автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Влияние переменных нагрузок на структуру и свойства сварных соединений низколегированных сталей

На правах рукописи

Кусков Константин Викторович

ВЛИЯНИЕ ПЕРЕМЕННЫХ НАГРУЗОК НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Специальность 05.16.09 - материаловедение (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г 8 ноя т

Тюмень 2013

005541293

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Ковенский Илья Моисеевич

Официальные оппоненты:

Гуревич Юрий Григорьевич

доктор технических наук, профессор, Курганский государственный университет, профессор кафедры

Моргун Игорь Данилович

кандидат технических наук, доцент, ООО «Тюменский центр аттестации сварщиков», директор

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образо-

вательное учреждение высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет»

Защита состоится 23 декабря 2013 г. в 1600 часов на заседании диссертационного совета Д212.273.09 при Тюменском государственном нефтегазовом университете по адресу: 625000, г. Тюмень, ул. Володарского, д. 38, зал им. А.Н. Косухина.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотечно-информационном центре Тюменского государственного нефтегазового университета по адресу: 625039, г. Тюмень, ул. Мельникайте, д. 72.

Автореферат разослан_ноября 2013 г.

Ученый секретарь ........—^

диссертационного совета ^^¿¿ё^З Ирина Александровна Бенедиктова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В процессе эксплуатации оборудования и изделий машиностроения установлено, что разрушение большого числа объектов происходит при нагрузках ниже предела текучести. В результате многократного воздействия циклических нагрузок на материал происходит изменение его структуры и появляются микроскопические нарушения сплошности, которые впоследствии могут увеличиться в размерах и перерасти в очаг зарождения и развития трещины. Этому способствует многократное чередование областей с изменяющимися напряжениями. Циклические нагрузки воздействуют на большинство эксплуатирующихся изделий: мостовые конструкции, авто- и железнодорожный транспорт, металлообрабатывающие станки и инструмент, прессы, летательные аппараты, подъемные механизмы, трубопроводы и т.д.

Сопротивление материала усталости в большой степени обусловлено структурой, напряженным состоянием и качеством поверхностного слоя. Отрицательное воздействие оказывают напряжения растяжения и многочисленные концентраторы напряжений: металлургические (неметаллические включения, поры, ликвация, усадочные раковины), технологические (повышенная шероховатость, погрешности механической обработки), конструктивные (отверстия, выборки, проточки, переходные участки между сечениями детали с различной площадью) и эксплуатационные (коррозионные повреждения, углубления, трещины).

Сложность изучения и прогнозирования усталостного разрушения обусловлена тем, что зарождение и развитие трещин происходит в локальных объемах изделия, определяемых структурными составляющими материала и их ориентацией относительно действующих номинальных нагрузок. Это значительно усиливает вероятностный характер возникновения микротрещин, способных к дальнейшему развитию.

В сварных машиностроительных конструкциях имманентно присутствуют не только указанные выше напряжения, но и технологически заложено различие структур наплавленного, свариваемого (основного) металла, а также зоны термического влияния. Кроме того, при сварке дополнительно формируются остаточные напряжения и существует опасность возникновения закалочных структур, что может привести к образованию трещин. Поэтому исследование усталости сварных конструкций и их элементов приобретает особую актуальность. Тем более при решении современных задач машиностроения по снижению материалоемкости машин, интенсификации, повышению надежности и ресурса их эксплуатации.

Степень разработанности темы исследования. В нашей стране и за рубежом выполнены и опубликованы многочисленные работы по усталости сварных соединений. Показано влияние способа сварки, типа соединения, остаточных напряжений, марок свариваемых и сварочных материалов, условий эксплуатации, конструктивных форм и размеров. Однако усталостные исследования с точки зрения структуры шва, зоны термического влияния и свариваемого материала немногочисленны. Кроме того, большинство усталостных испытаний проведено более 20 лет назад при нагрузках с асимметрией цикла от минус 0,8 до 0,5, что не всегда соответствует реальным условиям эксплуатации сварных машиностроительных конструкций. Но поскольку, в последние годы, технологии изготовления металла и проката усовершенствованы, используются новые оборудование, материалы и технологии сварки, это ограничивает применение результатов ранее выполненных исследований.

Цель работы. Целью диссертационной работы является выявление характера разрушения и изменения свойств сварных соединений низколегированных сталей 09Г2С, 17Г1С-У и 16Г2АФ в процессе циклических растягивающих нагрузок.

Задачи исследования:

1. Выполнить усталостные испытания при максимальных растягивающих нагрузках, составляющих 80 и 60 % от условного предела текучести сталей 09Г2С, 17 Г1С-У и 16Г2АФ.

2. Рассчитать уравнения регрессии между циклической долговечностью материала и параметрами испытаний. Определить количество циклов до разрушения сварного соединения с момента появления первых трещин и оценить влияние структуры стали на их величину. Установить степень влияния качества сварного шва на количество циклов до разрушения.

3. Провести фрактографические исследования изломов с целью выявления особенностей зарождения и распространения усталостных трещин.

4. Определить механические свойства сварных образцов с различной степенью накопленных усталостных повреждений.

5. Разработать методику оценки остаточного ресурса эксплуатации металлоконструкций с учетом условий нагружения.

Научная новизна:

1. Получен новый экспериментальный материал о циклической долговечности сварных соединений низколегированных сталей 09Г2С, 17Г1С-У и 16Г2АФ при знакопостоянном нагружении с асимметрией цикла 0,8 - 0,9. На основе результатов испытаний рассчитаны квадратичные уравнения корреляции числа циклов до разрушения сталей от максимального напряжения растяжения и размаха напряжений цикла, которые позволяют оценить циклическую долговечность сварной конструкции при заданных параметрах испытаний (или условий эксплуатации).

