Влияние внутренних и внешних параметров на прочность кремнеземистого композиционного керамического материала Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

типов воды затворения. Упрочнение в 1,2-1,5 раза заметно только для образцов, содержащих 20 % (мас.) карбида кремния. Использование различной воды затворения не повлияло на прочность ККМ.

Таблица 1

Прочность образцов на сжатие, о.е.

Содержание SiC, мас. % Кислотность воды затворения (рН) и режимы спекания

pH7 (Р1) pH2 (Р1) pH2 (Р2) H2 ) О , СО Рч,

А 2,0 1 3,0 1,2

А +10 % SiC 1,2 1 2,2 1,4

А + 20 % SiC 2,4 2 3,8 2,0

Наибольшее значение для повышения прочности имеет выбор режима спекания, т. е. внешних параметров. Заметно, что нет различий в прочности образцов, обожженных по режимам Р1и Р3 (без промежуточных обжигов). Эти образцы имели неоднородную структуру по сечению. Поверхностный слой представляет собой плотную корку, которая препятствует выходу газов из

пор. Внутри образцов наблюдаются черные полосы с крупными порами, локальные уплотнения. Главная причина образования черных полос - восстановление оксидов железа. В результате спекания образцов по режиму Р2 произошло упрочнение ККМ в 2 раза. Образцы имели практически однородную структуру, поскольку при 500 °С произошло разложение и выделение органики, углерода и испарения воды. Эти факторы сыграли основную роль на прочность ККМ.

Режимы спекания Р1 и Р3 не обеспечивают полных фазовых превращений по всему объему образцов и, следовательно, однородной структуры. Режим Р2 достаточен для достижения однородной структуры. Прочный ККМ получается в режиме спекания Р2 (с промежуточными обжигами) при добавлении 20 % карбида кремния.

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Davletbakov R.R., Kanygina O.N., Anisina I.N. INFLUENCE OF INTERNAL AND EXTERNAL PARAMETERS ON STRENGTH OF COMPOSITE SILICA CERAMIC MATERIAL Brittle silica composite ceramic material obtained by containing montmorillonite clay deposits located in the Orenburg region is considered.

Key words: strength; ceramic; composite ceramic material.

УДК 620.178.152.2

МИКРОМОРФОЛОГИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ИЗЛОМОВ И ЦИКЛИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ

СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

© Е.В. Пояркова, И.Р. Кузеев

Ключевые слова: сварные соединения; усталостная долговечность; фрактография изломов.

Исследована циклическая прочность разнородного сварного соединения из низкоуглеродистых сталей. Выполнен фрактографический анализ усталостных изломов методом растровой электронной микроскопии. Проанализировано влияние уровня накопленных повреждений на микроморфологию поверхностей разрушения разнородных сварных соединений.

Исследование усталостной долговечности разнородных сварных соединений в малоцикловой области выполнялось при циклическом упругопластическом нагружении. Диагностированию подлежали разнородные сварные соединения из низколегированных сталей марок 10Г2СФБ и 14Г2С1Д (классов прочности К60 и К52), полученные ручной электродуговой сваркой. Циклические испытания сварных соединений были проведены на установке ИР 5113-100.

В-первых, установлено разрушающее количество циклов образцов. Все разрушения произошли в основном металле менее прочной стали марки 14Г2С1Д, входящей в состав сварного соединения.

Во-вторых, выполнен анализ неоднородности механических свойств по зонам сварных соединений (в основном металле (ОМ) обеих марок, центре шва и зоне термического влияния (ЗТВ) менее прочного металла) в зависимости от уровня поврежденности. Ко-

личество циклов нагружения устанавливалось на уровне 0,2; 0,4; 0,6 и 0,8 от разрушающего.

Оценка прочности участков сварных соединений показала, что на всех этапах нагружения её распределение по сечению сварных соединений неравномерно (П1 = овшва/авом1и п2 = авшв7авом2). В исходном состоянии характерен минимум прочности в металле шва.

По мере накопления усталостных повреждений характер распределения механической прочности изменяется. На начальном этапе 0,2М/МР прочностные характеристики в ЗТВ со стороны стали 14Г2С1Д и центре шва начинают значительно увеличиваться ввиду циклического упрочнения. Металл приспосабливается к новым условиям функционирования, происходит внутренняя локализация напряжений при воздействии внешних нагрузок. Прочность ОМ обеих сталей сохраняется практически без изменений.

1676

В критической области 0,4Л/Лр наблюдается провал механической прочности центральной части сварного соединения; характер ее распределения подобен исходному состоянию, а шов вновь является «мягкой прослойкой».

При уровне накопленных повреждений 0,6Л/Лр металл центральной зоны сварного соединения упрочняется, а при 0,8NJNp характер распределения механической прочности по шву претерпевает значительные изменения. Деградационные процессы происходят теперь и в более прочном металле (10Г2СФБ). Разупрочнение наблюдается по всей длине сварного шва. Однако ЗТВ у стали 14Г2С1Д испытывает хаотичное повышение прочности, зависящее от поверхностной энергии материала.

Изменения механического поведения сварных соединений в зависимости от уровня ихповрежденности представлены на рис. 1. Замечено, что характеристики прочности трансформируются по мере накопления усталостных повреждений на протяжении всего периода существования сварного соединения.

