Влияние циклического нагружения на микроструктуру и хладостойкость металла ЗТВ стали 10Г2ФБ

Одной из главных причин отказов и разрушений машин, механизмов и инженерных сооружений является усталость конструкционных материалов. В сварных соединениях трещины усталости чаще всего зарождаются в зоне термического влияния, а процесс накопления повреждений носит длительный и стадийный характер. Ц...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2014
Автори:	Позняков, В.Д., Маркашова, Л.И., Максименко, А.А., Бердникова, Е.Н., Алексеенко, Т.А., Касаткин, С.Б.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2014
Назва видання:	Автоматическая сварка
Теми:	Научно-технический раздел
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/103425
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Влияние циклического нагружения на микроструктуру и хладостойкость металла ЗТВ стали 10Г2ФБ / В.Д. Позняков, Л.И. Маркашова, А.А. Максименко, Е.Н. Бердникова, Т.А. Алексеенко, С.Б. Касаткин // Автоматическая сварка. — 2014. — № 5 (732). — С. 3-11. — Бібліогр.: 15 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-103425
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1034252016-06-17T03:03:14Z Влияние циклического нагружения на микроструктуру и хладостойкость металла ЗТВ стали 10Г2ФБ Позняков, В.Д. Маркашова, Л.И. Максименко, А.А. Бердникова, Е.Н. Алексеенко, Т.А. Касаткин, С.Б. Научно-технический раздел Одной из главных причин отказов и разрушений машин, механизмов и инженерных сооружений является усталость конструкционных материалов. В сварных соединениях трещины усталости чаще всего зарождаются в зоне термического влияния, а процесс накопления повреждений носит длительный и стадийный характер. Цель настоящей работы заключалась в изучении влияния циклического нагружения изгибом на изменение структуры и свойств металла зоны термического влияния сварных соединений конструкционной стали класса прочности С490. С использованием модельных, обработанных по термическому циклу сварки, образцов изучена динамика накопления усталостных повреждений в металле, оценено влияние циклического нагружения на хладостойкость металла зоны термического влияния стали 10Г2ФБ. Установлено, что, как и в сварных соединениях, в модельных образцах образованию трещин усталости предшествуют процессы накопления усталостных повреждений в виде устойчивых полос скольжения разной конфигурации, а также образование экструзий и интрузий. Повреждения, которые накопились в металле ЗТВ низколегированных конструкционных сталей от усталости, способствуют охрупчиванию металла, что приводит к снижению его хладостойкости. Результаты исследований могут быть использованы для обоснования методов контроля сварных соединений металлоконструкций, которые эксплуатируются длительное время, а также для принятия решений по их упрочнению или ремонту. 2014 Article Влияние циклического нагружения на микроструктуру и хладостойкость металла ЗТВ стали 10Г2ФБ / В.Д. Позняков, Л.И. Маркашова, А.А. Максименко, Е.Н. Бердникова, Т.А. Алексеенко, С.Б. Касаткин // Автоматическая сварка. — 2014. — № 5 (732). — С. 3-11. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/103425 621.791.75.052:669.14.018.295 ru Автоматическая сварка Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Научно-технический раздел Научно-технический раздел
spellingShingle	Научно-технический раздел Научно-технический раздел Позняков, В.Д. Маркашова, Л.И. Максименко, А.А. Бердникова, Е.Н. Алексеенко, Т.А. Касаткин, С.Б. Влияние циклического нагружения на микроструктуру и хладостойкость металла ЗТВ стали 10Г2ФБ Автоматическая сварка
description	Одной из главных причин отказов и разрушений машин, механизмов и инженерных сооружений является усталость конструкционных материалов. В сварных соединениях трещины усталости чаще всего зарождаются в зоне термического влияния, а процесс накопления повреждений носит длительный и стадийный характер. Цель настоящей работы заключалась в изучении влияния циклического нагружения изгибом на изменение структуры и свойств металла зоны термического влияния сварных соединений конструкционной стали класса прочности С490. С использованием модельных, обработанных по термическому циклу сварки, образцов изучена динамика накопления усталостных повреждений в металле, оценено влияние циклического нагружения на хладостойкость металла зоны термического влияния стали 10Г2ФБ. Установлено, что, как и в сварных соединениях, в модельных образцах образованию трещин усталости предшествуют процессы накопления усталостных повреждений в виде устойчивых полос скольжения разной конфигурации, а также образование экструзий и интрузий. Повреждения, которые накопились в металле ЗТВ низколегированных конструкционных сталей от усталости, способствуют охрупчиванию металла, что приводит к снижению его хладостойкости. Результаты исследований могут быть использованы для обоснования методов контроля сварных соединений металлоконструкций, которые эксплуатируются длительное время, а также для принятия решений по их упрочнению или ремонту.
