Введение к работе
Актуальность работы
Значительная доля технологического оборудования нефтегазоперерабатываю-щей отрасли изготовлена из конструкционной стали ВСтЗсп5: резервуары, технологические трубопроводы, теплообменное оборудование, цилиндрические емкости, аппараты. Данное оборудование зачастую эксплуатируется в условиях циклического нагру-жения, которое в конечном итоге приводит к разрушению. Наибольшую опасность представляет упруго-пластическая область деформирования, поскольку разрушение происходит с большой скоростью. В целях предупреждения аварийного разрушения объектов необходимо проводить оценку технического состояния и ресурса оборудования. Совершенствование методов оценки ресурса требует наличия информации о состоянии материала и динамике его изменения при накоплении повреждений в условиях знакопеременного нагружения.
Известно, что значительная часть разрушений начинается с поверхности и подповерхностных слоев. Поэтому информация об изменениях на поверхности может служить в качестве оценочной характеристики состояния материала. При накоплении материалом усталостного повреждения на его поверхности образуется деформационный рельеф. Систематические исследования процессов, происходящих при усталости металла, показывают изменение деформационного рельефа, что создает предпосылки для возможности количественной оценки накопленного усталостного повреждения. В связи с этим, целесообразно определить взаимосвязь степени поврежденности и изменения деформационного рельефа, формирующегося при циклическом нагружении.
Многочисленные исследования (Е.А. Наумкина, О.Г. Кондрашовой, А.Т. Ша-рипкуловой, Т.Р. Бикбулатова и многих других) зависимостей физических параметров: температурного градиента порога хладноломкости, среднего размера зерна, предела прочности, поверхностной энергии, скорости ультразвука, скорости коррозии, относительной напряженности магнитного поля от степени поврежденности показывают характерные экстремумы в областях поврежденности Ni/Np = 0,3-Ю,4 и Ni/Np = 0,7-Ю,8 (Ni/Np - отношение количества циклов нагружения на момент измерения к количеству циклов до разрушения). В работе Ивановой B.C. показано, что при накоплении матери-
4 алом критической энергии происходит смена механизмов адаптации материала к внешним воздействиям, что объясняет наличие экстремумов на зависимостях. Большой интерес представляет выявление масштабного уровня, на котором происходит смена механизмов адаптации.
В связи с вышеизложенным, целью диссертационной работы является установление взаимосвязи параметров деформационного рельефа поверхности стали ВСтЗсп5 и степени поврежденности, накопленной при малопикловой усталости, и выявление масштабного уровня, на котором происходит смена механизмов адаптации стали.
Диссертационная работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и образования РФ (Проект №7.8591.2013, тема «Термические и акустические эффекты при разрушении стали с различным содержанием углерода»).
Задачи исследования
-
Освоить методики бесконтактной ЗО-съемки деформационной поверхности с помощью конфокальной лазерной сканирующей микроскопии, выявить физические основания фрактальных закономерностей процесса развития деформационного рельефа, провести фрактальный анализ сталей при малопикловой усталости разными методами с определением их фрактальных характеристик.
-
Установить зависимости изменения параметров деформационного рельефа поверхности в стали ВСтЗсп5 от степени накопления усталостных повреждений в области упруго-пластической деформации на разных масштабных уровнях, используя сравнительный анализ дисперсионных и фрактальных методов (RSa и Df) оценки деформационного рельефа поверхности и степени изменения его параметров под влиянием знакопеременных нагрузок.
-
Разработать методики фрактального подхода разного типа (одномерного, двумерного и трехмерного) для анализа динамики развития морфологии деформационного рельефа поверхности стали при накоплении усталостных повреждений. Разработать рекомендации по применению параметров деформационного рельефа при оценке состояния стали ВСтЗсп5, подверженной циклическому нагружению.
5 Научная новизна
-
Установлено, что интегральный параметр RSa шероховатости деформационного рельефа поверхности стали ВСтЗсп5 при накоплении усталостных повреждений в области упруго-пластических деформаций имеет тенденцию к росту, достигая значительной скорости в потенциальной зоне разрушения, а также стадийность, характеризуемую двумя экстремумами в областях Ni/Np = 0,3-Ю,4 и Ni/Np = 0,7-Ю,8 степени поврежденности, наиболее выраженными на наноуровне.
-
Обнаружено, что зависимость фрактальной размерности деформационного рельефа поверхности стали ВСтЗсп5, полученная методом агрегирования интегральной дисперсии, от уровня накопленных повреждений при малоцикловой усталости подтверждает наличие двух участков поврежденности Ni/Np = 0,2-Ю,4 и Ni/Np = 0,6-Ю,8 с немонотонным распределением фрактальной размерности.
-
Зависимости фрактальной размерности поверхности стали ВСтЗсп5 от степени поврежденности, полученные методом нормированного размаха и методом объёмного «box-counting» на разных масштабных уровнях, показали влияние каждого масштабного уровня на динамику формирования деформационного рельефа. При этом в интервале Ni/Np = 0,0-Ю,4 происходит неоднородное образование дефектов на всех масштабных уровнях, особенно выраженное на наноуровне; в интервале Ni/Np = 0,4-Ю,8 происходит одновременное распространение дефектов на всех масштабных уровнях; в интервале Ni/Np = 0,8-^1,0 до полного разрушения фиксируется резкий рост фрактальной размерности, преобладающий на субмикроуровне.
Практическая значимость работы
Разработанная методика «Определение степени поврежденности стали ВСтЗсп5 по зависимости параметров деформационного рельефа поверхности от степени накопления усталостных повреждений при малоцикловой усталости» используется в учебном процессе при проведении лабораторных занятий по дисциплине «Оценка накопленных повреждений и предельного состояния материала» для подготовки магистров по направлению 151000 Технологические машины и оборудование в ФГБОУВПОУГНТУ.
Положения, выносимые на защиту
-
Зависимости параметра шероховатости RSa деформационного рельефа поверхности стали ВСтЗсп5 от степени накопления усталостных повреждений.
-
Методики вычисления одномерной, двухмерной и трехмерной фрактальной размерности параметров шероховатости RSa поверхности стали ВСтЗсп5.
-
Зависимости фрактальной размерности параметров шероховатости RSa поверхности стали ВСтЗсп5 от степени накопления усталостных повреждений.
-
Масштабный уровень, на котором происходит смена механизмов адаптации стали ВСтЗсп5 к внешним воздействиям.
В качестве объекта исследований была выбрана конструкционная сталь ВСтЗсп5, распространённая для изготовления оборудования, эксплуатируемого в условиях циклических нагрузок.
Апробация
Основные результаты работы доложены и обсуждены на следующих конференциях: 61-я научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (Уфа, 2010 г.); 62-я научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (Уфа, 2011 г.); VII Международная конференция «Фазовые превращения и прочность кристаллов» (Черноголовка, 2012 г.); научно-технический семинар УГНТУ «Остаточный ресурс нефтезаводского оборудования» (Уфа, 2013 г.).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 6 статей в ведущих научных журналах, включенных в перечень ВАК РФ.
Объем и структура работы
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованных источников из 93 наименований, содержит 100 страниц машинописного текста, 45 рисунков и 4 таблицы.