2. Установлено, что наличие сварного шва уменьшает количество циклов нагружения до разрушения стали 09Г2С в 1,5 - 12 раз в зависимости от условий испытаний и дефектности шва, стали 16Г2АФ - в 1,5 - 2,0 раза, а стали 17Г1С-У в 1,15 - 1,8 раза по сравнению с бесшовными образцами. Циклическая долговечность значительным образом зависит от размеров и формы допускае-

мых нормативно-технической документацией сварочных дефектов, являющихся концентраторами напряжений. Определено количество циклов до разрушения исследованных сталей с момента появления первых трещин.

3. Установлена ямочная структура поверхности излома, формирование которой обусловлено глобулярными образованиями. По результатам усталостных испытаний стали 17Г1С-У установлено расслоение поверхности разрушения как на сварных, так и на бесшовных образцах. На изломах сталей 09Г2С и 16Г2АФ образуются мелкие вторичные трещины длиной 30— 150 мкм.

4. Выявлена «ступенька» повышенной микротвердости величиной 780 -880 МПа вблизи зоны термического влияния, соответствующая области накопления усталостных повреждений в процессе испытаний. Рентгеноструктурным анализом и просвечивающей электронной микроскопией установлено увеличение плотности дислокаций в структуре на участке «ступеньки».

5. Разработаны алгоритм и методика расчета остаточного ресурса эксплуатации металлоконструкции, рассчитаны и построены графики для их осуществления.

Практическая значимость:

1. Методика и графики для определения остаточного ресурса мостовых конструкций приняты в ООО «Тюменьстальмост» (акт внедрения от 01.11.2013).

2. Разработаны и запатентованы конструкции зажимного устройства (патент РФ № 112083) и многопозиционных образцов для испытаний (патенты РФ № 123953 и № 124803).

3. Результаты исследования используются при подготовке магистров по направлению 150100 «Материаловедение и технологии материалов», на курсах повышения квалификации специалистов машиностроительного профиля, а также в учебном пособии «Испытания сварных соединений деталей и конструкций нефтегазового оборудования».

Методология и методы исследования. Использовался комплекс методов исследования, включающий: спектральный и рентгенофлюоресцентный анализ химического состава, световую микроскопию, растровую и просвечивающую электронную микроскопию, рентгеноструктурный анализ, механические испытания, а также математический анализ уравнений корреляции.

Положения, выносимые на защиту:

1. Экспериментальный материал о циклической долговечности сварных соединений низколегированных сталей 09Г2С, 17Г1С-У и 16Г2АФ при знакопостоянном нагружении с асимметрией цикла 0,8 - 0,9.

2. Результаты математического анализа усталостных испытаний и полученные квадратичные уравнения корреляции числа циклов до разрушения сталей от максимального напряжения растяжения и размаха напряжений цикла.

3. Влияние сварного шва и его дефектности на циклическую долговечность.

4. Особенности изменения структуры и механических свойств различных зон сварного соединения под воздействием переменных нагрузок.

5. Алгоритм, методика и графики для расчета остаточного ресурса эксплуатации металлоконструкции.

Степень достоверности результатов. Достоверность результатов обусловлена использованием современных методик, позволяющих комплексно оценить полученные результаты. Статистическая обработка подтвердила, что результаты усталостных испытаний и полученные уравнения регрессии не выходят за пределы 95 %-го доверительного интервала.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы эксплуатации систем транспорта» (Тюмень, 2009); Всероссийской научно-технической конференции «Инновационное нефтегазовое оборудование: проблемы и решения» (Уфа, 2010); V и VI Международных научно-технических конференциях «Современные проблемы машиностроения» (Томск,

2010, 2011); Международной научно-практической конференции «Проблемы функционирования систем транспорта» (Тюмень, 2010); Международных научно-технических конференциях «Нефть и газ Западной Сибири» (Тюмень, 2011, 2013); 15-й международной научно-практической конференции «Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика» (С-Петербург, 2013) и на ежегодных Всероссийских научно-технических конференциях «Новые технологии - нефтегазовому региону» (Тюмень, 2010 - 2012).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ, 12 в других изданиях, получено 3 патента на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, приложения, списка литературы, включающего 106 наименований, и содержит 115 страниц, 39 рисунков, 9 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, охарактеризована степень ее разработанности, поставлены цель и задачи исследования, показаны ее научная новизна, практическая значимость, методология и методы исследования, положения, выносимые на защиту, степень достоверности и апробация результатов.

В первой главе освещено современное состояние вопроса и выполнен анализ литературных данных по теме диссертации. Рассмотрены основные положения усталостных испытаний металлов и сплавов, особенности разрушения сварных соединений и изменение структуры и свойств низколегированных сталей в процессе длительной эксплуатации.

Во второй главе приводятся характеристики исследованных материалов, указанные в таблице 1 и методики проведения экспериментов.

Усталостные испытания проводили на универсальной машине ЦД-20Пу. Переменная растягивающая нагрузка от максимального напряжения растяжения °шах До минимального отш действовала вдоль оси образца (перпендикулярно сварному шву). Частота циклов нагружения составляла 10 Гц. В каждой серии использовали по 7 образцов. Погрешность измерения числа циклов до разрушения N не превышала 5 %.

Таблица 1 - Механические свойства исследованных сталей

Предел прочности а„, Условный предел те- Относительное уд-

Марка стали МПа кучести сто.2, МПа линение 5, %

09Г2С 490 415 29,8

17Г1С-У 590 491 20,6

16Г2АФ 600 450 20,9

Микротвердость измеряли на приборе ПМТ-3 по стандартной методике. Ударную вязкость определяли на маятниковом копре МК-30А, используя образцы с и-образным надрезом.

