CC BY-NC
5
DOI: 10.24937/2542-2324-2021-2-S-I-114-120 УДК 539.422.24
Е.Д. Назарова, В.Ю. Филин , К.Е. Садкин, И.А. Гальчун, А.А. Лаврентьев
НИЦ «Курчатовский институт» - ЦНИИ КМ «Прометей», Санкт-Петербург, Россия
ОЦЕНКА НЕОБХОДИМОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕДУР ПРИ ВЫРАЩИВАНИИ УСТАЛОСТНОЙ ТРЕЩИНЫ В ОБРАЗЦАХ
Аттестационные и сдаточные испытания стали для изготовления конструкций ответственного назначения и ее сварных соединений включают определение параметров статической трещиностойкости, выполняемое на образцах с предварительно выращенной из вершины надреза усталостной трещиной. Нормативная документация, согласно которой проводятся эти испытания, содержит определенные требования к форме ее фронта. В данной работе рассмотрены процедуры, позволившие решить проблемы, возникающие при выращивании трещины, и представлены экспериментальные подтверждения их эффективности.
Ключевые слова: технологические мероприятия по подготовке образцов, испытания на трещиностойкость, сварные соединения, остаточные напряжения, низколегированная сталь. Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.
DOI: 10.24937/2542-2324-2021-2-S-I-114-120 UDC 539.422.24
Ye. Nazarova, V. Filin , К. Sadkin, I. Galchun, A. Lavrentyev
Kurchatov Institute National Research Centre - CRISM Prometey, St. Petersburg, Russia
RELEVANCE ASSESSMENT OF VARIOUS TECHIQUES IN FATIGUE CRACK GROWTH ON SAMPLES
Certification and delivery tests of steels for important structures and welds include determination of static fracture toughness parameters on notched samples with a fatigue crack grown in advance from the notch tip. Regulatory documents governing these tests contain certain requirements to this crack's front shape. This paper discusses the techniques that made it possible to overcome the challenges in crack growth, as well as presents experimental confirmation of their efficiency. Keywords: technological measures of sample preparation, fracture toughness tests, welds, residual stresses, low-alloyed steel.
Authors declare lack of the possible conflicts of interests.
Введение
Introduction
Испытания на статическую трещиностойкость, как правило, проводят по стандартам ISO 12135 [1] и ISO 15653 [2] на образцах, имеющих толщину, приближенную к максимальной используемой толщине металла в конструкциях, располагая надрез по толщине (положение NP согласно указанным стандартам).
Перед испытанием образцов в них выполняется выращивание усталостных трещин, к форме и размерам которых предъявляется ряд требований, в частности требование, ограничивающее максимальные отклонения формы фронта трещины от прямой линии. Однако прокат и сварные трубы из современных марок сталей производят по технологиям, которые формируют неоднородное распределение механических свойств и остаточных напряжений (ОН) по толщине образца,
Для цитирования: Е.Д. Назарова, В.Ю. Филин, К.Е. Садкин, И.А. Гальчун, А.А. Лаврентьев. Оценка необходимости применения различных технологических процедур при выращивании усталостной трещины в образцах. Труды Кры-ловского государственного научного центра. 2021; Специальный выпуск 2: 114-120.
For citations: Nazarova Ye., Filin V., Sadkin K., Galchun I., Lavrentyev A. Relevance assessment of various techiques in fatigue crack growth on samples. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2021; Special Issue 2: 114-120 (in Russian).
и, как следствие, вызывают неравномерный рост усталостной трещины. В основном металле после термомеханической обработки фиксируется неравновесная микроструктура, в металле сварных труб эпюры ОН определяются параметрами экс-пандирования.
Аналогичные трудности возникают при выращивании усталостных трещин в металле сварных соединений, что прежде всего связано с остаточными сварочными напряжениями (ОСН), сжимающими в районе корня сварного шва. При отсутствии дополнительных технологических мероприятий получение корректной формы усталостной трещины практически невозможно. Как отмечено в работе [4], «образцы, в которых усталостную трещину выращивали без специального рассмотрения, показали 90 % некорректных результатов».