format	Article
author	Позняков, В.Д. Маркашова, Л.И. Максименко, А.А. Бердникова, Е.Н. Алексеенко, Т.А. Касаткин, С.Б.
author_facet	Позняков, В.Д. Маркашова, Л.И. Максименко, А.А. Бердникова, Е.Н. Алексеенко, Т.А. Касаткин, С.Б.
author_sort	Позняков, В.Д.
title	Влияние циклического нагружения на микроструктуру и хладостойкость металла ЗТВ стали 10Г2ФБ
title_short	Влияние циклического нагружения на микроструктуру и хладостойкость металла ЗТВ стали 10Г2ФБ
title_full	Влияние циклического нагружения на микроструктуру и хладостойкость металла ЗТВ стали 10Г2ФБ
title_fullStr	Влияние циклического нагружения на микроструктуру и хладостойкость металла ЗТВ стали 10Г2ФБ
title_full_unstemmed	Влияние циклического нагружения на микроструктуру и хладостойкость металла ЗТВ стали 10Г2ФБ
title_sort	влияние циклического нагружения на микроструктуру и хладостойкость металла зтв стали 10г2фб
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate	2014
topic_facet	Научно-технический раздел
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/103425
citation_txt	Влияние циклического нагружения на микроструктуру и хладостойкость металла ЗТВ стали 10Г2ФБ / В.Д. Позняков, Л.И. Маркашова, А.А. Максименко, Е.Н. Бердникова, Т.А. Алексеенко, С.Б. Касаткин // Автоматическая сварка. — 2014. — № 5 (732). — С. 3-11. — Бібліогр.: 15 назв. — рос.
series	Автоматическая сварка
work_keys_str_mv	AT poznâkovvd vliâniecikličeskogonagruženiânamikrostrukturuihladostojkostʹmetallaztvstali10g2fb AT markašovali vliâniecikličeskogonagruženiânamikrostrukturuihladostojkostʹmetallaztvstali10g2fb AT maksimenkoaa vliâniecikličeskogonagruženiânamikrostrukturuihladostojkostʹmetallaztvstali10g2fb AT berdnikovaen vliâniecikličeskogonagruženiânamikrostrukturuihladostojkostʹmetallaztvstali10g2fb AT alekseenkota vliâniecikličeskogonagruženiânamikrostrukturuihladostojkostʹmetallaztvstali10g2fb AT kasatkinsb vliâniecikličeskogonagruženiânamikrostrukturuihladostojkostʹmetallaztvstali10g2fb
first_indexed	2025-07-07T13:50:57Z
last_indexed	2025-07-07T13:50:57Z
_version_	1836996371229442048
fulltext	35/2014 УДК 621.791.75.052:669.14.018.295 ВЛИЯНИЕ ЦИКЛИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ НА МИКРОСТРУКТУРУ И ХЛАДОСТОЙКОСТЬ МЕТАЛЛА ЗТВ СТАЛИ 10Г2ФБ В. Д. ПОЗНЯКОВ, Л. И. МАРКАШОВА, А. А. МАКСИМЕНКО, Е. Н. БЕРДНИКОВА, Т. А. АЛЕКСЕЕНКО, С. Б. КАСАТКИН ИЭС им. Е. О. Патона НАНУ. 03680, г. Киев-150, ул. Боженко, 11. E-mail: office@paton.kiev.ua Одной из главных причин отказов и разрушений машин, механизмов и инженерных сооружений является усталость конструкционных материалов. В сварных соединениях трещины усталости чаще всего зарождаются в зоне термиче- ского влияния, а процесс накопления повреждений носит длительный и стадийный характер. Цель настоящей работы заключалась в изучении влияния циклического нагружения изгибом на изменение структуры и свойств металла зоны термического влияния сварных соединений конструкционной стали класса прочности С490. С использованием модель- ных, обработанных по термическому циклу сварки, образцов изучена динамика накопления усталостных повреждений в металле, оценено влияние циклического нагружения на хладостойкость металла зоны термического влияния стали 10Г2ФБ. Установлено, что, как и в сварных соединениях, в модельных образцах образованию трещин усталости пред- шествуют процессы накопления усталостных повреждений в виде устойчивых полос скольжения разной конфигурации, а также образование экструзий и интрузий. Повреждения, которые накопились в металле ЗТВ низколегированных конструкционных сталей от усталости, способствуют охрупчиванию металла, что приводит к снижению его хладо- стойкости. Результаты исследований могут быть использованы для обоснования методов контроля сварных соединений металлоконструкций, которые эксплуатируются длительное время, а также для принятия решений по их упрочнению или ремонту. Библиогр. 