Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обзор литературы 8
1.1 Анализ методик оценки остаточного ресурса резервуаров 8
1.2 Микроструктура, механические свойства металлов и сплавов 18
1.3 Влияние пластической деформации на эволюцию дислокационной структуры металлов и сплавов 21
1.4 Влияние структуры металлов на параметры трещиностойкости 29
1.5 Постановка задач исследования 36
Глава 2 Материал и методики исследования 38
2.1 Выбор и обоснование материала для исследований 38
2.2 Методика металлографических исследований 38
2.3 Методики механических испытаний 39
2.4 Определение характеристик трещиностойкости при статическом нагружении 43
2.5 Методика электронно-микроскопических исследований 45
Глава 3 Исследование механизмов релаксации внутренних напряжений в стенке резервуара 47
3.1 Исследование механизмов релаксации внутренних напряжений после различных видов циклической деформации методами металлографии 47
3.2 Эволюция дислокационной структуры ферритно-перлитной стали БСтЗсп при циклической деформации 54
Глава 4 Влияние структурных факторов на механические свойства и развитие процессов разрушения стали 63
4.1 Влияние дислокационной структуры на механические свойства и развитие процессов ударного разрушения стали 63
4.2 Влияние дислокационной структуры на развитие процессов усталостного разрушения стали 74
4.3 Влияние структурных факторов на остаточный ресурс стали при циклической деформации 78
4.4 Пример оценки остаточного ресурса РВС после 40 лет эксплуатации 82
Заключение 87
Список использованных источников 88
Примечания 100
- Микроструктура, механические свойства металлов и сплавов
- Методика металлографических исследований
- Эволюция дислокационной структуры ферритно-перлитной стали БСтЗсп при циклической деформации
- Влияние дислокационной структуры на развитие процессов усталостного разрушения стали
Введение к работе
В настоящее время значительное число вертикальных стальных резервуаров (РВС) в нашей стране эксплуатируется более 30-40 лет. Естественно встает вопрос об их дальнейшей безопасной эксплуатации. Для решения этого вопроса необходимо иметь не только данные технической диагностики и напряженно-деформированного состояния, определяемого условиями внешней среды и геометрией объекта обследования [1, 3, 4], но и результаты структурного состояния стали, от которого зависят механические свойства и развитие процессов разрушения.
Современные методы технической диагностики позволяют обнаруживать многие дефекты, как в стенке, так и в сварных швах резервуаров, учитывать наличие этих дефектов при расчетах на прочность и устойчивость [1, 16, 37, 38, 62, 65, 95, 98]. Однако, несмотря на достигнутые успехи, до сих пор нет надежных методик, позволяющих провести оценку остаточного ресурса длительно эксплуатируемых РВС. Отчасти это объясняется не только сложностью решения вопроса, но и недостатком экспериментальных знаний о механизмах релаксации внутренних напряжений возникающих в процессе длительной эксплуатации в стенке РВС, определяющих механические свойства и развитие процессов разрушения. Исследование этих вопросов представляется актуальной задачей, и было вызвано не только научным, но и практическим интересом, поскольку открывается возможность разработки методик оценки остаточного ресурса РВС с учетом реальных структурных факторов.
В этой связи целью настоящей работы явилось проведение исследований механизмов релаксации внутренних напряжений в зернах феррита низкоуглеродистой стали, а также изучение влияния структурных факторов на развитие процессов разрушения и их роли в оценке остаточного ресурса длительно эксплуатируемых резервуаров.
Для достижения этой цели решали следующие задачи:
Исследовать механизмы релаксации внутренних напряжений возникающих в результате циклических деформаций при отнулевом цикле на изгиб и в условиях одноосного нагружения;
Изучить влияние различных структурных факторов на механические свойства и на развитие процессов разрушения при испытаниях на ударный изгиб и усталость;
Установить влияние дислокационных структур на параметры трещиностойкости;
Провести пример расчета остаточного ресурса стали длительно проработавшего РВС.
Поставленные задачи решали с использованием различных экспериментальных методов исследования [7, 9, 24-28, 42, 49, 55, 63, 66, 67, 91, 111 и др.]: металлографического анализа; экспериментального моделирования различных дислокационных структур, встречающихся в стенке длительно эксплуатируемого РВС; просвечивающей и растровой электронной микроскопии, а также механических испытаний по ГОСТам в условиях одноосного нагружения, на ударный изгиб, усталость и определения параметров трещиностойкости.
