CC BY
40
УДК 622.873
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1255-1258
АНАЛИЗ СТРУКТУРНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ МАТЕРИАЛА РАЗНОРОДНЫХ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПРИ ЦИКЛИЧЕСКОЙ ПОВРЕЖДАЕМОСТИ
© Е.В. Пояркова
Оренбургский государственный университет, г. Оренбург, Российская Федерация, e-mail: [email protected]
Методами оптической металлографии в процессе циклического нагружения в приповерхностных слоях областей основных металлов разнородного сварного соединения из сталей повышенной прочности выявлены структуры, внешне представляющие вихревые узоры в виде замкнутых и разомкнутых колец и эллипсов. С увеличением количества циклов нагружения происходит накопление микронапряжений в менее прочном металле, что приводит к образованию полос сброса в области, прилегающей к нему. Ключевые слова: сварные соединения; микроструктура; циклическая повреждаемость.
Так как процесс развития и накопления повреждений как материалов конструкций в целом, так и их сварных соединений в частности, весьма локализован, то ресурс всей конструкции определяется «ресурсом их опасных зон».
Как известно, стали исследуемого сварного соединения 09Г2ФБ (класса прочности К56)и 17Г1СУ (класса прочности К52) относятся к низкоуглеродистым сталям с ферритно-перлитной структурой, свариваемым без ограничений. В зоне термического влияния таких сталей практически полностью отсутствует мар-тенситный распад [1-3].
На рис. 1 представлена динамика изменения микроструктуры стали по сечению сварного соединения при
накоплении циклической повреждаемости на мезомас-штабном структурном уровне.
В процессе циклического нагружения структуры всех характерных зон разнородного сварного соединения претерпевают изменения.
На начальном этапе накопления повреждений (уровень М/Мр = 0,2, где - отношение количества циклов нагружения на момент измерения к количеству циклов до разрушения) существенные структурные изменения наблюдаются в зонах термического влияния (ЗТВ) обоих металлов - начинается вырождение вид-манштеттовой структуры феррита вследствие образования субзерен, более мелких и равноосных; в основном металле 17Г1СУ и 09Г2ФБ происходит увеличение дисперсности распределения феррита и перлита.
д
е р
в о
с
н и н в о
£
5;
I
I
Основной металл 09Г2ФБ
Зоны разнородного сварного соединения ЗТВ 1 Металл шва ЗТВ 2
Основной металл 17Г1СУ
Рис. 1. Изменение микроструктуры стали по сечению сварного соединения при накоплении циклической повреждаемости
При циклической повреждаемости 0,6NJNp процессы деградации затрагивают и дендритную структуру шва, измельчая и приводя к равноосности ее зерна; в остальных зонах соединения наблюдается укрупнение зерен, в основном металле 09Г2ФБ слабо заметны полосы сброса, являющиеся признаком необратимых изменений структуры. При уровне 0,8NJNp в основном металле 17Г1СУ полосы сброса выражены гораздо ярче, сигнализируя о формировании зоны предразру-шения.
При металлографических исследованиях было установлено, что в результате циклических нагружений в структуре сварного соединения произошла ее полная перестройка; в первую очередь это относится к морфологии карбидной фазы [3]. Обусловленные процессом производства высокопрочные штрипсовые стали в исходном состоянии имели структуру, в которой четко идентифицировались строчки частиц цементита глобулярной формы, названные В.А. Батаевым в [4] - струями своеобразного пластического течения, а также «удобными структурными метками», декорирующими эти линии. Направленности таких линий в структуре основных металлов соединения в исходном состоянии свидетельствуют о соответствии характера пластической деформации материала ламинарному (слоистому) режиму течения. При этом слоистый характер пластического течения материала при увеличении степени циклической поврежденности возможно было идентифицировать лишь в поверхностных объемах металла.
В процессе циклирования в приповерхностных слоях областей основных металлов также наблюдались структурные особенности, в некотором роде напоминающие вихревые узоры в виде замкнутых и разомкнутых колец и эллипсов, которые были достаточно выявляемы в этой структуре методом оптической металлографии. Максимальный геометрический размер подобного узора в поперечном сечении не превышал 25 мкм, а сами поверхностные слои имели толщину от 20 до 60 мкм.
