CC BY
22
Электронное периодическое издание «Вестник Дальневосточного государственного технического университета» 2010 год № 1 (3)
05.00.00 Технические науки
УДК 546.281
В.П.Погодаев
Погодаев Василий Петрович - канд. техн. наук, доцент кафедры сварочного производства ДВГТУ. E-mail: pogodaev-vp@mail.ru
ИССЛЕДОВАНИЕ НАНО- И МИКРОМЕХАНИЗМОВ РАЗРУШЕНИЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
В статье предложена методика оценки ресурса сварных элементов при двухчастотном нагружении на базе микроструктурного анализа. Методика предназначена для изучения особенностей зарождения и развития разрушения на нано- и микроуровнях в сварных конструкциях из феррито-перлитных сталей. Применялись следующие методы: механика разрушения и сканирующая зондовая микроскопия.
Ключевые слова: ресурс сварных элементов, двухчастотное нагружение, микрострук-турный анализ, нано- и микроуровень.
Vasiliy P. Pogodaev THE STUDY OF NANO- AND MICROMECHANISMS OF DESTRUCTIONS OF THE WELDED JOIN
Methods of the estimation of the resource welded element at two-frequency stressing are considered in work on the base microstructure analysis. The methods is intended for study of the particularities of the generation and developments of the destruction on is nano - and micro level in welded design from ferrite- pearlitic steel. They were used main methods: mechanics of the destruction and scanning probe microscopy.
Key words: the resource welded element, two-frequency stressing, microstructure analysis, nano - and micro level.
Около 60% всех разрушений сварных металлоконструкций, подвергающихся в эксплуатации действию циклических напряжений и нейтральных коррозионных сред, обусловлено распространением в них трещин усталости.
100
Обычное место нахождения трещин - сварные швы и околошовная зона [1, 3], поэтому вопросам оценки сопротивляемости материала распространению трещин уделяется большое внимание. Для оценки ресурса в условиях переменного нагружения необходимо знание физики процесса накопления усталостных повреждений, критериев и методов оценки продолжительности роста трещин. Процесс усталости в общем случае имеет две стадии: до зарождения трещины и развития трещины. Соотношение продолжительности этих стадий изменяется в широких пределах в зависимости от уровня действующих напряжений, схемы нагружения, состояния материала и т.п. В некоторых случаях стадия развития видимой трещины может составить 60...90% общей долговечности, для образцов с концентраторами напряжений она особенно продолжительна. Эту стадию называют живучестью материала [2, 3, 9].
Полный ресурс конструкции ЫП от первого цикла нагружения до разрушения будет определяться выражением:
Ып — Ыт + N ж, (1)
где ЫТ - ресурс на стадии зарождения трещины; ЫЖ - ресурс на стадии ее развития, или живучесть.
Согласно многочисленным экспериментальным данным, скорость накопления повреждений существенно различается на двух стадиях из-за отличий механизмов накопления повреждений [9], поэтому необходимы разные подходы для оценки ресурсов ЫТ и ЫЖ-
В сущности, все процессы повреждения и разрушения происходят в одних и тех же элементах структуры металла. Накопление усталостных повреждений происходит в отдельных зернах и на отдельных участках межзеренных границ. Зарождение микротрещины есть результат слияния повреждений в местах случайного скопления наиболее дефектных или наиболее напряженных элементов структуры. Рост микроскопической усталостной трещины - процесс продвижения фронта разрушения через совокупность зерен и межзеренных границ, попадающих на фронт трещины. Основное преимущество структурной модели в том, что она указывает способы перенесения опытных данных, полу-
ченных для одного из классов нагружения и поведения материала на другие классы, а также позволяет объединять опытные данные, относящиеся к различным классам. В целом разработка структурных моделей повреждения и разрушения - одно из наиболее актуальных направлений механики материалов.
Структура металла изменяется в соответствии с термическим циклом сварки. Вследствие этого различные участки зоны термического влияния (ЗТЗ) отличаются структурой и механическими свойствами. Характер изменения структуры и механических свойств зависит от химического состава металла и предшествующей термомеханической обработки. Общепринято разделение ЗТВ на пять основных участков, характерных для малоуглеродистой стали [5].
