов внедрения и свидетельства регистрации программы для ЭВМ.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы.

В первой главе проведен обзор литературы, посвященной изучению структурного состояния при пластическом и упругопластическом циклическом деформировании и влияния структурного состояния на акустические параметры поликристаллических материалов. Рассмотрены процессы накопления микродефектов, развития микропластических деформаций при пластическом и усталостном разрушении, связь дислокационной структуры, микронесплошностей, микропор, микротрещин, кристаллографической текстуры, размера зерна с акустическими характеристиками. Исследования показали, что основное влияние на

упругие свойства и акустические характеристики металлов, в которых при пластическом деформировании и усталостном разрушении не происходит фазовых превращений, оказывают накопление структурной поврежденное™ и изменение кристаллографической текстуры. В области многоцикловой усталости основное влияние на акустические параметры оказывает накопление структурной поврежденности.

На основе проведенного анализа литературы сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе изложены материалы и методика исследования. Основные методы исследования включали ультразвуковой эхо-импульсный метод (диаметр пъезопреобразователей 6 мм, несущая частота 5 МГц), металлографический (мобильный программно-аппаратный металлографический комплекс СПЕКТР МЕТ и металлографический комплекс Альтами МЕТ ЗМ), электронно-микроскопический анализ (сканирующий электронный микроскоп VEGA 11 LSU) и вихретоковый метод (вихретоковый дефектоскоп VD-70). Рентгеноструктурный анализ проведен на установке ДРОН-ЗМ. Испытания на одноосное растяжение проводили в соответствии с ГОСТ 1497-84 на машине УМЭ-10т. Скорость деформирования 5мм/мин. Поверхность рабочей части плоских образцов с поперечным сечением 20 мм разбивалась на зоны, где проводились ультразвуковые измерения. Усталостные испытания проводили по схеме консольного изгиба (коэффициент асимметрии цикла R=-l) на машине резонансного типа на образцах прямоугольного сечения III типа (ГОСТ 25.502-79). Частота упругопластического циклического нагружения 10 Гц.

Пластическое и циклическое деформирование проводили пошагово. Металлографические и ультразвуковые измерения проводили до испытаний и после каждого шага пластического (шаг =5%, деформирование до разрушения) и циклического (шаг = 30 ООО циклов, циклическое нагружение до появления макротрещины длиной около 1 мм) деформирования. Измеряли длину, ширину и количество ГПС, диаметры зерен, времена распространения продольных и сдвиговых ультразвуковых волн. Рассчитывали концетрацию ГПС, величину микропластической деформации. Параметр акустическиой анизотропии, отражающий изменение кристаллографической текстуры и пропорциональный коэффициенту функции распределения ориентировок (ФРО) рассчитывали по формуле:

С)

Ггу +rz,

, где г= и г„ - времена распространения сдвиговых упругих волн, поляризованных вдоль и поперек оси нагружения, kw - коэффициент, Wi20 - коэффициент ФРО. Коэффициенты Пуассона определяли как:

Vl-lVl r2-2ri Vl-lVl rl-lzl

v„ =-

2(v:-v¿) 2(r¿-r¿)' * 2(V¿-V¿) 2(^.-4)

(2)

где r„ - время распространения продольных волн, Vzz, Vzx и Vzy — скорости распространения продольной и сдвиговых УВ, поляризованный вдоль и поперек оси нагружения соответственно. Для определения величины микропластических деформаций измерялись расстояния между точками пересечения опорной линии с границами зерен. Величина деформации в í-om зерне определялась как £,* = ¡00%х(/*-/¡0)//,„, где 1т - начальное расстояние между точками, /,* - расстояние между точками после к- ой серии упругопластического циклического деформирования.

Погрешность измерения скорости распространения продольных волн 8 м/с, параметра акустической анизотропии 5х10'4, коэффициентов Пуассона 7хК)4, абсолютная погрешность величины микропластической деформации около 1%.

В третьей главе приведены результаты исследования процесса разрушения металлических сплавов акустическим и оптическим методами контроля при их пластическом деформировании и усталостном нагружении. Изучено влияние пластического и циклического деформирования на CP УВ.

Использование оригинальной авторской методики обработки изображений микроструктуры, полученных в результате металлографических исследований (рис.1а-в), позволило выявить образование очагов микродеформаций при усталостном нагружении, их закрепление и развитие в процессе исчерпания ресурса материала и развитие ГПС, рис. \г-е. Анализ полученных изображений микроструктуры показал, как наиболее протяжённые очаги микродеформации сливаются, образуя макроскопическую трещину.