Выявлено, что совместная деформация разнородных металлов способствует реализации контактного упрочнения, зависящего от степени механической неоднородности ^уп,рп = ((овОМ - овЗТВ)/овОМ)-100 %.

Получение изображений изломов выполнялось с помощью сканирующего электронного микроскопа ХЕ0Ы8М-6460ЬУ при ускоряющем напряжении 25 кВ в режиме поглощенных электронов.

Изломы, полученные при статическом растяжении сварных образцов с разной степенью накопления усталостных повреждений, были подвержены фрактогра-фическому анализу, который показал различия струк-

тур изломов образцов как в зависимости от количества циклов, так и по их сечению.

При уровне накопленных повреждений 0,2Л/Лр можно наблюдать усталостное разрушение в мелкозернистой части сварного шва. Поверхность разрушения состоит из мелких фасеток, каждая из которых соответствует отдельному зерну, что позволяет таким образом оценить размер зерен. Небольшое наличие неметаллических включений приводит к локальному вязкому разрушению по механизму роста микропор.

Уровень накоплениях тжрзздэнм)

Рис. 1. Изменение механических характеристик а0,2 и ав от уровня накопленных повреждений НіШР

Таблица 1

Микрофрактографии общего вида изломов в различных зонах сварного соединения РЭМ, х25

Уровень

накопленных

повреждений

Основной металл сталь марки10Г2СФБ

Металл шва разнородного сварного соединения

Зона термического влияния стали марки14Г2С1Д

Основной металл сталь марки14Г2С1Д

1677

При дальнейшем циклировании ориентация и уровни отдельных фасеток изменяются от зерна к зерну. На фрактограмме приповерхностной зоны плоскости сварного образца при уровне накопленных повреждений 0,8Л/ЛР четко выявлены поры в точках сварки. Траектория усталостного разрушения проходит по этим порам.

Изучив поверхности разрушения ОМ обеих сталей при усталостном разрушении и уровне 0,8Л/ЛР, заключаем, что они (поверхности) содержит участки отрыва и усталостные бороздки. При этом в плоскости образца на фрактограмме мелкими террасами усталостных бороздок можно наблюдать гребни отрыва. Сочетание усталостных бороздок и межзеренного разрушения присуще циклическому разрушению, но по сути своей является аналогом межзеренного разрушения в сочетании с отрывом или коалесценцией микропор.

На фрактограммах ОМ обеих сталей хорошо видны расслоения. Они имеют вид бороздок (провалов), образование которых связано с наличием вытянутых серных включений. Сравнительно небольшую долю поверхности излома занимают крупные ямки, в которых встречаются различные частицы типа сульфидов и оксидов. Основная часть поверхности излома покрыта ямками небольшого размера, в которых также можно наблюдать присутствие частиц неметаллического характера. Изломы образцов стали 14Г2С1Д имеют смешанное строение: ямочное строение, характерное для вязкого транскристаллитного разрушения, а также хрупкую составляющую, характерную для транскри-сталлитного хрупкого разрушения, осуществляемого квазисколом.

В ЗТВ со стороны стали 14Г2С1Д при уровне циклической поврежденности 0,8Л/ЛР наблюдается иная макрокартина поверхности разрушения излома: более ровная, продольные борозды (провалы) менее глубокие. Поверхность разрушения больше напоминает ква-зихрупкий характер. Это отчетливо видно при большом увеличении.

По сравнению с ОМ в шве ямки вязкого разрушения имеют величину на порядок меньшую, а между ними поверхность разрушения имеет квазихрупкий характер, т. е. после длительной эксплуатации материал охрупчивается.

По результатам фрактографического анализа установлено, что увеличение числа циклов усталостного нагружения исследованного разнородного сварного соединения сопровождается его охрупчиванием, проявляющимся сменой микромеханизма разрушения с вязкого транскристаллитного (путем зарождения, роста объединения микропор) на хрупкий.

ЛИТЕРАТУРА

1. Пояркова Е.В., Кузеев И.Р. Влияние уровня накопленных повреждений на механическое поведение разнородных конструктивных элементов трубопроводных систем // Мировое сообщество: проблемы и пути решения: сб. науч. ст. Уфа: Изд-во УГНТУ, 2008. №2 23. С. 70-77.

2. Пояркова Е.В., Кузеев И.Р., Наумкин Е.А. Взаимосвязь механического поведения разнородных сварных соединений с морфологией их усталостных изломов // Нефтегазовое дело. Уфа: Изд-во «Нефтегазовое дело», 2011. Т. 9. № 2. С. 80-86.

БЛАГОДАРНОСТИ: Часть исследований проводились в Лаборатории электронной микроскопии ФГБОУ ВПО «ЮУрГУ» (НИУ), г. Челябинск.

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Poyarkova E.V., Kuzeyev I.R. MICROMORPHOLOGY OF FRACTURE SURFACE AND CYCLIC STRENGTH OF WELDED JOINTS

The cyclic strength of dissimilar welded joints of low carbon steel is investigated. The fractographic analysis fatigue fracture by scanning electron microscopy is performed. The effect of the level of accumulated damage to the micromorphology of fracture surfaces of dissimilar weld joints is analyzed.

Key words: welded joints; fatigue longevity; fractography of breakings.

1678