Как показывают многочисленные исследования, усталостное разрушение происходит за счет накопления пластической деформации [3]. Основным механизмом пластической деформации металлов и сплавов является внутризеренное перемещение одних частей кристалла (кристаллита) относительно других, осуществляемое с помощью многочисленных видов движения дислокаций. Если на поликристалл действует возрастающее растягивающее напряжение, то пластическая деформация будет происходить, если удовлетворяются условия микроскопической и макроскопической сплошности. Условие микроскопической сплошности заключается в том, что под действием внешних сил дислокация не может выйти из кристаллита путем образования сдвиговой ступеньки, т.к. этому мешает соседнее зерно. Дислокации могут лишь приближаться к границам зерна. Таким образом, дислокации от активного источника зерна приходят к границе соседнего зерна и, задерживаясь у границы, создают внутри зерна и в соседних зернах напряжения, противодействующие приложенному напряжению, что эффективно упрочняет металл. По мере того, как приложенное напряжение растет и все больше дислокаций достигает границы, созданные ими локальные напряжения возрастают и становится достаточными для приведения в действие источника в соседнем зерне [10]. Таким образом, сдвиг реализуется при достижении такого напряжения, которое нейтрализует концентрацию напряжений у вершины полосы скольжения. Поле напряжений около скопивших-
ся ранее дислокаций ослабевает, и создаются условия для дальнейшей пластической деформации. При этом границы зерен являются барьерами, обеспечивающими упрочнение. Согласно работам [8, 12], деформируемое твердое тело -многоуровневая система, в которой деформация согласованно реализуется на различных масштабных уровнях: нано-, микро-, мезо-, макро-. На каждом уровне формируются свои типы деформационных дефектов. Они возникают в результате локальных структурно-фазовых переходов в деформируемом твердом теле. Можно полагать, что процессы структурно-фазовых переходов на нано- и микроуровне определяют условия зарождения усталостных микротрещин.
Прогнозирование разрушения материалов и их остаточного ресурса возможно лишь на основе развития перспективных методов оценки структурных изменений в материалах.
Известно, что при усталостном нагружении пластически деформируется, прежде всего, поверхностный слой [1, 3]. В результате в циклически деформируемых локальных объемах формируются растягивающие и сжимающие напряжения, а также касательные (сдвиговые) напряжения [9]. Показано, что механизм зарождения и роста усталостных микротрещин является результатом последовательных, согласованных (кооперативных) переходов на различных структурных уровнях. На низшем (нано) уровне размножение дислокаций приводит к росту искажений кристаллической решетки и снижению ее сдвиговой устойчивости с образованием разорванных межатомных связей. Переход хаотической дислокационной структуры с нарушенной симметрией кристаллической решетки в ячеистую и фрагментированную, как результат самоорганизации, контролируется внутренним механическим и электрическим полями, являющимися параметром порядка и информатором. При образовании устойчивых наноструктур в виде субграниц, рост степени перекрытия электронных орбиталей повышает сдвиговую устойчивость кристаллической решетки движению вновь генерируемым дислокациям при дальнейшем росте деформации. Образуются полосы скольжения в благоприятно ориентированных зернах и в этой связи осуществляется переход на более высокий структурный уровень. При этом накопленная
деформация передается в смежные зерна либо в приграничную зону деформации с образованием устойчивых полос скольжения в зернах или микротрещин на стыках зерен, как результата обмена информацией и согласованного действия между структурными элементами (зернами, стыками зерен). Таким образом, в соответствии с принципом подчинения, солитоны и электронные ансамбли (кластеры), действуя согласованно, будут передавать как деформацию, так и информацию в смежные зерна.