Прежде такими учеными, как А.А. Батаевым, Л.И. Тушинским, В.А. Батаевым, А.И. Смирновым, Л.Б. Тихомировой, Е.Н. Мироновым, Г.В. Клевцовым, О.А. Фроловой, Н.А. Клевцовой [4-10], установлена причина образования вихревых узоров в структуре, обусловленная возникновением в определенный момент нагружения непреднамеренных крутящих моментов в поверхностных слоях деформируемого материала; аналогичные суждения отражены в совместных работах В.П. Багмутова с А.Н. Савкиным и В.И. Водопьяновым [11-12], а также в научных трудах В.А. Романовой и Р.Р. Балахонова [13-15]. Подобные основания являются прямым доказательством наличия в этих слоях явных признаков ротационного вихревого течения, что однозначно связано с особыми условиями испытаний, в которых находятся поверхностные слои [4; 16-17].
В работе [15] утверждается о возможном слиянии полос пластической деформации, идущих с противоположных границ, на некотором этапе нагружения, при котором пластическая деформация охватывает практически весь объем исследуемого образца. При этом доказано, что внутри областей пластического течения, распространяющихся перпендикулярно оси нагруже-ния, наблюдается более тонкая структура взаимосопряженных полос, направленных под углом примерно 45° к направлению нагружения [15]. Также создана
модель, позволяющая описать пластическое течение в гетерогенных материалах как многоуровневый процесс с учетом локализации разного масштаба [14], т. е. в рассмотрение был добавлен еще один уровень, который в общей концепции иерархии масштабов носит название промежуточного мезоскопического; при этом основные известные в литературе модели способны лишь к рассмотрению прямой взаимосвязи эволюции дислокационного континуума с макроскопическими характеристиками [15; 18]. Вместе с тем в [13; 19] установлено, что пластическая деформация зарождается сразу в нескольких областях границ. На ранних этапах нагружения возможно как прекращение развития некоторых областей локализованного течения, так и начало распространения других областей (по направлению, перпендикулярному оси нагружения) в виде полос разного размера (эллипсовидной формы).
При уровнях накопленных повреждений в интервале от 0,2М/Мр до 0,6М/МР в материалах, фактически являющимися основными металлами разнородного сварного соединения, обнаружены заметно выраженные вихревые движения, созданные распространением пластических фронтов, которые движутся в области действия максимальных напряжений. Однако в результате релаксации напряжений в областях пластического деформирования происходит периодическая смена направления движения. Согласно [15], после процесса соединения пластических фронтов, идущих с противоположных поверхностей, начинается развитие «второго» и «последующих слоев» пластической деформации, локализуемой в «зигзагообразных» полосах (рис. 1). В свою очередь замечена аналогия локализации пластической деформации внутри полосы с образованием системы сопряженных полос более мелкого масштаба. Обнаружено вовлечение в вихревое движение не только отдельных фрагментов, ограниченных полосами локализации более мелкого масштаба, но и их конгломератов.
Сравнение результатов численного моделирования и данных экспериментов показало достаточную степень приемлемости качественного и количественного согласования на мезо- и макромасштабном уровнях.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пояркова Е.В., Кузеев И.Р. К вопросу о решении проблемы повышения надежности оборудования нефтегазовой отрасли на основании контроля качества сварных соединений // Нефтегазовое дело. 2008. Т. 6. № 1. С. 239-244.
2. Щипачев А.М., Пояркова Е.В. Влияние усталостной повреждаемости на твердость и внутреннюю накопленную энергию металла // Вестник УГАТУ. 2007. Т. 9. № 6 (24) С. 152-157.
3. Пояркова Е.В., Кузеев И.Р., Наумкин Е.А. Взаимосвязь механического поведения разнородных сварных соединений с морфологией их усталостных изломов // Нефтегазовое дело. 2011. Т. 9. № 2. С. 80-86.
4. Батаев В.А. Управление структурой сталей на различных масштабных уровнях в процессах комбинированного упрочнения: ав-тореф. дис. ... д-ра техн. наук. Новосибирск: НГТУ, 2002.
