Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Зоны концентрации напряжений (ЗКН) и их влияние на механические свойства металла изделий машиностроения 5
1.1. Причины образования ЗКН в металле изделий машиностроения 5
1.2.Механизмы образования ЗКН и структурно-механическое состояние металла в ЗКН 15
1.3.Существующие методы контроля микроструктуры и механических свойств металла в ЗКН 30
1.4.Выводы по первой главе. Цели и задачи диссертации 40
Глава II. Масштабный фактор при определении механических свойств материалов 43
2.1. Масштабный фактор при определении механических свойств материалов. Значение масштабного эффекта 43
2.2. Масштабные уровни и причины проявления масштабного эффекта при определении твердости материалов 52
2.3.Влияние масштабного фактора на твердость материалов, определяемую методом Виккерса 56
2.4.Влияние масштабного фактора на твердость материалов, определяемую методом Бринелля 59
2.5. Выводы по главе II 64
Глава III. Общие закономерности влияния масштабного фактора на прочность и твердость материалов 65
3.1. Изменения предела текучести, временного сопротивления и предельной равномерной деформации материала в зависимости от диаметра образца 65
3.2. Изменение твердости на пределе текучести, твердости на пределе прочности и параметра упрочнения в зависимости от диаметра индентора 70
3.3. Общие закономерности проявления масштабного фактора при определении прочности и твердости металла 73
3.4. Выводы по главе III 79
Глава IV. Исследование структуры и упрочнения металла в локальных зонах концентарции напряжений с использованием электронной микроскопии 81
4.1. Исследование процесса скопления дислокаций в зонах устойчивых полос скольжения (линий Чернова-Людерса) на стальных образцах при их растяжении 81
4.2.Исследование структуры металла трубы 0 36 х 5 мм из стали ДИ-59 (10Х13Г12БС2Н2Д2) на растровом электронном микроскопе 85
4.3.Определение микро- и макротвердости металла в ЗКН и вне ЗКН на образце трубы 0 36x5 мм из стали ДИ-59 95
4.4. Оценка уровня напряжений в ЗКН на основе дислокационной модели механизма разрушения при вторичном скольжении 96
4.5. Выводы к главе IV 98
Глава V. Разработка методики определения механических свойств металла в ЗКН путем индентирования с последующим пересчетом характеристик твердости на характеристики прочности. Экспериментальное обоснование методики 100
5.1. Разработка методики определения механических свойств металла в ЗКН путем индентирования с последующим пересчетом характеристик твердости в характеристики прочности 100
5.2. Экспериментальные исследования характеристик твердости и прочности с использованием разработанной методики 110
5.2.1. Исследование механических свойств металла труб из стали ДИ-59 ширмового пароперегревателя котла Еп-620-140-565БТ Харанорской ГРЭС 110
5.2.2. Оценка механических свойств металла гибов паропроводных труб по параметрам твердости 118
5.2.3. Оценка механических свойств металла лопаток паровой турбины К-300-240 энергоблока № 1 Конаковской ГРЭС 122
5.2.4. Результаты контроля механических свойств гибов водоопускных труб на котле № 4 ТЭЦ МЭИ 124
5.2.5. Определение механических свойств в шпильке 0 60 мм из стали ЭП182 фланцевого соединения цилиндра высокого давления турбогенератора ПТ-60-130 Дягилевской ТЭЦ 128
5.2.6. Определение механических свойств прутков кругового проката 0 22 мм из стали 05Х16Н4Д2Б 130
5.3. Выводы к главе V 134
Основные результаты и выводы по диссертационной работе 135
Литература 139
- Причины образования ЗКН в металле изделий машиностроения
- Масштабный фактор при определении механических свойств материалов. Значение масштабного эффекта
- Общие закономерности проявления масштабного фактора при определении прочности и твердости металла
- Разработка методики определения механических свойств металла в ЗКН путем индентирования с последующим пересчетом характеристик твердости в характеристики прочности
Введение к работе
Актуальность темы обусловлена необходимостью определения механических свойств металла в зонах концентрации напряжений (ЗКН), являющихся источниками развития повреждений изделий машиностроения.