15, рис. 9. К л ю ч е в ы е с л о в а : дуговая сварка, сталь 10Г2ФБ, термические циклы сварки, модельные образцы, зона терми- ческого влияния, циклическое нагружение изгибом, структурные изменения, трещины усталости, ударная вязкость Известно, что одной из главных причин отказов и разрушений машин, механизмов и инженерных сооружений является усталость конструкцион- ных материалов [1], вследствие чего в отдельных наиболее нагруженных узлах изделий образуются трещины усталости [2]. Чаще всего такими узлами в сварных соединениях являются определенные зоны сварки, где преимущественно и присутству- ют конструктивные или структурные концентра- торы напряжений [2]. К настоящему времени, несмотря на значительные успехи в изучении закономерностей процессов усталости и в разра- ботке различных приемов повышения долговеч- ности сварных металлоконструкций, количество аварий по причине указанного состояния металла по-прежнему большое. Поэтому определенный практический интерес представляют исследова- ния процессов и причин, снижающих долговеч- ность материалов в эксплуатационных условиях, особенно в части усталостной повреждаемости конструкций, о чем свидетельствуют публикации последних лет [3–7]. Такого плана работы выполняются и в ИЭС им. Е. О. Патона [8–11]. В частности, в работе [10] по- казано, что в условиях циклического нагружения изгибом в сварных соединениях низколегирован- ной конструкционной стали 09Г2С накопление усталостных повреждений и усталостные измене- ния в основном локализуются в металле зоны тер- мического влияния (ЗТВ) сварных соединений и прилегающих к нему участках основного металла. В результате металл охрупчивается и его хладо- стойкость снижается на 20…40 %. Однако при выяснении причин усталостных повреждений непосредственно на сварных со- единениях возникают трудности, связанные с одновременным влиянием целого ряда техноло- гических и структурных условий, среди которых наиболее значимыми являются: неоднородность структуры, а следовательно, и свойств металла в различных зонах сварных соединений, отличаю- щихся химическим и фазовым составом, а также колебания режимов сварки, изменения в геоме- трии швов, внешних условий нагружений и т. п. В итоге именно сложный комплекс структурных, технологических и внешних воздействий и спо- собствует возникновению существенных погреш- ностей в результатах исследований. Учитывая сложность факторов, вызывающих усталостные повреждения, принят поэтапный подход к исследованию влияния циклического на- гружения на структуру и соответственно на хладо- © В. Д. Позняков, Л. И. Маркашова, А. А. Максименко, Е. Н. Бердникова, Т. А. Алексеенко, С. Б. Касаткин, 2014 4 5/2014 стойкость металла ЗТВ конструкционных сталей. Он предусматривает последовательное исследова- ние условий накопления повреждений в сварных соединениях (при нанесении надрезов различной глубины d); влияние нарастания циклического на- гружения (частоты, напряжения s-1 и нарастания количества циклов N). При этом весь комплекс исследований выполняли исключительно на мо- дельных образцах, что обеспечивает постоянство химического состава по исследуемым зонам свар- ных соединений, а неизменность процессов обе- спечивалась условиями имитации термических циклов сварки. Материалы и методики исследования. Ими- тацию термических циклов сварки (нагрев и ох- лаждение в соответствии с режимами, которые имеют место в металле ЗТВ реальных сварных со- единений) с использованием модельных образцов размером 20×20×120 мм (сталь 10Г2ФБ) осущест- вляли на специальной установке марки МСР-75, сконструированной в ИЭС им. Е. О. Патона на базе контактной сварочной машины, которая позволяет имитировать реальные сварочные циклы с помо- щью нагрева образцов проходящим током и охлаж- дения сжатым воздухом. Скорость нагрева образцов при имитации сварочных циклов (образцы нагрева- ли до температуры 1100 ºС) составляла 150 ºС/с, а скорость охлаждения в диапазоне 600…500 ºС w6/5 = 10 ºС/с. После обработки по термическому циклу сварки с целью моделирования геометриче- ского концентратора напряжений, который обычно наблюдается в сварных соединениях в местах пере- хода от шва к основному металлу, на поверхность образцов размером 20×20×60 мм наносили надре- зы шириной 2,0 мм и радиусом закругления у его вершины 1,0 мм. Причем на начальной стадии исследований (при отработке наиболее оптималь- ной методической оценки) на образцы наносили надрезы глубиной 1,0; 3,5 и 7,0 мм, что позволя- ло определить, на каком из