На примере широко применяемой стали СтЗ были детально изучены механизмы релаксации внутренних напряжений при различных циклических деформациях (изгиб, одноосное нагружение). Было подтверждено, что дислокационное скольжение и зернограничное проскальзывание являются общими механизмами релаксации напряжений на начальных этапах циклической деформации и не зависят от вида нагружения. Однако при увеличении количества циклов деформации обнаруживаются и существенные отличия. Впервые экспериментально показано, что при увеличении числа циклов деформации при отнулевом цикле на изгиб, релаксация внутренних напряжений в зернах феррита осуществляется путем последовательного образования различных дислокационных структур: ячеистой, фрагментированной с
болыпеугловыми («ножевыми») разориентировками границ , субзеренной, зеренной. В то же время релаксация внутренних напряжений при циклической деформации в условиях одноосного нагружения осуществляется путем расщепления отдельных границ зерен феррита и зарождения микротрещин на границах зерен феррит-феррит. Причем процесс расщепления границ при циклической деформации происходит чаще всего не у тройных стыков, а в месте изменения ориентации границ.
Детально исследовано влияние типов дислокационных структур на механические свойства и параметры трещиностойкости. Показано, что в случае низкой плотности дислокаций или образования ячеистой структуры механические свойства и параметры трещиностойкости отличаются незначительно. В то же время при образовании в зернах феррита фрагментированной структуры с болыпеугловыми («ножевыми») разориентировками границ значения пределов прочности увеличиваются, а значения параметров пластичности и трещиностойкости - снижаются.
Установлено, что образование фрагментированной структуры с болыпеугловыми разориентировками границ в образцах стали, приводит к снижению значений ударной вязкости (KCV) при ударных испытаниях на изгиб более чем в два раза. Аналогичное влияние фрагментированной структуры проявляется и при испытаниях на усталость.
Результаты влияния дислокационных структур на механические свойства и параметры трещиностойкости были использованы в примерах расчета остаточного ресурса резервуаров и определения уровней взлива нефтепродукта.
Полученные результаты важны для более глубокого понимания процессов деформационного старения стальной стенки резервуаров в процессе длительной эксплуатации. Установленная связь влияния типа дислокационной структуры на механические свойства, параметры
1 Примечание: «ножевые» границы характеризуются высокоугловыми (более 20), протяженными, прямолинейными или плавно изогнутыми, очень тонкими и совершенными границами.
7 трещиностойкости и развитие процессов разрушения заложена в разработку
руководящего документа «Инструкция по диагностике резервуаров
вертикальных сварных (РВС)» по заданию ЗАО «НКТН «КазТрансОйл».
На защиту выносятся следующие положения:
Механизмы релаксации внутренних напряжений в феррито-перлитной стали зависят от схемы деформации.
Тип дислокационных структур, размер зерен и металлографическая текстура оказывают заметное влияние на значения механических свойств и параметры трещиностойкости.
Наличие фрагментированной структуры с болыпеугловыми разориентировками границ внутри ферритных зерен стали СтЗ способствует хрупкому разрушению.
Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на 51-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, г. Уфа, УГНТУ (2000 г.), втором научно-техническом семинаре «Обеспечение промышленной безопасности производственных объектов топливно-энергетического комплекса республики Башкортостан», г. Уфа, УГНТУ, 1999 г., II Международной конференции «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений», г. Тамбов (26-30.06.2000).
Микроструктура, механические свойства металлов и сплавов
В настоящее время хорошо известно, что механическое поведение металлических материалов определяется размером зерен, фазовым и химическим составом, размером и распределением дисперсных выделений, типом кристаллической решетки и др. [5, 6, 21]. С точки зрения эксплуатации феррито-перлитных сталей наибольший интерес вызывают результаты влияния размеров зерен на механические свойства. Рассмотрим влияние этого фактора на механические характеристики металлов и сплавов.
Таким образом, зависимость предела текучести и сопротивления деформации от размера зерна описывается одним и тем же по форме уравнением. И, хотя первоначально они были предложены как эмпирические соотношения, общность их формы заставила ряд исследователей сделать предположение о существовании некоторой общей закономерности в поведении поликристаллических агрегатов на различных стадиях деформирования, непосредственно отражающей физические процессы, лежащие в основе пластического течения металлов.