Причины возникновения ЗКН в изделиях машиностроения можно подразделить на металлургические, технологические, конструктивные и эксплуатационные. Отдельно следует выделить локальные структурные ЗКН, образующиеся в процессе изготовления или эксплуатации изделий под воздействием рабочих нагрузок, температуры, давления. В этих зонах происходят пластические сдвиги на разных масштабных уровнях. Как показывают экспериментальные исследования, локальные структурные ЗКН могут иметь размеры в пределах от нескольких микрометров до нескольких миллиметров. При средних напряжениях в изделии ниже предела текучести в локальных ЗКН напряжения значительно возрастают, а в некоторых случаях достигают разрушающих напряжений, вызывая образование трещин.
Особую актуальность проблема определения механических свойств металла локальных ЗКН приобретает в настоящее время в связи с необходимостью оценки остаточного ресурса оборудования и конструкций во всех отраслях промышленности.
Анализ существующих видов механических испытаний материалов показал, что индентирование (твердометрия) является наиболее перспективным способом определения механических свойств локальных ЗКН. Однако трудности такого вида испытания состоят в том, что из-за малых размеров ЗКН для контроля механических свойств можно использовать только мезо-, микро-, наноиндентирование. Определяемые при этом значения мезо-, микро-, нанотвердости превосходят значения макротвердости из-за влияния масштабного эффекта. А существующие связи характеристик прочности, определяемых при растяжении образцов, с характеристиками твердости, определяемыми при индентировании, установлены для макроуровня деформирования металла. В справочниках, сертификатах на металл и машиностроительную продукцию значения твердости и других механических характеристик представлены по результатам испытаний также на макроуровне. Поэтому необходимо установить условия подобия и обосновать возможность пересчета характеристик прочности по характеристикам твердости на разных масштабных уровнях.
Таким образом, разработка методики определения механических свойств металла ЗКН непосредственно в элементах оборудования по характеристикам твердости на разных масштабных уровнях, представляется актуальной задачей.
Целью исследования является – разработка методики определения фактических механических свойств металла ЗКН непосредственно в элементах оборудования, используя возможность пересчета характеристик прочности по характеристикам твердости на разных масштабных уровнях.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
-
Исследовать влияние масштабного фактора на механические свойства конструкционных материалов при растяжении образцов разного диаметра.
-
Исследовать влияние масштабного фактора на твердость этих же конструкционных материалов, определенную методом Виккерса при изменении нагрузки вдавливания и на твердость, определенную методом Бринелля при изменении диаметра индентора.
-
Выявить общие закономерности влияния масштабного фактора на характеристики прочности материалов, определенные испытаниями образцов на растяжение и характеристики твердости, определенные вдавливанием инденторов.
-
Предложить условия подобия для сопоставления характеристик прочности с характеристиками твердости материалов в целях установления связи между ними на разных масштабных уровнях.
-
Разработать методику определения механических свойств металла структурных ЗКН изделий машиностроения, возникающих в условиях эксплуатации.
-
Исследовать микроструктуру металла ЗКН на разных масштабных уровнях.
-
Оценить упрочнение металла ЗКН и критическое напряжение, необходимые для образования трещины, согласно дислокационным моделям.
-
Провести экспериментальное опробование разработанной методики на различных элементах оборудования, находящегося в эксплуатации.
Методы исследования. В ходе выполнения диссертационной работы были применены современные методы и технические средства микроструктурного анализа, электронной микроскопии, спектроскопии, фрактографии со стереоизображением в формате 3D, определения механических свойств металла растяжением и индентированием на разных масштабных уровнях.
Научная новизна полученных результатов.
Установлено, что параметр деформационного упрочнения при вдавливании сферических инденторов и предельная равномерная деформация при растяжении подобных цилиндрических образцов снижаются при уменьшении диаметра индентора и диаметра образца. Особенно сильно эти параметры снижаются при переходе от мезо- к микроуровням деформирования металла.
