Оценка характеристики циклической прочности конструкционных сталей и сварных соединений магнитно-индукционным методом Якиревич, Даниил Исаакович

Введение к работе

С каждым годом возрастают требования к надежности и долговечности конструкционных сталей и сварных соединений, применяемых В нефтегазодобывающей и перерабатывающей промышленности, их сопротивляемости воздействии активных сред с учетом изменения исходных свойств в процессе изготовления и эксплуатации конструкций. Это определяет необходимость подбора новых материалов, выбора технология их обработки и сварки. Прогресс в реализации резервов прочности металлов достигну? в последние.годы в рамках нового научного направления - синергетики. Успешно применяется у нас (П.Н.Моисеев, В.Л.Клиионтович и др.) и за рубежом (Н.Пригсжии, Г.Хакан и др.) теория самоорганизующихся структур к решению актуальній задач натерла доведения. Введены представления о структурных уровнях деформации (В.Е.Панин и др.), развита концепция фзаптальной механики разрушения (В.С.Иванова и др_;.), созданы новые технологические процессы обработки поверхности и сварки металлов с применением .эффектов автоколебаний температурных полей при использовании кон-цектряровашдсс потоков энергии {Н.В.Зуев и др.).

Испытания материалов и сравнительная оценка их характеристик
япляются необходимым этапом разработки технологий, обработки и
сварки, обеспечивающих оптимальные структурные состояния и меха
нические свойства в соответствии с условиями службы. Большинство
деталей и элементов конструкций работают в режиме повторно-сило
вого нагруяеншг и подверйены усталостному разрушению. Значение
вопросов, связанных с усталостью материалов, постоянно возрастает.
Это требует многопараметрической оптимизации структуры.с учетом
характеристик циклической прочности и трещиностойкости в условиях
подобия локального разрушения. Существует проблема экспрессного
определения характеристик усталости и трещиностойкости материалов
неразрушавщими методами, так как традиционные методы их оценки
цлителыш и дорогостоящи, связаны с применением сложного и пре-
цезионного оборудования, испытанием до разрушения большого коли
чества однотипных специальных образцов, отличающихся по физико-
механическим свойствам. Особенно это присуще сварным соединениям,
которые представляют собой, как отмечает О.И.Стеклов, "сложную
физико-химическую, механическую и электрохимическую макро- и
\мкрогетерогенную систему; характеризующуюся неоднородностью
:воЙста". .

d результате характеристики циклической прочности од«отшзан сварных соединений различается весьма существенно {И.В.Кудрявцев, В.Х.Шшзе и др.), что приводит к необходимости усталостного испытания большого количества образцов для получения достоверных Результатов. Это столь дорого и длительно, что испытания на усталость и трещиностойкость не могут себе позволить лаборатории даже крупных предприятий и проводятся в особо ответственных случаях (в авиационной технике и ядерной энергетике). '

Ыеаду тем для изготовления сварных конструкций используется около 80 % проката конструкционных сталей, а в нефтедобывающем -комплексе используется более 10 % металлофонда страны. В связи с этим разработка ускоренного нераэрушаодего метода и оборудования для оценки усталостных свойств конструкционных сталей и их сварных соединений относится к числу важных проблем современного материаловедения.

Методологической основой метода является синергетика, подходы которой позволяют выделить пороговые параметры, отвечающие точкам неустойчивости системы (точкам бифуркации), несущие максимальную информации о свойствах среды. Деформируемые материалы является самоорганизующейся системой, в которой временные процессы пластической деформации, развивающиеся вдали от термодинамического равновесия, имеют характерные признаки нелинейности и необратимости. Это позволяет использовать принципы синергетики для разработки новой методологии определения характеристик прочности конструкционных материалов неразрушащими методами и с их поиащыо осуществлять выбор оптимальных для заданных условий эксплуатации материалов и режимов сварки.

Результаты научных и экспериментальных исследований, выполз, ценных автором на кафедре "Пластическая деформация специальных сплавов" Московского института стали и сплавов, кафедрах физики московского гидромелиоративного и Курского сельскохозяйственного институтов, кафедре "Сварка и защита от коррозии" Государственной академии нефти и газа им.И.Ы.Губкина с I9GG по 1993 годы позволили создать неразрушающий ускоренный метод оценки характеристик циклической прочностиитрещиностойкости конструкционных сталей и сварных соединений, разработать аппаратуру и измерительную технику для компьютерного анализа измеряемых параметров, дающих возыож- ность оптимиьириьоіЬ/ структуру и механические свойства с учетом характеристик усталости и трещиностойкости.

Постановке и ревению ьтой фундаментальной проолемы послужил

Координационный план Научного Совета Президиума АН СССР "Новые процессы получения и обработки металлических материалов по раз- * делу "фиэикохимическая механика разрушения конструкционных материалов" .

. Цель диссертационной работы - разработка на основе подходов синергетики методологии и^ нераэрушающего метода ускоренных усталостных испытаний конструкционных сталей и их сварных соединений, применение его к оптимизации технологических режимов сварки с учетом характеристик усталости, оценке усталостных свойств сварных соединений в процессе эксплуатации.

Научная новизна работы заключается в развитии методологии и способа опредвлэния сопротивления усталостному разрушении конструкционных сталей и сварных соединений ускоренным керазрушающим методом путем выделения точег бифуркационной неустойчивости системы при .'циклическом нагружении по характеру изменения амплитуды высших гарионик (БГ) ЭДС магнитной индукции ферромагнетика.