Зависимость предела выносливости, определенного при различных способах циклического нагружения, и предела текучести при статических испытаниях от размера зерна для малоуглеродистой стали - линейная. Углы наклона прямых линий различны, т. е. численные значения коэффициентов kR и ку соответственно в уравнениях (1.19) и (1.17) разные, но всегда kR ку. Коэффициент kR зависит от способа циклического нагружения.
В то же время обзор различных исследований влияния размера зерна на циклическую прочность, выполненный Ивановой B.C. и Терентьевым В.Ф.[40], показал, что уравнение (1.19) справедливо для различных материалов лишь в определенном диапазоне изменений размера зерна.
Для металлов и сплавов с ГЦК решеткой картина также не однозначна. Так, для меди предел выносливости не зависит от размера зерна (kR « 0), а для латуни наблюдается четкая зависимость sR от сГш (kR = 0,17ч-0,31 МПа-мш).
Хорошо известно, что границы зерен в мелкозернистом материале являются эффективными барьерами распространения усталостных трещин, которые образуются в полосах скольжения. В этом случае переход через границу зерна возможен, если размер полосы скольжения равен диаметру зерна; при этом начинают образовываться микроскопические трещины, т. е. происходят необратимые повреждения.
При уменьшении размера зерна уменьшается концентрация напряжений на границе, что приводит к повышению предела выносливости. В крупнозернистом материале барьерная роль границ зерна уменьшается и уже при меньших напряжениях полоса скольжения переходит из одного зерна в другое, т. е. распространяется усталостная повреждаемость [5, 12, 21,29,52].
Приведенные данные указывают на определенное сходство процессов, происходящих в сплавах при статическом и циклическом нагружениях.
Таким образом, показано, что пластическая деформация сильно изменяет дислокационную структуру в металле. Поэтому возникает необходимость исследования влияния дислокационной и зеренной структуры на механические свойства и характер разрушения металла.
Пластическая деформация (прокатка, экструзия и т. п.) приводит к переориентации кристаллической решетки зерен, т. е. развивается кристаллографическая текстура [5, 29, 39, 72, 102, 118]. Образование преимущественных кристаллографических переориентировок в зернах определяется влиянием ряда факторов: кристаллической структурой металла, составом, степенью, скоростью и температурой пластической деформации. Кристаллографические текстуры изображаются с помощью полюсных фигур, представляющих собой стереографические проекции распределения одной данной системы полюсов {hkl} (нормалей к семейству плоскостей {hkl}) в пространстве ориентировок. Очевидно, что наличие текстуры во многом определяет анизотропию механических и физических свойств [21, 39, 55, 118].
За последние годы существенно изменились взгляды на природу эволюции структуры, наметился отход от традиционных представлений теории дислокаций, введены понятия о дисклинациях, структурных уровнях деформации, структурно-неустойчивых состояниях, диссипативных структурах [49-51, 84-87, 89, 106, ПО]. Установлено влияние структуры границ зерен на механическое поведение различных сплавов [43, 44, 119, 120].
Поскольку стали феррито-перлитного класса относятся к ОЦК металлам, рассмотрим кратко эволюцию структуры при напряжениях, близких к пределу усталости. Чаще всего, предел усталости по своему значению меньше статического предела текучести. Поэтому начало усталостной деформации связано с процессами микротекучести.
Хорошо известно, что при испытании на усталость структура металлических материалов претерпевает заметные изменения. Вследствие этого изменяются их физико-механические свойства: пределы текучести и прочности, пластичность, твердость, коэффициенты упругости, трения, магнитные, электрические и тепловые свойства, а также скорость распространения упругих волн [32, 53].
В настоящее время большинство структурных исследований усталости металлов и сплавов выполнено на дислокационном уровне с анализом формирующейся дислокационной структуры в зернах [19, 40, 53]. Это связано, главным образом, с изучением внутризеренного разрушения, когда трещины зарождаются и распространяются в полосах усталости. Однако, очевидно, что на развитие усталостного разрушения поликристаллических материалов существенное влияние должны оказывать иерархия структурных уровней деформации, характер поведения отдельных зерен как целого, а также структура и спектр разориентировок границ зерен. Если влияние иерархии структурных уровней деформации и характера поведения отдельных зерен как целого на развитие усталостного разрушения изучено в отдельных работах [83-87, ПО], то влияние структуры и спектра разориентировок границ зерен на развитие усталостного разрушения практически не исследовано.