Установлен и экспериментально подтвержден общий характер влияния масштабного фактора на изменение характеристик прочности стали при растяжении образцов различного диаметра и характеристик твердости при вдавливании сферических инденторов различного диаметра. Предложены условия подобия, при выполнении которых возможен пересчет характеристик твердости на характеристики прочности по единой зависимости на макро-, мезо-, микроуровнях деформирования металла. Такими условиями являются равенство поверхности отпечатка и абсолютного изменения площади поперечного сечения образца, а также равенство относительной пластической деформации при вдавливании и растяжении.
Разработана методика определения механических свойств металла ЗКН путем индентирования на мезо-микроуровнях с последующим пересчетом значений механических свойств на макроуровень по предложенным зависимостям.
Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждены всесторонними исследованиями, выполненными с применением современных методик, приборов, оборудования, вычислительной и информационно-измерительной техники, сравнением и достаточно точным совпадением предложенных аналитических и расчетных зависимостей с экспериментальными данными.
Практическая значимость и реализация результатов работы:
Разработанная методика определения механических свойств металла ЗКН на мезо-микроуровнях индентирования расширяет возможности оперативного контроля и дополняет ценными сведениями оценку фактического структурно-механического состояния металла элементов конструкций и машин в условиях эксплуатации. Для повышения эффективности методики необходимо дополнять ее анализом микроструктуры металла с использованием метода пластических реплик.
Практическое опробование методики выполнено на следующих узлах энергетического и нефтяного оборудования:
- гибы и лопатки паропроводов энергоблока №4 Конаковской ГРЭС;
- шпильки фланцевого соединения пароперепускных труб ЦВД турбины
ПТ-60-130/13 Дягилевской ТЭЦ;
- трубы конвективного пароперегревателя КПП «ИнтерРАО»;
- прутки диаметром 22 мм для изготовления валов электроцентробежных насосов нефтедобычи (ЭЦН).
На защиту выносятся следующие положения и результаты:
-
Условия подобия для определения характеристик прочности металла растяжением образцов и характеристик твердости вдавливании сферического индентора на одном масштабном уровне.
-
Общие закономерности и зависимости влияния масштабного фактора на характеристики прочности и твердости.
-
Методика определения механических свойств металла ЗКН путем индентирования на мезо- и микроуровнях с последующим пересчетом значений механических свойств на макроуровень по предложенным зависимостям.
-
Результаты исследования микроструктуры металла ЗКН, оценка упрочнения металла ЗКН индентированием и расчетом по дислокационной модели Тейлора.
-
Экспериментальное обоснование предложенной методики для определения механических свойств металла ЗКН, образовавшихся на различных узлах энергооборудования и изделий установок нефтедобычи.
Апробация диссертационной работы.
Основные результаты диссертационной работы представлены на:
- четырех международных научно-технических конференциях аспирантов и студентов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Москва, МЭИ (ТУ), 2009, 2010, 2011, 2012 гг.;
- третьей международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов», Москва, ИМЕТ РАН, 2009 г.;
- 18-ой Всероссийской конференции и Международной специализированной выставке приборов и оборудования для неразрушающего контроля и технической диагностики в промышленности. Н. Новгород, НГТУ, 30.09 – 02.10.2008 г.;
- научный семинар кафедры «Металловедения и термообработки» Московского автомобильно-дорожного Государственного Технического Университета, 2013 г.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Содержит
136 страниц текста, 45 рисунков, 9 таблиц и 122 наименования цитированной литературы.
Причины образования ЗКН в металле изделий машиностроения
При расчете любой конструкции на стадии ее проектирования необходимо ответить прежде всего на следующие вопросы: выдержит конструкция рабочие нагрузки или не выдержит; прочна конструкция или нет; какова степень ее надежности. Достигнуть равной прочности всех узлов конструкции даже на стадии проектирования и изготовления, как правило, не удается из-за наличия зон концентрации напряжений (ЗКН). Следует выделить три основных группы ЗКН в зависимости от их происхождения: конструктивные, технологические и эксплуатационные.
Конструктивные концентраторы напряжений достаточно хорошо изучены в сопромате и в прочностных расчетах. К конструктивным концентраторам напряжений относят различные неоднородности формы изделий (углы, отверстия, сварные соединения, переходы от одного сечения к другому и пр.).