образцов будут реаль- но проявляться структурные процессы (системы скольжения, трещины и т. п.), свидетельствующие о накоплении повреждений, которые имеют место в сварных соединениях. Испытания модельных образцов на усталость проводили на усталостной машине малой мощности марки УММ-1. Образцы подвергали циклическому нагружению изгибом с симметричным циклом при частоте 35 Гц и напряжении цикла sа = 120 МПа. Структурные изменения под воздействием раз- личных условий нагружения изучали с использо- ванием комплекса методов исследования: оптиче- ской металлографии (Versamet-2), аналитической растровой электронной микроскопии (СЭМ-515, фирмы «PHILIPS», Нидерланды) и просвечива- ющей электронной микроскопии (JEM-200CX, фирмы «JEOL», Япония) при ускоряющем напря- жении 200 кВ. Результаты исследования. На первом этапе исследовали характер и распределение систем скольжения на боковых поверхностях образцов в соответствующих зонах сварки в зависимости от количества циклов нагружения, а также при изме- нении глубины надреза d, выполненного с целью моделирования геометрического концентратора напряжений, а соответственно и условий трещи- нообразования в сварных соединениях в зоне пе- рехода от шва к основному металлу. Как показали металлографические исследо- вания, при глубине надреза d = 1,0 мм трещины усталости в образцах образовывались после 2 млн 500 тыс. циклов нагружения (0,45N/NFr, рис. 1, а). С увеличением количества циклов нагружения интенсивность усталостных повреждений поверх- ности модельных образцов нарастает, о чем свиде- тельствует и возрастание количества устойчивых полос скольжения, а также появление экструзий и интрузий. Причем дальнейшее нагружение струк- турно проявляется в росте размеров устойчивых полос скольжения, усложнении их конфигурации, а также увеличении частоты распределения полос скольжения на поверхности модельных образцов (0,70N/NFr, 0,80N/NFr) (рис. 1, б, в). При этом уста- лостные повреждения и структурные изменения в металле ЗТВ образцов, как правило, проявлялись в определенных зонах и имели локальный харак- тер: наибольшее количество устойчивых полос скольжения наблюдалось в центральной (осевой) части образца, что, по-видимому, обусловлено вы- соким уровнем напряжений, которые действуют в этой зоне в ходе циклического деформирования. Аналогичные изменения в структуре, но на более ранних стадиях циклического нагружения изгибом наблюдались и в образцах с надрезом глубиной d = 3,5 мм. Трещины усталости в этих образцах образовывались уже после N = 21000 ци- клов нагружения (рис. 1, г), чему предшествова- ли существенные изменения в структуре металла ЗТВ под надрезом. Начало образования устойчи- вых полос скольжения в исследуемых образцах наблюдалось после 5000 циклов нагружения, а с дальнейшим увеличением количества циклов на- гружения плотность устойчивых полос скольже- ния нарастала. Совсем иная картина наблюдалась у поверх- ностей образцов с надрезом глубиной d = 7,0 мм: трещины усталости в этих образцах образуются уже после 4500 циклов нагружения, зарождение такого типа трещин происходит непосредственно под надрезом и без видимых (при оптических ис- следованиях) изменений в структуре металла. Учитывая результаты исследования структур с 55/2014 различной глубиной надреза, установлено, что оп- тимальным у образцов является надрез d = 3,5 мм. Это позволяет воспроизвести все протекающие структурные изменения, сопровождающие иссле- дуемые в сварных соединениях процессы, а также ускорить процедуру подготовки образцов для по- следующего изучения. С этой целью (именно с надрезом глубиной d ~ 3,5 мм) на обработанных по термическому ци- клу сварки модельных образцах после цикличе- ского нагружения при напряжении цикла 120 МПа в первую очередь исследовали влияние уровня (количества) циклов нагружения на характер пла- стической деформации, формирование трещин усталости и хладостойкость. При N = 21000 нагру- жение приводит к развитию из вершины надреза трещины усталости длиной 2,0 мм с зоной пласти- ческой деформации, что свидетельствует о том, что это количество циклов является критическим, а нагружение до N = 7000, 11000 и 15000 циклов составляет соответственно 33,3; 53,2 и 71,4 % кри- тического нагружения. Параллельно выполнены испытания на удар- ный изгиб стандартных образцов с острым на- дрезом типа Шарпи, вырезанных из модельных образцов после всех циклических нагружений с ориентацией вершины надреза (d ~ 3,5 мм), в об- ласти зоны пластической деформации. При этом согласно [10] снижение показателей критического коэффициента интенсивности напряжений К1с и критического раскрытия трещин dс в металле ЗТВ сварных соединений происходит при отрицатель- ных температурах, поэтому испытания указанных образцов проводили при температуре -40 °С. Как видно из рис. 2, а, значения ударной вязкости в исходном состоянии после обработки по термиче- скому циклу сварки, а также циклического нагру- жения до 7000 у испытуемых образцов были доста- точно близкие (37…40 Дж/см2). По мере увеличения циклов нагружения такая равномерность наруша- лась, постепенно снижалась хладостойкость модель- ных образцов до 18…22 Дж/см2 после 11000 циклов и до 7…8 и 4,5…6,0 Дж/см2 после 15000 и 21000 циклов нагружения соответственно. Таким обра- зом, по сравнению с исходным состоянием (N = 0) Рис. 1. Макроструктура (а–в — ×50, г — ×30) модельных образцов стали 10Г2ФБ после циклического нагружения с разной глубиной надреза: а — 0,45N/NFr, δ = 1,0 мм; б — 0,70N/NFr, δ = 1,0 мм; в — 0,80N/NFr, δ = 1,0 мм; г — NFr, δ = 3,5 мм Рис. 2. Влияние циклического нагружения на ударную вяз- кость модельных образцов стали 10Г2ФБ (а) и схема образца с указанием исследуемых зон (б) 6 5/2014 при данных условиях циклического нагружения ударная вязкость образцов стали 10Г2ФБ снижа- лась в 1,8; 4,9 и 7,5 раза. Второй этап работы заключался в структур- ных исследованиях, целью которых являлось оп- ределение изменения исходной до нагружения структуры в условиях нарастания циклического нагружения, а также установление особенностей структурных изменений, сопутствующих трещи- нообразованию. Изменения структурного состава прежде всего фазовых составляющих, величины их зерна, ми- кротвердости, а также таких параметров тонкой структуры, как размеры субзерен, ширина реек, плотность и распределение дислокаций в модель- ных образцах, исследовали в двух конкретных зо- нах (см. рис. 2, б): I – под надрезом (зона макси- мального нагружения); II – в центре образца. Исходное состояние структуры. Исследова- на структура металла в образцах, которые обра- батывали по термическому циклу сварки, но не подвергали циклическому нагружению (исходное состояние). Как под надрезом (I зона), так и в центре образца (II зона) структура представле- на бейнитом верхним (Бв), нижним (Бн) и фер- ритными оторочками (Фот) (рис. 3, а, б). В I зоне размер зерна Dз бейнита верхнего находится в диапазоне 100…250 мкм (рис. 4, а). Размер зер- на нижнего бейнита изменяется от 80 до 180 мкм, а ширина ферритных оторочек — от 5 до 10 мкм. Микротвердость HV бейнита верхнего находится в диапазоне 2370…2470 МПа, а бейнита нижнего — 2630…2830 МПа. Аналогичная по фазовому составу структура ме- талла (в исходном состоянии) сформировалась и в центре образца, но она имеет несколько другие па- раметры и микротвердость. В II зоне по сравнению с I зоной наблюдается увеличение размера зерна структурных составляющих на 16 % (до 130…290 мкм) бейнита верхнего и на 26 % (до 120…230 мкм) бейнита нижнего, в то время как их микротвердость уменьшается на 5 % (рис. 4, в). Размер ферритных оторочек в этих зонах остается неизменным. В ходе исследования тонкой структуры металла в I и II зонах в исходном состоянии методом тран- сэмиссионной микроскопии установлено (рис. 4, б, г; 5, а, б), что ширина реек hр для бейнита верх- него уменьшается в I зоне по сравнению с соот- Рис. 3. Микроструктура (×500) металла модельных образцов стали 10Г2ФБ в участке перегрева ЗТВ в исходном состоянии (а, б) и после 21000 циклов нагружения (в, г) под надрезом (а, в) и в центре (б, г) образца 75/2014 ветствующими параметрами во II зоне на 13 % и составляет hр ~ 0,5…1,8 мкм, т. е. также уменьша- ются и размеры дислокационной субструктуры dс, причем преимущественно субструктуры бейнита нижнего в I зоне (уменьшение почти в 1,4 раза до размера примерно 0,5…0,8 мкм). Что касается зна- чений внутриобъемной плотности