Определение деградации сталей аустенитного класса при статическом и усталостном нагружениях на основе акустического метода тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

005537153

На правах рукописи

Клюшников Вячеслав Александрович

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЕГРАДАЦИИ СТАЛЕЙ АУСТЕНИТНОГО КЛАССА ПРИ СТАТИЧЕСКОМ И УСТАЛОСТНОМ НАГРУЖЕНИЯХ НА ОСНОВЕ АКУСТИЧЕСКОГО МЕТОДА

Специальности: 01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и

аппаратуры

05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

7 НОЯ 2013

Нижний Новгород - 2013

005537153

Диссертационная работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте проблем машиностроения Российской Академии наук, г. Нижний Новгород.

Научный руководитель: доктор технических наук,

Мишакин Василий Васильевич

Официальные оппоненты: Супрун Анатолий Николаевич,

доктор физико-математических наук, профессор, ФГБОУ ВПО "Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет", заведующий кафедрой

Пачурин Герман Васильевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева», заведующий кафедрой Ведущая организация: Открытое акционерное общество Горьковский

автомобильный завод «ОАО «ГАЗ», (г. Нижний Новгород).

Защита состоится «27» ноября 2013 г. в 1400 на заседании диссертационного совета Д 212.165.08 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. Алексеева.

Автореферат разослан ' Zï ' октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Грамузов Евгений Михайлович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Одной из актуальных задач эксплуатации металлических конструкций является задача надежной оценки их ресурса. Наиболее перспективные разработки в этом направлении относятся ие к обнаружению макротрещин, которые могут быть выявлены методами традиционной дефектоскопии, а к исследованиям состояния материалов при их упругопластическом и циклическом деформировании на ранних стадиях разрушения задолго до образования макротрещин.

Классические методы предсказания долговечности при помощи полуэмпирических формул основываются на уравнениях механики. Однако, в уравнениях механики не учитывается то, что в процессе силового нагружения помимо накопления повреждений и образования несплошностей в легированных нержавеющих сталях аустенитного класса активно изменяется фазовый состав, существенно влияющий на скорость накопления повреждений и деградацию элементов конструкций. В некоторых случаях эти изменения происходят с первых циклов нагружения, например, при разрушении в области малоцикловой усталости, в широком диапазоне рабочих температур - низких, комнатных и при сотнях градусов Цельсия. Как правило, выделение дополнительных фаз сопровождается изменениями физических свойств материалов - упругих, прочностных и других характеристик, в т.ч. и акустических.

В общем случае, деградацию металлов характеризуют как опасное изменение в структуре, физических свойствах или внешнем виде материала.

Для оценки поврежденное™ при силовом нагружении широкое распространение получил акустический метод, позволяющий фиксировать необратимые изменения физических свойств материала конструкций. Структурно-чувствительные акустические параметры позволяют обнаруживать деградацию материала до образования макротрешины. Другим физическим методом, дающим возможность прямого исследования процесса разрушения материала на поверхности изделия, является металлографический метод. Современные переносные металлографические комплексы позволяют проводить оценку состояния материала непосредственно на элементе конструкции.

На сегодняшний день имеется множество работ, посвященных влиянию микродефектов на характеристики распространения упругих волн, однако влияние фазовых превращений в метастабильных коррозионно-стойких аустенитных сталях мало изучено. Задача проведения исследований процесса деградации с помощью использования данных акустического и оптического методов контроля, а также разработка методов оценки поврежденное™, наработки без разрушения материала конструкций на базе этих измерений в настоящее время приобретает большое значение.

Цель и задачи исследования.

Целью диссертационной работы является разработка метода определения деградации метастабильных сталей при их статическом и циклическом деформировании по данным акустических и металлографических исследований.

Для реализации этой цели необходимо решение следующих задач:

1. Провести исследования влияния регулярного и блочного режимов циклического нагружения на упругие и акустические характеристики метастабильных сталей.

2. Определить параметр деградации исследуемых сталей, разработать алгоритм количественной оценки деградации по данным акустических измерений.

3. Выявить связь наработки и поврежденности исследуемых метастабильных сталей с параметром деградации.

4. Исследовать связь режимов нагружения с изменением акустических характеристик и характеристик микропластичности.

5. Исследовать влияние процесса упрочнения метастабильных сталей на акустические характеристики при статическом деформировании. Разработать алгоритм оценки величины упрочнения по данным акустических измерений.

6. Провести апробацию разработанного метода оценки деградации на силовом элементе конструкций.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. На основании выявленных закономерностей влияния малоциклового усталостного разрушения иа упругие и акустические характеристики сталей аустенитного класса определен параметр деградации, отражающий фазовые превращения и накопление структурной поврежденности исследуемых сталей.

2. Обоснован критерий предельного состояния циклического нагружения метастабильных сталей на основе оценки критического значения параметра деградации, соответствующего появлению макротрещины.

3. Разработан алгоритм определения поврежденности и наработки исследуемых материалов при упругопластическом циклическом деформировании с помощью оценки величины деградации материала ультразвуковым методом.

4. Разработан алгоритм оценки величины упрочнения при упругопластическом деформировании по данным акустических измерений.

Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты экспериментального исследования влияния статического и усталостного разрушения на упругие и акустические характеристики сталей аустенитного класса.

2. Алгоритм оценки наработки, поврежденности на ранней стадии разрушения метастабильных сталей с помощью параметра деградации.

3. Алгоритм оценки величины упрочнения при статическом деформировании метастабильных сталей по данным акустических измерений.

4. Результаты апробации разработанного метода оценки поврежденности на силовом элементе конструкции при его усталостном разрушении.

Личный вклад автора состоит в анализе литературных источников, проведении акустических и металлографических исследований, интерпретации полученных результатов, создании алгоритма оценки деградации материалов с помощью акустического методов.

Достоверность полученных результатов обеспечена применением современных методов исследования свойств подвергаемых разрушению конструкционных сталей, подтверждена значительным объемом экспериментальных

данных, обсуждением полученных результатов на научно-технических конференциях, верификацией результатов на силовом элементе конструкций.

Теоретическая и практическая значимость работы

Теоретическая значимость заключается в выявлении закономерности изменения упругих и акустических характеристик сталей с активным изменением фазового состава и структурной поврежденности, происходящих в процессе усталостного разрушения и упругоиластического деформирования.

Экспериментальное определение параметра деградации и его количественной оценки на базе акустических измерений в процессе исчерпания ресурса материала позволит оценивать величину наработки, поврежденности метастабильных сталей, широко используемых в атомной, химической и других отраслях промышленности, при усталостном нагружении.

Апробация работы

Результаты работы докладывались на XLV1I Международной конференции «Актуальные проблемы прочности», 1-5 июля 2008 г., г. Нижний Новгород; 18-й Всероссийской конференции с международным участием «Неразрушающий контроль и техническая диагностика» 29 сентября - 3 октября 2008 г., г. Н.Новгород; 7-ом Международном Симпозиуме по неразрушающему контролю в гражданском строительстве «NDTCE'09» 30 нюня - 3 июля 2009 г., Франция, г. Нант; 10-ой Европейской конференции по неразрушающему контролю и технической диагностике, 7-11 июня 2010г., г. Москва; XXII сессии РАО, 15-17 июня 2010 г., г. Москва; X Всероссийском съезде по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики. Н.Новгород, 24-30 августа 2011 г.; XIX Всероссийской научно-технической конференции по неразрушающему контролю и технической диагностике, г.Самара, 6—8 сентября 2011г.; ежегодных Нижегородских сессиях молодых учёных (технические науки) 2008-2011 гг.

Работа докладывалась на семинаре ИПМ РАН, Н.Новгород, 2 ноября 2013 г.;

В завершенном виде работа докладывалась на семинаре кафедры «Динамика, прочность машин и сопротивление материалов» Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева под руководством Засл. деят науки РФ, проф. В.М. Волкова.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 20 печатных работ, в том числе 6 статей в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, в списке литературы приведены 14 наиболее значимых работ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Общий объём диссертации составляет 130 страниц, диссертация содержит 77 рисунков, 4 таблицы. Список цитируемой литературы состоит из 114 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертационной работы, определена цель и задачи, сформулирована научная новизна, практическая значимость работы и основные результаты, выносимые на защиту.