Следует отличать понятия «концентратор напряжений, обусловленный конструкцией изделия, от материаловедческого понятия «концентрация напряжений», возникающая в зонах различных дефектов и неоднородностей структуры металла изделий.
Согласно ГОСТ Р 52330-2005 [1], ЗКН - локальная зона изделия, в которой возникла большая деформация по сравнению со средней деформацией по всему объему изделия.
В настоящее время недостаточно изучено влияние на прочность изделий при их эксплуатации технологических дефектов изготовления, вызывающих возникновение нерасчетных ЗКН. К технологическим дефектам изготовления относятся:
- металлургические дефекты (неоднородность структуры и неметаллические включения);
- дефекты литья в заготовках (усадочные раковины, рыхлость, пористость, трещины);
- дефекты проката (расслоение, волосовины, риски);
- дефекты штамповки и кузнечного производства;
- некачественная гибка (гофры, риски на внутренней поверхности труб);
- некачественная термообработка (например, крупнозернистая структура сталей);
- дефекты сварки (остаточные напряжения, непровары, шлаковые включения, поры и другие).
В процессе остывания литых заготовок и слитков наружные слои металла остывают быстрее, чем внутренние. В объеме изделий, особенно разнотолщинных, по этой причине возникают значительные термические напряжения. При таких условиях во внутренних слоях металла изделий возникают типичные дефекты литья: усадочные раковины, рыхлоты, пористость, трещины. В процессе остывания металла в различных зонах стальной отливки отдельные кристаллы образуются в разное время и поэтому они имеют разный состав. Это явление называется ликвацией. Указанные условия литейного производства вызывают разброс структурно-механических свойств металла изделий.
Перечисленные выше технологические дефекты изготовления связаны с несовершенством технологий производства изделий машиностроения. Причины образования технологических дефектов по каждому виду технологии подробно рассматриваются, например, в работах [2, 3].
На заводах-изготовителях изделия машиностроения проходят выходной контроль различными методами неразрушающего и разрушающего контроля. Однако, из-за отсутствия на большинстве заводов 100% контроля изделий, а также из-за несовершенства самих методов и технических средств контроля, значительная часть технологических дефектов изготовления остается в изделиях, которые поступают в эксплуатацию на промышленные производства (электростанции, нефтехимические и нефтеперерабатывающие заводы, железнодорожный транспорт, газовая, нефтяная промышленность и другие производства).
Технологические дефекты изготовления, как известно, создают в локальных зонах изделия высокий уровень остаточных напряжений (ОН). Контроль ОН на отдельных производствах выполняется выборочно. При этом контролируется средний (объемный) уровень ОН, а локальные зоны ОН от дефектов, как правило, пропускаются.
На предприятиях, которые эксплуатируют поступившие изделия машиностроения, входной контроль, как правило, не осуществляется или выполняется выборочно, частично. Контроль ОН при входном контроле, как правило, не выполняется. По указанным причинам в первые же годы эксплуатации изделий под рабочей нагрузкой происходит их «отбраковка».
Технологические дефекты изготовления, и высокий уровень ОН в локальных зонах при неблагоприятных сочетаниях с напряжениями от рабочей нагрузки вызывают ускоренное развитие повреждений.
Из представленных данных видно, что источниками 77,3% отказов котлов явились различные конструктивные и технологические концентраторы напряжений. В результате анализа конструктивных особенностей поврежденных труб в сопоставлении с их расположением в системе креплений установлено, что 73% отказов котлов, происшедших за указанный период на ТЭС Мосэнерго, были вызваны в основном недостаточной температурной компенсацией труб. Как указывается в работе [5], «недостаточная самокомпенсация труб поверхностей нагрева связана с различными нарушениями и отступлениями от проектной схемы перемещений в подвижных узлах креплений, повышенной теплогидравлическои разверкои, неправильной установкой ремонтных вставок, защемлением труб в ремонтных и монтажных сухарях и в местах прохода труб и змеевиков через обмуровку. Усилия защемления, возникающие на отдельных участках труб, приводят к большим поперечным изгибным напряжениям, при которых возможна потеря устойчивости трубы с прогибом ее в сторону и кручением. При этом наиболее опасными и предрасположенными к разрушению являются участки труб, на которых остаточные напряжения от сварки, гибки, технологических дефектов совпадают с максимальными изгибными напряжениями от компенсации температурных расширений и с тангенциальными напряжениями от давления среды. Именно этим обстоятельством, по-видимому, объясняется известный из практики факт, что повреждаются не все, а только отдельные трубы, работающие в одинаковых эксплуатационных условиях с соседними трубами.