Действующий ГОСТ 25.506 [3] по определению характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении не позволяет решить вышеуказанные проблемы. Существует несколько технологических мероприятий, направленных на выравнивание фронта усталостной трещины, а именно: изготовление шевронного надреза, боковых канавок, локальное боковое обжатие, предварительное нагружение обратным знаком, повышение коэффициента асимметрии цикла в процессе выращивания трещины [4-7] и др. Большинство этих мероприятий было предложено М. Дж. Доусом еще 50 лет назад [8]. Однако количественные исследования их эффективности не проводились, мероприятия стандартизованы только на качественном уровне. Например, в ISO 15653 [2] сказано, что «боковое обжатие до деформации 1 % может оказаться избыточным».
Влияние указанных мероприятий на изменение эпюры ОН у вершины надреза неоднозначно и могло бы быть оценено сравнительными испытаниями идентичных образцов с остаточными напряжениями и без остаточных напряжений. Однако авторам неизвестны способы получения нулевого поля ОН (кроме термических), применение которых принципиально невозможно без изменения свойств исследуемого металла.
Опыт применения шевронных надрезов на рассматриваемой металлопродукции показывает, что в некоторых случаях действительно можно достичь корректной формы усталостной трещины, подбирая угол и радиус при вершине надреза. Однако, как показывает практика, использование данного вида надреза не всегда сочетается с воз-
можностью применения остальных технологических мероприятий, направленных на выравнивание фронта трещины. Поэтому если желаемый результат не достигается, приходится в готовых образцах переделывать шевронный надрез на прямой. Дополнительными недостатками шевронного надреза являются повышенная трудоемкость изготовления, а также трудности размещения фронта трещины в желаемой зоне сварного соединения (в этом случае длина усталостного подроста много больше, возможен уход трещины из целевой структуры). Боковые канавки в настоящей работе не рассматривались, т.к. была поставлена задача обеспечить проведение испытания металла в полной толщине.
Целью настоящей работы является обеспечение достаточной прямолинейности и предсказуемости формы усталостной трещины путем выполнения предварительных мероприятий и, как следствие, уменьшение количества некорректных результатов и, соответственно, затрат на проведение испытаний.
Экспериментальная проверка проводилась на образцах следующих марок сталей:
■ низколегированная хладостойкая сталь, имеющая бейнитно-мартенситную структуру, легированная Cr, Ni и Mn (далее - материал 1);
■ низколегированная сталь с бейнитно-феррит-ной структурой, легированная Ni, Cr и Cu (далее - материал 2).
На основании выполненных ранее исследований [5, 8] были выбраны три процедуры, которые рассматриваются в настоящей работе:
■ локальное боковое обжатие образцов и заготовок;
■ предварительная вибрационная обработка заготовок;
■ предварительное нагружение образцов обратным знаком и повышение коэффициента асимметрии цикла нагружения в процессе выращивания трещины.
Боковое обжатие
Lateral compression
Схема бокового обжатия показана на рис. 1. Стандарт ISO 15653 [2] позволяет проводить это мероприятие как до, так и после выполнения надреза в образцах. Первый из этих вариантов рассмотрен ранее в работе [5]. В настоящей работе представлен сравнительный анализ эффективности обоих указанных вариантов.
ti2
Середина толщины
Боковая поверхность
Обжатие после
изготовления
надреза
Обжатие
до изготовления
надреза
Без
предварительного обжатия
Рис. 1. Слева - процедура бокового обжатия, справа -схема бокового обжатия
Fig. 1. Lateral compression procedure (left) and layout (right)
Рис. 2. Распределение компоненты остаточных напряжений, перпендикулярной плоскости надреза, в сварном образце, подготовленном к выращиванию трещины
Fig. 2. Distribution of residual stress component perpendicular to the notch plane in a welded sample prepared for crack growth
В процессе исследований выполнялись расчеты метода конечных элементов (МКЭ) с применением программного комплекса ANSYS ver. 14.5. Рассматривали сварное соединение, в котором имеется поле ОСН, полученное в результате ре-
а)
б)
в)
Рис. 3: а) фронт выращенной усталостной трещины без проведения предварительных мероприятий; б) фронт выращенной усталостной трещины при предварительном боковом обжатии после изготовления надреза; в) фронт выращенной усталостной трещины при предварительном боковом обжатии до изготовления надреза
Fig. 3. a) front of fatigue crack grown without any preparatory measures; b) front of fatigue crack grown after lateral compression of notched sample; c) front of fatigue crack grown after lateral compression of sample prior to notching it
шения термической и термодеформационной задач МКЭ [5]. Изготовление надреза моделировали путем последовательного снятия условия совместности перемещений с узлов, образующих его поверхности.