Для анализа микроструктуры использовали световую микроскопию на оборудовании МЕТАМ ЛВ-31. Фрактографический анализ изломов проводили, используя растровую электронную микроскопию на приборе 6510.

Электронно-микроскопические исследования структуры проводили на приборе ТЕБЬА-ЮО методом тонких фольг.

Рентгеноструктурный анализ выполняли на дифрактометре ДРОН-7 в кобальтовом излучении.

Для спектрального анализа использовали спектрометр ДФС-71, а для рентгенофлюоресцентного прибор Х-Мй 5000.

При выполнении контроля качества сварного шва использовали метод визуально-измерительного контроля и радиографический.

Для определения начала зарождения трещины, ее положения, а так же глубины, были использованы метод магнитной памяти металла (прибор ИКН-

8), феррозондовый метод (прибор «Полюс») и электропотенциальный метод, (прибор ЭПД-8).

В третьей главе приведены результаты усталостных испытаний, представленные в таблицах 2 - 4, и проведена их математическая обработка. Приведены данные фрактографических исследований поверхностей усталостного разрушения, а так же результаты микротвердости и ударной вязкости для сталей с различной степенью усталостных повреждений.

Таблица 2 - Результаты усталостных испытаний стали 09Г2С

Максимальное Минимальное Размах на- Количест-

№ серии Тип образцов напряжение растяжения <W, МПа напряжение растяжения (Tmin, МПа пряжений цикла А„, МПа во циклов до разрушения N

1 330 294 36 16000

2 330 303 27 35000

3 А - с визуально различимыми допустимыми дефектами сварного шва 330 312 18 125000

4 330 314 16 150000

5 283 260 23 97000

6 250 214 36 50700

7 250 223 27 97600

8 250 232 18 250300

9 205 169 36 57200

10 205 187 18 323500

11 330 294 36 83000

12 Б - без выявлен- 330 312 18 348000

13 ных дефектов 250 214 36 95700

14 сварного шва 250 232 18 433200

15 205 169 36 126800

16 430 384 46 17300

17 330 284 46 64100

18 В - без сварного шва 330 294 36 198200

19 330 303 27 346000

20 330 312 18 497000

21 250 214 36 239000

22 205 169 36 322900

Таблица 3 - Результаты усталостных испытаний стали 17Г1С-У

№ серии Типы образцов Максимальное напряжение растяжения атах, МПа Размах напряжений цикла А,,, МПа Количество циклов до разрушения N

31 Со сварным швом 297 44 191400

32 297 22 442000

33 360 44 175100

34 360 33 319400

35 360 22 423900

36 393 44 160200

37 393 22 416400

38 Без сварного шва 297 44 345000

39 297 22 514500

40 360 44 334900

41 360 33 421700

42 360 22 498000

43 393 44 229300

44 393 22 467200

Таблица 4 - Результаты усталостных испытаний стали 16Г2АФ

№ серии Типы образцов Напряжение растяжения МПа Размах напряжений цикла А0) МПа Количество циклов до появления трещины Ытр Количество циклов до разрушения N

51 Со сварным швом 360 36 164995 185150

52 360 28 278360

53 360 20 491470

54 315 36 201370 219510

55 315 28 329600

56 315 20 497890

57 270 36 278800 315250

58 270 28 400740

59 270 20 510350

60 Без сварного шва 360 36 294410 368210

61 360 28 527300

62 270 36 481480

63 270 20 958500 1265300

С помощью программы STATISTICA 6.1 (коэффициент множественной корреляции 0,95, р-уровень 0,01) рассчитали уравнения регрессии между количеством циклов до разрушения образца N и параметрами испытаний: максимальной растягивающей нагрузкой стах и размахом напряжений цикла Ас. Для сварных образцов из стали 09Г2С

N = 1,5768 • 106 + 743,344 • отах - 82834,5135 • Аа - 3,0898 • о2тях + 58,6958 + Аа-стах+ 1031,6689 -Ас2;

стали 17Г1С-У

N = 5,1787 • 105+251,4986 • отах+ 151,026 -Аа- 0,6914 • с2тах-- 2,1285 • А„ • отах - 164,4628 • А,,2 ;

стали 16Г2АФ

N= 1,5428- 10б-3370,1296-стзх-21406,875 -Ап + 7,1868 • а2тах-- 77,2361 • А„ • атах + 526,6146 • Аа2 .

На рисунке 1 приведен пример геометрической интерпретации полученных уравнений.

Фрактограммы поверхностей излома при различных увеличениях приведены на рисунке 2. Видны ямки различных размеров, которые сливаются в одну большую, состоящую из десятка более мелких. Внутри ямок обнаружены глобулярные образования, которые могли стать очагом зарождения трещин.

Для стали 17Г1С-У установлено расслоение поверхности разрушения как на сварных, так и на бесшовных образцах, появившееся после проведения усталостных испытаний. На изломах сталей 09Г2С и 16Г2АФ обнаружены мелкие вторичные трещины длиной 30 — 150 мкм.

Рисунок 1 - Графическая интерпретация уравнения корреляции количества циклов до разрушения N сварных образов стали 09Г2С с максимальным напряжением растяжения сттах и размахом напряжений цикла А0

^ о<=>

а б

а - 09Г2С (х5000); б - 17Г1С-У (х 1 ООО) Рисунок 2. Примеры фрактограмм поверхностей излома сталей

В таблице 5 представлены результаты испытаний на ударную вязкость образцов, подвергнутых циклическим испытаниям в половину среднего числа циклов до разрушения образцов.