Условие макроскопической сплошности заключается в том, что после деформации соседние кристаллиты должны соприкасаться без нарушения сплошности границы. По условию Мизеса, для того, чтобы отдельные зерна поликристалла на границе взаимно соответствовали друг другу по форме, в кристаллите должно действовать до пяти систем скольжения. При отсутствии межкристал-литных трещин каждый кристаллит в поликристалле деформируется так, что у каждой из его границ деформация совпадала с деформацией смежного кристаллита, поэтому локальные деформации должны изменяться от зерна к зерну вследствие различия ориентировки по отношению к внешнему воздействию, что, по-видимому, и определяет анизотропию свойств металла [13]. Вклад барьерного эффекта и упрочнения за счет множественного скольжения зависит от структуры кристаллов и размера зерен, что существенно влияет на вид диаграммы напряжение-деформация. Размер зерна оказывает влияние на все элементы кривой а = /(е), однако влияние этого фактора на предел текучести особенно заметно.
Зависимость начала пластического течения ат от размера зерна й подчиняется соотношению Холла-Петча [2]:
(7т =&; + куй~\ (2)
где параметры ат и ку являются постоянными величинами для данного материала. Установлено [1, 3], что существует тесная связь между природой физического предела текучести и пределом усталости. Проведенный в работе [13] анализ влияния размера зерна на сопротивление усталости позволил установить,
что предел выносливости связан с размером зерна соотношением, аналогичным уравнению Холла-Петча:
1
= &iF + kyFd 2 , (3)
где OiF и kyF const.
Многочисленные экспериментальные данные [9] также указывают на тесную связь между пределом текучести аТ и пороговым значением коэффициента интенсивности напряжения AKth0. Данная связь позволяет сделать вывод о прямой зависимости порогового коэффициента интенсивности напряжений AKth0 от размера зерна, это подтверждается экспериментальными данными, и предполагает следующую структуру соотношения AKth0 = f(d):
tho = A ^ Bd2, (4)
где d - размер зерна, А и В - коэффициенты уравнения.
Вышеизложенные результаты анализа позволяют сделать вывод, что размер зерна - один из важнейших факторов, определяющих сопротивляемость сварных элементов усталостному разрушению. Кроме того, он является естественным параметром качества сварного элемента, т.к. структура является отражением технологического и эксплуатационного воздействия, что позволяет использовать его при диагностике и оценке работоспособности сварного элемента.
Построение моделей усталостного разрушения осуществляют с позиции двух подходов - полуэмпирического (феноменологического) и структурного. В
настоящее время наиболее развиты полуэмпирические модели [2], которые ис-
пользуются для расчета ресурса конструкций на стадии проектирования. Они достаточно просты и являются результатом обобщения опытных данных. Общим недостатком полуэмпирических моделей является то, что область их применения ограничена условиями, которые более или менее близки к условиям ресурсных испытаний, лежащих в основе моделей.
Это порождает ряд трудностей при прогнозировании индивидуального ресурса конструкций, которые в определенной степени могут быть сняты, если вместо полуэмпирических моделей использовать модели накопления повреждений и разрушения, основанные на структурных соображениях.
В настоящее время практически нет систематизированных данных о закономерностях накопления повреждений и развития микротрещины. Однако известно, что разброс значений ресурса конструкций в основном определяется этой стадией [2]. Большая сложность получения статистической информации о накоплении повреждений в элементах структуры металла, отсутствие разработанных надежных методик и обоснованных критериев, составляющих систему признаков диагностики металла, не позволяют в настоящее время разработать расчетную схему оценки продолжительности указанной стадии, основываясь на закономерностях накопления повреждений в металле при действии переменных напряжений. Использование для этой цели полуэмпирических моделей, базирующихся на ресурсных испытаниях, в случае прогнозирования индивидуального ресурса приводит к неоправданно большому объему экспериментальных работ, которые к тому же для значительного количества сложных конструкций выполнить практически невозможно. Вследствие этого весьма важно с практической точки зрения уметь корректно статистически оценивать стадии зарождения макротрещины, располагая доступной для современной техники информацией о микроструктуре металла конкретного элемента конструкции.