Основные научныа результаты, защищаемые автором:

1. Установлен магнитоупругий эффект в ферромагнетиках, подвергнутых предварительному циклическому нагружению, который проявляете в спонтанном изменении амплитуд БГ ЭДС индукция после наг-ружения материала в точке бифуркации уровнем напряжений, равном его пределу выносливости.

2. Виявлена взаимосвязь структурных состояний стали и сварных соединений с амплитудами БГ магнитной индукции, заключавшаяся а том, что в свариваемых сталях с феррито-перлитноЯ (Ф-Ш структур рой наибольшей чувствительностью к напряженному состоянию.обладает 3-я, а с бейнйтисй (Б) и бейнитно-мартенситной (Б-Ш структурами - Б-я и 7-я гармоники.

3. Выявлен осциллирующий характер зависимости амплитуд ВТ. индукция от величины напряженности магнитного поля Н.В ферромагнетиках. Минимум зависимости отвечает неустойчивому магнитному состоянию системы в пояз_вН_к, названном критическим. Определена зависимость Н_ от процентного содержания феррита в структурном.составе зоны термического влияния (ЗТВ). С уменьшением ферритной фазы значение Н_к увеличивается.

4. Установлена взаимосвязь между параметрами, отвечавшими предыдущей и последующей точке бифуркации; показано, что напряже» кия, отвечающие границам реализации областей много- ( Є_₍ ) и малоцикловой ( б.*}⁴ ) усталости связана отношениями 6.,/61^051

либо єі., /6Г.7 -"о.та.

о.,'.Выявлен дискретный характер изменения предела выносливости 6^_ч конструкционных сталей и сварных соединений в процессе накопления усталостных повреждений.

Практическая ценность и внедрение результатов,работ:

5. Разработан автоматизированный измерительный комплекс и программное его обеспечение для определения характеристик циклической прочности сталей и сварных соединений ускоренным неразру-шающии иетодом.

6. Развитые методология л метод позволили осуществить много-параметричееку», с учетом усталостных характеристик, оценку механических свойств сталей и зон сварных соединений с целью оптимизации структури к выбора режимов сварки.

7. Ыетод позволил сократить длительность испытаний в 2Ь-30 рад, снизил металлоемкость ооразцрв в Їй-ZQ раз, повысил точность измерения предела выносливости до 3-Ь % против IO-ІЬ %, предусмотренных ГОСТом 19033-74.

8. Возможность многократно испытать на усталость один и тот ко образец позволяет исключить влияние химического и структурного факторов на измеряемые характеристики, что неизбежно при испытании серии однотипных образцов, особенно сварных.

Ь. Разработанный слосоо построения кривой устадасти материала по результатам испытания до разрушения одного образца позволяет прогнозировать остаточный ресурс элементов и узлов конструкций после различных сроков окспдуатации.

6. Взаимосвязь Н_к с долей ферритной фазы структуры позволяет контролировать р^жиы и качеетьо сварки.

Метод исп.льзован для исследования сталей и сварных соединений, применяемых в химическом машиностроении (ен1Шиымаш, 1979-1906 гг.), ранжирования конструкционных еталеР и их сварных соединений по усталостным свойствам (Институт металлургии им.А.А. Байкова РАН, ЫШваган'-строения, 19оі-і5ь9 гг.), для сценки остаточного ресурса олеионтов газопровода, влияния низких климатических температур ни усгьЛистный ^шйстьа сталей и ил сьарныо соединения, ІХЇЄШМ:ЩІШ ТйХНОЛчШП сварки UAhT ИМ.И.ІІ.І'уОКИНЇі, I9u?-lt93 и-.}. _r *

іі.;0'гшніі научных pa-j^aoo'i-v к но?,тві.ржд-на'6 авторок.ши евндь-

ІЬЛЬС'і'ВаШ! tiU ИЗООре I'cHWfc.

Обсонованность научных положений и выводов работы обеспе-ивается соответствием характеристик циклической прочности и тр'е-іиностойкости, полученных методом автора и данным испытаний традиционными методами.

Достоверность полученных результатов достигнута в результате іспользования современных методов испытаний, средств измерение и Ютытательного оборудования, обеспечивающих достаточную точность 'егистрации требуемых параметров, а также применения ЭВМ для об->аботяи экспериментальных данных.

Личный вклад соискателя. Лично соискателем на основе принци-юв синергетики разработана методология неразрушающего способа ізмерения характеристик циклической прочности ферромагнитных материалов, установлен магнитоупругив эффект в ферромагнетиках, юдвергнутых предварительному циклическому нагруиению, бифурка-доонкая природа предела выносливости и наличие связи между пороговыми напряжениями, отвечающим неустойчивости системы.

Показана возможность оптимизации Параметров термического цинга сварки с учетом характеристик усталости и трещиностойкости, ;ана оценка свойств и остаточного ресурса при различных условиях жсплуатации" сварнщ соединений. Соискатель разработал принципиальную схему измерительного комплекса и составил алгоритм процесса измерения.

Апробация работа. Основные теоретические пояснения и практические результате докладывались на конференциях, симпозиумах, «учно-практических совеврниях различного уровня:

Мездународных конференциях - X конференция по неразрушао-цему контролю - Москва (1982), "Сварные конструкции", Киев(1991);

Всесоюзные конференциях -Свердловск (1966), Киев (1971,1980). focHfia (1970,1972,1978), Рига (1975), Уфа (2987);

Республиканских конференгр<ях -Москва (1967, 1971,1969, 1977. (983); .семинарах - Москва (1973,1978,1585), У$а (1988), Череповец (1989).

Публикация» Основное содержание работы опубликовано в 35 статьях, материалах конференций и симпозиумов и нашло отражение в 12 отчетах о научно-исследовательских работах, выполненных в' .-амках .научно-технических программ.