На практике усталостное разрушение часто наблюдается по границам зерен. Известно, что границы зерен служат местами возникновения наиболее мощных концентраторов напряжений, последние же, как известно [43, 44, 115 и т.д.], играют определяющую роль в усталостном разрушении материала. Очень важно знать, как формируются концентраторы напряжений по границам зерен при циклическом нагружении, от каких факторов они зависят, каким образом можно ими управлять. Понимание этих вопросов позволит разработать методику, позволяющую определять остаточный ресурс с учетом изменения структуры металла.
Методика металлографических исследований
Для оценки механических свойств сталей проводились испытания на растяжение при комнатной температуре. Образцы для испытаний вырезались в продольном направлении. Чертеж образцов для испытаний приведен на рис. 2.1. Испытания проводили на универсальном динамометре фирмы "Schenck" при скорости деформации є =8-10" с" и температуре Т=293 К. Диаграмму деформирования записывали на самописце установки. Скорость перемещения ленты самописца превышала скорость перемещения траверсы динамометра в 60 раз. После разрыва образца замер сечения шейки в месте излома проводился с использованием инструментального микроскопа ИМЦ-150х50Б, оснащенным электронным цифровым измерителем УЦО-2, позволяющем проводить измерения с точностью до 0,005 мм.
Для оценки механических свойств сталей проводились испытания на растяжение при комнатной температуре. Образцы для испытаний вырезались в продольном направлении. Чертеж образцов для испытаний приведен на рис. 2.1. Испытания проводили на универсальном динамометре фирмы "Schenck" при скорости деформации є =8-10" с" и температуре Т=293 К. Диаграмму деформирования записывали на самописце установки. Скорость перемещения ленты самописца превышала скорость перемещения траверсы динамометра в 60 раз. После разрыва образца замер сечения шейки в месте излома проводился с использованием инструментального микроскопа ИМЦ-150х50Б, оснащенным электронным цифровым измерителем УЦО-2, позволяющем проводить измерения с точностью до 0,005 мм.
Значения ударной вязкости определяли по ГОСТ 9454-78 по результатам испытаний образцов типа IV на ударный изгиб на маятниковом копре МК-ЗОМ с автоматическим компьютерным определением работы разрушения. Для испытаний на ударный изгиб использовали по 5 образцов на точку. При испытаниях использовали маятниковый копер с максимальной энергией удара 300 Дж.
Испытания в условиях малоциклового нагружения Циклическая деформация при отнулевом цикле на изгиб. Циклическую деформацию на изгиб осуществляли по схеме, изображенной на рис. 2.3. Испытания проводились при отнулевом цикле на образцах с сечением 20x8 мм и длиной 1=200 мм. В случае максимальной относительной деформации є=2,18 прогиб составлял /г=8 мм. Количество циклов деформирования - 200, 400, 600 и 1000. Эксперименты проводили при постоянных температуре (293 К), частоте колебаний 5 Гц при постоянной жесткости напряженного состояния.
Для определения параметров трещиностойкости при статическом кратковременном нагружении использовали образцы, изображенные на рис.2.6, согласно ГОСТ 25.506-85. Испытания проводили на универсальном динамометре для циклических испытаний фирмы "Schenck". Необходимое максимальное усилие испытательной машины рассчитывали по формуле.
Размеры образцов W, В и / перед испытаниями измеряли с погрешностью 0,1 мм и результаты измерений заносили в таблицу. Скорость нагружения образцов устанавливают по скорости перемещения подвижного захвата в пределах 0,1-й мм/мин. При определении характеристики Кіс испытания образцов проводили до разрушения с регистрацией диаграмм нагрузка - смещение (P-v).
Методика электронно-микроскопических исследований Для электронно-микроскопических исследований тонкой структуры сталей, на просвет изготавливали фольги. Заготовками для получения фольг служили пластины толщиной 0,5 мм, вырезанные из исследуемых образцов. После механической шлифовки до толщины 0,2 мм, вырезались диски диаметром 3 мм и проводилась их электрополировка в установке для струйной полировки с двумя соплами для истечения электролита и автоматической регистрацией момента образования отверстия размером не более 0,1 мм. Электрополировку проводили на установке струйной электрополировки TENUPOL-2.