В процессе изготовления изделий машиностроения (плавка, ковка, штамповка, сварка, термическая обработка) из-за неравномерного охлаждения образуются термические напряжения по объему изделия, которые влияют на формирование кристаллической решетки металла. В местах наибольшей концентрации дефектов кристаллической решетки (например, скоплений дислокаций) и различных неоднородностей структуры и неметаллических включений, образуются зоны концентрации напряжений (ЗКН) - источники развития повреждений металла изделий в процессе их эксплуатации.
Масштабный фактор при определении механических свойств материалов. Значение масштабного эффекта
В последние годы резко возрос научно-практический интерес к масштабному эффекту и его влиянию на механические свойства материалов. Это вызвано бурным развитием наноматериаловедения и нанотехнологий, а также новым многоуровневым подходом к исследованию деформации и прочности твердых тел [13, 14, 29, 30, 31]. Однако, прежде чем анализировать роль масштабного эффекта и исследовать его влияние на механические свойства материалов необходимо условиться с понятиями и терминологией, характеризующими это важное физическое явление.
Исторически сложилось так, что термин «масштабный эффект» появился раньше и используется гораздо шире, чем термин «размерный эффект». Оба эти термина характеризуют общее физическое явление, проявляющееся в изменении свойств исследуемого объекта при изменении его размеров. Вместе с тем понятие «масштаб» означает степень увеличения или уменьшения изображенных (например, на чертеже) и действительных размеров объекта.
Однако, если один и тот же объект (например, образец для механических испытаний материала) будет изображен в разном масштабе, то это не означает, что его свойства от этого могут измениться. Поэтому более обоснованным является термин «размерный эффект», который учитывает реальные размеры исследуемого объекта и их влияние на его свойства. Этот термин используется в таких науках как физика, механика твердого тела, материаловедение и др. Но вместе с тем, термин «масштабный эффект» в настоящее время более предпочтителен при определении механических свойств конструкционных материалов.
Исходя из вышеизложенного вступления, можно назвать следующие конкретные термины и определения применительно к механическим свойствам материалов.
Масштабный эффект как физическое явление состоит в изменении механических свойств материалов под действием масштабного фактора.
Масштабный фактор как причина размерного эффекта состоит в изменении размеров образцов или конструкций для механических испытаний, зоны пластической деформации, элементов структуры и субструктуры и др.
Параметрами масштабного фактора могут быть линейные (длина, ширина, толщина), плоские (площади поверхностей, сечений), объемные (исходный, деформируемый, смещенный объемы), размеры образца, элементов структуры, зоны пластической деформации и др.
В качестве уровней масштабного фактора обычно используют: макро-, мезо-, микро-, наноуровни.
Критериями разграничения уровней масштабного фактора могут быть абсолютные или относительные значения параметров масштабного фактора.
О влиянии размеров деталей или конструкций на их прочность известно давно. Чем больше габариты геометрически подобных деталей или конструкций, тем меньше их прочность. Если рассматривать образец для механических испытаний металла как простейшую конструкцию, то также можно ожидать снижения характеристик прочности при увеличении размеров подобных образцов.