5. Батаев А.А., Тушинский Л.И., Батаев В.А. Особенности разрушения цементита при деформации сталей со структурой пластинчатого перлита // ФММ. 1995. Т. 80. Вып. 5. С. 148-154.
6. Тушинский Л.И. Структурная теория конструкционной прочности материалов. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. 440 с.
7. Смирнов А.И. Влияние макро-, мезо- и микродефекта структуры на конструктивную прочность углеродистых сталей при циклическом нагружении: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Новосибирск, 2003.
8. Тушинский Л.И., Батаев А.А., Тшомирова Л.Б. Структура перлита и конструктивная прочность стали. Новосибирск: ВО «Наука». Сибирская издательская фирма, 1993. 280 с.
9. Клевцов Г.В., Фролова О.А., Клевцова Н.А. Усталостная долговечность образцов и механизм разрушения конструкционных материалов при различных значениях коэффициента асимметрии цикла нагружения // Успехи современного естествознания. 2005. № 9. С. 74-76.
10. Клевцов Г.В., Фролова О.А., Клевцова Н.А., Алиджанов Э.К Влияние коэффициента асимметрии цикла нагружения на усталостную долговечность и механизм разрушения образцов из конструкционных материалов // Вестник Оренбург. гос. ун-та. 2005. № 6. С. 154-159.
11. Савкин А.Н., Багмутов В.П., Водопьянов В.И. Усталостная долговечность стали с учетом различных механизмов поврежденности // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2007. № 12. С. 6-14.
12. Савкин А.Н., Багмутов В.П. Моделирование усталостной повреждаемости углеродистых сталей при нестационарном нагружении // Деформация и разрушение материалов. 2006. № 9. С. 33-38.
13. Романова В.А., Балохонов Р.Р. Модель зарождения и развития макролокализации пластической деформации на основе двупре-дельного критерия пластичности // Деформация и разрушение материалов. 2007. № 12. С. 2-12.
14. Романова В.А., Балохонов Р.Р. Моделирование зарождения и развития локализованной пластической деформации в стальных образцах со сварными соединениями // Физическая мезомеханика. 2008. Т. 11. № 5. С. 63-70.
15. Романова В.А. Моделирование процессов деформации и разрушения в трехмерных структурно-неоднородных материалах: автореф. дис. ... д-ра физ.-мат. наук. Томск: ИФПМ СО РАН, 2008.
16. Баланкин В.А. Трение и износ при высоких скоростях скольжения. М.: Машиностроение, 1980. 255 с.
17. Баланкин В.А. Особенности интенсивного фрикционного нагрева поверхностных слоев твердых тел в условиях кратковременных процессов трения // Поверхность. 1985. № 8. С. 122-126.
18. Батьков Ю.В., Глушак Б.Л., Новиков С.А. Сопротивление материалов пластической деформации при высокоскоростном деформировании в ударных волнах (обзор). М.: ЦНИИатоминформ, 1990. 54 с.
19. Романова В.А. Исследование деформационных процессов на поверхности и в объеме материалов с внутренними границами раздела методами численного моделирования // Физическая мезомеханика. 2005. Т. 8. № 3. С. 63-78.
20. Пояркова Е.В., Кузеев И.Р. Установление критериев предельного состояния сварных соединений в условиях циклического деформирования // Актуальные проблемы прочности: сб. тез. докл. 54 Междунар. конф. Екатеринбург: ФГБУНИФМУрОРАН, 2014. С. 33-35.
21. Poyarkova E. V., Kuzeev I.R. The visual perception of the resuls of the deformation diagram of welded joints in the context of their cyclic loading // The Strategies of Modern Science Development: Proceedings of the 8 International scientific-practical conference. North Charleston, USA, 7-8 April 2015. North Charleston: Create Space, 2015. P. 57-60.
22. Абдуллин И.Г., Бугай Д.Е., Гутман Э.М. Определение малоцикловой усталостной долговечности материалов металлоконструкций по кинетике изменения микродеформаций кристаллической решетки // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. 1984. № 7. С. 83-87.
Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.
UDC 622.873
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1255-1258
ANALYSIS OF STRUCTURAL CHANGES IN HETEROGENEOUS MATERIAL OF WELDED JOINTS UNDER CYCLIC DAMAGEABILITY
© E.V. Poyarkova
Orenburg State University, Orenburg, Russian Federation, e-mail: [email protected]
By optical metallography during cyclic stressing in near surface layers of the areas of basic metals of heterogeneous welded joint of high strength steels the structures appears to be a vortex patterns in the form of closed and open rings and ellipses were revealed. With an increasing number of loading cycles accumulates microstrain in less robust metal, which leads to formation of reset stripes in the region adjacent thereto. Key words: welded joints; microstructure; cyclic damageability.
REFERENCES
1. Poyarkova E.V., Kuzeev I.R. K voprosu o reshenii problemy povysheniya nadezhnosti oborudovaniya neftegazovoy otrasli na osnovanii kontrolya kachestva svarnykh soedineniy. Neftegazovoe delo - Oil and Gas Business, 2008, vol. 6, no. 1, pp. 239-244.
2. Shchipachev A.M., Poyarkova E.V. Vliyanie ustalostnoy povrezhdaemosti na tverdost' i vnutrennyuyu nakoplennuyu energiyu metalla.
Vestnik of Ufa State Aviation Technical University, 2007, vol. 9, no. 6 (24), pp. 152-157.
3. Poyarkova E.V., Kuzeev I.R., Naumkin E.A. Vzaimosvyaz' mekhanicheskogo povedeniya raznorodnykh svarnykh soedineniy s morfo-logiey ikh ustalostnykh izlomov. Neftegazovoe delo - Oil and Gas Business, 2011, vol. 9, no. 2, pp. 80-86.
4. Bataev V.A. Upravlenie strukturoy staley na razlichnykh masshtabnykh urovnyakh v protsessakh kombinirovannogo uprochneniya. Avtoreferat dissertatsii ... doktora tekhnicheskikh nauk. Novosibirsk, Novosibirsk State Technical University Publ., 2002.
5. Bataev A.A., Tushinskiy L.I., Bataev V.A. Osobennosti razrusheniya tsementita pri deformatsii staley so strukturoy plastinchatogo perlita. Fizika metallov i metallovedenie - The Physics of Metals and Metallography, 1995, vol. 80, no. 5, pp. 148-154.
6. Tushinskiy L.I. Strukturnaya teoriya konstruktsionnoy prochnosti materialov. Novosibirsk, Novosibirsk State Technical University Publ., 2004. 440 p.
7. Smirnov A.I. Vliyanie makro-, mezo- i mikrodefekta struktury na konstruktivnuyu prochnost' uglerodistykh staley pri tsiklicheskom na-gruzhenii. Avtoreferat dissertatsii ... kandidata tekhnicheskikh nauk. Novosibirsk, 2003.
8. Tushinskiy L.I., Bataev A.A., Tikhomirova L.B. Strukturaperlita i konstruktivnayaprochnost' stali. Novosibirsk, VO "Nauka", Sibirs-kaya izdatel'skaya firma, 1993. 280 p.
9. Klevtsov G.V., Frolova O.A., Klevtsova N.A. Ustalostnaya dolgovechnost' obraztsov i mekhanizm razrusheniya konstruktsionnykh materialov pri razlichnykh znacheniyakh koeffitsienta asimmetrii tsikla nagruzheniya. Uspekhi sovremennogo estestvoznaniya — Advances in current natural sciences, 2005, no. 9, pp. 74-76.
10. Klevtsov G.V., Frolova O.A., Klevtsova N.A., Alidzhanov E.K. Vliyanie koeffitsienta asimmetrii tsikla nagruzheniya na ustalostnuyu dolgovechnost' i mekhanizm razrusheniya obraztsov iz konstruktsionnykh materialov. Vestnik Orenburgskogo gosudarstvennogo univer-siteta — Vestnik of the Orenburg State University, 2005, no. 6, pp. 154-159.