В первой главе проведён обзор литературы, посвященной влиянию накопления микроповреждений и изменения фазового состава на модули упругости и акустические параметры материала при циклическом и упругопластическом деформировании.

Деградационные процессы, протекающие в эксплуатационных условиях в металлах и сплавах, приводят к накоплению рассеянных микроповреждений и в конечном итоге к образованию макротрещины и разрушению конструкции. Разрушение метастабильных аустенитных сталей, к которым относятся стали 08Х18Н10Т, 10X17H13M3T, 304 и другие, широко используемые в атомной, химической и других отраслях промышленности, сопровождается не только накоплением микроповреждений, но и активным изменением фазового состава, существенно влияющего на скорость накопления повреждений материала и ресурс элементов конструкций.

Литературный обзор показал, что современные подходы к оценке степени усталостного разрушения метастабильных сплавов основаны на определении кинетики фазовых превращений при циклическом деформировании. Существует корреляция между плотностью микротрещин и объёмной долей мартенситной фазы, образующихся при силовом нагружении. Работы по исследованию связи фазовых изменений со структурной поврежденностыо метастабильных сталей при усталостном разрушении проводились такими авторами, как В.Ф. Терентьев, О.В. Соснин, Р. Hedström, Th Nebel, В.-A. Behrens и др.

Для оценки состояния конструкционных материалов наиболее удобно в инженерном плане использовать структурно-чувствительный ультразвуковой эхо-импульсный метод, являющийся оперативным, безопасным и сравнительно дешевым. Влияние усталостного разрушения на акустические характеристики сталей аустенитного класса исследовали В.В. Муравьев, Л.Б Зуев, A.A. Хлыбов, А.Л. Углов и др.

Для разработки алгоритма оценки наработки конструкций из метастабильных сталей на базе акустических измерений необходимо учитывать, что образование мартенситной фазы вносит дополнительный вклад в изменение модулей упругости, в том числе коэффициентов Пуассона и, соответственно, отражается на измеряемых акустических параметрах.

В конце главы 1 сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе представлены исследованные материалы и методики измерений. Приведены марки исследуемых сталей, химический состав и механические свойства. Описаны методики проведения механических испытаний, акустических и металлографических исследований. Ультразвуковые исследования проводили эхо-импульсным методом, с использованием пьезоэлектрических преобразователей Panametrics диаметром 6 мм и несущей частотой 5 МГц.

Металлографические исследования проводились с помощью портативного металлографического комплекса МИКРОКОН-МЕТ, включающего в себя шлифовальную машинку Аккупол, портативный микроскоп МПМ-2У-КС, фотоаппарат Canon A650/S и программное обеспечение M1CROKON МЕТ 5.7.

Испытания на малоцикловую усталость образцов из стали 08Х18Н10Т были проведены при симметричном одноосном растяжении - сжатии при двух режимах

нагружения - регулярном и блочном. Для проведения исследований были выбраны образцы, имеющие круглое сечение диаметром 12мм. На рабочей зоне образцов были вырезаны площадки 3*30мм для проведения акустических и металлографических исследований. При испытании в режиме регулярного нагружения для трех образцов из стали 08Х18Н10Т задавалась амплитуда пластической деформации ДеШ1, для шести образцов задавалась амплитуда полной деформации Де-Дс^+Лс^р (Деупр - амплитуда упругой деформации) по 2 образца для каждого значения амплитуды деформации. При блочном режиме нагружения испытывалось 8 образцов, разбитых на пары, для каждой пары было своё изменение амплитуды полной деформации.

Испытание на малоцикловую усталость катаной стали 304 проводилось на плоскопараллелыюм образце размерами - 300x25x4мм. Коэффициент асимметрии цикла R=0. Образец первоначально был подвергнут одноосному растяжению, при котором его пластическая деформация составила 10%. При этом же напряжении 0| проводились поэтапные циклические испытания, после каждого этапа нагружения проводились акустические измерения. После пятисот циклов величина напряжения была повышена до значения с2, при котором пластическая деформация образца увеличилась ещё на 10%. После проведения циклических испытаний образец был растянут до образования шейки.

Образцы из стали 08Х18Н10Т были изготовлены из поковки, образец из стали 304 был вырезан из катаного уголка.

Исследование разрушения при одноосном статическом деформировании проводилось на образцах из сталей 10X17H13M3T, 15Х18Н12С4ТЮ и 08Х18Н10Т.

Усталостное и статическое деформирование образцов из стали 08Х18Н10Т проводилось на испытательной универсальной установке МИУ-200.1КТ (изготовитель НИКЦИМ Точмашприбор, г. Армавир). Испытательная машина поверена в соответствии с ГОСТ 28840-90. Погрешность силоизмерителя не превышает ±1% от измеряемой нагрузки.

Усталостное нагружение образца из стали 304 и статическое деформирование образцов из сталей I0X17H13M3T и 15Х18Н12С4ТЮ проводилось на электромеханической универсальной разрывной машине Tinius Olsen H100KU (изготовитель Tinius Olsen, Inc., США). Погрешность измерения нагрузки составляет ±0,5% в диапазоне от 0,2-100% ёмкости установленного датчика силы. Испытательная машина поверена в соответствии с ГОСТ 28840-90. а также стандартам ASTM Е4, EN 10002-2, DIN 51221, ISO 7500-1.

Все испытания проводились при комнатной температуре.

Статическое и циклическое деформирование выполнялись поэтапно. Металлографические и ультразвуковые измерения проводились до начала механических испытаний и после каждого этапа испытаний. Измерялись микропластические деформации и времена распространения продольных и сдвиговых ультразвуковых волн.

Параметр акустической анизотропии, отражающий эффект двулучепреломленпя поперечных упругих волн и связанный, в основном с изменением кристаллографической текстуры при нагружении материала, рассчитывали по формуле:

где г2Ч и т2> - времена распространения сдвиговых ультразвуковых волн, поляризованных вдоль и поперек оси нагружения, соответственно, и -скорости распространения сдвиговых ультразвуковых волн, поляризованных вдоль и поперек оси нагружения соответственно.

Два из шести коэффициентов Пуассона и для ортотропного материала определяются из соотношения скоростей или времён распространения объемных упругих волн с учётом выражения:

„ 4-24 _ „ ._

а 2(4-4) 2(У£ — У}х) * 2{У1-У%У

где г„ и К„ - время и скорость распространения продольной ультразвуковой волны соответственно.

Измерение микропластических деформаций на образцах из стали 08Х18Н10Т, для которых задавалась амплитуда пластической деформации ДЕщ,, осуществлялось с помощью реперных точек. Реперные точки были нанесены в виде сетки из отпечатков, сделанных с помощью цифрового микротвердомера НУЯ-ЮОО. Микропластические деформации образцов из стали 08Х18Н10Т, для которых задавалась амплитуда общей деформации Де', определялись путем измерения расстояний между точками пересечения условной опорной линии с границами зерен материала. Для измерения величины микропластических деформаций проводилась съёмка одного и того же места протравленного микрошлифа. Величина деформации в зерне определялась как:

1к-I

ек =---100%, (3)

/

'о

где 1,а - начальное расстояние между точками, /,* - расстояние между точками после />ой серии упругопластического циклического деформирования.

Погрешность измерения скорости распространения ультразвуковых волн 5 м/с, параметра акустической анизотропии 5*10"\ коэффициентов Пуассона 7*10 , абсолютная погрешность измерения величины микропластической деформации около 1%.

В третьей главе приведены результаты акустических и оптических исследований процесса разрушения метастабильных сталей методами контроля при их упругопластическом и циклическом деформировании. Приведённые данные исследования влияния усталостного разрушения на стадии накопления микроповрежденности до образования макротрещины на акустические характеристики и параметры микропластичности служат обоснованием для выбора методики определения деградации.

Одним из основных акустических параметров является скорость распространения упругих волн, которая зависит от различного рода факторов, например микродефектов и кристаллографической текстуры. В метастабильных сталях на значение скорости также влияет выпадение дополнительной фазы.