Как указывалось выше, особенности строения микроструктуры определяют величину, а, следовательно, и разброс механических характеристик материала. Имея сведения о строении микроструктуры металла конкретного элемента конструкции и априорные данные в виде зависимостей механических характеристик от размеров структурного элемента, можно гораздо корректнее судить о свойствах металла, из которого изготовлен данный элемент конструкции, чем по опытным данным, относящимся ко всей генеральной совокупности объектов, которые, естественно, имеют больший диапазон разброса характеристик.
Для решения аналитической задачи оценки продолжительности стадии образования макротрещины, видимо, необходимо определить начальную микротрещину, не изменяющую предел усталости, а, следовательно, присущую данной микроструктуре металла, т.е. необходимо установить зависимость размера начальной микротрещины от размеров структурного элемента. Далее ус-
тановить зависимость размеров минимальной макротрещины от размеров структурного элемента для конкретных условий нагружения элемента конструкции. Структурная модель накопления усталостных повреждений и разрушения реализуется при припороговой усталости, т. е. при напряжениях, близких к пределу усталости. При повышении нагрузки стадия развития микротрещины до размеров макротрещины сокращается [10]. С позиции развиваемых в статье представлений это, прежде всего, происходит из-за уменьшения размера минимальной длины макротрещины, которая характеризуется определенным строением зоны предразрушения, позволяющей трещине развиваться по закону Париса. В свою очередь, величина необходимой для микротрещины зоны предразрушения определяется размером структурного элемента. Это и должно приводить к зависимости минимального размера макротрещины от параметров микроструктуры и внешнего нагружения.
Экспериментальные данные [1, 3] и физические представления о процессе накопления повреждений и развития трещин [9] позволяют представить кинетическую диаграмму усталостного разрушения, соответствующую структурной модели [6]. Данная схема показывает, что скорость развития микротрещины ограничена определенным максимальным значением Утах. Для превышения этой скорости механизм развития трещины должен поменяться, и при этом она превращается в макротрещину. Для аналитической оценки стадии развития макротрещины необходимо иметь зависимости пороговых характеристик от структурного элемента и параметров нагружения, а также располагать аналитическим решением задачи о напряженно-деформированном состоянии в вершине трещины.
В реальных конструкциях трещины практически всегда зарождаются около концентраторов напряжений, в то время как материал, находящийся вне зоны концентратора, работает при напряжениях ниже предела усталости. В связи с этим макротрещина, возникшая в локальной зоне концентрации напряжений, подавляющее время развивается по материалу, практически не имеющему накопленной в процессе эксплуатации поврежденности. При таких условиях в
случае заданной детерминистической нагрузки (для конкретной конструкции нагрузка имеет незначительный разброс) продолжительность роста макротрещины является величиной детерминистической [2].
Таким образом, располагая статистической информацией о строении микроструктуры материала конкретного элемента конструкции и априорными зависимостями механических и пороговых характеристик от размеров структурного элемента, а также используя аналитические решения задачи о напряженно-деформированном состоянии в вершине трещины, на базе структурной модели накопления усталостных повреждений и разрушения, можно разработать расчетную схему прогнозирования индивидуального ресурса элемента конструкции.
Структурная модель усталостного разрушения [6] ставит задачу количественной оценки того статистически представимого структурного элемента, который определяет механические характеристики феррито-перлитных сталей. Естественно, что нахождение искомой характеристики структуры с максимально достижимой точностью при минимально возможной затрате времени при проведении анализа определяется как представительностью исследуемого объема структуры и участка плоскости наблюдения, так и эффективностью методов получения первичной информации [1].
Статистическая природа зеренной структуры металла делает необходимым использование методов, обеспечивающих проведение количественных оценок сложных стохастических систем. В настоящей статье на базе комплекса, включающего зондовый сканирующий микроскоп и ЭВМ, предлагается методика количественной параметризации структуры металла [7].