Масштабный эффект проявляется при любых видах механических испытаний материалов. В научно-технической литературе чаще всего встречаются сведения о влиянии диаметра или площади поперечного сечения образца на механические свойства материалов. Отмечается снижение показателей прочности материала при увеличении диаметра или площади поперечного сечения образца. Если обратиться к публикациям первой половины XX века, то можно привести, например, результаты исследований сопротивления отрыву S0T стеклянных нитей разного диаметра d0, опубликованные в 1921 г. А. А. Гриффитсом [32], а в 1933 г. А.П. Александровым и С.Н. Журковым [33]. На рис. 2.1 представлена зависимость S0T от d0 стеклянных нитей, полученная в [33].
Затем в других, более поздних научных публикациях, были представлены экспериментальные зависимости, показывающие снижение прочностных характеристик с увеличением диаметра образца для конструкционных сталей при определении предела усталости [34, 35], сопротивления отрыву [36], истинного сопротивления разрыву (рис. 2.2) [37]. Было также экспериментально установлено, что с увеличением диаметра образца существенно повышается и критическая температура хрупкости металла, определенная при испытаниях на изгиб и растяжение [38].
Из приведенных примеров следует необходимость учета влияния масштабного эффекта при сравнении механических свойств одного и того же материала, определенных на образцах разных размеров. Поэтому и в расчетах на прочность необходимо использовать скорректированные значения механических свойств материалов, исходя из реальных размеров сечений подобных деталей или конструкций. В существующих нормах расчета на прочность эта коррекция сводится к введению эмпирических коэффициентов, учитывающих влияние масштабного фактора [50, 81]. Однако такие коэффициенты можно обоснованно установить, если известны закономерности изменения механических свойств материалов от масштабных параметров.
Существуют различные подходы к объяснению причин уменьшения прочности материалов при увеличении масштабных параметров [10]. Среди этих подходов можно назвать статистический (большая вероятность наличия дефектов в объеме крупногабаритных образцов или деталей), структурно-механический (неоднородность структуры, свойств материала, распределения напряжений и деформаций по сечению образца или детали), энергетический (различие в запасе упругой энергии) и др. Перечисленные подходы использовались в основном для макроуровня деформируемого объема материала. На других размерных уровнях основную роль играют состояние поверхностного слоя, изменение механизма пластической деформации, увеличение скорости деформации и др.
Общие закономерности проявления масштабного фактора при определении прочности и твердости металла
В таблице 3.5 представлены механические характеристики стали 20, определенные растяжением и вдавливанием. В таблице 3.6 представлены механические характеристики, определенные при растяжении и вдавливании образцов из стали 35. Указанные в таблицах 3.5 и 3.6 диаметры образцов do и радиусы инденторов R приближенно соответствуют условию (3.4). Это вызвано тем, что при изготовлении образцов были допущены небольшие отклонения их диаметров от требуемых.
Анализ результатов испытаний, представленных в таблицах 3.5 и 3.6, позволяет сделать следующие выводы. При уменьшении диаметров образцов происходит постепенное увеличение (Год и ав. Для образцов диаметром d0 = 14,18 - 3,43 мм (ст. 20) и d0 = 10,05 - 3,53 мм (сталь 35) это увеличение невелико. Однако, более интенсивное повышение аод и тв происходит при d0 1,37 мм (ст. 20) и d0 1,3 мм (ст. 35). Вместе с тем, если увеличение Стод и ав при уменьшении d0 является уже известным фактом, то снижение предельной равномерной деформации при уменьшении do еще не было исследовано и вызывает определенный интерес. Как следует из таблиц 3.5 и 3.6, предельное равномерное сужение Ч вр сильно реагирует на уменьшение d0, причем с уменьшением Ч 30 происходит сближение значений ао,2 и ав, что свидетельствует о снижении способности одного и того же материала к деформационному упрочнению.
Аналогичные выводы можно сделать и при анализе изменения характеристик твердости, определенных вдавливанием сферических инденторов различного диаметра D. Наблюдается такое же повышение НВ0,2 и НВВ при уменьшении D, при этом интенсивное повышение этих характеристик твердости происходит при D 1 мм. Что касается параметров п и хвва , то они снижаются при уменьшении D аналогично снижению Ч 0 при уменьшении d0. Принято считать, что параметр упрочнения п является константой материала и не зависит от диаметра индентора D [52], однако полученные результаты опровергают это мнение.