Увеличение плотности микродефектов приводит к уменьшению скорости упругих волн. Кристаллографическая текстура может приводить как к увеличению скорости, так и к ее уменьшению. В общем случае изменение скорости упругих волн носит немонотонный характер.

Проведенные ультразвуковые исследования образцов из стали 08Х18Н10Т показали, что кривые зависимостей изменения скоростей упругих волн Угу от числа циклов нагружения N (рис, 1) хорошо разделяются при разных уровнях амплитуды деформации. Такое разделение можно объяснить увеличением интенсивности накопления микродефектов при более высоких амплитудах деформации.

N1, Ле-0,33% N2, Де'=0,33%

о 0,9 1,8 2 7 3 6 4 5 0 0,9 1,8 2,7 3,6 4,5

£д(Л0 1_д(Л/)

а) б)

Рис. 1. Зависимость изменения скоростей распространения сдвиговых волн Угу. от количества циклов нагружения ТУ для образцов из стали 08Х18Н10Т (а - задавалась амплитуда пластической деформации Де„.„; б - задавалась амплитуда полной

деформации Де').

Хорошее разделение кривых изменения скоростей сдвиговых волн К2у при различных значениях амплитуд деформации позволяет идентифицировать амплитуду нафужения по данным акустических измерений.

Расчёт коэффициента Пуассона \ху, поляризованного поперёк оси нагружения, по данным ультразвуковых исследований образцов из стали 08Х18Н10Т, подвергнутых усталостному регулярному нагружению, показал, что его значение монотонно увеличивается в зависимости от накопленной пластической деформации

N

Е«ак (Рис- где N - количество циклов нагружения. Это можно объяснить

тем, что при фазовом превращении выделяется фаза, модули упругости которой отличаются от модулей матрицы материала. На начальном участке наблюдается интенсивный рост коэффициента Пуассона, на втором происходит стабилизация -изменения коэффициента Пуассона минимальны. На начальной стадии нагружения на изменение коэффициента Пуассона в большей степени влияют фазовые изменения. После некоторого исчерпания ресурса появляются микродефекты, которые уменьшают значение коэффициента Пуассона. Увеличение амплитуды пластической деформации приводит к подъему кривых на более ранних стадиях нагружения, что связано с тем, что при более высокой амплитуде деформации выпадение дополнительной фазы, происходит интенсивнее, чем при малых амплитудах.

<

О 900 Л800 2700

снак> /о

а)

Рис. 2. Зависимости изменений коэффициентов Пуассона \ху от накопленной пластической деформации енак (а - задавалась амплитуда пластической деформации Дед ,; б - амплитуда полной деформации Де').

Для регулярного режима нагружения связь хорошо

аппроксимируется линейный зависимостью (рис.3), причем угол наклона кривых определяется амплитудой деформации Де'. Для максимальной амплитуды он минимален.

Рис. 3. Зависимости между изменениями коэффициентов Пуассона и V.,, для образцов из стали 08Х18Н10Т, испытанных при регулярном режиме нагружения с Де'.

Скорость образования мартенситной фазы связана с величиной амплитуды деформации и влияет на соотношение Ди^/Ду^ при изменении амплитуды деформации Де'. Ориентация кристаллографических осей зёрен выделяющейся фазы зависит от ориентировок матрицы (аустенитная фаза) и напряженно-деформированного состояния. Эти факторы оказывают влияние на анизотропию упругих свойств материала и, следовательно, на соотношение Максимальное развитие анизотропии упругих свойств наблюдается при высоких амплитудах деформации.

Исследования показали, что угол наклона кривых Ду-г(Д\>-,,) связан с величиной амплитуды деформации Де' (рис.4) и описывается следующей зависимостью:

—О- N1, Де'=0,33% —♦— N2, Де'=0,33% -О-N3, Де-0,56% -»-N4, Де'=0,56% -й- N5, Дс-0,77% N6, Де-0,77%

N2, Де'=0,33%

0,020

Д V

Де =0,79-0,29—^

0,8 0,6 <^0,4 0,2 0,0

I4

0,0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8

AvJAvzy

Рис. 4. Связь амплитуды деформации Де' с соотношением Ду-УДу-,..

Данные ультразвуковых исследований образцов из стали 08Х18Н10Т, подвергнутых блочному усталостному нагружению, показали, что в образцах, для которых в первом блоке задавалась амплитуда Де-0,77% скорость Угу резко уменьшалась, а в последующих блоках нагружения при переходе на меньшую амплитуду деформации скорость стабилизировалась (рис. 5а, в автореферате для каждого режима нагружения приведен один образец). Такое поведение зависимости ДГгу(Л0 можно объяснить тем, что в первом блоке нагружения материал настолько деформирован, что последующее нагружение с меньшей амплитудой деформации не оказывает особого влияния на скорость Угу.

В образцах, для которых в первом блоке задавалась амплитуда Де-0,33% уменьшение скорости не было столь значительным (что соответствует образцам, испытанным при регулярном режиме нагружения). При переходе к блоку с большей амплитудой деформации Де' скорость У1у несколько увеличивалась (рис. 5а).

Характер изменения коэффициента Пуассона угу на отдельных блоках нагружения также соответствует образцам, испытанным при постоянной амплитуде деформации. При большей амплитуде деформации изменение у2у интенсивнее, чем при меньшей. Величина изменения \гу в момент разрушения находится в пределах 0,01-0,012 (рис. 56), что совпадает с критическим значением Аугу для образцов, испытанных при регулярном нагружении (рис. 26).

—Де'-0,33%-0,77% —Л- Де'=0,77%~0,33 % —О-Де'=0,77%-0,33%-0,56% —ж—Де-0,33%-0,56%—0,77%

Де'=0,33%-0,77% Де-0,77%—0,33% Де'=0,77%-0,33%-0,56% Де-0,33%-0,56%-0,77%

1000 2000 3000 4000 5000 6000

0,012

0,010

0,008

£Й,006 -1

0,004 0,002 0,000 ■0,002

-----—--л- 1 / ^^ N

?~^г6го*2000 3000 - 4000 5000 601

а)

б)

Рис. 5. Зависимость изменения скоростей сдвиговых волн К2у(а) и изменения коэффициента Пуассона ^>(6) от количества циклов нагружения N для образцов из стали 0£Х18Н10Т, испытанных при блочном режиме нагружения.

Для блочного режима нагружения зависимость Лvzx(ЛvZy) является линейной на каждом участке с определенной амплитудой Де1 (рис.6). Причём, при переходе с меньшего значения амплитуды деформации на большее, угол наклона не изменяется, в то время как при переходе с большего на меньшее - увеличивается.

—♦—Дс-0,33%-0,77% —Л—Де-0,77%-0,33% - -О - Де,=0,77%-0,33%-0,56% -■А- Де-0,33%—0,56%-0,77%

Рис. 6. Зависимости между изменениями коэффициентов Пуассона и \>7у для образцов из стали 08Х18Н10Т, испытанных при блочном режиме нагружения.

Проведенные исследования показали, что для катаного образца из стали 304 и образца из стали 08X18Н10Т, изготовленного из поковки, наблюдается похожее поведение изменения коэффициента Пуассона \гу (рис.7а) при усталостном нагружении. На начальной стадии циклического нагружения при напряжении С] коэффициент Пуассона у2у возрастает, при начале накопления микродефектов его изменение минимально, при увеличении напряжения до сг- выходит на большее значении.

Рис. 7. а) Изменение коэффициента Пуассона от количества циклов для образца из стали 304 и образца из стали 08Х18Н10Т с Де-0,77%; б) зависимость между изменениями коэффициентов Пуассона и для образца из стали 304.

Для стали 304, как и для стали 08Х18Н10Т, зависимость между коэффициентами Пуассона (рис.7б) близка к линейной (К=0.9), причём изменение коэффициента Пуассона \гу при разрушении составляет также примерно 0,012.

Результаты исследований статического деформирования показали монотонное изменение значения акустической анизотропии А, усредненной по рабочей части деформируемых образцов (рис. 8).