Полученные результаты свидетельствуют о снижении ударной вязкости образцов после усталостных испытаний. При этом величина КСи составляет приблизительно 35 % от ударной вязкости исходных образцов при больших максимальных напряжениях растяжения и 80 — 87 % при малых напряжениях.

Таблица 5 - Результаты испытаний на ударную вязкость

№ серии Марка стали Максимальное напряжение растяжения атах, МПа Размах цикла напряжения А„, МПа Количество циклов на-гружения Ударная вязкость кси, Дж/см2

3 330 18 62500 7,9

14 09Г2С 250 18 216600 18,7

исход- 0 0 0 21,6

ный

37 393 22 208200 10,3

32 17Г1С-У 297 22 221000 23,8

исход- 0 0 0 29,7

ный

После проведения усталостных испытаний измеряли микротвердость на боковой поверхности разрушенных образцов, начиная от центра шва к захватам, расстояние между ближайшими измерениями составляли 0,2 мм. В таблице 6 указаны замеры через каждый 1 мм.

Таблица 6 - Результаты замеров микротвердости

Расстояние от центра шва, мм Значение микротвердости, МПа

для стали 09Г2С для стали 17Г1С-У для стали 16Г2АФ

1 872 786 878

2 890 789 891

3 880 792 902

4 921 797 908

5 958 797 948

6 901 799 931

7 861 800 937

8 859 805 938

9 864 809 930

10 857 812 910

11 852 814 985

12 834 780 1054

13 798 756 1110

14 784 835 968

15 773 780 892

16 748 779 882

17 733 777 865

18 741 771 870

19 738 738 868

20 742 731 891

21 740 722 864

22 734 705 833

23 739 709 831

24 743 699 815

25 743 703 800

Примечание: микротвердость основного металла исходных образцов (не испытанных на усталость) составила 700 МПа для стали 09Г2С, 650 МПа для стали 17Г1С-У и 680 для стали 16Г2АФ.

Установлено, что характер изменения микротвердости для всех исследованных сталей аналогичен. По мере перемещения от центра наплавленного металла к зоне сплавления твердость увеличивается, а затем уменьшается в зоне перегрева основного (нерасплавившегося) свариваемого металла. Далее микротвердость снова возрастает, достигая максимума в зоне нормализации, и затем снижается, образуя промежуточную «ступеньку», прежде чем стабилизируется вплоть до захватов.

«Ступенька» микротвердости, как свидетельствуют результаты рентгено-структурного анализа, обусловлена увеличением плотности дислокаций в зоне ее образования. Прямые наблюдения структуры сталей в просвечивающем электронном микроскопе, подтверждают, что основной причиной повышенной микротвердости является скопление дислокаций как видно из рисунка 3.

а - в области образовавшейся «ступеньки»(х40000); б - в области основного металла вблизи захватов (х40000) Рисунок 3 - Изменение плотности дислокаций

Полученные результаты усталостных испытаний и структурных исследований позволили разработать алгоритм, схематично представленный на рисунке 4, и методику определения остаточного ресурса длительно эксплуатирующейся конструкции, используя графики типа N=f(omax, А<,.) с учетом доверительных интервалов.

Проведение усталостных испытаний

Получение уравнений корреляции N. отах,Аа

Расчет и построение графиков

ь>

Мониторинг нагрузок при эксплуатации конст-

рукции

Анализ данных по количеству и величине нагрузок

Оценка состояния материала конструкции

Определение остаточного ресурса

Рисунок 4 - Алгоритм методики определения остаточного ресурса конструкции

Определение остаточного ресурса возможно при наличии данных о количестве и величине изменения нагрузки в процессе эксплуатации. Эти данные позволяют оценить величину накопленных циклов изменения нагрузки Ыэ. При отсутствии таких данных имеется возможность провести оценочное испытание с применением датчиков деформации интегрального типа. Предполагая равномерное накопление усталостных повреждений в одинаковые периоды времени эксплуатации, можно рассчитать величину накопленных циклов изменения нагрузки.

Другой составляющей, необходимой для определения остаточного ресурса конкретного участка той или иной конструкции, являются эксперименталь-

ные данные усталостных испытаний стали, из которой изготовлена конструкция. Причем, по этим данным должны быть построены уравнения корреляции числа циклов до разрушения 14, максимальной растягивающей нагрузки 0тах и размаха напряжений цикла Аа (графики для расчета). Затем, предполагая варианты параметров дальнейшей эксплуатации выбранной сварной конструкции (Отах и Ас), можно определить общее число циклов до разрушения .

Остаточный ресурс конструкции, выраженный как оставшееся число циклов нагружения до разрушения №ост , вычисляют как разность

Н,ст = ^ - N3 .

В процессе выполнения алгоритма рекомендуется выбирать более жесткие условия эксплуатации, чтобы несколько занизить остаточный ресурс и избежать аварийной ситуации.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты работы, а так же рекомендации и перспективы дальнейшей разработки темы.

1. Получен новый экспериментальный материал о циклической долговечности низколегированных сталей 09Г2С, 17Г1С-У и 16Г2АФ при максимальных нагрузках атах, составляющих 80 и 60 % от условного предела текучести.

2. Установлено, что наличие сварного шва уменьшает количество циклов нагружения до разрушения стали 09Г2С в 1,5 - 12 раз в зависимости от условий испытаний и дефектности шва, стали 16Г2АФ - в 1,5-2,0 раза, а стали 17Г1С-У в 1,15 - 1,8 раза по сравнению с бесшовными образцами. Сопротивление усталости значительным образом зависит от размеров и формы допустимых нормативно-технической документацией дефектов, являющихся концентраторами напряжений.

