Релаксационные критерии в прогнозировании остаточного ресурса промышленных объектов Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 539.67:620.17

РЕЛАКСАЦИОННЫЕ КРИТЕРИИ В ПРОГНОЗИРОВАНИИ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ПРОМЫШЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ

© Д.М. Левин, А.Н. Чуканов, Л.В. Муравлева, В.В. Беляев

Levin D.M.. Chukanov A.N., Muravliova L.V., Belyaev V.V. Relaxation criterion of forecasting residual resource of manufacturing objccts. Systematization and theoretical analysis of the obtained by applicants and available in the literature data with respect to a change in the parameters of the mechanical energy dissipation and characteristics of the physics and mechanical properties of heterogeneous and homogeneous materials in different states is carried out. The model presentations about physical nature and mechanisms of the dissipative processes, caused by the change of the mobility of dislocations in the local zones of stress concentration near their concentrators are developed.

В температурном спектре внутреннего трення (ВТ) сталей, подвергнутых внешним воздействиям (деформация, наводороживание, деформация + наводорожи-вание), выявлены близкие по своим активационным характеристикам эффекты неупругости (максимумы ВТ), возникающие при появлении и эволюции в материале структурных дефектов и дефектов поврежденно-сти. Теоретически и экспериментально показано, что их появление связано с развитием индуцированных напряжениями е- и .«-релаксационных эффектов [I]. С помощью компьютерного разделения (рис. I) были уточнены температурные положения и активационные характеристики релаксационных процессов, формирующих «- и е-максимумы ВТ: при частоте измерений /* 1 кГц Г„„ = 32!...326 К, Тш = 364...368 К, энергии активации IV, = 58,7 ± 5 кДж/моль и 1УС = 69,4 ± + 5 кДж/моль, соответственно.

При временах наводороживания выше 10 часов на температурных зависимостях внутреннего трення обнаружен индуцированный напряжениями пик х-релак-сации с активационными характеристиками Тт, = = 315...320 К, IV, = 56,9 ± 5 кДж/моль (рис. 2). Повышение времени наводороживания до 30 часов приводит к линейному росту степени релаксации, обусловленному увеличением количества водородных дефектов поврежденности (рис. 3) [2].

Рис. 1. Максимум ВТ в стали 40 после леформацнн - 7 %: I - экспериментальные точки; 2 - теоретическая кривая

Рис. 2. ТЗВТ стали СтЗ в исходном состоянии (а) и после наводороживания (б -/= 925 Гц; в -/= 2530 Гц)

0 1 2Q'1mP! Ю"4 3

Рнс. 3. Влияние плотности микротрешин, образующихся при наводороживаиии, на высоту максимума ВТ PI

-150 -50 50 150t,°C 250 »

Рнс. 4. Влияние деформации (I) и деформации с последующим наводороживаннем (2) на температурный спектр ВТ стали СтЗ

-140 -40 60 160t, °С

Рис. 5. Компьютерное разделение спектра ВТ. сформированного деформацией и последующим наводороживанисм

Рис. 6. Влияние времени наводороживания и деформации на плотность микротрещин: I - е = 13 %; 2 - к = 0 %

Установлено, что комплексная обработка материала (пластическая деформацию и последующее наводо-рожнвание) приводит к появлению в температурно-зависимом спектре ВТ релаксационных эффектов как е-, так и л-типов (рис. 4). Были определены их активационные параметры: Тп11 = 323...328 К, И', = 59,7 ± ± 5 кДж/моль и Т„е = 361...366 К, И'. = 68,5 ± ± 5 кДж/моль (рис. 5).

С использованием металлографического анализа установили наличие и характер зависимости плотности микротрещин, возникающих и развивающихся после перехода материала в предельное состояние и активизации деструкции, от времени наводороживания и степени предварительной пластической деформации (рис. 6). Методами множественного регрессионного анализа установлена взаимосвязь между степенью релаксации в- и е-эффектов и параметрами режимов предварительной обработки:

= (0,09т + 0,056)10^; (I)

0тР2 =(0,05т + 0,21е)10"4. (2)

Изучено развитие дефектов поврежденности и инициированных ими неупругих (релаксационных) эффектов в сталях промышленных объектов: труб нефте- и газопроводов, сварных соединений, тяжело нагруженных деталей подъемно-транспортных машин [3]. Проанализированы результаты исследований микроструктуры, механических свойств и параметров тонкой структуры образцов промышленных продуктопроводов (трубные стали 17Г1С, 17ГС, 19Г) после различных