♦ 08Х18Н10Т

70

60

vc.50 о"4

с 20

А10X17H13M3T □ 15X18Н12С4ТЮ

П

/ ---

л / .к

и ■ А

' . ■"

(Inn о г 05 0< 10 0,С 15... 0.( 20 0,(

|ДА|

Рис. 8. Связь величины деформации еп, с усредненным значением величины изменения параметра акустической анизотропии А по длине образца для сталей 08Х18Н10Т, 10Х17Н13МЗТИ 15Х18Н12С4ТЮ.

Связь величины деформации хорошо аппроксимируется с изменением среднего значения акустической анизотропии выражением:

в., =к.ЛА + к,ЛА .

(5)

В таблице 1 для разных сталей приведены коэффициенты, входящие в выражение 5, и коэффициент корреляции Л:

Таблица 1

Марка стали к,л к2л R

08Х18Н10Т 4405 -8,3 104 0,91

10X17H13M3T -308 2,4-10" 0,96

15Х18Н12С4ТЮ 1330 4,8-10" 0,98

В четвертой главе приведен анализ полученных экспериментальных результатов.

Оценка влияния измепения фазового состава при циклическом нагруженни на модули упругости и акустические параметры аустенитных сталей.

Известно, что увеличение плотности микродефектов ведет к уменьшению упругих характеристик материала. Изменение модулей упругости за счет образования микронесплошностей происходит, как правило, в пределах процента или нескольких десятых долей процента. В то же время, выпадение дополнительной фазы, имеющей модули упругости, заметно отличные от модулей матрицы, может оказывать более сильное влияние на модули упругости всего материала, чем накопление микронесплошностей. Необходимо также принимать во внимание, что процесс разрушения усложняется некоторыми другими структурными изменениями, влияющими на упругие характеристики, например растворение карбидов при циклическом деформировании.

В настоящей работе эффективные модули M упругих свойств многофазного материала в работе определялись в приближении Фойгга с помощью следующего выражения:

Mc=Mivi+M2v2, (6)

где Мс, Мь Mi - модули упругости всего материала, фазы 1 и фазы 2 соответственно, vi, v2 - процентное содержание первой и второй фазы соответственно, v\+v2=l.

Оценочные значения модулей упругости M аустенитной и мартенситной фаз, входящих в фазовый состав стали 08Х18Н10Т, в приближении Фойгга (6) рассчитывались с использованием следующих выражений:

_м°у:,-М'У1, М-О\ -л/У,

-г-?-. Mtt- ——,-Г-Г"

где Мл и Мм — модули упругости аустенита и мартенсита соответственно; о * о * „

UA, VA, vu, Vu — объемные доли аустенита и мартенсита соответственно до начала

нагружения и после разрушения (и0, = 95%, иА = 65%, ид, = 5%, им = 35% ); А/0, M - модули упругости всего материала до начала нагружения и после разрушения соответственно, определяются акустическим методом.

Модули упругости изотропного материала выражаются через скорости продольной V/ и поперечной V, ультразвуковых волн:

E-^Zpi), K-{v?-\vf). (8)

где Е-модуль Юнга, К - модуль объёмной упругости; и - модуль сдвига; р -плотность металла.

Скорости упругих волн V/ и V„ входящих в уравнения (8), определяли с помощью эхо-импульсного метода согласно методике, приведенной во второй главе.

Плотность материала находили с помощью гидростатического взвешивания. Значение плотности неповрежденного материала составило />о=7914±10 кг/м3, после разрушения - р*=7838±10 кг/м3, т.е. уменьшение составило примерно 1%, табличное значение плотности стали 08Х18Н10Т- 7900 кг/м3.

Оценка интенсивности фазовых превращений акустическим методом даёт косвенную информацшо о структурной поврежденности метастабильных сталей.

В предположении превалирования влияния фактора фазовых изменений над влиянием разуплотнения был произведен оценочный расчет эффективных модулей аустенитной (£дэф, /"Аэф. vAj([l) и мартенситной (¿'Мэф, vMsi) фаз для образцов из стали 08Х18Н10Т, подвергнутых нагружениго с различной амплитудой деформации Де-0,33%; 0,56%; 0,77%. Расчёт производился, исходя из условия изменения объёмной доли выделившейся мартенситной фазы от 5% в исходном состоянии до 35% в момент разрушения (по данным литературных источников).

Значение коэффициента Пуассона аустенитной фазы в среднем составило 0,291, мартенситной фазы - 0,328, т.е. увеличение объёмной доли мартенситной фазы приводит в целом к увеличению коэффициента Пуассона, что подтверждается экспериментальными данными (рис. 2,4,6). В свою очередь, модуль Юнга и модуль сдвига мартенситной фазы меньше, чем у аустенитной, т.е. нагружение

метастабильных сталей приводит к уменьшению этих модулей для материала в целом.

Использование данных статических испытаний для определения состояния материала при малоцикловом нагружении.

Проведенные экспериментальные исследования статического разрушения стали 08Х18Н10Т показали, что кривые изменения коэффициента Пуассона от величины накопленной относительной деформации ест11 (рис.9) для статических испытаний и испытаний в области малоцикловой усталости стали 08Х18Н10Т имеют идентичное поведение и близки по величине. Величина накопленной относительной деформации определяется, как £ат„ = снах /. Для статического испытания деформация ент соответствует текущей пластической деформации, а £иак соответствует деформации, при которой образуется шейка, для усталостных испытаний снак - критическое значение величины накопленной пластической деформации (образование макротрещины).

-■—N1, Лг'-0,33% - - О - ■ N2, Д£'=0,33% -*-N3. Де'=0,56%

- - Л - -N4, Дс-0,56% —•— N5, Де'=0,77% - - О - ■ N6, Де'=0,77% * Статика 0.014 0,012 0,010 Р^о.оов 0,006 0,004 0,002 0,000

Рис. 9. Изменение значения коэффициента Пуассона Ач1у в зависимости от величины относительной накопленной деформации для образцов из стали 08Х18Н10Т.

Для статических испытаний зависимость еот„(Ду-,,) хорошо аппроксимируется следующим выражением:

= К. + киА У1у + к,с&V* . (9)

Использование коэффициентов ки, к2е, к^, полученных при статическом испытании и величины Ду^, измеренной в процессе циклического нагружения позволяет получить грубую оценку значения относительной накопленной деформации при усталостном нагружении (погрешность около 40%).

Определение параметра деградации материала при регулярном и блочном малоцикловом нагружении стали 08Х18Н10Т по данным акустических исследований.

К деградационным процессам в сталях ауотенитного класса в первую очередь можно отнести фазовые изменения, влияющие на физические характеристики сплавов — прочностные, упругие и акустические.

Появление дополнительной фазы приводит, согласно выражению (6) к изменению модулей упругости. Для стали 08Х18Н10Т коэффициент Пуассона должен повышаться при фазовых преобразованиях при циклическом деформировании. Появление жестких упрочняющих частиц в матрице материала в процессе нагружения ведет к возникновению значительной концентрации напряжений на границе частица-матрица и наряду с другими механизмами возникновения микроповреждений к образованию микропор, микротрещин. Образование микронесплошносгей приводит к уменьшению модулей упругости, в том числе коэффициента Пуассона.

В общем случае изменение коэффициента Пуассона можно записать в виде:

= (10)

где Дvm — изменение коэффициента Пуассона за счет фазовых превращений (определяется по формуле (6)); М>у,стр - изменение коэффициента Пуассона при накоплении повреждений, определяется известным выражением: v-vu(l - Ку/стр), где Уо - коэффициент Пуассона до образования несплошностей;. у/стр - структурная поврежденность, определяемая как Ц1стр~ (ро-рУро, где ро и р - плотность материала до и после образования микродефекгов, ку — коэффициент.

Как показали теоретические и экспериментальные исследования, увеличение объёмной доли выделившейся фазы АУа и накопление структурной поврежденности Щстр приводят к изменению коэффициентов Пуассона Ду-„ Ду-,. и их соотношения.