11. Savkin A.N., Bagmutov V.P., Vodop'yanov V.I. Ustalostnaya dolgovechnost' stali s uchetom razlichnykh mekhanizmov povrezhdennos-ti. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Mashinostroenie — Proceedings of Higher Educational Institutions. Machine Building, 2007, no. 12, pp. 6-14.
12. Savkin A.N., Bagmutov V.P. Modelirovanie ustalostnoy povrezhdaemosti uglerodistykh staley pri nestatsionarnom nagruzhenii. Defor-matsiya i razrushenie materialov — Russian metallurgy (Metally), 2006, no. 9, pp. 33-38.
13. Romanova V.A., Balokhonov R.R. Model' zarozhdeniya i razvitiya makrolokalizatsii plasticheskoy deformatsii na osnove dvupredel'no-go kriteriya plastichnosti. Deformatsiya i razrushenie materialov — Russian metallurgy (Metally), 2007, no. 12, pp. 2-12.
14. Romanova V.A., Balokhonov R.R. Modelirovanie zarozhdeniya i razvitiya lokalizovannoy plasticheskoy deformatsii v stal'nykh obrazt-sakh so svarnymi soedineniyami. Fizicheskaya mezomekhanika — PhysicalMesomechanics, 2008, vol. 11, no. 5, pp. 63-70.
15. Romanova V.A. Modelirovanie protsessov deformatsii i razrusheniya v trekhmernykh strukturno-neodnorodnykh materialakh. Avtoreferat dissertatsii ... doktora fiziko-matematicheskikh nauk. Tomsk, Institute of Strength Physics and Materials Science of SB RAS Publ., 2008.
16. Balankin V.A. Trenie i iznospri vysokikh skorostyakh skol'zheniya. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1980. 255 p.
17. Balankin V.A. Osobennosti intensivnogo friktsionnogo nagreva poverkhnostnykh sloev tverdykh tel v usloviyakh kratkovremennykh protsessov treniya. Poverkhnost', 1985, no. 8, pp. 122-126.
18. Bat'kov Yu.V., Glushak B.L., Novikov S.A. Soprotivlenie materialov plasticheskoy deformatsii pri vysokoskorostnom deformirovanii v udarnykh volnakh (obzor). Moscow, TsNIIatominform, 1990. 54 p.
19. Romanova V.A. Issledovanie deformatsionnykh protsessov na poverkhnosti i v ob"eme materialov s vnutrennimi granitsami razdela metodami chislennogo modelirovaniya. Fizicheskaya mezomekhanika — Physical Mesomechanics, 2005, vol. 8, no. 3, pp. 63-78.
20. Poyarkova E.V., Kuzeev I.R.Ustanovlenie kriteriev predel'nogo sostoyaniya svarnykh soedineniy v usloviyakh tsiklicheskogo deformi-rovaniya. Sbornik tezisov dokladov 54 Mezhdunarodnoy konferentsii "Aktual'nye problemy prochnosti". Ekaterinburg, FGBUNIFMU-rORAN, 2014, pp. 33-35.
21. Poyarkova E.V., Kuzeev I.R. The visual perception of the resuls of the deformation diagram of welded joints in the context of their cyclic loading. Proceedings of the 8 International scientific-practical conference "The Strategies of Modern Science Development". North Charleston, USA, 7-8 April 2015. North Charleston, Create Space, 2015, pp. 57-60.
22. Abdullin I.G., Bugay D.E., Gutman E.M. Opredelenie malotsiklovoy ustalostnoy dolgovechnosti materialov metallokonstruktsiy po kinetike izmeneniya mikrodeformatsiy kristallicheskoy reshetki. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Neft' i gaz — Higher Educational Institutions News. Oil and Gas, 1984, vol. 7, pp. 83-87.
Received 10 April 2016
Пояркова Екатерина Васильевна, Оренбургский государственный университет, г. Оренбург, Российская Федерация, доктор технических наук, доцент, доцент кафедры машиноведения, e-mail: [email protected]
Poyarkova Ekaterina Vasilevna, Orenburg State University, Orenburg, Russian Federation, Doctor of Technics, Associate Professor, Associate Professor of Mechanical Engineering Department, e-mail: [email protected]