В результате исследований установлено, что материалы имеют иерархическую упорядоченность структурных размеров, предполагающую присутствие в материале несколько мод размеров зерен, которые подчиняются геометрической прогрессии di+n = qndi с коэффициентом q = 1,41. Анализ структуры реальных материалов показал, что в различном направлении сохраняются структурные моды, но меняется количество каждой моды, что вероятнее всего опреде-
ляет анизотропию механических свойств металла, поэтому для оценки анизотропии свойств предложен эффективный размер структурного элемента ёст, который определяется долей участия каждой моды в оцениваемом направлении и характеризует предел текучести в соответствии с уравнением Холла-Петча в этом направлении.
Предложенный эффективный размер структурного элемента dст позволяет оценить структурную анизотропию, что наиболее важно при оценке механических свойств зон сварного соединения, обладающего ярко выраженной структурной неоднородностью. Таким образом, разработанная методика позволяет проводить количественный анализ микроструктуры сварных соединений и количественно оценивать наиболее статистически представимый структурный параметр - эффективный размер структурного элемента (размера ферритного зерна), который, естественно, и будет характеризовать механические свойства основного металла и зон сварного элемента.
Нагрузки являются одним из решающих факторов, определяющих надежность сварных конструкций в целом и отдельных их элементов. Элементы конструкций в процессе эксплуатации, как правило, подвергаются сложным режимам нагружения, когда последовательность значений амплитуд и средних напряжений цикла изменяются случайным образом. При случайном нагружении суммарное число циклов до разрушения зависит от характера нагружения, т.е. от максимальных значений напряжений, доли максимальных напряжений в суммарном числе циклов нагружения, среднего напряжения цикла, частоты нагружения, последовательности высоких и низких напряжений и других факторов. Случайный (стохастический) характер нагрузок определяется множеством причин. Так, уровень динамических нагрузок случаен. Возникающие при этом упругие колебания в металлоконструкциях случайным образом накладываются друг на друга, образуя многокомпонентные случайные процессы нагружения. Как показывает анализ [4, 11], режим эксплуатационного нагружения большинства сварных конструкций является поличастотным, что в общем случае можно интерпретировать как двухчастотный, при котором на основные низкочастот-
ные циклы накладываются небольшие по величине циклы высокочастотной вибрации. В настоящее время отрицательное воздействие вибраций обычно не учитывается. В лучшем случае этот учет сводится к увеличению амплитуды основного переменного нагружения на величину, отвечающую высокочастотной составляющей цикла [11]. Однако результаты экспериментальных исследований [4] показывают, что двухчастотное нагружение вызывает интенсификацию процесса накопления повреждений, а это приводит к существенному снижению долговечности конструкций.
В последние годы появилось значительное число работ, посвященных исследованию влияния двухчастотного нагружения на ресурс конструкций. Отсутствие теоретически обоснованных подходов, позволяющих обобщить экспериментальные результаты и описать взаимодействие низко- и высокочастотных составляющих нагружения, не позволяет определить границы и степень влияния высокочастотных вибраций на закономерности роста трещин в зависимости от конкретных условий эксплуатации и класса материалов, поэтому необходимо дальнейшее детальное изучение закономерностей разрушения в условиях двухчастотного нагружения [4, 11].
Анализ экспериментальных данных показал, что для двухчастотного нагружения с конкретными параметрами диаграммы роста усталостных трещин исследованных сталей состоят в общем случае из двух участков. Первый участок совпадает с диаграммой роста усталостных трещин при одночастотном нагружении, а на втором может наблюдаться их существенное различие. Этот результат подтверждает сделанный в работе [6] вывод о том, что в условиях двухчастотного нагружения с непрерывно возрастающим при росте трещины суммарным коэффициентом интенсивности напряжений (К1тах), а, следовательно, и его размахом в высокочастотных циклах (Ж^) наложение высокочастной составляющей на основной процесс малоциклового нагружения не влияет на скорость роста трещин до тех пор, пока не будет достигнут определенный уровень суммарного размаха коэффициента интенсивности напряжений (2)
или ЛKonset с учетом их взаимосвязи.