Проведенные эксперименты также показали, что длина Ь кривой Ду.,(Ду,у) в момент появления макротрещины остаётся приблизительно постоянной для разных амплитуд циклической деформации (рис.3). Длина Ь складывается из отдельных участков V кривой Ду^(Луг1) и рассчитывается по формуле:

¿^Е1', (И)

/

где

номер измерения г=1..п, п-количество измерений, =ДИ, =0.

При мониторинге исследуемого материала можно проследить всю траекторию кривых Ау-((Ду.у) и их длину I вплоть до образования макротрещины. По мере исчерпания ресурса материала длина кривой Дуи(Драстёт, достигая критического значения Ь'. Используя этот факт, кривую Ду,т(Дуд>,) предлагается использовать для оценки степени деградации материала акустическим методом на ранних стадиях разрушения до появления макротрещины.

Введём параметр деградации П для стали аустенитного класса, который обладает следующими свойствами:

1. Принимает значение 0 на интервале 0<г</, если на этом интервале равны нулю параметры нагружения.

2. Однозначно определяется процессом нагружения а,/г), е,,(т), темперагурой Т(х) и предполагается непрерывным по механическим параметрам до разрушения.

3. Деградация густенитной стали при малоцикловом нагружении связана, в основном, с двумя процессами - выделением дополнительной фазы и процессе циклического нагружения и накоплением структурной поврежденности:

где ДУа - объемная доля мартенситной фазы, выделившейся в процессе нагружения, 7сгр - структурная поврежденность, характеризуемая накоплением микродефекгов.

Предполагаем, что влияние скорости (частоты) нагружения минимально (скорости нагружения малы).

4. Принимает значение 1 (критическое значение) в момент разрушения (образование макротрещины длиной 1 мм.).

Предложенный параметр деградации П для оценки состояния материала записывается как:

П = (12)

раем

где Ь - текущая длина кривой ду^(ду2У), - критическая длина кривой Ь,

записывается в виде:

где Ь - средняя длина кривой Ду-,(Ду;1), рассчитанная для всех образцов. Критическое значение Ь было определено с использованием множественной регрессии и составило I = 0,012. Величина ¿1. - малая корректирующая добавка, связанная с углом наклона кривой Ду-,(Дугр) и, как следствие, с амплитудой деформации Де', 6Ь=Ь^ч>), 6=0,0065.

Появление макротрещины наступает тогда, когда Ь ~ 1'1тч. Тангенс угла наклона <р кривой Ау.,(Ду.,) рассчитывается по формуле

'8<Р = ^Г- О4)

В настоящее время существует множество гипотез накопления повреждений материала при усталостном нагружении. В диссертации поврежденность \)/Р определяется по правилу Пальмгрена, ввиду его простоты и удобства, как N

У г =2^—'• ' где Л', - количество циклов с амплитудой деформации Де', N, -/

критическое значение количества циклов для этого значения Де'. Для регулярного

1V

режима нагружения /=1, поврежденность (наработка) выражается как Ц*е ^ = ——г.

У

При увеличении наработки —- при циклическом нагружении величина

N

параметра П монотонно изменяется, интенсивность изменения зависит от величины амплитуды нагружения. которая отражается на соотношении —. Представим

наработку, как функцию П и ]ц ~ | = /(п,^(э):

=1^^ = ктП + к2П1ё(р + к)ППг+кАП1ё2(р+к5птг<р, (15)

Коэффициенты к1П, к2ц, кзп, к4П, к5П одинаковы для регулярного и блочного режимов нагружения.

Отклонение расчетной наработки

от экспериментальной

превышает 5=30% и в среднем составляет около 20%. При регулярном режиме нагружения наибольшее отклонение зафиксировано для образцов с наибольшей амплитудой деформации Де-0,77% (рис. 10а). При блочном режиме наибольшее отклонение наблюдается для образцов, у которых амплитуда деформации увеличивалась с каждым блоком нагружения (рис. 106).

♦ Д£'=0,33% а Де-0,56% О Де-0,77%

1.2 -

1,0 -§ <>■

£ 0,6 2

0,2 0,0

♦ дЕ-0,33%-.0,77%

д де-0,77%—.0,33%

п □

а

К я 0

т|п пЦ п 6 (1 Я 1

N/N1*

а)

0£'=0,77%^0,33%—0,56% а де'=0,33%—*0,56%—*0,77% 1,0

5 0,

СО

-^0,6 к

? 0,4

И

-И .. Л

^(N/N1*

)'9

/эксп

б)

Рис. 10. Корреляционное поле расчётной и экспериментальной наработки для стали 08Х18Н10Т при регулярном (а) и блочном (б) режимах нагружении (каждая точка представлена двумя образцами с одним режимом нагружения).

Исследование связи микропластических и акустических характеристик стали 08Х18Н10Т при усталостном нагружении.

Область малоцикловой усталости характеризуется большими пластическими деформациями, накоплением односторонней деформации в случае мягкого режима нагружения, интенсивным накоплением микроповреждений во всем объёме материала, изменением кристаллографической текстуры.

При усталостном нагружении в отдельных микрообластях возникает сложное напряжённое состояние, при котором интенсивность напряжения превышает предел текучести. В этих так называемых "слабых" зонах материала наблюдаются микропластические деформации ет, значения которых может превышать значение приложенной деформации. В таких зонах и происходит процесс накопления рассеянных микроповреждений, что, в конечном итоге, приводит к появлению макротрещин и окончательному разрушению материала

Экспериментальные исследования показали, что связь отношения продольного и поперечного коэффициентов Пуассона Ду2Г/Ду;, со средним абсолютным значением

микропластических деформаций |е„„| позволяет определить, в какой области усталостного нагружения материал подвергался нагружению (рис.11).

Рис. 11. Зависимость отношения продольного и поперечног о коэффициентов

Пуассона от среднего абсолютного значения микропластических

деформаций.

Как видно из рис.11, соотношение этих величин дает чёткое разделение образцов, испытанных при различных амплитудах деформаций. Амплитуда приложенной циклической деформации определяется следующим выражением:

Аг' = К, + К, + , (16)

Д V

где кь„, к2т, к3„ - коэффициенты.

Таким образом, измерение коэффициента Пуассона акустическим методом и оценка величины микропластических деформаций позволяет оценить амплитуду деформации, подвергаемого циклическому деформированию материала.

Исследование связи упрочнения при статическом деформировании. с изменением акустических характеристик.

Проведено сравнение поведения упругих характеристик, определяемых акустическим методом, при статическом деформировании аустенитных сталей 08Х18Н10Т, 10Х17ШЗМЗТ и аустенитно-ферритной стали 15Х18Н12С4ТЮ.

Некоторое различие в химическом составе метастабильных сталей аустенитного класса должно приводить к изменению кинетики фазовых превращений и, следовательно, к изменению модулей упругости в зависимости от пластической деформации.

Кривые связи упрочнения Да с изменением параметра акустической анизотропии А (рис. 12а) для сталей 08Х18Н10Т, 10Х17Н1ЭМЗТ (стали аустенитного класса) и для стали 15Х18Н12С4ТЮ (сталь аустенитно-ферритного класса) имеют два участка: начальный участок, характеризуемый интенсивным увеличением упрочнения и участок, близкий к горизонтальному.

-08х18н10т -15х18н12с4тю

-10х17н13мзт

л08х18н10т 010х17шзмзт д15х18н12с4тю

а)

б)

Рис. 12. Связь упрочнения До с изменением параметра акустической анизотропии А (а) и с изменением коэффициента Пуассона у7у (б) для сталей 08Х18Н10Т, 10Х17Н13МЗТи 15Х18Н12С4ТЮ.

Наличие зависимости До(Ду2у) (рис. 126) позволяет по изменению коэффициента Пуассона, измеряемого акустическим методом, оценить величину упрочнения материала исследуемых сталей с использованием выражения:

= (17)

Погрешность определения упрочнения с помощью изменения коэффициента Пуассона \7у составила около ЮМПа.

