CC BY
42
УДК 620.179.1
ВЗАИМОСВЯЗЬ ДЕФОРМАЦИОННОГО РЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТИ И СТЕПЕНИ ПОВРЕЖДЕННОСТИ СТАЛИ ПРИ МАЛОЦИКЛОВОМ НАГРУЖЕНИИ
ДЕМЧЕНКО А.А., ДЕМЧЕНКО М.В., *СИСАНБАЕВ А.В., НАУМКИН Е. А., КУЗЕЕВ И.Р.
Уфимский государственный нефтяной технический университет, 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1 *Институт проблем сверхпластичности металлов РАН, 450001, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Ст. Халтурина, 39
АННОТАЦИЯ. Исследована динамика развития деформационного рельефа при малоцикловом нагружении стали. Рассмотрена взаимосвязь интегральной дисперсии деформационного рельефа и степени поврежденности образцов при деградации механических свойств металла.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: малоцикловое нагружение, деформационный рельеф, степень поврежденности. ВВЕДЕНИЕ
Прогнозирование остаточного ресурса является неотъемлемой частью в эксплуатации резервуаров и трубопроводов [1 - 4]. В процессе длительной эксплуатации, материал стенки испытывает малоцикловое нагружение вследствие непрерывного изменения уровня заполнения и меняющихся температурных нагрузок. Такие знакопеременные нагрузки вызывают упругопластические деформации в локальных зонах материала стенки резервуара. Основной причиной деградации физического состояния металла и его разрушения является рост плотности дислокаций и их последующая самоорганизация, приводящая к изменению деформационных механизмов. Поэтому исследования динамики развития деформационного рельефа для установления степени деградации механических свойств металла при различных типах нагружения является актуальной задачей.
В данной работе исследовали взаимосвязь интегральной дисперсии деформационного рельефа и степени поврежденности образцов при деградации механических свойств металла. Проведена оценка динамики развития этих параметров в зависимости от количества циклов нагружения. Рассмотрен стадийный переход от микро- к мезо- и макроразрушению с повышением степени поврежденности.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Для испытаний на малоцикловую усталость использовали образцы круглого сечения из стали ВСтЗсп изготовленные согласно ГОСТ 2860. Расположение измерительных контрольных точек на поверхности показано на рис. 1:
• точка № 1 находится вблизи закрепления образца на усталостной установке, то есть в самой нагруженной области рабочей поверхности образца;
• точка № 2 расположена эквидистантно точкам № 1 и № 3 на рабочей поверхности образца;
• точка № 3 находится вблизи навеса груза на образец, как в менее нагруженной области рабочей поверхности образца.
Различные напряжения в контрольных точках обеспечивали за счет различных значений плеча момента от веса груза. Расчет груза производили таким образом, чтобы напряжения в зоне нагружения образца соответствовали упруго-пластическим условиям. Зная длину груза (Ь = 134 мм), рассчитали моменты и напряжения в контрольных точках: М1 = 7 Н/м, М2 = 5 Н/м, Мз = 4 Н/м, 01 = 68 МПа, 02 = 54 МПа и 03 = 41 МПа.
100
Рис. 1. Схема расположения контрольных областей вблизи и вдали от консоли закрепления образца
Эксперименты проводили на установке для усталостных испытаний по схеме кругового консольного изгиба при симметричном цикле (рис. 2). Нагружение осуществляли при помощи навеса грузов с одного конца образца и его закрепления с другого конца в захвате установки. Захват вращали с частотой 10 об/мин. Один полный оборот захвата соответствовал одному циклу нагружения образца. Через каждые 500 циклов и до самого разрушения производили съемку деформационного рельефа поверхности в контрольных точках. Съемку проводили на лазерном сканирующем микроскопе «LSM-5-Exciter» (Carl Zeiss, Germany). Используя бесконтактный конфокальный метод сканирования, измеряли 2-D и 3-D топографию. Обработку полученных рельефов осуществляли в программном комплексе «Zen-2008». В трехмерных координатах «X-Y-Z» определяли изменения характеристик, важных с точки зрения прогнозирования остаточного ресурса: интегральный и локальный деформационный рельеф поверхности с оценкой различных параметров шероховатости RSi. Таким образом, отслеживалась как закономерность деградации физического состояния металла по мере накопления повреждений, так и зависимость деградации физического состояния металла от величины напряженности материала образца.