На рис. 2 сопоставлены расчетные эпюры остаточных напряжений по линии у вершины надреза в подготовленных к выращиванию усталостной трещины идентичных образцах, без обжатия и после применения обжатия до 0,3 % пластической деформации (что приблизительно равно снижению толщины образца в месте обжатия). Такая процедура дает возможность несколько выровнять эпюру ОН в вершине надреза по сравнению с образцами без обжатия, что позволяет получить меньшую кривизну усталостной трещины. Применение бокового обжатия до изготовления надреза предпочтительно, поскольку практически исключаются сжимающие ОН по фронту трещины.
После расчетов в конечно-элементном комплексе были выполнены эксперименты на образцах материала 1 в лаборатории НИЦ «Курчатовский институт» - ЦНИИ КМ «Прометей». Подтверждено, что применение процедуры бокового обжатия до изготовления надреза позволяет получить наименьшую кривизну фронта усталостной трещины порядка 4-5 % (рис. 3).
Предварительная вибрационная обработка
Preparatory vibration processing
С целью увеличения долговечности сварных конструкций, например рам грузовых автомобилей, применяют низкочастотную вибрационную обработку. Предполагается, что это происходит за счет релаксации ОН. Известно, что вибрационная обработка снижает ОН и приводит структуру материала к более устойчивому равновесному состоянию [9].
Влияние вибрационной обработки изучено недостаточно, а в рамках настоящей работы была сделана попытка ее применения для заготовок образцов на трещиностойкость согласно рекомендациям [9]. Обработке подвергали сварные заготовки образцов на трехточечный изгиб типа SENB толщиной 35 мм и высотой 70 мм из трубы, изготовленной из материала 2.
Предварительная вибрационная обработка выполнялась на испытательной машине, предназначенной для выращивания усталостной трещины при трехточечном изгибе с тем же пролетом, что и при испытаниях при выращивании усталостной трещины. Однако заготовку поворачивали так, что вибрационная нагрузка была ориентирована не в направлении высоты, как при выращивании трещины и испытаниях, а в направлении толщины, чтобы создать максимальные циклические напряжения в поверхностных слоях сварного соединения.
Параметры проведенной обработки были следующие:
схема нагружения: трехточечный изгиб; максимальная нагрузка: 80 кН; толщина: В = 35 мм; пролет: 8хВ;
коэффициент асимметрии цикла: 0,5; частота нагружения: 80 Гц.
После 0,5х106 циклов вибрационного нагру-жения образец переворачивали и обрабатывали с противоположной стороны. Общее число циклов - 1х106.
Как видно из рис. 4, ожидаемые результаты не были получены. Форма фронта усталостной трещины осталась характерной для материала трубы после экспандирования. Поэтому предварительная вибрационная обработка заготовок образцов не может быть рекомендована в качестве технологического мероприятия, обеспечи-
а)
б)
в)
г)
Рис. 4. Фронт усталостной трещины: а), б) надрез по центру шва; в), г) надрез по линии сплавления; а), в) контрольные образцы без предварительной вибрационной обработки; б), г) образцы после вибрационной обработки
Fig. 4. Fatigue crack front: a, b - notch along weld center line; c, d - notch along weld fusion line; a, c - reference samples without preparatory vibration processing; b, d - samples after preparatory vibration processing
вающего прямолинейность фронта усталостной трещины. По-видимому, она действует только на локальные ОН у концентраторов формы сварных швов, а в нашем случае обрабатывали гладкие заготовки.