В зависимости изменения коэффициента Пуассона Ду,„ (рис. 13) от величины пластической деформации е наблюдается переход от участка с интенсивным ростом к горизонтальному участку кривой как для стали 10Х17Н1ЭМЗТ, так и для 08Х18Н10Т. Отличие заключается в более раннем переходе на этот участок у стали 10Х17Н13МЗТ, что связано, по-видимому, с различием в характере упрочнения этой стали. Исследование аустенитно-ферритной стали 15Х18Н12С4ТЮ показало отсутствие горизонтального участка в зависимости Ду2у(е).

♦ 08х18н10т л10х17жзмзт 015х18н12с4тю

£,%45

Рис. 13. Зависимость изменения коэффициента Пуассона угу от величины деформации сталей 08Х18Н10Т, 10Х17Н13МЗТ и 15Х18Н12С4ТЮ.

Апробация метода определения наработки материала с помощью параметра деградации на примере силового элемента конструкций.

Была проведена успешная апробация метода оценки деградации материала на элементе конструкции, представляющем собой два сваренных друг с другом равнополочных уголка 40x40x4 и приваренных к оболочке (рис. 14а).

Исследуемые уголки состояли из аустенитной стали 304, оболочка - из стали

^ ^ ?

Место проведения JHJ ультразвуковых исследований

а) б)

Рис. 14. а) - Пример применения уголкового профиля в качестве связующего элемента, образующего составное сечение; б) - схема проведения эксперимента на

трехточечный изгиб.

Образец подвергался малоцикловому нагружению по схеме трёхточечного изгиба (рис. 146). Испытание проводилось на универсальной испытательной машине ГСМ-50.

Усталостные испытания проводились блоками. После каждого блока испытаний выполнялись акустические измерения в зоне максимального напряжения (рис. 146).

Для расчета параметра деградации II и наработай после каждого блока нагружения производился расчёт коэффициентов Пуассона vzx и vzy (выражение (2)), а также их изменений. Рассчитывались общая длина L и тангенс угла наклона кривой Av;,(Avrl) по формуле (11) и (14) соответственно. Параметр деградации П находился по формуле (12). Значение Ü было взято из ранее полученных данных для образца из стали 304, подвергнутого малоцикловому нагружению. Были получены следующие значения L' = 0.023.

В результате испытания установлено, что зависимость между изменениями коэффициентов Avzx(Avzy) для апробируемого элемента также носит линейный характер (рис. 15а).

Наработка (N/N )расч определялась по формуле (15).

Рис. 15. а) - Зависимость Av;l-(Av-v) для апробируемого элемента конструкции; б) зависимость расчётной наработки от экспериментальной.

Полученные значения расчетной наработки отклоняются от экспериментальной не более чем на 20% (рис. 156).

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Исследовано влияние малоциклового усталостного разрушения на упругие и акустические характеристики сталей аустенитного класса при регулярном и блочном режимах нагружения. Предложен параметр деградации, отражающий фазовые превращения и накопление структурной поврежденное™ исследуемых сталей.

2. Разработан критерий предельного состояния циклического нагружения исследованных метастабильных сталей на основе оценки критического значения параметра деградации, соответствующего появлению макротрещины.

3. Экспериментально выявлено, что соотношение акустических и микропластических характеристик может быть использовано для определения амплитуды приложенной деформации.

4. Экспериментально выявлено, что величина упрочнения при упругопластическом деформировании исследованных метастабильных сталей имеет высокую корреляционную связь с акустическими характеристиками, что позволяет оценивать величину упрочнения по данным акустических измерений.

5. Проведена успешная апробация разработанного метода оценки поврежденное™ на силовом элементе конструкции при его усталостном разрушении.

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

1. Клшшников, В.А. Использование акустического метода для оценки

поврежденности стали 08Х18Н10Х при усталостном разрушении / В.А.

Клюшников, В.В. Мишакин, Ф.М Митепков, Н.В. Данилова // Контроль.

Диагностика. - 2012. - №7. -С.9-13.

2. Клюшников, В.А. Диагностика материалов конструкций на ранних стадиях усталостного разрушения и оценка НДС материала конструкций методами неразрушающего контроля / В.А. Клюшников, В.В. Мишакин, Н.В. Данилова, К.В. Курашкин, A.B. Гончар // Вестник СГАУ. -2011. - 4.1, № 3(27). - С. 299-307.

3. Клюшников, В.А. Исследование усталостного разрушения сталей 08Х18Н10Т и 15ГОТА акустическим, оптическим н вихретоковым методами / В.А. Клюшников, А.В Гончар // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. №4. Часть 4. - Н.Новгород: Изд-во ННГУ им. Н.И. Лобачевского. - 2011. - С. 1448-1450.

4. Клюшников, В.А. Использование ультразвука для оценки состояния металлических сплавов при пластическом, упругопластическом деформировании и термической обработке / В.А. Клюшников, В.В. Мишакин, В.Н. Перевезенцев, Н.В. Данилова // Вестник ННГУ. Сер. Физика твердого тела. - 2010. - №5(2). - С. 100-106.

5. Клюшников, В.А. Использование оптического и акустического методов контроля для оценки поврежденности сталей на ранних стадиях усталостного разрушения / В.А. Клюшников, Ф.М. Митенков, В.В. Мишакин, С.Н. Пичков, Н.В. Данилова // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2009. №12 - С. 60-65.

6. Клюшников, В.А. Исследование процесса разрушения сталей акустическим методом и методом делительных сеток / В.А. Клюшников, В.В. Мишакин, Н.В. Кассина (Данилова) // Проблемы машиностроения и надежности машин. - 2009. - №5. - С. 33-39.

7. Klyushnikov, V. A. The use of ultrasonic signals and optical method to estimate the damage of materials after fatigue loading / V. A. Klyushnikov, V.V. Mishakin, F.M. Mitenkov, N.V. Danilova // Nondestructive Testing and Evaluation. - 2010. - Vol. 25 (4).-P. 279-288.

8. Клюшников, В.А. Комплексный метод оценки поврежденности материалов конструкции при силовом нагружении / В.А. Клюшников, В.В. Мишакин, Н.В. Кассина, A.B. Гончар // Прикладная механика и технологии машиностроения. Сборник научных трудов. - Н.Новгород: Издательство «Интелсервис». - 2008. -№1(12). - С.28-37.

9. Клюшников, В.А. Исследование связи микропластических деформаций с акустическими характеристиками стали 08Х18Н10Т при усталостном разрушении / В .А. Клюшников, В.В. Мишакин, С. Н. Пичков, Д.А. Захаров, Д.Н. Шишулин, Н.В. Данилова // Прикладная механика и технологии машиностроения: сб. научн. трудов под ред. В.И. Ерофеева, С.И. Смирнова и Г.К. Сорокина - Н.Новгород: Изд-во общества «Интелсервис». - 2009. - №1(14). - С.46-51.

10. Клюшников, В.А. Исследование связи удельной необратимо рассеянной энергии с упругими характеристиками стали 08Х18Н10Т при усталостном разрушении / В.А. Клюшников, В.В. Мишакин, Н.В. Данилова, Д.А. Захаров, Д.Н. Шишулин // Прикладная механика и технологии машиностроения: сборник научных трудов/ под ред. В.И. Ерофеева, С.И. Смирнова и Г.К. Сорокина -Н.Новгород: Изд-во общества «Интелсервис». - 2010. -№2(17). - С. 314-319.

11. Клюшников, В.А. Исследование влияния пластического и упругопластического циклического деформирования на анизотропию упругих свойств и коэффициент Пуассона металлических сплавов I В.А. Клюшников, В.В. Мишакин, Н.В. Данилова, С. Н. Пичков // Прикладная механика и технологии машиностроения: сборник научных трудов / под ред. В.И. Ерофеева, С.И. Смирнова и Г.К. Сорокина -Н.Новгород: Изд-во общества «Интелсервис». -2010. -№1(16). - С. 135-143.

12. Клюшников, В.А. Оценка поврежденности стали 08Х18Н10Т на ранних стадиях усталостного нагружения с помощью неразрушающих методов контроля / В.А. Клюшников, В.В. Мишакин, Н.В. Данилова // Труды Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева. - 2011. - №1 (86).-С. 216-226.