Рис. 1. Фотографии поверхности микрошлифа стали 15ЮТА одной и той же области исследования: а) исходное состояние материала до нагружения; б) после 100 ООО циклов нагружения; в) после образования макротрещины. Исследуемая поверхность после обработки изображений: г) после первой серии испытаний (23000 циклов); д) после 100 000 циклов, е) после образования усталостной трещины (222 000 циклов).

В результате металлографических исследований усталостного разрушения стали 15ЮТА получены зависимости величины микропластической деформации, концентрации длины и ширины ГПС от количества циклов нагружения. Экспериментальные зависимости концентрации ГПС от относительного количества

циклов нагружения N/N* (N - текущее количество циклов нагружения, N - количество циклов, соответствующее образованию макротрещины) разделяются в соответствии с амплитудами нагружения, рис.2. Экспериментальные исследования показали, что в образцах из стали 15ЮТА, имеющих сварное соединение, концентрация ГПС в ЗТВ приблизительно в два раза меньше, а средняя длина ГПС увеличивается на 50% и больше, чем в зоне основного металла. Образовавшиеся микротрещины в ЗТВ имеют больший, чем в основном материале, размер и быстрее достигают критической величины для их

Рис. 2. концентрации

0,3 0,6 N/N*

Зависимость ГПС от

относительного количества циклов нагружения (А — амплитуда напряжения 275 МПа, ♦ - 306 МПа, * - 336 МПа).

слияния и роста.

Акустические исследования стали 15ЮТА, подвергаемой усталостному нагружению, показали немонотонную зависимость изменения СР продольных УВ от относительного значения количества циклов нагружения (рис. За). На начальном этапе циклического деформирования до значений ЛИУ*=Ю,35 происходит уменьшение СР продольных УВ. При дальнейшем нагружении (0,4<ЛМУ* <0,7) наблюдается увеличение СР УВ.

Стадийность разрушения металла при упругопластическом циклическом деформировании отражается на аналогичном поведении коэффициентов Пуассона Ы'), рассчитанных по данным УЗ измерений при различных амплитудах нагружения, рис. 36. Для более детального изучения поведения СР УВ необходимо моделирование влияния структурных изменений на акустические характеристики при усталостном разрушении.

N/N

N/N*

Рис. 3. Графики зависимости изменения: а) скорости распространения продольных волн; б) коэффициента Пуассона; от относительного количества циклов нагружения N/N*.( 336 Ml la —•— 306 МПа 300 МПа - — - 250 МПа)

В третьей главе также приведены результаты металлографических и ультразвуковых исследований сталей 40, 20, 14ХГС, 12ГС, 07ГБЮ, СтЗсп, подвергаемых одноосному растяжению. В частности, показано, монотонное изменение величины акустической анизотропии, усредненной по исследуемому объему материала, в зависимости от величины пластической деформации рис.4а, что позволяет по данным акустических измерений оценить величину пластической деформации.

Исследования показали неоднородность распределения параметра акустической анизотропии А, по длине образцов (рис. 46). Развитие неоднородности анизотропии упругих свойств связано с неравномерным распределением деформации исследуемых материалов, особенно сварных соединений (рис. 4в,г).

Дисперсия параметра А возрастает от 0,04х 10"3 до Зх 10"3. Это связано с исходной неоднородностью структурного состояния и, как следствие, неравномерностью развития пластической деформации в отдельных объемах металла.

□ 40 • 14ХГС Д12ГС А 20 ■ 07ГБЮ О СтЗсп 10

10 30 50 70 90 х. мм

б

Рис. 4. График зависимости изменения параметра акустической анизотропии от величины пластической деформации для исследуемых сталей (а); распределение параметра акустической анизотропии по длине образца из стали 20 (б); распределение величины пластической деформации (в) и параметра акустической анизотропии (г) по длине сварного образца из стали 07ГБЮ.

Многофакторное влияние структурных изменений (изменение дислокационной структуры, изменение

кристаллографической текстуры, активное накопление микродефектов: вакансий, микропор, микротрещин) на упругие характеристики и плотность материала при пластическом деформировании ведет к сложному поведению СР объемных УВ. Скорости продольных волн на начальном этапе деформирования (до 5%) слабо меняются, с увеличением величины пластической деформации (более 5%) наблюдается резкое уменьшение СР продольных УВ (рис. 5).