Другой важный вывод заключается в том, что несмотря на изменения ст0,2 и ав при растяжении и НВ0д и НВВ при вдавливании, отношения стод/НВод и ав/ НВВ изменяются мало и примерно равны 1/3. Это свидетельствует о том, что связь между характеристиками прочности металла при растяжении и характеристиками твердости при вдавливании остается постоянной, по крайней мере, на макро-мезо-микроуровнях при соблюдении предложенных условий подобия. Аналогичные результаты были получены и для сталей марок 30 и 45 при испытании на растяжение образцов различного диаметра и вдавливании сферических инденторов с различным радиусом скруглення при вершине.
Более наглядное представление об изменении механических характеристик при растяжении и вдавливании можно получить из рисунка 3.5, полученного по результатам испытаний, приведенным в таблице 3.5 для стали 20. На этом рисунке видна явная аналогия в изменении характеристик прочности и твердости. При этом можно выделить область резкого изменения механических характеристик (микрообласть) и область их слабого изменения (макрообласть). В обоих случаях и диаметр образца d0 и диаметр индентора D являются теми абсолютными размерными параметрами, которые можно использовать для прогнозирования характеристик прочности и характеристик твердости на разных масштабных уровнях и установления связи между этими характеристиками.
Масштабный фактор оказывает влияние не только на значения характеристик прочности и твердости, но и на форму диаграмм растяжения и вдавливания. На рис. 3.6 представлены диаграммы растяжения «условное напряжение а - относительное сужение vFpac» для образцов диаметром 10, 1,37, 0,62 мм из стали 20 и диаграммы вдавливания той же сталиКак следует из результатов, полученных в разделе 3.3, выявлены общие закономерности механических свойств, полученные при растяжении образцов и вдавливании инденторов при соблюдении предложенных условий подобия. Несмотря на изменения диаметра образцов и инденторов, отношения СТод/НВо,2 и ств/НВв остаются примерно одинаковыми.
Разработка методики определения механических свойств металла в ЗКН путем индентирования с последующим пересчетом характеристик твердости в характеристики прочности
В первой главе на основе анализа отказов оборудования и конструкций показано, что основными источниками повреждений являются зоны концентрации напряжений (ЗКН). Рассмотрены причины и механизмы образования ЗКН как при изготовлении изделий машиностроения, так и в условиях эксплуатации. На основе сопоставления структуры и механических свойств металла в локальных ЗКН, размеры которых могут быть от нескольких микрометров до нескольких миллиметров, и средних свойств в объеме всего изделия, показано значительное отличие этих свойств.
При средних напряжениях в элементах конструкций ниже предела текучести напряжения в ЗКН могут сильно возрастать, а в некоторых случаях и достигать разрушающих значений. Значения микротвердости в ЗКН могут превосходить в 1,5-2 раза, что вызвано масштабным фактором.
Исследования, представленные в главах I, II и III данной диссертационной работы, показали, что индентирование на микро- (в ЗКН) и макроуровнях вне ЗКН в сопоставлении с характеристиками прочности, полученными на образцах при их растяжении, является наиболее перспективным способом определения механических свойств металла в локальных ЗКН.
На основе установленных общих закономерностей изменения характеристик прочности и твердости на разных масштабных уровнях рассмотрим далее основное содержание практической методики определения механических свойств и анализа микроструктуры металла ЗКН непосредственно на изделиях и элементах конструкций.
Основные этапы практического применения методики представляются следующими.
На первом этапе необходимо определить месторасположение ЗКН в изделии одним из физических методов неразрушающего контроля (НК), позволяющим выполнить 100% контроль изделия. Для решения этой задачи в настоящее время все большее распространение получает метод магнитной памяти металла (МПМ). На метод МПМ имеются российские и международные стандарты. Метод допущен Ростехнадзором для применения в различных отраслях промышленности при обследовании оборудования и конструкций. Метод МПМ не требует никаких подготовительных работ при его применении.
Учитывая длительный опыт разработки и применения на практике метода МПМ, который имеется у автора данной диссертационной работы, в дальнейшем при определении месторасположения ЗКН в изделиях, будет использоваться именно метод МПМ.