Предварительное нагружение обратным знаком и повышение коэффициента асимметрии в процессе выращивания трещины
Preliminary inverse-sign loading
and increase of crack growth asymmetry
Поскольку для образцов основного металла боковое обжатие стандартом [1] не предусмотрено, прямолинейный фронт трещины может быть достигнут только с применением предварительного нагружения обратным знаком. Процедура нагру-жения обратным знаком показана на рис. 5а.
Для основного металла прикладываемая нагрузка не должна превышать допускаемую
Рис. 5. Слева - процедура нагружения обратным знаком; справа - влияние изменения асимметрии циклического нагружения
Fig. 5. Inverse-sign loading procedure (left) and effect of cyclic loading asymmetry (right)
нагрузку выращивания трещины, определяемую по формуле 1 стандарта ISO 12135 [1]:
Ff = О,
B (W - «0 )
S
R
Р 0,2'
(1)
где В - толщина образца; - пролет между опорами; (Ж-а0) - начальная высота нетто-сечения под надрезом; Яр0,2 - предел текучести при температуре последующего испытания.
Однако, как показывает опыт испытаний, нагружение обратным знаком позволяет получить растягивающие ОН у вершины надреза на достаточно коротком расстоянии от нее, и этого часто оказывается недостаточно для получения прямолинейного фронта усталостной трещины: наблюдается ее значительное туннелирование.
Применение повышенной до Я = 0,7 асимметрии циклического нагружения при выращивании трещины для образцов основного металла в стандарте [1] не предусмотрено. Для сварных образцов в стандарте [2] выражены опасения, что увеличение коэффициента асимметрии цикла приводит к повышению вязкости материла, т.е. к завышению результата испытания.
Исходя из сказанного, в НИЦ «Курчатовский институт» - ЦНИИ КМ «Прометей» было принято решение использовать эти два метода в комбинации друг с другом [10]. Однако, чтобы формально не выходить за рамки требований стандарта [1], на последнем участке выращивания трещины возвращаются к асимметрии цикла Я = 0,1, чтобы вывести вершину трещины из предположительно перегруженной зоны и избежать возможного завышения результатов испытания.
Таким образом, выращивание трещины производят в три этапа: на первом участке Я = 0,1, чтобы
обеспечить старт трещины по всему фронту, на втором R = 0,5...0,7, чтобы выровнять ее фронт, на третьем участке - опять R = 0,1. Данный метод получил название «метод бутерброда».
В рамках настоящей работы испытывали образцы основного металла толщиной 35 мм из трубы, изготовленной из материала 2, для которых допускаемая нагрузка обратного знака составляет
Ff = 0,8-0,125-352 500 = 61 кН.
Статическую нагрузку прикладывали на машине RUMUL к металлической проставке, установленной на надрез в образце, медленно, при ручном управлении по перемещению (рис. 5а). Величину нагрузки выбрали равной 55 кН, что находится в допускаемых пределах.
Как видно из рис. 56, предлагаемая процедура обеспечивает получение приемлемой кривизны фронта трещины и может быть рекомендована для образцов основного металла.
Выводы
Conclusions
На основании проведенных исследований можно подвести следующие итоги:
■ для сварных образцов на трещиностойкость рекомендуется выполнять боковое обжатие на величину около 0,3 % деформации до нанесения надреза;
■ вибрационная обработка механически обработанных заготовок не оказывает влияния на форму фронта выращиваемой впоследствии усталостной трещины; возможно, следует повторить эксперименты на заготовках полной толщины с усилением шва;
■ для образцов основного металла, показывающих значительное туннелирование усталостной трещины без применения специальных мероприятий, эффективно применение предварительного нагружения обратным знаком и выращивание усталостной трещины в три этапа, на втором из которых повышена асимметрия циклического нагружения.
Список использованной литературы
1. ISO 12135:2021. Metallic materials. Unified method of test for the determination of quasistatic fracture toughness. Geneva: ISO, 2021. 110 p.