3. Определено количество циклов до разрушения исследованных сталей с момента появления первых трещин. Полученные данные позволяют свое-

временно обнаружить начавшееся разрушение и устранить дефектный участок.

4. Установлен ямочный характер поверхности излома, формирование которой обусловлено глобулярными образованиями. После усталостных испытаний стали 17Г1С-У установлено расслоение поверхности разрушения как на сварных, так и на бесшовных образцах. На изломах сталей 09Г2С и 16Г2АФ обнаружены мелкие вторичные трещины длиной 30- 150 мкм.

5. Установлена промежуточная «ступенька» повышенной микротвердости величиной 780 - 880 МПа вблизи зоны термического влияния, соответствующая зоне накопления усталостных повреждений в процессе испытаний. Рентгеноструктурным анализом и просвечивающей электронной микроскопией показано увеличение плотности дислокаций на участке «ступеньки».

6. Получены квадратичные уравнения корреляции числа циклов до разрушения сварных соединений сталей 09Г2С, 17Г1С-У и 16Г2АФ от максимального напряжения растяжения и размаха напряжений цикла, которые позволяют оценить остаточный ресурс сварной конструкции от заданных параметров испытаний.

7. Разработаны алгоритм и методика расчета остаточного ресурса эксплуатации сварной конструкции, рассчитаны и построены графики для их осуществления.

Рекомендации и перспективы дальнейшей разработки темы:

Основываясь на результатах настоящей диссертационной работы, и используя их как методологию можно расширить базу материалов для определения остаточного ресурса работающих сварных конструкций, в условиях переменных нагрузок.

Основные результаты диссертации опубликованы

В рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ

1. Ковенскнй, И.М. Влияние дефектов сварных соединений на усталостные характеристики стали 09Г2С / И.М. Ковенский, К.В. Кусков, В.В. Проботюк// Омский научный вестник. - 2012,- № 3. — С. 58-60.

2. Кусков, К.В. Усталостные испытания сварных соединений трубной стали 09Г2С / К.В. Кусков, И.М. Ковенский, В.Н. Кусков, А.Г. Обухов// Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. 2012. — № 3. -С. 80-82.

3. Кусков, К.В. Малоцикловая усталость сварных соединений стали 09Г2С/ К.В. Кусков, И.М. Ковенский // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. - 2012. — №3. -С. 41-44.

4. Ковенский, И.М. Усталостное разрушение сварных соединений трубных сталей 09Г2С и 17Г1С-У / И.М. Ковенский, К.В. Кусков, И.А. Бенедиктова// Омский научный вестник.- 2013. — № 2.- С. 51-53.

В других изданиях

1. Кусков, К.В. Структурные изменения металла труб, находившихся в длительной эксплуатации / К.В. Кусков // Проблемы эксплуатации систем транспорта: материалы Всероссийской научно-практической конференции. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2009. -С. 176-180.

2. Ковенский, И.М. Коррозионные повреждения труб из стали 09Г2С в результате длительной эксплуатации /И.М. Ковенский, К.В. Кусков// Новые технологии-нефтегазовому региону: материалы Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых.-Тюмень: ТюмГНГУ, 2010,- Т. № 2. - С. 21 - 23.

3. Ковенский, И.М. Сравнительный анализ информативности применения неразрушающих методов контроля труб/ И.М. Ковенский, К.В. Кусков, A.C. Бачериков // Современные проблемы машиностроения: Труды V

международной научно-технической конференции. -Томск, 2010. — С. 211-212.

4. Кусков, К.В. Информативность неразрушающих методов при контроле труб/ К. В. Кусков, И.М. Ковенский, A.C. Бачериков, А.Р. Хучахмедов // Инновационное нефтегазовое оборудование: проблемы и решения: II Всероссийская научно-техническая конференция. -Уфа, 2010. С. 33-35.

5. Кусков, К.В. Применение неразрушающих методов контроля для оценки возможности дальнейшей эксплуатации трубопроводов/ К.В. Кусков, И.М. Ковенский, Д.Ю. Вонтлый // Проблемы функционирования систем транспорта: материалы международной научно-практической конференции. - Тюмень, 2010. -С. 188-189.

6. Кусков, К.В. Влияние допустимых дефектов сварных соединений на сопротивление усталости трубопровода/ К.В. Кусков, И.М. Ковенский, A.B. Девяшин// Современные проблемы машиностроения: труды VI международной научно-технической конференции. -Томск, 2011. — С. 276-278.

7. Кусков, К.В. Усталостные испытания сварных соединений из стали 09Г2С / К. В. Кусков, И.М.Ковенский, C.B. Уйманов // Нефть и газ Западной Сибири: международная научно-техническая конференция, посвященная 55- летию ТюмГНГУ. -Тюмень, 2011. - С. 40-41.

8. Кусков, К.В. Влияние допустимых дефектов сварного соединения на ресурс трубной стали 09Г2С при переменных нагрузках/ К.В. Кусков, P.A. Хучахмедов // Нефть и газ Западной Сибири: материалы международной научно-технической конференции.-Тюмень, 2013.- Т. № 1.-С. 102-104.

9. Кусков, К.В. Усталостные испытания сварных соединений трубных сталей/ К.В. Кусков, E.H. Гарбуз // Новые технологии — нефтегазовому региону: материалы Всероссийской научно-практической конференции. — Тюмень, 2011. Т. № 2. - С. 69-71.

Ю.Кусков, К.В. Влияние малоцикловой усталости на сталь 09Г2С/ К.В. Кусков, P.A. Хучахмедов // Новые технологии - нефтегазовому региону:

материалы Всероссийской научно-практической конференции. —Тюмень,

2012. Т№ 2.-С. 126-128.