Основным количественным критерием определения ЗКН по методу МПМ, согласно [60], который дает оценку уровня концентрации остаточных напряжений, является градиент нормальной и/или тангенциальной составляющей собственного магнитного поля изделий (Кт):
Кии = АНр / Ах , где /АНр/ - модульная разность поля Hv между двумя соседними точками контроля на расстоянии Ах.
При стремлении Ах -» 0, градиент поля равен Кин - dH/dx. Для каждого изделия определенной формы и определенной марки стали имеется тг max максимальное значение градиента поля лин , которое соответствует в силу магнитомеханического эффекта, предельному состоянию металла, достигаемому под действием внешних нагрузок.
В работе [9] отмечается, что размеры локальной области ЗКН определяются характером фактического распределения локальных деформаций в объеме элемента конструкции, определяемыми, в свою очередь, индивидуальными качествами материала, размерами элемента конструкции и условиями его нагружения.
В первой главе были подробно рассмотрены условия формирования предельного состояния металла в ЗКН, соответствующего физическому пределу прочности - моменту образования микротрещины. В работе [9] показано, что размеры микротрещин для большинства изделий из углеродистых марок сталей не превышают 10 микрон для случаев формирования ЗКН в условиях скопления дислокаций с плотностью
10 1 р=10 - 10 см " При этом область пластической деформации, находящаяся вблизи микронной зоны с максимальной плотностью дислокаций, имеет значительно большие размеры, соизмеримые с типоразмером изделия. Сопоставление размеров зон с максимальной плотностью дислокаций и всей области пластической деформации, формирующей ЗКН, можно наглядно представить на примере процесса разрушения образца при испытании его на растяжение. Зарождение микротрещины в этом случае происходит в самом узком сечении шейки, а область пластической деформации в объеме шейки значительно больше. В [61] показано, что области с максимальной плотностью дислокаций в ЗКН соответствует максимальное значение градиента поля Кт. Несомненный интерес представляет оценка механических свойств именно в этой локальной (микронной) области ЗКН.
На втором этапе после того, как определены границы ЗКН и локальные зоны с максимальными значениями градиента магнитного поля в изделии выполняется подготовка поверхности металла в этих зонах путем шлифовки и полировки для анализа микроструктуры и определения микротвердости. Подготовку поверхности металла аналогичным образом необходимо выполнить на изделии и вне ЗКН, для измерения макротвердости.
На третьем этапе выполняется анализ структуры и испытание металла в ЗКН и вне ЗКН индентированием с определением микро- и макротвердости. Затем, используя полученные в главах II и III условия подобия и закономерности, выполняется пересчет параметров твердости в характеристики прочности металла изделия. На этом же этапе работы, при необходимости, в ЗКН и вне ЗКН в тех же самых местах, где выполнялась шлифовка, делается отбор проб металла путем взятия «реплик» для анализа структуры металла.
Рассмотрим далее в общем виде методику определения механических свойств металла изделий на основе измеренных характеристик микро- и макротвердости в ЗКН и вне ЗКН.
Испытания проводятся на переносных приборах МЭИ-Т7 или МЭИ-Т8. При этом измерение твердости по Бринеллю на пределе прочности материала НВВ выполняется по степени нагружения индентора, соответствующей соотношению P/D2 = 30 кгс/мм2 (294 Н/мм2).
Диаметр индентора D, который используется для определения микротвердости в комплекте с указанными приборами, равен 0,4 мм (400 микрон). Для определения макротвердости применяются инденторы с диаметром D, равным 2,5 + 10 мм.
В таблице 2.3 главы II указаны результаты испытаний стальной плитки II (НВ2.5/і 87,5/1 о) вдавливанием инденторов различных диаметров под нагрузкой Р = 30D2KTC/MM2 (294 Н/мм2). На практике при контроле микро- и макротвердости изделий рекомендуется использовать данные таблицы 2.3, исходя из наличия диаметров инденторов.
Согласно соотношению 2.9, представленному в главе II для выбранного диаметра индентора D, определяется значение твердости.