2. ISO 15653:2018. Metallic materials. Method of test for the determination of quasistatic fracture toughness of welds. Geneva: ISO, 2018. 54 p.
3. ГОСТ 25.506-85. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик трещино-стойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении. М.: Изд-во стандартов, 1985. 61 с.
4. Study of Methods for CTOD Testing of Weldments / Machida S., Miyata T., Toyosada M., Hagiwara Y. // Fatigue and Fracture: Testing of Weldments: papers of simposium. Baltimore: ASTM, 1990. P. 142-156. (ASTM STP; 1058). DOI: 10.1520/STP24094S.
5. Оценка методом конечных элементов эффективности локального бокового обжатия призматических образцов с надрезом / Садкин К.Е., Филин В.Ю., Мизецкий А.В., Назарова Е.Д. // Вопросы материаловедения. 2020. № 4(104). С. 182-191. DOI: 10.22349/1994-6716-2020-104-4-182-191.
6. Towers O.L., DawesM.G. Welding Institute Research on the Fatigue Precracking of Fracture Toughness Specimens // Elastic-plastic fracture test methods: the user's experience: a symposium. Philadelphia: ASTM, 1985. P. 23-46. (ASTM STP; 856). DOI: 10.1520/STP34516S.
7. Effect of reverse bending method on pre-crack straightness in CTOD test of welded thick plates / Jeong S., Kim H, Shin S, Park T. // Proceedings of the ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition (IMECE-2014). New York: ASME, 2015. Vol. 9: Mechanics of Solids, Structures and Fluids. P. IMECE2014-37909 (6 p.). DOI: 10.1115/IMECE2014-37909.
8. Dawes M.G. Fatigue precracking weldment fracture mechanics specimens // Metal Construction and British Welding Journal. 1971. Vol. 3, No. 2. P. 61-65.
9. Степанов В.В. Развитие технологии низкочастотной вибрационной обработки сварных металлических конструкций судо- и машиностроения // Научно-технологическое развитие судостроения - 2021: тезисы докладов Всерос. молодежной конференции. СПб.: Крыловский гос. науч. центр, 2021. С. 41.
10. Назарова Е.Д. Разработка методов регулирования остаточных напряжений в образцах, испытываемых на трещиностойкость: выпускная квалификационная работа магистра / Науч. рук. Ермакова Н.Ю.; Санкт-Петербургский политехн. ун-т Петра Великого. СПб: СПбПУ, 2021. 147 c.
References
1. ISO 12135:2021. Metallic materials. Unified method of test for the determination of quasistatic fracture toughness. 2021. 110 p.
2. ISO 15653:2018. Metallic materials. Method of test for the determination of quasistatic fracture toughness of welds. 2018. 54 p.
3. GOST 25.506-85. Mechanic testing methods for metals. Determination of crack toughness (failure viscosity) under static load. Moscow, Publishing House of Standards, 1985 (in Russian). 61 p.
4. Machida S., Miyata T., Toyosada M., Hagiwara Y. Study of Methods for CTOD Testing of Weldments // Fatigue and Fracture Testing of Weldments, ASTM STP 1058. H.I. McHenry and J.M. Potter, Eds. ASTM. Philadelphia, 1990. P. 142-156. DOI: 10.1520/STP24094S.
5. FE-based efficiency estimate of local lateral compression for notched prismatic samples / K. Sadkin, V.Filin, A. Mizetsky, Ye. Nazarova // Voprosy materialovedeniya (Material Studies). 2020. No. 4(104). P. 182-191 (in Russian). DOI: 10.22349/1994-6716-2020-104-4182-191.
6. Towers O.L., Dawes M.G. Welding Institute Research on the Fatigue Precracking of Fracture Toughness Specimens // Elastic-Plastic Fracture Test Methods. The User's Experience. ASTM STP 856. E.T. Wessel and F.J. Loss, Eds. ASTM, 1985. P. 23-46. DOI: 10.1520/STP34516S.
7. Effect of reverse bending method on pre-crack straightness in CTOD test of welded thick plates / Jeong S., Kim H, Shin S, Park T. // Proceedings of the ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition (IMECE-2014). New York: ASME, 2015. Vol. 9: Mechanics of Solids, Structures and Fluids. P. IMECE2014-37909 (6 p.). DOI: 10.1115/IMECE2014-37909.