В четвертой главе проведён анализ полученных результатов экспериментальных исследований.

Для объяснения результатов экспериментального исследования влияния циклического нагружения на развитие микропластических деформаций, упругие и акустические характеристики поликристаллических материалов было проведено численное моделирование усталостного разрушения с учетом развития структурной поврежденности, изменения кристаллографической текстуры, а также связи упругих модулей с поврежденностью и кристаллографической текстурой. При моделировании учитывались такие особенности усталостного разрушения, как локализация микроочагов деформации, накопление микронесплошностей в металле.

Исследованные в работе экспериментально низкоуглеродистые и низколегированные стали содержат малое количество легирующих элементов и состоят в основном из зерен феррита. В рамках модели с определенными ограничениями будем считать их однофазными поликристаллическими материалами с кубической симметрией решетки. Моделирование проводилось для двух случаев: для изотропного материала, и материала, имеющего начальную текстуру.

Рассматривалось 1000 зерен однофазного поликристаллического материала с кубической симметрией решетки. Задавалось напряжение изменяющееся по синусоидальному закону, коэффициент ассиметрии цикла Я= -1. Ориентация кристаллитов задавалась случайным образом. Эффективное напряжение в цикле проецировалось на кристаллографическую систему координат каждого зерна, рассчитывались касательные напряжения, действующие в каждой из 12 систем скольжения типа {011} <111>.

Предполагалось, что при циклическом деформировании происходит процесс упрочнения. Рассчитывалось изменение циклического предела текучести каждого зерна \т„ в процессе деформирования:

тП1(/)-гП1(0) + М.('). (3)

—О—07ГБЮ -в— СтЗсп 14ХГС

Рис.5. Графики зависимостей СР продольных УВ от величины пластической деформации (стали

07ГБЮ, СтЗсп и 14ХГС).

где кт - коэффициент, Вп(1) — накопленная сдвиговая деформация — зависит от скорости сдвига, имеет термоактивационный характер и меняется нелинейно по экспоненциальному закону.

Предполагалось, что в зернах, в которых величина энергии, затраченной на пластическое деформирование, достигала определенного критического значения, происходило образование микронесплошностей, а зерна с микронесплошностями разрушались и выпадали из общего ансамбля деформирования. Считалось также, что структурная поврежденность ц/с„р пропорциональна относительному количеству зерен, в которых произошло разрушение:

Ро Н„Р

где р0- начальная плотность материала, р - текущая плотность материала, п -количество разрушенных зерен, N - общее число зерен.

Расчеты производились с учетом изменения эффективного напряжения в процессе циклического деформирования за счет образования микронесплошностей.

СР продольных и поперечных УВ рассчитывалась согласно методике Сайерса:

+ ^ + р^=/1+с(<ц)-±]; <=„ + ^>4} (5)

,где {г3),(г4),(г5} — параметры, зависящие от углов разориентировки зёрен; модули К и ц зависят от повреждённости и рассчитывались согласно методике Салганика.

Результаты моделирования качественно согласуются с результатами экспериментальных исследований усталостного разрушения стали 15ЮТА, рис. 6.

Проведённое численное моделирование показало, что структурная поврежденность и текстура могут оказывать различное влияние на СР УВ, параметр акустической анизотропии и коэффициент Пуассона. Характер изменения кристаллографической текстуры сильно зависит от начальной текстуры, которая определяется термической и пластической обработкой. Моделирование показало, что влияние текстуры и поврежденности на СР УВ при малоцикловом нагружении одного порядка. Изменение текстуры в процессе усталостного нагружения ведет к изменению упругой анизотропии и сложному изменению модулей и СР УВ при циклическом нагружении.

В результате экспериментальных исследований усталостного разрушения сталей 15ЮТА и 07ГБЮ получено, что связь критического значения количества циклов нагружения с углом наклона касательных, проведённых к графикам зависимости Ду2х(ЛИУ) (ЛГ соответствует первому по счёту экстремуму графиков ), на начальном этапе нагружения, хорошо аппроксимируется линейной зависимостью ЛГ* = к^Ауа/А(М/М')-к'2, (где к',,к\ - коэффициенты) что позволяет прогнозировать число циклов до появления макротрещины.