дислокаций r, то для различных структурных составляющих (и для Бв и Бн) большее увеличение дислокационной плотности характерно для I зоны, т. е. для области с максимальным нагружением (рис. 4, б). Харак- терно, что в большей степени объемная плотность дислокаций нарастает в структурах бейнита ниж- него, для которого r ~ 5…7·1010 см-2, а для бейнита верхнего r ~ 3…5·1010 см-2. Циклическое нагружение. В процессе последу- ющего циклического нагружения в исследуемом металле непосредственно под надрезом (I зона) происходит трансформация структурных состав- ляющих. По сравнению с исходным состоянием наблюдается уменьшение размера зерна бейнита верхнего в среднем на 4, 11 и 20 % после 7000, 15000 и 21000 циклов нагружения соответственно (рис. 4, а). Аналогично на 8, 18 и 30 % уменьша- ются и размеры зерна бейнита нижнего. При этом ширина ферритных оторочек не изменяется. Значения микротвердости для структур бей- нита верхнего при минимальном количестве ци- клов нагружения порядка 7000 остаются прак- тически на уровне исходного (без циклического нагружения) (2360…2500 МПа), в то время как для бейнита нижнего они несколько выше (до 2570…2940 МПа). При увеличении количества циклов нагружения N ~ 15000 также наблюдается неоднородность показателей микротвердости отме- ченных структурных составляющих (Бв Бн), а при максимальном количестве циклов нагружения (до 21000) данная тенденция сохраняется (рис. 4, а, в). При исследовании изменений тонкой структу- ры металла в I зоне в процессе деформирования установлено, что в результате циклического на- гружения (от исходного до N = 21000) наблюдает- ся уменьшение как размеров структуры по срав- нению с исходным состоянием (в 1,6 раза, т. е. на Рис. 4. Зависимость среднего размера зерна и микротвердости (максимальные значения) (а, в), ширины реек и плотности дис- локаций (б, г) в структурных составляющих металла модельных образцов стали 10Г2ФБ под надрезом (а, б) и в центре (в, г) образца от количества циклов нагружения 8 5/2014 38 %), так и размеров реек бейнита верхнего в 1,2 раза, т. е. на 17 %. Кроме того, происходит уве- личение общей объемной плотности дислокаций в деформируемом металле примерно в 1,4 раза (от 6·1010 до 8,5·1010 см-2) (см. рис. 4, б). При этом в структурах бейнита нижнего наблюдается фор- мирование внутризеренной дислокационной суб- структуры, т. е. фрагментация структуры (рис. 5, г) с четкими субграницами и более высокой скаляр- ной плотностью дислокаций (r ~ 7…9·1010 см-2), что выше соответствующих значений в структурах бей- нита верхнего (r ~ 5…8·1010 см-2) (рис. 5, в). Аналогичные закономерности в трансформа- ции структурных составляющих, происходящих вследствие действия внешнего циклического на- гружения изгибом, наблюдаются и в металле в центре образца (II зона). Здесь также выявлено, что с увеличением количества циклов нагружения размеры зерен бейнита верхнего и нижнего умень- шаются соответственно в следующем порядке: на 3 и 6 % после 7000 циклов, на 8 и 11 % после 15000 и на 10 и 20 % после 21000 циклов нагружения. Ми- кротвердость структурных составляющих во II зоне при увеличении количества циклов повышается для бейнита верхнего и нижнего (см. рис. 4, в). При более детальных исследованиях тонкой структуры на просвет II зоны установлено, что ширина реек бейнита верхнего в условиях цикли- ческого нагружения при N = 21000 по сравнению с исходным состоянием уменьшается в 1,1 раза (на 11 %), а размеры фрагментов бейнита нижнего – примерно в 1,4 раза, т. е. на 27 %. Общая объемная плотность дислокаций в данной зоне также увели- чивается от 4·1010 до 6,5·1010 см-2, т. е. в 1,5 раза. Обращает внимание тот факт, что наибольшая плотность дислокаций наблюдается вдоль границ реек бейнита верхнего в I зоне. После 21000 ци- клов нагружения в отдельных локальных зонах она возрастает до 2,5·1011 см-2, что приводит к по- явлению четких зон локализации деформации и, очевидно, является одной из основных причин об- разования трещин (рис. 6). На основе проведенных комплексных экспе- риментальных исследований выполнены оценки дифференцированного вклада структурных пара- метров деформируемого при циклическом нагру- жении металла ЗТВ стали 10Г2ФБ в