8. Dawes M.G. Fatigue Precracking Weldment Fracture Mechanics Specimens // Metal Construction and British Welding Journal. February 1971. Vol. 3, No. 2. P. 61-65.
9. Stepanov V. Progress in low-frequency vibration processing technology for metal welds in shipbuilding and machine engineering // All-Russian Youth Conference Scientific & Technological Developments in Shipbuilding 2021: Theses of reports. St. Petersburg, 2021 (in Russian). P. 41.
10. Nazarova Ye. Development of residual stress management methods for fracture toughness test samples: Master's Theses. Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University, 2021. 147 p. (in Russian).
Сведения об авторах
Назарова Елизавета Дмитриевна, инженер 3-й категории
НИЦ «Курчатовский институт» - ЦНИИ КМ «Прометей». Адрес: 191015, Россия, Санкт-Петербург, ул. Шпа-
лерная, д. 49. Тел.: +7 (812) 710-25-48. E-mail: nazarova42@list.ru.
Филин Владимир Юрьевич, д.т.н., начальник сектора 341 НИЦ «Курчатовский институт» - ЦНИИ КМ «Прометей». Адрес: 191015, Россия, Санкт-Петербург, Шпалерная ул., д. 49. Тел.: +7 (812) 710-25-48. E-mail: ctod@mail.ru. https://orcid.org/0000-0003-3153-1034. Гальчун Иван Алексеевич, инженер НИЦ «Курчатовский институт» - ЦНИИ КМ «Прометей». Адрес: 191015, Россия, Санкт-Петербург, Шпалерная ул., д. 49. Тел.: +7 (812) 274-13-24. E-mail: galchun.ia@mail.ru. Садкин Кирилл Евгеньевич, заместитель начальника НПК-3 НИЦ «Курчатовский институт» - ЦНИИ КМ «Прометей». Адрес: 191015, Россия, Санкт-Петербург, Шпалерная ул., д. 49. Тел.: +7 (812) 274-15-14. E-mail: sadkin.kirill@mail.ru
Лаврентьев Алексей Андреевич, ведущий инженер; НИЦ «Курчатовский институт» - ЦНИИ КМ «Прометей». Адрес: 191015, Россия, Санкт-Петербург, Шпалерная ул., д. 49. Тел.: +7 (812) 274-15-14. E-mail: npk3@crism.ru
About the authors
Yelizaveta D. Nazarova, Kurchatov Institute National Research Centre - CRISM Prometey. Address: 49, Shpalernaya st., St. Petersburg, Russia, post code 191012. Tel.: +7 (812) 710-25-48. E-mail: nazarova42@list.ru. Vladimir Yu. Filin, D. Sc., Kurchatov Institute National Research Centre - CRISM Prometey. Address: 49, Shpalernaya st., St. Petersburg, Russia, post code 191012. Tel.: +7 (812) 710-25-48. E-mail: ctod@mail.ru. https://orcid.org/0000-0003-3153-1034. Ivan A. Galchun, Kurchatov Institute National Research Centre - CRISM Prometey. Address: 49, Shpalernaya st., St. Petersburg, Russia, post code 191012. Tel.: +7 (812) 274-13-24. E-mail: galchun.ia@mail.ru. Kirill Ye. Sadkin, Cand. Sc., Kurchatov Institute National Research Centre - CRISM Prometey. Address: 49, Shpalernaya st., St. Petersburg, Russia, post code 191012. Tel.: +7 (812) 274-15-14 E-mail: sadkin.kirill@mail.ru. Alexey A. Lavrentyev, Kurchatov Institute National Research Centre - CRISM Prometey. Address: 49, Shpalernaya st., St. Petersburg, Russia, post code 191012. Tel.: +7 (812) 274-15-14. E-mail: npk3@crism.ru.
Поступила / Received: 15.11.21 Принята в печать / Accepted: 22.11.21 © Коллектив авторов, 2021