Как следует из обзора литературы, дальнейший прогресс в решении проблемы оценки остаточного ресурса длительно эксплуатируемых резервуаров, по-видимому, уже невозможен без существенного продвижения по пути развития фундаментальных научных представлений, основанных на изучении механизмов релаксации внутренних напряжений и влияния структурных факторов на развитие процессов разрушения. Проблема разработки методов оценки остаточного ресурса РВС является комплексной, включающей в себя влияние внешних факторов, коррозионных процессов и структуры стали. В процессе длительной эксплуатации РВС, благодаря воздействию переменных нагрузок, происходит постепенное накопление дефектов кристаллической решетки, релаксация которых приводит к изменению структуры стали. Данные вопросы, применительно к исследуемой стали, подробно рассматриваются в настоящей главе. Особое внимание уделено релаксации напряжений при различных схемах циклической деформации. Подробно эти результаты рассмотрены в наших работах [75, 76, 90, 92, 120].
Эволюция дислокационной структуры ферритно-перлитной стали БСтЗсп при циклической деформации
С целью более глубокого понимания механизмов релаксации внутренних напряжений, возникающих при циклической деформации, были проведены электронно-микроскопические исследования тонких фольг образцов стали БСтЗсп. Анализ дислокационной структуры образцов, не подвергнутых деформации (исходное состояние), показал неоднородное распределение дислокаций. Средняя плотность решеточных дислокаций перед циклической деформацией составляла р= 10 см" (см. рис.3.4, а и рис.3.5, а). Циклическая деформация независимо от вида деформации приводит к увеличению плотности решеточных дислокаций. Наблюдаются участки, в которых отдельные дислокации неразрешимы (см. рис.3.4, б и рис. 3.5, б).
Дислокации становятся неразрешимыми при плотности порядка 1010-см . Отметим, что упругие искажения, создаваемые участками с высокой плотностью дислокаций, как правило, проходят через все зерно феррита. При наклоне гониометра происходит перемещение электронно-микроскопического изображения таких участков.
Электронно-микроскопические исследования показали, что дислокационная структура образцов стали БСтЗсп, в процессе циклической деформации на изгиб претерпевает существенные изменения (рис. 3.4, а -д). Характерной особенностью структурных превращений является то, что на начальном этапе пластической деформации интенсивное зарождение дислокаций на границах зерен под действием приложенных внешних напряжений приводит к увеличению их плотности, как в теле, так и на границах зерен феррита. Так после 200 циклов циклической деформации на изгиб релаксация внутренних напряжений происходит путем перестройки дислокационной структуры в ячеистую (рис. 3.4,в).
Дальнейшая циклическая деформация на изгиб приводит к дальнейшему накоплению дефектов кристаллической решетки. При этом плотность дислокаций в матрице непрерывно возрастает, и при р«1х1010...1х1012 см"2 в дислокационном ансамбле возникают коллективные формы движения, которые с ростом количества циклов деформации приводят к образованию фрагментированной структуры с плавно изогнутыми, очень тонкими, совершенными болыпеугловыми «ножевыми» границами (рис. 3.4, г). Размеры фрагментов в длину составляли 3-15 мкм. Фрагментированную структуру с подобными границами авторы [102] наблюдали при больших пластических деформациях. Эти границы создают большие разориентировки прилегающих областей. Так углы поворота между фрагментами 1, 2, 3, 4, 5 и 6, рассчитанные электронно-микроскопическими методами [14], соответственно составили: Gj 2=8, 0, =\2, 9j =2, Є1 5 =18, Є46 =23, Є43 =15, 025 =7.
Размер фрагментов колебался от 3 мкм до 15 мкм. Такая структура может быть сформирована в результате либо одновременного поворота ячеек преимущественно в одном направлении, либо в результате их разупорядочен-ного разворота. Внутри фрагментов ячеистая структура частично сохраняется. Отметим, что в перлитных колониях в результате циклической деформации на изгиб заметных изменений в дислокационной структуре не происходит.
Дальнейшая циклическая деформация на изгиб приводит к дальнейшей перестройке дислокационной структуры. Происходит постепенное облагораживание границ фрагментов, о чем свидетельствует появление полосчатого контраста на отдельных границах микрофрагментов (см. рис. 3.4, Д).