13. Клюшников, В.А. Оценка величины деградации стали 08Х18Н10Т акустическим методом на ранних стадиях усталостного разрушения / В.А. Клюшников, В.В. Мишакин, Ф.М. Митенков, Н.В. Данилова // Вестник научно-технического развития. - 2012. - №1(53). - С. 29 - 37. (www.vntr.ru).

14. Klyushnikov, V. The Joint Weld Destruction Study by Non-destructive Control Methods / V. Klyushnikov, V. Mishakin, A. Gonchar, N. Kassina (Danilova) // 7th International Symposium on Non Destructive Testing in Civil Engineering (NDTCE'09), Nantes (France) June 30th. - July 3rd 2009. - P.955-960.

Подписано к печати 24.10.2013. Формат 60х90'/16 Бумага офсетная №1. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ №41

Отпечатано в типографии ИП Синицын А.Е. 603155 г. Нижний Новгород, ул. Провиантская, 8

V I ^ V I I ^ I V

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАШИНОСТРОЕНИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи Клюшников Вячеслав Александрович

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЕГРАДАЦИИ СТАЛЕЙ АУСТЕНИТНОГО КЛАССА ПРИ СТАТИЧЕСКОМ И УСТАЛОСТНОМ НАГРУЖЕНИЯХ НА ОСНОВЕ

АКУСТИЧЕСКОГО МЕТОДА

Специальности: 01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры , 05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -д.т.н. Мишакин В.В.

Нижний Новгород - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................4

ГЛАВА 1. СВЯЗЬ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ С ПАРАМЕТРАМИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УПРУГИХ ВОЛН...........................7

1.1. Связь упругих, пластических и прочностных свойств металлических сплавов с акустическими параметрами.................................................................7

1.2. Влияние усталостного разрушения на акустические характеристики сплавов....................................................................................................................22

1.3. Влияние микродефектов на акустические параметры материала.............24

1.4. Теории развития поврежденности при упругопластическом и усталостном разрушении поликристаллических материалов. Роль

микропластических деформаций в процессе разрушения материала..............29

Выводы по первой главе.......................................................................................42

Глава 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА..........................................................45

2.1. Объекты и методика исследования разрушения при циклическом

нагружении.............................................................................................................45

2.1.1. Циклическое нагружение образцов из стали 08Х18Н10Т......................47

2.1.2 Испытания на малоцикловую усталость образца из стали 304...............49

2.2 Объекты и методика исследования разрушения при статическом деформировании....................................................................................................49

2.3. Методика проведения акустических исследований...................................51

2.4. Методика измерения параметров микропластичности..............................54

2.5. Методика проведения гидростатического взвешивания............................58

Выводы по второй главе.......................................................................................59

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ..60

3.1. Результаты исследования усталостного разрушения.................................60

3.1.1. Регулярный режим нагружения образцов из стали 08Х18Н10Т............60

3.1.2. Блочный режим нагружения образцов из стали 08Х18Н10Т.................69

3.2. Результаты исследования разрушения при малоцикловой усталости образца из стали 304..............................................................................................75

3.3. Результаты исследования разрушения при статическом

деформировании....................................................................................................77

Выводы по главе 3.................................................................................................84

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАЗРАБОТАННОГО МЕТОДА ДЛЯ ОЦЕНКИ ПОВРЕЖДЕННОСТИ НА РАННЕЙ СТАДИИ РАЗРУШЕНИЯ.....................86

4.1. Оценка влияния изменения фазового состава при циклическом нагружении на модули упругости и акустические параметры аустенитных сталей......................................................................................................................86

4.2. Использование данных статических испытаний для определения состояния материала при малоцикловом нагружении......................................89

4.3. Определение параметра деградации материала при регулярном малоцикловом нагружении стали 08Х18Н10Т по данным акустических исследований..........................................................................................................90

4.4. Определение параметра деградации при блочном малоцикловом нагружении стали 08Х18Н10Т по данным акустических исследований........97

4.5. Исследование связи микропластических и акустических характеристик стали 08Х18Н10Т при усталостном нагружении.............................................100

4.6. Определение критического значения необратимо рассеянной энергии с помощью акустических измерений...................................................................103

4.7. Исследование связи упрочнения при статическом деформировании с изменением акустических характеристик.........................................................104

4.8. Определение наработки материала с помощью параметра деградации на

примере силового элемента конструкций.........................................................109

Выводы по четвертой главе................................................................................115

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.......................................................................118

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................................................119

ВВЕДЕНИЕ

Одной из актуальных задач эксплуатации металлических конструкций является задача надежной оценки их ресурса. Наиболее перспективные разработки в этом направлении относятся не к обнаружению макротрещин, которые могут быть выявлены методами традиционной дефектоскопии, а к исследованиям состояния материалов при их упругопластическом и циклическом деформировании на ранних стадиях разрушения задолго до образования макротрещин.

Классические методы предсказания долговечности при помощи полуэмпирических формул основываются на уравнениях механики. Однако, в уравнениях механики не учитывается то, что в процессе силового нагружения помимо накопления повреждений и образования несплошностей в легированных нержавеющих сталях аустенитного класса активно изменяется фазовый состав, существенно влияющий на скорость накопления повреждений и деградацию элементов конструкций. В некоторых случаях эти изменения происходят с первых циклов нагружения, например, при разрушении в области малоцикловой усталости, в широком диапазоне рабочих температур - низких, комнатных и при сотнях градусов Цельсия. Как правило, выделение дополнительных фаз сопровождается изменениями физических свойств материалов - упругих, прочностных и других характеристик, в т.ч. и акустических.

В общем случае, деградацию металлов характеризуют как опасное изменение в структуре, физических свойствах или внешнем виде материала.

Для оценки поврежденности при силовом нагружении широкое распространение получил акустический метод, позволяющий фиксировать необратимые изменения физических свойств материала конструкций. Структурно-чувствительные акустические параметры позволяют обнаруживать деградацию материала до образования макротрещины. Другим

физическим методом, дающим возможность прямого исследования процесса разрушения материала на поверхности изделия, является металлографический метод. Современные переносные металлографические комплексы позволяют проводить оценку состояния материала непосредственно на элементе конструкции.

На сегодняшний день имеется множество работ, посвященных влиянию микродефектов на характеристики распространения упругих волн, однако влияние фазовых превращений в метастабильных коррозионно-стойких аустенитных сталях мало изучено. Задача проведения исследований процесса деградации с помощью использования данных акустического и оптического методов контроля, а также разработка методов оценки поврежденности, наработки без разрушения материала конструкций на базе этих измерений в настоящее время приобретает большое значение.

Диссертационная работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт проблем машиностроения Российской академии наук.

Исследования по данной теме входят в работу по грантам: РФФИ 06-08-00520-а «Разработка способа ранней диагностики разрушения материалов конструкций»; региональный 11-08-97070-р_поволжье-а «Разработка способа диагностики разрушения материалов сварных соединений на стадии накопления микроповреждений».

Результаты исследований, полученные при выполнении диссертационной работы, опубликованы в 20 статьях, в том числе 6 статьях в журналах, входящих в перечень ВАК. Основные положения диссертационной работы докладывались на 3 международных, 2 научных, 3 всероссийских и 4 студенческих региональных конференциях.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю, доктору технических наук Мишакину В.В. за помощь, оказанную при выполнении диссертационной работы.

ГЛАВА 1. СВЯЗЬ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ С ПАРАМЕТРАМИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УПРУГИХ ВОЛН

1.1. Связь упругих, пластических и прочностных свойств металлических

Прочностные характеристики (пределы упругости, текучести, прочности) количественно определяют способность материала противостоять разрушению. Наряду с прочностными существуют упругие характеристики (модули упругости), которые характеризуют способность материала противостоять упругой, обратимой деформации [2].

Скорость распространения упругих волн в сплавах функционально связана с их модулями упругости, которые в свою очередь определяются силой взаимодействия между соседними атомами в кристаллической решетке [3]. Прочностные свойства, как правило, не имеют такой связи и могут контролироваться лишь на основании коррекционных связей, определяемых опытным путем [4].