6110

30 60 Л/Х1000 в

Зависимость

Рис. 6. Зависимость величины микропластической деформации: а) моделирование; б) эксперимент; зависимость СР продольных УВ: в) моделирование; г) эксперимент^--336 МПа —306 МПа -275 МПа .......300 МПа)

5 6130

о 50 100 150 200

Л/х 1000 б

6150

50 100

N>•1000

а

Накопление микродефектов в виде микропор, микротрещин, влияющих на акустические характеристики материала должны коррелировать с концентрацией ГПС. Детальный анализ с помощью сканирующего электронного микроскопа VEGA II LSU показал, что ГПС в исследуемой стали являются источниками образования микротрещин как внутри зерна, так и на границе зерен. Отмечено, что в местах выхода ГПС на границу зерен обнаруживаются микротрещины (рис.7а), которые образуются также вдоль границы ГПС (рис.7б).

E»e¡m;oy>:02/»/11 Ol»t* Мкгомсру ínegrng i

Рис. 7. Грубые полосы скольжения (РЭМ, х20 ООО).

Помимо изменения дислокационной структуры в процессе циклического нагружения происходит деформирование отдельных зерен. Зависимость величины микропластических деформаций ехи еу от концентрации ГПС хорошо аппроксимируется линейной зависимостью (рис. 10а). Исследования показали, что угол наклона этих кривых QKy = Аех/ An (An - изменение концентрации ГПС) имеет высокую степень корреляции с числом циклов нагружения N*, соответствующим моменту образования макротрещины

Связь поврежденное™ у п, рассчитанной с помощью формулы Пальмгрена (i//„ = N/N*), с концентрацией ГПС и величиной Q = (Qx +Q,)/2 определялась в виде ряда, ограниченного членами второго порядка:

¥<Г =kor +kwQ + k2Vn + k34,nQ+k„Q2 +k5Vn\ где к„ - коэффициенты, рассчитанные с помощью нелинейной множественной регрессии: kov = -0,203, к^ =0,476, i2T =-0,026, куу =0,118, кгу =-0,132, кУ1, =0,001. Корреляционное поле значений у/, рассчитанных с помощью металлографических измерений, и значений N / N*, полученных по данным механических испытаний, приведено на рис. 8.

Ренггеноструктурные исследования стали 15ЮТА, подверженной усталостному разрушению, показали увеличение остаточных микронапряжений,

связанных с накоплением микродефектов.

Уширение дифракционной линии ß22o в момент образования макротрещины составило 26%. Рентгеноструктурный анализ показал, что фазовых изменений при усталостном разрушении стали 15ЮТА не происходит.

Для оценки величины пластической деформации при статическом нагружении металлических сплавов, имеющих структурную неоднородность, связанную с локальным термическим воздействием, предложено использовать данные

0,0 0,2 0.4 0,6 0,8 N/N*

Рис. 8. Корреляционное поле значений цт, рассчитанных с помощью оптических измерений, и значений N/N*, полученных по

данным механических испытании, металлографических и акустических исследований. Используя соотношение Холла-Петча <гт, =<т0, +к/1с1!~'п, описывающего связь предела текучести с диаметром зерна, и используя уравнение Людвига о^ = аТ1 + С,£,"', в предположении, что характеристики упрочнения к у; слабо меняются при переходе от основного металла в области ЗТВ с повышенным диаметром зерна, получено выражение для расчета величины пластической деформации в ЗТВ:

, ч 1/п

К,

с

2) + (киАА+к2сАА2)"

(6)

,где кг, С, ки, к2с - коэффициенты, п - показатель деформационного упрочнения и с/„„ - средние значение диаметров зерен в ЗТВ и основном материале соответственно.

Предложенный подход может использоваться, когда определение величины пластической деформации материала по изменению геометрических размеров исследуемого объекта невозможно. Рассчитанная по формуле (6) деформация в ЗТВ сталей 07ГБЮ и СтЗсп имеет хорошую корреляцию со значениями деформации в ЗТВ, полученными в результате прямых измерений микрометром. Отклонение расчётного и фактического значений деформации в ЗТВ не превышает 1%. .«»«.эксперимент —расчет (осн. мет.) о расчет (ЗТВ) При ОДНООСНОМ растяжении

образца из стали СтЗсп (без сварного шва), имеющего две зоны локального термического влияния (1т*г=Ю00 °С), получено, что в ЗТВ наблюдаются области, как с повышенной, так и с небольшой величиной пластической

деформации, рис. 9. Величину пластической деформации в основном материале можно рассчитать с помощью корреляционной зависимости 633 = 28000><А2 + 377><А + 3,884 по данным акустических измерений. Деформация на участках рекристаллизации рассчитывалась по формуле (6). Отклонение расчетных значений и полученных в результате прямых измерений микрометром не превышало 1%, рис. 9. В результате металлографических исследований выявлено, что в ЗТВ в областях с меньшей величиной пластической деформации наблюдается видманштеттовая структура, в областях с наибольшим значением деформации наблюдается повышенный по сравнению с основным материалом диаметр зерна, что соответствует участку рекристаллизации, при этом наименьшее значение пластической деформации наблюдается в основном материале.