По иному происходит релаксация внутренних напряжений при циклической деформации в условиях одноосного нагружения. Как показали электронно-микроскопические исследования, происходит постоянное повышение плотности дислокаций и при достижении критической степени релаксация напряжений осуществляется путем зарождения микротрещин на границах зерен феррит-феррит (см. рис. 3.5, а- д). Необходимо отметить важное отличие, наблюдаемое при деформации на изгиб и по схеме одноосного растяжения. Так при деформации по схеме одноосного растяжения для достижения одинаковой плотности дислокаций требуется значительно большее число циклов, чем при деформации на изгиб. Если плотность решеточных дислокаций в теле ферритных зерен после 200 циклов на изгиб 10 12 1 составляет порядка р«1х 10 ...1x10 см" , то для достижения той же плотности дислокаций по схеме одноосного растяжения требуется уже почти 30000 циклов.
Чем же может быть обусловлено образование различных дислокационных структур в теле ферритных зерен в зависимости от схемы нагруже-ния? Для ответа на этот вопрос необходимо рассмотреть действие напряжений в материале. При одноосном нагружении в зернах действуют только растягивающие напряжения. В то время как при изгибе, одновременно действуют как сжимающие так и растягивающие напряжения. Очевидно, что в этом случае число зерен благоприятно ориентированных для пластической деформации в локальной области резко возрастает. Об этом свидетельствуют и наличие линий скольжения на поверхности полированных образцов (см. рис.3.2 и 3.3). Так при циклической деформации, в условиях одноосного нагружения, число зерен, в которых видны линии скольжения, даже после 30000 циклов, незначительно. В то время как в образцах, подвергнутых циклической деформации на изгиб, число зерен, в которых наблюдаются линии скольжения значительно уже после 200 циклов.
С современной точки зрения границы зерен являются как источниками, так и стоками решеточных дислокаций. В то же время границы зерен являются эффективными барьерами для движения дислокаций. При циклической деформации на изгиб, число источников дислокаций в локальной области (по причине действия растягивающих и сжимающих напряжений), существенно выше. Очевидно, что в этой области, на начальных стадиях циклической деформации, плотность решеточных дислокаций должна резко возрастать. Следовательно, внутренние напряжения при циклической деформации на изгиб, должны также резко возрастать по сравнению с одноосной циклической деформацией. Отсюда становится понятной причина образования различных дислокационных структур при изгибе.
На основании полученных результатов металлографических и электронно-микроскопических исследований можно сделать следующие выводы: 1. На начальных стадиях циклической деформации, независимо от схемы нагружения, релаксация напряжений в ферритных зернах осуществляется путем дислокационного скольжения и последующего зернограничного проскальзывания. 2. При увеличении числа циклов схема нагружения оказывает суще ственное влияние на механизмы релаксации внутренних напряже ний. Так при циклической деформации на изгиб, релаксация внут ренних напряжений в теле ферритных зерен осуществляется путем последовательной перестройки дислокационной структуры: ячеи стая, фрагментированная с болыпеугловыми («ножевыми») грани цами, субзеренная. В то же время при циклической деформации в условиях одноосного растяжения релаксация внутренних напря жений осуществляется путем расщепления отдельных границ зе
рен феррита или путем зарождения микротрещин.
Таким образом, электронно-микроскопические исследования тонких фольг подтвердили, что с увеличением количества циклов происходят существенные изменения дислокационной структуры. При изгибе часть дислокаций релаксируя и взаимодействуя между собой, образуют сложные конфигурации, а часть накапливается вблизи границ зерен. Постепенно, с увеличением числа циклов (пластической деформации), плотность дислока-ций в матрице и на границах непрерывно возрастает, и при р«Ы0 см" в дислокационном ансамбле, возникают коллективные формы движения. Формируются элементы в виде дисклинаций и после 200-цикловой деформации образуются хорошо развитая, слаборазориентированная равноосная ячеистая структура. Границы ячеек состоят из «перепутанных» дислокационных сплетений, четко не оформлены, несовершенны, а сами ячейки свободны от решеточных дислокаций.
Влияние дислокационной структуры на развитие процессов усталостного разрушения стали
Как было показано выше, в процессе циклической деформации происходят перестройки в дислокационной структуре стали. В результате изменяются механические свойства и характер разрушения. Рассмотрим влияние дислокационной структуры на развитие усталостных трещин при малоцикловой деформации.