11 .Кусков, К.В. Сравнение характеристик трубных сталей, подвергнутых усталостным испытаниям/ К.В. Кусков, О.В. Кадолова // Новые технологии - нефтегазовому региону: материалы Всероссийской научно-практической конференции. -Тюмень, 2013. Т. № 1. — С. 140-142.

12.Кусков, К.В. Структурные особенности малоциклового разрушения сварных соединений трубных сталей различных классов/ К.В. Кусков, И.М. Ковенский // Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика: материалы 15-й международной научно-практической конф. Часть 1. - С-Петербург : Изд-во политехнического университета,

2013.-С. 110-112.

Патенты

1. Пат. 112083, Российская Федерация. Зажимное устройство для усталостных испытаний образцов/ Ковенский И.М., Кусков К.В.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Тюменский государственный нефтегазовый университет. Опубл. 10.01.2012.

2. Пат. 123953 Российская Федерация. Образец для механических и структурных испытаний / Ковенский И.М., Кусков К.В.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Тюменский государственный нефтегазовый университет. Опубл. 10.01.2013.

3. Пат. 124803 Российская Федерация. Образец для механических и структурных испытаний/ Ковенский И.М., Кусков К.В., Неупокоева A.A.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Тюменский государственный нефтегазовый университет. Опубл. 10.02.2013.

Подписано в печать 18.11.2013 Формат 60x90 1/16. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ № 1961

Библиотечно-издательский комплекс федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет». ' 625000, Тюмень, ул. Володарского, 38.

Типография библиотечно-издательского комплекса. 625039, Тюмень, ул. Киевская, 52.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «Тюменский государственный нефтегазовый университет»

04201455255 На правах рукописи

Кусков Константин Викторович

Влияние переменных нагрузок на структуру и свойства сварных соединений

низколегированных сталей

Специальность 05.16.09 - материаловедение (машиностроение)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор,

Ковенский Илья Моисеевич

Тюмень 2013

ВВЕДЕНИЕ 4

1 АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ УСТАЛОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ 10 НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

1.1 Основные положения усталостного разрушения металлических 10 сплавов

1.2 Особенности усталостного разрушения сварных соединений 18

1.3 Изменение структурных свойств низколегированных сталей 27 в процессе длительной эксплуатации

2 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ 3 8

2.1 Характеристика исследуемых материалов 38

2.2 Усталостные испытания 41

2.2.1 Образцы для испытаний 41

2.2.2 Методика проведения усталостных испытаний 48

2.3 Неразрушающие методы контроля исследуемых образцов 51

2.4 Структурные исследования 54

3 УСТАЛОСТНОЕ РАЗРУШЕНИЕ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ 56 НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ С РАЗЛИЧНЫМ СТРУКТУРНЫМ УПРОЧНЕНИЕМ

3.1 Результаты усталостных испытаний 56

3.2 Фрактографический анализ усталостных изломов 62

3.2.1 Визуальный (оптический) метод 62

3.2.2 Растровая электронная микроскопия 67

3.3 Механические свойства образцов, подвергнутых усталостным 75 испытаниям

3.3.1 Результаты определения микротвердости 76

3.3.2 Рентгеноструктурный анализ 84

3.3.3 Просвечивающая электронная микроскопия 85

3.3.4 Определение ударной вязкости 87

3.4 Математический анализ результатов усталостных испытаний и 89 его графическая интерпретация

3.5 Разработка методики определения остаточного ресурса сварной 98 конструкции

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 104

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 106

ПРИЛОЖЕНИЕ

Актуальность темы исследования. В процессе эксплуатации оборудования и изделий машиностроения установлено, что разрушение большого числа объектов происходит при нагрузках ниже предела текучести. В результате многократного воздействия циклических нагрузок на материал происходит изменение его структуры и появляются микроскопические нарушения сплошности, которые впоследствии могут увеличиться в размерах и перерасти в очаг зарождения и развития трещины. Этому способствует многократное чередование областей с изменяющимися напряжениями. Циклические нагрузки воздействуют на большинство эксплуатирующихся изделий: мостовые конструкции, авто- и железнодорожный транспорт, металлообрабатывающие станки и инструмент, прессы, летательные аппараты, подъемные механизмы, трубопроводы и т.д.

Сопротивление материала усталости в большой степени обусловлено структурой, напряженным состоянием и качеством поверхностного слоя. Отрицательное воздействие оказывают напряжения растяжения и многочисленные концентраторы напряжений: металлургические (неметаллические включения, поры, ликвация, усадочные раковины), технологические (повышенная шероховатость, погрешности механической обработки), конструктивные (отверстия, выборки, проточки, переходные участки между сечениями детали с различной площадью) и эксплуатационные (коррозионные повреждения, углубления, трещины).

Сложность изучения и прогнозирования усталостного разрушения обусловлена тем, что зарождение и развитие трещин происходит в локальных объемах изделия, определяемых структурными составляющими материала и их ориентацией относительно действующих номинальных нагрузок. Это значительно усиливает вероятностный характер возникновения микротрещин, способных к дальнейшему развитию.

В сварных машиностроительных конструкциях имманентно присутствуют не только указанные выше напряжения, но и технологически заложено различие структур наплавленного, свариваемого (основного) металла, а также зоны термического влияния. Кроме того, при сварке дополнительно формируются остаточные напряжения и существует опасность возникновения закалочных структур, что может привести к образованию трещин. Поэтому исследование усталости сварных конструкций и их элементов приобретает особую актуальность. Тем более при решении современных задач машиностроения по снижению материалоемкости машин, интенсификации, повышению надежности и ресурса их эксплуатации.