Экспериментальные методы определения модулей упругости можно разделить на две группы - статические и динамические. Модули упругости можно найти акустическим методом, измеряя скорость прохождения через образец упругих волн, длина которых мала по сравнению с размерами образца [5] и плотность материала. Акустические методы измерения характеристик упругости материалов не требуют больших трудовых затрат, обладают высокой точностью и могут проводиться на готовых деталях без их разрушения.

Упругие постоянные изотропного материала можно выразить через скорости продольной V/ и поперечной V, волн [6]:

сплавов с акустическими параметрами.

(1.1)

( 4 А

К = р У,2--У,2 ,

(1.2) (1.3)

V =

(1.4)

где Е - модуль Юнга, К - модуль объёмного упрочнения; ¡л - модуль сдвига; V - коэффициент Пуассона, р - плотность металла.

Изотермические механические измерения модуля Юнга дают статистическое значение Ест. Разница между Е и Е0 вызвана адиабатическими условиями деформации при акустическом методе измерения, т.е. быстро проходящим процессом расширения-сжатия, изменяющим температуру металла по сравнению с температурой окружающей среды. Однако, ввиду того, что разница между Ест и Е не превышает 0,5%, в то время как погрешность их измерения выше, указанное различие не принимается во внимание [7].

Величины Е, /и, К и V связаны соотношениями [8]:

Из выражения (1.5) следует, что только две из них являются независимыми величинами, и упругие свойства в случае изотропного тела определяются двумя упругими постоянными.

В случае поликристаллических однофазных материалов модули упругости определяются по модулям упругости монокристалла путем осреднения [10]. Осреднение может быть выполнено по Фойгту (предполагается постоянство деформации в кристаллитах) или по Рейссу (предполагается постоянство напряжения в кристаллитах). Расчет по Фойгту приводит к завышенным значениям модулей, а расчет по Рейссу — к заниженным. Действительные значения находятся между вычисленными по Фойгту и по Рейссу.

Модули объёмного упрочнения К и сдвига ¡л по Фойгту и по Рейссу для всех классов симметрии кристаллов могут быть определены по соотношениям [9]:

Е =

(1.5)

9 К у ={си + С 22 + С33 )+2 (с

12 + С23

= (с„ + С 22 +с33)-(с 12 + С23 + С31

= + *22 + *33 )+ 2(512 +^23 +531), (1.6)

кн

— = 4(^11 + ¿22 +^З)-4(^2 +^23 + +^55

Ин

где сп - компоненты тензора упругости, - компоненты тензора упругой податливости.

Индекс «V» относится к среднему значению по Фойгту, а индекс «Я» -к среднему значению по Рейссу. Хорошее согласие с экспериментальными данными получается, если берется среднее из обоих значений модулей [12], как предложил Хилл [12].

В целом, элементы конструкций уголки, швеллеры, тавры и др. изделия проката в результате пластической деформации и термической обработке обладают в той или иной степени анизотропией упругих, пластических и прочностных свойств.

В результате деформирования поликристаллического металла зёрна, образующие материал, подвергаются такому же формоизменению, как и весь образец в целом. Они стремятся принять определенную ориентировку относительно внешних деформирующих усилий. Ориентировка изменяется постепенно по мере степени роста деформации. В результате в сильно деформированных металлах возникает отчетливая кристаллографическая текстура деформации или преимущественная ориентировка зёрен [13, 14], приводящая к анизотропии упругих свойств. Степень текстурованности зависит от величины и способа деформации [14].

Кристаллографическая текстура в поликристаллическом материале может определяться с помощью скорости распространения упругих волн различного типа и поляризации [16]. Для некоторых поликристаллических материалов полюсные фигуры, построенные с помощью акустических измерений, хорошо совпадают с полюсными фигурами, построенными

рентгеновским методом [16]. По значению параметра акустической анизотропии можно сказать о степени текстурованности исследуемого материала.

Катанные материалы обладают орторомбической симметрией и имеют девять независимых модулей упругости, входящими в следующее уравнение:

0,к=СА1те1т> О'7)

где а1к и £,т - компоненты тензоров напряжения и деформации.

В ортотропной среде могут распространяться девять упругих волн, отличающихся скоростями (рис. 1.1). Измеряя скорости продольной и двух поперечных волн в каждом из трех главных для среды направлений, определяют все упругие постоянные [7].

Рис. 1.1. Направления колебаний и распространения различных волн

в ортотропной среде

Для математического описания трехмерной текстурной функции используют полюсные фигуры, являющиеся двухмерными проекциями полюсов.

Распределение ориентировок кристаллов в поликристаллическом материале может быть представлено [17] вероятностной функцией где — сов в, у/, <р - Эйлеровы углы. Условия нормировки для м>(1;,у/,(р) записываются в виде:

2я2л I

| ,ср)с1<!;с1ц/с1(р = 1.

(1.8)

0 0-1

Для количественного описания скоростей ультразвука в материале необходимо знать функцию распределения по ориентациям кристаллов в образце. Эта функция может быть записана в виде разложения по обобщенным полиномам Лежандра 2,пт с коэффициентами разложения Щт".

00 1 1

= Е I X ^Г % Г (£) ехр(-/т цг) ехр(-ш^).

(1.9)

1=0 т=-\п=-\

где 2™- обобщенная функция Лежандра, определенная Роу; 1¥,т"-коэффициенты функции распределения ориентировок.

В декартовой системе координат ХУТ, где ось Ъ. направлена вглубь материала или вдоль нормали к плоскости материала, а оси X и У ориентированы в направлении прокатки и в поперечном направлении, величины скоростей ультразвука, распространяющегося в направлении Ъ, зависят только от и 1¥420 , и определяются из работ [15-17] следующими выражениями:

1 16л/2л-2

РК =С44

рУ1=сЛА+с

35

Ж

00

1 16л/2п2

5 35 V 2 4

1 \6л[2?г2

35

(1.10)

(1.11)

(1.12)

Уравнения связи скорости распространения упругих волн с коэффициентами функции распределения ориентировок (ФРО) (1.10-1.12) могут быть получены в приближениях Рейсса и Хилла:

4 5

рУ*=м

16л/2п1 35

21

(1.13)

(1.14)

т.2 16л/2Л-

Л -с

35

(1.15)

Из выражений (1.13)-(1.15) следует, что

10//

(1.16)

причем эта величина не зависит от величин Ж400 и Ж420 , то есть не зависит от любой анизотропии или текстуры. Это справедливо для любых поликристаллических материалов, образованных кубическими кристаллами и является свойством кубических кристаллов, составляющих образец.

Поскольку эта комбинация скоростей не зависит от текстуры, удобно работать с нормализованными скоростями или с временами распространения

упругих волн

1 . Если времена измерены

в одной и той же точке, длина пути распространения будет одной и той же для всех трех режимов и, следовательно, выпадет из трех комбинаций. Необходимым будет измерение лишь времени распространения. Это представляет собой огромное преимущество для практического применения, поскольку обе стороны образца могут быть недоступны для измерения толщины.

Коэффициенты ФРО определяются из выражений с помощью измерения времени распространения продольных и поперечных упругих волн и выражаются следующими уравнениями:

35 1

16л/2л-2 с

м - А

К +

10 ц

1Г420 =

7 л/5

32л-2

К +

10 ц

А2,

(1.17)

V2 +г где А, = * г

т т

гу гх

; А2 -

VI-VI т2

гу

¿У

2Х2 ^ ' 2 IX ^

(1.18)

Параметр А2 характеризует акустическую анизотропию материала и связан с двулучепереломлением поперечных волн. Для изотропного материала коэффициенты ФРО IV/"" =0.

Для многофазных текстурированных материалов расчёт компонентов тензора упругости сц приводится в работе [18]. Осреднение проводится в два

этапа. Вначале вычисляются средние модули упругости и податливости каждого компонента, после чего используется правило механического смешивания:

С1 = X ^ (с1 ) ' С1 (5»Р ) = 5™Р (^Р ) = £'Уа (Япр ) ' ( 1 • 1 9)

где уа — концентрация компонента а.. По найденным таким образом средним значениям сутп и сктп вычисляется среднее арифметическое или геометрическое [20].

В частном случае двухкомпонентного поликристалла