270 330 390 450 Т, К

Рис. 7. Компьютерное разделение ТЗВТ трубной стали 17ГС после 6 лет эксплуатации продуктоировода: 1 - эксперимент; 2 - теоретическая кривая составляющих пиков Р1, Р2 н РЗ

Рис. 8. Зависимость высоты максимума ВТ Р1 и пластичности стали 17Г1С 8 от срока эксплуатации /

Рис. 9. Зависимость высоты максимума ВТ Р1 и прочности ав трубной стали от срока эксплуатации /

сроков эксплуатации. Получены данные о кинетике развития дефектов водородной поврежденности в сталях в зависимости от срока их службы. Установлено, что наводороживание в процессе эксплуатации трубных сталей приводит к формированию в температурном спектре ВТ релаксационных максимумов л- и е-ти-пов с активационными параметрами (/"* 1 кГц): (Р1) Т„, - 318...323 К, IV, = 58,7 ± 5 кДж/моль и (Р2) Ттг = = 363...368 К, \Уе = 68,4 ± 5 кДж/моль, свидетельствующих о развитии в материале дефектов поврежденности (рис. 7).

30 т, Ч

Таблица I

Характеристики максимумов ВТ і- и с-типов при различных воздействиях

Вид внешних Р1 Р2

воздействий Тщ\ К (°С) И', кДж/моль Тя\ К (°С) К кДж/моль

Деформация (сталь 40) 321-326 (48-53) 58,7±5 364-368 (91-95) 69,4±5

Наводорожи-вание (СтЗ) 315-320 (42-47) 56,9±5

Деформация и наводорожи-вание (СтЗ) 323-328 (50-55) 59,7±5 361-366 (88-93) 68,5±5

Эксплуатация труб из сталей типа17ГС 318-323 (45-50) 59,7±5 363-368 (90-95) 68,4±5

* В пересчете на 1 кГц

Получены регрессионные уравнения, устанавливающие зависимость масштабов изменения механических свойств трубных сталей от уровня развития в них дефектов поврежденности (по данным о степени релаксации 5- И е-ПИКОВ)

0га;„ =(16+ 0,083/-0.026а,)-К)-4 (3)

Ят'п2 = (4,5 + 0,11/ - 0,14465) -10"4 (4)

Установлена возможность прогнозирования масштабов накопления дефектов поврежденности на осно-

ве анализа количественных параметров индуцированных напряжениями е- и в-релаксационных эффектов (релаксационных критериев повреждаемости) (рис. 8, 9).

Показано, что статическая деформация одноосным растяжением, электролитическое насыщение водородом, комплексное деформационно-коррозионное воздействие, а также эксплуатационные воздействия на трубные стали действующих продуктопроводов и тяжело нагруженных деталей подъемно-транспортного оборудования формируют на ТЗВТ неупругие эффекты (максимумы ВТ Р1 и Р2), обусловленные изменением дислокационной динамики у границ структурных дефектов, образующихся при указанных воздействиях (табл. 1) [4].

ЛИТЕРАТУРА

1. Левин Д.М., Чуканов А.Н. Релаксационные процессы в ОЦК железе. обусловленные образованием термических перегибов в вершине трещины // Конденсированные среды и межфазные границы. Воронеж: ВГУ. 2000. Т. 2. № 3. С. 233-236.

2. Левин Д.М., Чуканов А.Н., Муравлева Л.В. Исследование неуиру-гих свойств материалов, содержащих дефекты водородной поврежденности // Изв. ТулГУ. Материаловедение. 2000. Вып. I. С. 48-51.

3. Беляев ВВ., Драное В.С.. Чуканов А.Н.. Папчнов А.В. Остаточные напряжения - как фактор развития пластических деформаций в окрестности трещиноподобных дефектов зон сварных швов // Сб. науч. тр. ведущих ученых технолог, фак-та. Тула: Изд-во ИПП «Гриф и К°». 2000. С. 154-159.

4. Левин Д.М.. Чуканов А.Н, Муравлева Л.В. Внутреннее грение как мера локальной поврежденности металлических материалов // Изв. РАМ. Сер. Физическая. 2000. Т. 64. № 9. С. 1714-17171.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований, грант № 02-02-96023.