Степень разработанности темы исследования. В нашей стране и за рубежом выполнены и опубликованы многочисленные работы по усталости сварных соединений. Показано влияние способа сварки, типа соединения, остаточных напряжений, марок свариваемых и сварочных материалов, условий эксплуатации, конструктивных форм и размеров. Однако усталостные исследования с точки зрения структуры шва, зоны термического влияния и свариваемого материала немногочисленны. Кроме того, большинство усталостных испытаний проведено более 20 лет назад при нагрузках с асимметрией цикла от минус 0,8 до 0,5, что не всегда соответствует реальным условиям эксплуатации сварных машиностроительных конструкций. Но поскольку, в последние годы, технологии изготовления металла и проката усовершенствованы, используются новые оборудование, материалы и технологии сварки, это ограничивает применение результатов ранее выполненных исследований.

Цель работы. Целью диссертационной работы является выявление характера разрушения и изменения свойств сварных соединений низколегированных сталей 09Г2С, 17Г1С-У и 16Г2АФ в процессе циклических растягивающих нагрузок.

Задачи исследования:

1. Выполнить усталостные испытания при максимальных растягивающих нагрузках, составляющих 80 и 60 % от условного предела текучести сталей 09Г2С, 17 Г1С-У и 16Г2АФ.

2. Рассчитать уравнения регрессии между циклической долговечностью материала и параметрами испытаний. Определить количество циклов до разрушения сварного соединения с момента появления первых трещин и оценить влияние структуры стали на их величину. Установить степень влияния качества сварного шва на количество циклов до разрушения.

3. Провести фрактографические исследования изломов с целью выявления особенностей зарождения и распространения усталостных трещин.

4. Определить механические свойства сварных образцов с различной степенью накопленных усталостных повреждений.

5. Разработать методику оценки остаточного ресурса эксплуатации металлоконструкций с учетом условий нагружения.

Научная новизна:

1. Получен новый экспериментальный материал о циклической долговечности сварных соединений низколегированных сталей 09Г2С, 17Г1С-У и 16Г2АФ при знакопостоянном нагружении с асимметрией цикла 0,8 - 0,9. На основе результатов испытаний рассчитаны квадратичные уравнения корреляции числа циклов до разрушения сталей от максимального напряжения растяжения и размаха напряжений цикла, которые позволяют оценить циклическую долговечность сварной конструкции при заданных параметрах испытаний (или условий эксплуатации).

2. Установлено, что наличие сварного шва уменьшает количество циклов нагружения до разрушения стали 09Г2С в 1,5 - 12 раз в зависимости от условий испытаний и дефектности шва, стали 16Г2АФ - в 1,5 - 2,0 раза, а стали 17Г1С-У в 1,15 - 1,8 раза по сравнению с бесшовными образцами. Циклическая долговечность значительным образом зависит от размеров и формы допускаемых нормативно-технической документацией сварочных дефектов, являющихся

концентраторами напряжений. Определено количество циклов до разрушения исследованных сталей с момента появления первых трещин.

3. Установлена ямочная структура поверхности излома, формирование которой обусловлено глобулярными образованиями. По результатам усталостных испытаний стали 17Г1С-У установлено расслоение поверхности разрушения как на сварных, так и на бесшовных образцах. На изломах сталей 09Г2С и 16Г2АФ образуются мелкие вторичные трещины длиной 30- 150 мкм.

4. Выявлена «ступенька» повышенной микротвердости величиной 780 - 880 МПа вблизи зоны термического влияния, соответствующая области накопления усталостных повреждений в процессе испытаний. Рентгеноструктурным анализом и просвечивающей электронной микроскопией установлено увеличение плотности дислокаций в структуре на участке «ступеньки».

5. Разработаны алгоритм и методика расчета остаточного ресурса эксплуатации металлоконструкции, рассчитаны и построены графики для их осуществления.

Практическая значимость:

1. Методика и графики для определения остаточного ресурса мостовых конструкций приняты в ООО «Тюменьстальмост» (акт внедрения от 01.11.2013).

2. Разработаны и запатентованы конструкции зажимного устройства (патент РФ № 112083) и многопозиционных образцов для испытаний (патенты РФ № 123953 и № 124803).

3. Результаты исследования используются при подготовке магистров по направлению 150100 «Материаловедение и технологии материалов», на курсах повышения квалификации специалистов машиностроительного профиля, а также в учебном пособии «Испытания сварных соединений деталей и конструкций нефтегазового оборудования».

Методология и методы исследования. Использовался комплекс методов исследования, включающий: спектральный и рентгенофлюоресцентный анализ химического состава, световую микроскопию, растровую и просвечивающую

электронную микроскопию, рентгеноструктурный анализ, механические испытания, а также математический анализ уравнений корреляции.

Положения, выносимые на защиту:

1. Экспериментальный материал о циклической долговечности сварных соединений низколегированных сталей 09Г2С, 17Г1С-У и 16Г2АФ при знакопостоянном нагружении с асимметрией цикла 0,8 - 0,9.

2. Результаты математического анализа усталостных испытаний и полученные квадратичные уравнения корреляции числа циклов до разрушения сталей от максимального напряжения растяжения и размаха напряжений цикла.

3. Влияние сварного шва и его дефектности на циклическую долговечность.

4. Особенности изменения структуры и механических свойств различных зон сварного соединения под воздействием переменных нагрузок.

5. Алгоритм, методика и графики для расчета остаточного ресурса эксплуатации металлоконструкции.