Наглядно видно, что в образцах стали с фрагментированной структурой количество циклов до полного разрушения существенно меньше, в сравнении с образцами с любой другой дислокационной структурой. Для понимания процессов роста усталостных трещин были проведены исследования поверхности разрушения на растровом электронном микроскопе. Макро- и фрактографический анализ усталостных изломов образцов с различной исходной дислокационной структурой показал, что поверхности разрушения имеют две ярко выраженные зоны: зону усталостного развития трещины и зону долома. На начальном развитии трещин появляются грубые и короткие полосы микроотрыва. С увеличением длины трещины появляются усталостные бороздки. Причем ширина этих бороздок зависит от структурного состояния стали. Наиболее узкие усталостные бороздки наблюдаются в стали, не подверженной предварительной циклической деформации (см. рис. 4.4, а). При этом, пластическая деформация наблюдается практически сразу же у надреза. С увеличением роста трещины появляются кратеры, соседствующие с мелкими «ямками». В стали же с «ножевыми» границами ширина усталостных бороздок больше, чем в любом другом состоянии (см. рис. 4.4, б, в). При росте трещины в этом образце появляются следы пластической деформации, при этом меняется и характер разрушения- усталостные бороздки сменяются глубокими «ямками». Грубые кратеры соседствуют с мелкими «ямками». Глубокие чашечки с волнистостью свидетельствуют о существенной роли локальной пластической деформации, и, наоборот, мелкие чашечки - свидетельство малой доли микролокальной пластической деформации. Сопоставление ширины усталостных бороздок показывает, что наиболее высокие значения ширины усталостных бороздок в образцах с фрагментированной структурой с болыпеугловыми разориентировками зерен. Количественная оценка, проведенная по фракто-графическим снимкам показала, что для исходной, ячеистой и фрагментированной структур ширина усталостных бороздок соответственно составила: 0,34 мкм, 0,42 мкм и 1,3 мкм. Аналогичная картина усталостного разрушения, наблюдается и на других образцах, подвергнутых предварительной деформации по схеме одноосного растяжения.
Таким образом, закономерности усталостного разрушения стали БСтЗсп с различной дислокационной структурой (повышение напряжений в зоне долома, увеличение ширины усталостных бороздок, появление грубых кратеров и ямочного рельефа), установленные в результате комплексного макро- и микрофрактофафического анализа изломов, сформировавшихся в результате циклического растяжения, позволяют сделать вывод о существенном влиянии структуры стали на кинетику и особенности развития трещин в условиях малоцикловой усталости. - исходное состояние; 2 - ячеистая структура; 3 - фрагментированная структура с «ножевыми границами
Среди механических свойств конструкционных материалов трещиностойкость занимает особое место вследствие уникальной способности характеризовать сопротивление разрушению. Для многих материалов в силу их функционального предназначения трещиностойкость важнейший показатель, а применение материалов, перспективных по другим показателям, сдерживается невозможностью создания такой их структуры, которая хотя бы минимально могла обеспечить необходимую трещиностойкость (например, керамические конструкционные материалы). Вместе с тем пока не до конца выяснено, какие же параметры структуры тех или иных материалов формируют их трещиностойкость и какими принципами следует руководствоваться при оптимизации этих параметров. Ответы на данные вопросы в определяющей степени зависят от того, насколько удастся понять и описать элементарные акты процесса разрушения структуры, чтобы разработать принципы создания новых структур, обладающих повышенной стойкостью против разрушения. В этой связи, на наш взгляд, представляется важным рассмотреть вопросы влияния дислокационной структуры и структуры границ микрофрагментов на параметры трещиностойкости стали.
По диаграмме P-V определяли PQ и Рс. Силу PQ определяли по диаграмме растяжения введением условного отклонения от касательной к начальному линейному участку на 5%. Нагрузка Рс представляет собой силу, необходимую для разрушения образца внезапным изломом.
Для примера были сделаны вырезки из наиболее нагруженных поясов участки стенки резервуаров проработавших около 40 лет. Стенки резервуаров были изготовлены из стали БСт4сп. Проведенные металлографические исследования показали, что микроструктура стали, несмотря на один и тот же химический состав существенно отличается (см. рис. 4.5). Из рис. 4.5 видно, что микроструктура стали РВС-5000 №19 ЛДПС «Салават» значительно больше, чем РВС-5000 №12 ЛДПС «Петропавловск». Кроме того, наблюдается металлографическая текстура, характеризуемая строчечным расположением перлита. Хорошо известно, что размер зерен оказывает значительное влияние на механические свойства стали. Действительно, проведенные механические испытания на растяжение показали заметные отличия в механических свойствах стали (см. рис. 4.6). Видно, что в образцах стали с размером зерен 9 мкм значения механических свойств заметно выше, а относительное удлинение ниже, чем при деформации стали с размером зерен 20 мкм.