При превышении уровня АКопе (АКопе 2) рост трещин происходит главным образом вследствие повреждения, вносимого высокочастотными циклами. Анализ влияния амплитудо-частотных соотношений и формы низкочастотного цикла на величину АКотег позволил установить, что для исследованных сталей значение АКте уменьшается по мере увеличения соотношения амплитуд. Полученные результаты дают возможность определять пороговый размах интенсивности напряжений в высокочастотных циклах, используя соотношение [11]:
где Я = 0,1 - асимметрия низкочастотного цикла.
Для прогнозирования скорости роста усталостных трещин в условиях двухчастотного нагружения использован расчетный метод, основанный на гипотезе линейного суммирования повреждений. При этом за меру повреждения принимают прирост трещины от воздействия каждой из составляющих двухчастотного нагружения. Скорость определяется с использованием выражения [11]:
где с, т и с, т( - коэффициенты уравнения Париса соответственно для низкочастотного и высокочастотного циклов.
Проведенный анализ подходов к оценке влияния двухчастотного нагружения на ресурс конструкций показал, что не существует теоретически обоснованного метода, позволяющего с единых позиций производить расчетную оценку ресурса как на стадии зарождения трещины, так и на стадии ее развития. Рассмотренные методики показывают, что важным параметром при оценке влияния двухчастотного нагружения на ресурс является соотношение амплитуд или размахов амплитуд низко- и высокочастотной составляющих напряжений. Соотношения амплитуд высоко- и низкочастотной составляющих определяют асимметрию цикла нагружения и тем самым пороговый коэффициент интенсивности напряжений.
Таким образом, основываясь на физических представлениях о природе усталостного разрушения, можно предложить подход к оценке ресурса сварных
AK
onset
onset
qa (1- R)K
onset
(5)
(6)
элементов при двухчастотном нагружении на базе анализа нано- и микроструктуры металла.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Берштейн М.Л. Структура деформированных металлов. М.: Металлургия, 1977. 431 с.
2. Болотин В.В. Прогнозирование ресурса машин и конструкция. М.: Машиностроение, 1986. 312 с.
3. Иванова В.С., Терентьев В.Ф. Природа усталости металлов. М.: Металлургия, 1975.
456 с.
4. Ковальчук В.С. Учёт влияния высокочастотной механической проковки на циклическую долговечность сварных соединений при двухчастотном нагружении // Автоматическая сварка. 2008. № 3. С. 9-13.
5. Лившиц Л.С. Металловедение для сварщиков. М.: Машиностроение, 1979. 253 с.
6. Матохин Г.В., Погодаев В.П., Гридасов А.В. Оценка эксплуатационной пригодности сварных соединений с учетом остаточных сварочных напряжений при двухчастотном нагружении // Состояние и перспективы развития электротехнологии: тез. докл. Всесоюзн. научн.-техн. конференции. Иваново, 1987. С. 59.
7. Нохрин А.В., Макаров И.М. Методика исследования зеренной структуры нано- и микрокристаллических металлов методом атомно-силовой микроскопии // Заводская лаборатория. 2002. Т. 68. № 1. С. 70-79.
8. Панин В. Е. Современные проблемы пластичности и прочности твердых тел // Известия вузов. Физика. 1998. Т. 41. № 1. С. 7-34.
9. Писаренко Г.С. О механической прочности материалов и элементов конструкций // Проблемы прочности. 1984. № 1. С. 3-5.
10. Сосновский Л.А. Статистическая механика усталостного разрушения. Минск: Наука и техника, 1987. 228 с.
11. Труфяков В.И., Ковальчук В.С. Определение долговечности при двухчастотном нагружении: обзор // Проблемы прочности. 1982. № 9. С. 9-15.
12. Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов: В 2-х т. / под ред. В.Е.Панина. Новосибирск: Наука, 1995. Т. 1. 298 с.; Т. 2. 320 с.
13. Matoyin G.V., Gridasov A.V., Kukhin Yu.N., Pogodaev V.P. Welded Structure Life Assessment with Regard for Residual Stress and Double-Frequency Loadings // Asia Pacific Maritime Congress, Workshop on Marine Hydrodynamics. Kobe, Japan, 2002. Р. 275-283.