Степень достоверности результатов. Достоверность результатов обусловлена использованием современных методик, позволяющих комплексно оценить полученные результаты. Статистическая обработка подтвердила, что результаты усталостных испытаний и полученные уравнения регрессии не выходят за пределы 95 %-го доверительного интервала.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы эксплуатации систем транспорта» (Тюмень, 2009); Всероссийской научно-технической конференции «Инновационное нефтегазовое оборудование: проблемы и решения» (Уфа, 2010); V и VI Международных научно-технических конференциях «Современные проблемы машиностроения» (Томск, 2010, 2011); Международной научно-практической конференции «Проблемы функционирования систем транспорта» (Тюмень, 2010); Международных научно-технических конференциях «Нефть и газ Западной Сибири» (Тюмень, 2011, 2013); 15-й международной научно-практической конференции «Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и

практика» (С-Петербург, 2013) и технических конференциях «Новые (Тюмень, 2010 - 2012).

на ежегодных Всероссийских научно-технологии - нефтегазовому региону»

1 АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ УСТАЛОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Проблема разрушения длительно эксплуатирующихся изделий машиностроения при нагрузках ниже предела прочности стали возникла у практиков еще в XIX веке (В.А. Альберт, Ж.-В. Понселе и др.). Особенно остро она встает при оценке прочности сварных конструкций вследствие влияния технологических, конструктивных и структурных факторов сварки. В частности, в работе [1] уделено особое внимание методам, направленным на исключение катастрофических разрушений сварных конструкций при уровне напряжений, значительно ниже допускаемых по стандартным нормам расчетов на прочность.

Циклическое изменение нагрузки провоцирует движение дислокаций, их перераспределение и взаимодействие между собой, неметаллическими включениями и поверхностными механическими повреждениями. Постепенно формируется очаг разрушения и начинается движение магистральной трещины. Это, в свою очередь, отражается на структуре металла и его свойствах.

Учитывать деградацию свойств металла диктует развивающаяся быстрыми темпами промышленность. С ростом потребления металлов металлоемкость изделий должна снижаться, а запас прочности оставаться на приемлемом для эксплуатации уровне. Для реализации этого необходимо знать, в каких условиях работает тот или иной механизм, а также какие нагрузки он испытывает, как изменяются его структура и свойства.

1.1 Основные положения усталостного разрушения металлических сплавов

Различным аспектам усталостного разрушения посвящены многочисленные исследования.

Так, И.А. Одинг [2], уделял внимание глубине развития усталостной трещины, характеру излома, числу одновременно задействованных очагов разрушения, структурным признакам появления первой усталости в металле,

которое сказывалось на изменении микроструктуры после наработки определенного числа циклов.

В.П. Когаев [3] делал акцент на экспериментальное определение характеристик сопротивления усталости при симметричных и асимметричных циклах нагружения, описал принципы построения полных вероятностных диаграмм усталости, указал возможности применения ранее полученных данных о пределах выносливости материалов при расчетах вероятности разрушения. В работе [3] приведены методы расчета запаса прочности для деталей, подвергающихся переменным во времени нагрузкам, а также их практическое приложение.

В работах Л.М. Школьника и В.Т. Трощенко [4, 5] описаны методы усталостных испытаний, которые отличаются не только типом нагружения, но и количеством образцов, их размерами и формой, наличием концентраторов напряжений. Рассмотрены методики сокращенных усталостных испытаний при изменяющемся цикле нагружения. Указаны особенности построения кривой усталости. Приведены возможные типы оборудования для их проведения. В работе [4] показаны возможности сопротивления усталостному разрушению ряда углеродистых, легированных сталей, а также алюминиевых, титановых, никелевых, магниевых и других сплавов. В другой работе В.Т. Трощенко [6], где рассматриваются вопросы механики разрушения и стойкости материалов к трещинообразованию, изучено зарождение магистральной трещины при усталостном разрушении и указаны некоторые аспекты стабильного и нестабильного развития усталостных трещин.

На изучение влияния среды, амплитуды циклической деформации, влияние частоты и формы цикла нагружения, прочности и пластичности, а также ряда металлургических и технологических факторов на процесс малоцикловой усталости материалов и сварных конструктивных элементов направлена работа [7]. Отражены вопросы кинетики усталостного разрушения при циклическом нагружении в упруго-пластической области.

Совершенствовались также методики испытаний. Были получены первые

v=Al/An=f(o, 1, с), (1.1)

где 1 - длина трещины или половина ее длины в случае симметричной трещины; о - напряжение цикла;

с - постоянная материала (трещиностойкость, физический предел текучести а0.2, способность к пластической деформации в устье трещины, геометрия детали, упрочнение и разупрочнение и др.); п - число циклов.

B.C. Иванова [8] рассматривала связь между пластической деформацией и хрупким или вязким разрушением при ползучести, усталости, а также влияние дислокационной структуры, формирующейся в металле на стадии зарождения трещины, на особенности субкритического роста трещин. Отдельное внимание уделено методам определения экстремальных значений вязкости разрушения, реализуемых при субкритическом росте трещины в условиях статического и циклического нагружений с использованием критериев подобия локального разрушения. В работе развивается концепция циклической вязкости разрушения.

Авторы [9] рассматривали разрушение, как процесс кинетический, статистический, многостадийный и многомасштабный. На основе представлений о дефектах кристаллического строения предложены микроскопические модели зарождения и роста трещин. Выделяли главные стадии процесса разрушения: создание локальных перенапряжений, зарождение и рост микротрещин, зарождение макротрещин, кинетика развития и строения пластических зон у вершин макротрещин, переход трещины в неустойчивое состояние. Приведены особенности разрушения металлов с решетками типа ГЦК и ОЦК, показана значительная зависим