1 - двигатель; 2 - ременная передача; 3 - редуктор; 4 - муфта; 5 - захват; 6 - образец; 7 - груз; 8 - станина
Рис. 2. Схема установки [2]
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 3 и 4 показаны изображения рельефа поверхности образца, полученные на лазерном сканирующем микроскопе. Видно, что псевдотрехмерное 2,5Б-изображение рельефа поверхности образца в исходном состоянии и после циклирования (К = 3500 циклов) заметно отличаются по градации перепадов высот на поверхности. На трехмерном 3Б-изображении деформационного рельефа поверхности отчетливо видны пересекающиеся линии скольжения мезоскопического уровня. На рис. 5 показана динамика изменения интегральной дисперсии деформационного рельефа «ЯБа» (среднее арифметическое отклонение высот) в зависимости от степени повреждаемости для разных контрольных областей расположенных вблизи и вдали от места закрепления образцов в консоли. Усреднение параметра «ЯБа» для каждой области проводилось по всей измеряемой поверхности. Видно, что изменения дисперсии шероховатости деформационной поверхности образца происходит циклически во всех трех контролируемых областях. Можно отметить по крайне мере две характерные стадии развития дисперсии рельефа. В каждой стадии вначале дисперсия увеличивается до определенного максимума, а затем снижается почти до первоначального значения. Такое снижение отмечено при степени поврежденности К/Кр = 0,3 - 0,4 и К/Кр = 0,7 - 0,8. По мере накопления усталостных повреждений максимумы дисперсии постепенно уменьшаются. Т.е. наибольшая дисперсия наблюдается на начальном этапе циклической деформации. Окрестность точки К/Кр = 0,8 можно считать критической, после которой последовала третья стадия - разрушение образца.
а - исходное состояние; б - после циклирования (К=3500 циклов) Рис. 3. Псевдотрехмерное 2,5Б-изображение рельефа поверхности образца
Рис. 4. Трехмерное 3Б-изображение деформационной поверхности и локальный профиль рельефа образцов № 2 после малоциклового нагружения (N=3500 циклов)
RSa, мкм
Дг1 А® 2 ЛгЗ
Ni/Np
О
0,00
0,50
1,00
Рис. 5. Интегральная дисперсия деформационного рельефа «RSa» в зависимости от степени поврежденности «п» для различных контролируемых областей
Таким образом, для промежуточной диагностики различных стадий деформации и расчетного прогнозирования остаточного ресурса сроков безопасной эксплуатации резервуаров возможно использование в качестве пороговых критериев количественные параметры рельефа деформационной поверхности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Чиркова А.Г., Кузеев И.Р., Наумкин Е.А. Иерархические уровни деформирования и разрушения конструкционных материалов // Нефтегазовое дело. 2009. Т. 7, № 7. С. 123-129.
2. Ямалеев К.М. Замедленное разрушение металла нефтепроводов / под ред. А.В. Сисанбаева. Агидель : Печатный Двор, 2006. 134 с.
3. Ямалеев К.М. Границы зерен металла нефтепроводов / под ред. А.В. Сисанбаева. Агидель : Печатный Двор, 2007. 158 с.
4. Бакиев А.В., Сандаков В.А., Сисанбаев А.В. Структурная природа деградации механических свойств металла газопроводов системы газоснабжения // Отраслевой научно-практический журнал «Ростехнадзор. Приуралье». Уфа, 2010. № 2. С. 12-15.
RELATIONSHIP DEFORMATION RELIEF AND DEGREE OF DAMAGE TO STEEL UNDER LOW-CYCLE LOADING
Demchenko A.A., Demchenko M.V., *Sisanbaev A.V., Naumkin E.A., Kuzeev I.R. Ufa State Petroleum Technological University, Ufa, Russia
*Institute for Metals Superplasticity Problems of Russian Academy of Sciences, Ufa, Russia
SUMMARY. The dynamics of the strain relief for low-cycle loading steel. The interrelation of the dispersion integral strain relief and the extent of damage to the sample during the degradation of the mechanical properties of the metal.
KEYWORDS: low-cycle loading, strain relief, the extent of damage.
Демченко Артем Альбертович, аспирант УГНТУ, e-mail: dem-sis@yandex.ru Демченко Мария Вячеславовна, аспирант УГНТУ
Сисанбаев Альберт Василович, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ИПСМ РАН, тел. (347) 282-37-10, e-mail: sisan-av@yandex.ru
Наумкин Евгений Анатольевич, доктор технических наук, доцент УГНТУ
Кузеев Искандер Рустемович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой УГНТУ