Используя разработанный метод, поврежденность при пластическом деформировании ряда исследованных сталей рассчитывали как отношение текущего значения величины пластической деформации к критическому. Предельную деформацию определяли как деформацию, при которой наступает потеря локальной устойчивости, которая характеризуется максимальным значением растягивающей силы и определяется экспериментально.

В пятой главе даны практические рекомендации по применению полученных результатов.

Были проведенны акустические и металлографические исследования подвергаемого разрушению при статическом нагружении фрагмента магистрального газопровода, изготовленного из стали 09Г2С, имеющего сварное соединение.

16

20 70 120 170

X. мм

Рис. 9. Распределение деформации е33 по длине образца из стали СтЗсп с ЗТВ.

Полученная монотонная зависимость параметра акустической анизотропии от величины пластической деформации (рис. 10а) позволила рассчитать ее распределение по исследуемому фрагменту (рис. 106). Связь величины пластической деформации с величиной акустической анизотропии для стали 09Г2С определяется выражением:

Е|,(%) = 279502хА2+223,89хА- 11,84. (7)

Апробация методики оценки величины пластической деформации в ЗТВ по данным акустических и оптических измерений проведена на сварном соединении, изготовленном из трубной стали 20, подвергнутом пошаговому пластическому деформированию.

Сравнение результатов расчета величины пластической деформации по данным акустических измерений и фактической пластической деформации в ЗТВ и основном материале показали их хорошее совпадение. Абсолютная погрешность оценки величины пластической деформации не превышала 1%.

20 -

12

зона разрушения---- 0

л •

О ____

сварной шов

Фактически значение деф

^ шей»«

| Расчетное | значение деф

0

10

£, %

20

X, мм

а б

Рис. 10. а) График зависимости параметра акустической анизотропии от

величины пластической деформации; б) распределение пластической деформации по

длине образца.

На Волго-Камском управлении ООО «Газпром газнадзор» (г. Нижний Новгород) и на производстве ООО «НПП «Иннотех» (г. Санкт-Петербург) проведена успешная апробация метода оценки величины пластической деформации и поврежденное™ на трубных сталях, используемых для изготовления магистральных газо- и нефтепроводов, где одноосные растягивающие напряжения реализуются, например, изгиб трубы, при оползневых деформациях. За критическое значение деформации при расчете поврежденности принималось значение, регламентируемое нормативными документами. Ожидаемый годовой экономический эффект от применения метода для оценки состояния трубопроводов составляет 900 тыс. рублей. Предложенный в диссертационной работе метод обработки изображений микроструктуры, заключающийся в последовательном совмещении изображений, дает возможность проводить визуализацию структурных изменений при усталостном нагружении поликристаллических материалов. Разработанный подход был использован при создании анимации процесса разрушения одной из исследуемых сталей (сталь 15ЮТА), которая наглядно демонстрирует формирование ГПС,

изменение микропластической деформации, образование и развитие макротрещин и окончательное разрушение материала.

Полученный демонстрационный материал применяется в учебных целях на кафедре "Динамика, прочность машин и сопротивление материалов" Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева. Используемый материал позволяет наглядно и поэтапно показать стадии разрушения на уровне микроструктуры до образования макротрещины, а также формирование и развитие макротрещины.

В приложении представлены блок-схема алгоритма численного моделирования процесса усталостного разрушения, копии актов внедрения полученных результатов исследования и копия свидетельсва государственной регистрации программы для ЭВМ.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Впервые оптическим методом была исследована связь концентрации ГПС и величины микропластических деформаций на уровне зерна при различных амплитудах циклического деформирования. Предложен метод оценки величины поврежденности при усталостном нагружении металлических сплавов на основе измерения микропластических деформаций и концентрации ГПС.

2. Впервые с помощью математического моделирования процесса усталостного разрушения получена сравнительная оценка влияния структурной поврежденное™ и изменения кристаллографической текстуры на упругие модули и акустические характеристики исследуемых сталей. В результате моделирования процесса усталостного разрушения при малоцикловом нагружении показано: влияние текстуры и поврежденности на СР УВ одного порядка; немонотонное поведение СР УВ в процессе циклического деформирования можно объяснить стадийностью развития структурной поврежденное™ и изменения кристаллографической текстуры.

3. Экспериментально показано, что в ЗТВ в процессе циклического деформирования наблюдаются повышенные значения длины ГПС и микропластических деформаций, что способствует слиянию микротрещин и ведет к раннему образованию макротрещины и снижению характеристик усталостной прочности в ЗТВ по сравнению с основным материалом.

4. Экспериментально выявлено, что интенсивность изменения коэффициента Пуассона на начальном этапе усталостного нагружения, рассчитанная с помощью соотношения СР продольных и поперечных УВ для стали 15ЮТА, имеет высокую корреляционную связь с количеством циклов нагружения до разрушения, что позволяет прогнозировать число циклов до появления макротрещины.

5. Исследовано влияние пластического деформирования материала сварного соединения на акустические параметры в зоне сварного шва, ЗТВ и основном металле. Найдены закономерности влияния структурной неоднородности на распределение величины пластической деформации в ЗТВ. Предложен метод оценки величины пластической деформации и поврежденное™ в ЗТВ по данным акустических и металлографических исследований.

Основные публикации по теме диссертации

(жирным шрифтом выделены публикации в журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ):

1. Гончар, А. В. Исследование микропластической деформации конструкционной стали на начальном этапе усталостного нагружения методами неразрушающего контроля /А. В. Гончар, A. JI. Руденко, В. В. Мишакин //Деформация и разрушение материалов. - 2012. - № 7. - С. 37 - 42.

2. Гончар, А. В. Исследование усталостного разрушения сталей 08Х18Н10Т и 15ЮТА акустическим, оптическим и вихретоковым методами /А. В. Гончар, В. А. Клюшников //Вестник Нижегородского университета им. Н. И. Лобачевского. - 2011. - № 4 (4). - С. 1448-1450.

3. Гончар, А. В. Исследование разрушения при статическом нагружении сварных соединений акустическим методом /А. В. Гончар, В. В. Мишакин, К. В. Курашкин, Н. В. Данилова //Тяжелое машиностроение. - 2009. - № 7. - С. 27-30.

4. Гончар, А. В. Исследование металлических сплавов акустическим методом при статическом и усталостном нагружении /А. В. Гончар, В. В. Мишакин //Вестник Нижегородского университета им. Н. И. Лобачевского. - 2010. -№ 5 (2).-С. 116-119.

5. Гончар, А. В. Диагностика материалов конструкций на ранних стадиях усталостного разрушения и оценка НДС материала конструкций методами неразрушающего контроля /А. В. Гончар, В. В. Мишакин, Н. В. Данилова, К. В. Курашкин, В. А. Клюшников //Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С. П. Королева. - 2011. -№3(27).-С. 299-307.

6. Gonchar, A. The Joint Weld Destruction Study by Non-destructive Control Methods /А. Gonchar, V. Mishakin, N. Kassina, V. Klyushnikov// Proceeding 7th International Symposium on Non Destructive Testing in Civil Engineering (NDTCE'09). - 2009. -P.955-960.

7. Гончар, А. В. Моделирование влияния циклического нагружения на развитие структурной поврежденное™, изменение модулей упругости и скорости распространения упругих волн в поликристаллическом материале /А. В. Гончар, В. В. Мишакин //Прикладная механика и технологии машиностроения: сборник научных трудов. - 2011. - № 2 (19). - С. 174- 184.

8. Гончар, А. В. Исследование процесса усталостного разрушения низкоуглеродистой стали 15ЮТА неразрушающими методами контроля /А. В. Гончар, В. В. Мишакин //Труды Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева. - 2011. - № 3 (90). - С. 235 - 243.

9. Гончар, А. В. Оценка величины пластической деформации в структурно-неоднородных материалах с помощью ультразвуковых и металлографических исследований /А. В. Гончар, В. В. Мишакин //Труды Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева. - 2012. - № 3 (96).-С. 221 -227.

Подписано в печать 11.01.2013. Формат 60 х 84 Бумага офсетная. _Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 21._

Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева.

Типография НГТУ. Адрес университета и полиграфического предприятия: 603950, ГСП-41, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24.