изменение основных эксплуатационных характеристик ис- следуемых образцов — статической прочности, вязкости разрушения, трещиностойкости. Анали- тическая оценка интегрального значения предела текучести Ssт была проведена с использованием Рис. 5. Микроструктура (×1500) металла модельных образцов стали 10Г2ФБ в исходном (а, б) состоянии и после 21000 ци- клов нагружения (в, г) в I зоне: а, в — рейки бейнита верхнего; б, г — фрагменты бейнита нижнего Рис. 6. Трещина усталости (×320), образовавшаяся в образце под надрезом (I зона) после 21000 циклов нагружения 95/2014 уравнения, включающего известные зависимости Холла–Петча, Орована и др.: Σσт = Δσ0 + Δσт.р + Δσз + Δσс + Δσд + Δσд.у, где Ds0 — сопротивление решетки металла дви- жению свободных дислокаций; Dsт.р — упрочне- ние твердого раствора легирующими элементами; .Dsз, Dsс — упрочнение за счет изменения вели- чины зерна и субзерна; Dsд — дислокационное упрочнение; Dsд.у — дисперсионное упрочнение. Пример расчета приведен в работах [12, 13]. В результате аналитической оценки предела те- кучести металла показано (рис. 7), что в исходном состоянии, после обработки по термическому ци- клу сварки во II зоне sт ~ 541 МПа. В I зоне этот показатель несколько выше (sт ~ 644 МПа), что может быть связано с более интенсивным дефор- мированием металла при нанесении надреза. В результате циклического нагружения (после 21000 циклов) предел текучести металла повышается как в I, так и во II зоне на 16…20 % соответствен- но до 671 и 771 МПа. Основной вклад в увели- чение интегрального значения sт вносит упрочне- ние как за счет измельчения субструктуры (Dsс~ ~ 243…283 МПа), главным образом в структурах бейнита нижнего (до Dsс ~ 159…188 МПа), так и дислокационного упрочнения (до Dsд ~ 230…270 МПа). Минимальный вклад в упрочнение вносит зеренная структура (Dsз ~ 47…57 МПа) и диспер- сионное упрочнение (Dsд.у ~ 31…41 МПа) (рис. 7). Следует отметить, что расчетные значения пре- дела текучести металла достаточно хорошо корре- лируют со значениями sт, полученными при иссле- довании влияния скорости охлаждения на структуру и свойства стали 10Г2ФБ [2]. При выполнении этих исследований установлено, что при скорости охлаж- дения w6/5 = 10 °С/с показатели металла на участке перегрева ЗТВ находятся в пределах 550 МПа. Значение критического коэффициента интен- сивности напряжений (показатель вязкости раз- рушения) определяли в соответствии с зависимо- стью Краффта, приведенной в [14]: K1с = (2Еsтdi) -1/2, где di — раскрытие вершины трещины, мм, полу- ченное по данным фрактографического анализа изломов; E — модуль Юнга, МПа. Аналитическая оценка критического коэффи- циента интенсивности напряжений подтвердила закономерность уменьшения показателей K1с, по- лученных по результатам испытаний образцов из стыковых и тавровых сварных соединений, опи- санных в работе [11], где показано, что значения вязкости разрушения уменьшаются под надрезом от 47 (исходное состояние) до 35 МПа√м (после 21000 циклов нагружения), т. е. в 1,3 раза (рис. 8), что, по-видимому, связано с общим повышением и неравномерным распределением дислокацион- ной плотности в структурах бейнита верхнего. Кроме приведенных выше аналитических оценок вклада структур в изменение прочности и вязкости разрушения металла, определен вклад некоторых структурных факторов таких, как в про- цессы трещинообразования, и в обеспечение тре- щиностойкости исследуемых сварных соединений, которые работают в сложных условиях с цикличе- скими нагружениями. Оценки локальных внутрен- них напряжений τл/вн в конкретных исследуемых зо- нах с учетом плотности дислокаций в характерных структурных составляющих выполняли по зависи- мости, расчет которой приведен в [15]: tл/вн = Ebhr/(p(1–υ)), Рис. 7. Вклад отдельных структурных параметров в инте- гральное упрочнение (а) и структурных составляющих в суб- структурное упрочнение (б) металла модельных образцов стали 10Г2ФБ в исходном состоянии и после 21000 циклов нагружения Рис. 8. Взаимосвязь между пределом текучести sт и коэффи- циентом интенсивности напряжений К1c металла модельных образцов стали 10Г2ФБ в исходном состоянии и после 21000 циклов нагружения 10 5/2014 где b — вектор Бюргерса; h — толщина фольги, мкм; υ — коэффициент Пуассона. Как показали исследования дислокационной структуры, при увеличении количества циклов нагружения (до 21000) в исследуемых областях металла формируются, прежде всего в I зоне де- формируемого материала, протяженные дислока- ционные скопления с высокой плотностью дисло- каций (до r ~ 2·1011 см-2), которые, как правило, распределяются вдоль цементитных межзерен- ных границ верхнего бейнита. Уровень локаль- ных внутренних напряжений tл/вн в отмеченных дислокационных скоплениях в некоторых случа- ях достигает значений порядка 3730…7500 МПа (0,44…0,9 от tтеор). Это свидетельствуют о том, что области плотных протяженных дислокаци- онных нагромождений отмеченного типа являются потенциальными зонами зарождения и распростра- нения трещин (рис. 9). Иной характер распределе- ния дислокаций в условиях циклических нагруже- ний наблюдается в структурах бейнита нижнего, где плотность дислокаций составляет примерно (7…9)·1010 см-2 при их равномерном распределении во внутренних объемах реек, что соответственно приво- дит к перераспределению и значительному уменьше- нию уровня локальных внутренних напряжений до 924…1474 МПа, т. е. примерно до 0,1…0,18tтеор. По- следнее свидетельствует о том, что формирование в металле ЗТВ сварных соединений стали 10Г2ФБ структур нижнего бейнита обеспечивает повыше- ние их трещиностойкости, а следовательно, и на- дежности металлоконструкций, работающих в ус- ловиях сложного нагружения. Выводы 1. В ходе выполненных испытаний металла ЗТВ сварных соединений высокопрочной ста- ли 10Г2ФБ в условиях возрастания усталостных циклических нагружений при параллельном ис- следовании структурных изменений соответству- ющих зон металла оптимальным принят надрез глубиной 3,5 мм. При большей глубине надреза (7,0 мм) трещина усталости образуется без види- мых проявлений накопления усталостных повреж- дений. С уменьшением глубины надреза (1,0 мм) длительность всех предшествующих образова- нию усталостных трещин процессов существенно увеличивается во времени. 2. Образование трещин усталости сопровожда- ется развитием определенных механизмов пла- стической деформации, а также накоплением по- вреждений в виде устойчивых полос скольжения различной конфигурации, экструзий и интрузий, значительно влияющих на свойства сварных сое- динений. 3. В ходе структурных исследований установ- лено, что по сравнению с исходным состоянием по мере нарастания количества циклов нагружения (по- сле 7000, 15000 и 21000 соответственно) наблюдает- ся уменьшение как размеров зерен бейнита верхнего на 4; 11 и 20 %, так и размеров зерен бейнита ниж- него на 8; 18 и 30 %, а также размеров субструктуры (в 1,4…1,6 раза) при увеличении общей плотности дислокаций (в 1,4…1,5 раза). 4. На основе комплексных исследований, вклю- чая оптическую металлографию, растровую и просвечивающую электронную микроскопию, вы- полнены аналитические оценки вклада формирую- щихся в процессе циклического нагружения струк- тур на показатели основных эксплуатационных характеристик — прочности, вязкости разрушения, трещиностойкости. По мере нарастания количе- ства циклов нагружения изгибом наблюдается уве- личение показателей предела текучести металла ЗТВ примерно на 16…20 %, а преимущественный вклад в увеличение прочностных характеристик вносят субструктурное и дислокационное упроч- нения. При этом вязкость разрушения К1с умень- шается почти в 1,3 раза. 5. При формировании структур типа бейнита нижнего трещиностойкость исследуемых сварных соединений повышается, что обусловлено разви- тием в сложных условиях нагружения характер- ной для данного типа структур фрагментации при равномерном увеличении плотности дислокаций, что способствует уменьшению локальных вну- тренних напряжений до значения 0,1…0,18tтеор. 1. Прочность сварных соединений при переменных на- грузках / Под ред. В. И. Труфякова. – Киев: Наук. думка, 1990. – 255 с. 2. Горицкий В. М. Диагностика металлов. – М.: Металлур- гиздат, 2004. – 402 с. 3. Исследование процессов деформирования и накопления повреждений в стали 10ГН2МФА при малоцикловом на- гружении / А. А. Лебедев, И. В. Маковецкий, Н. Р. Му- зыка, В. П. Швец // Пробл. прочности. – 2008. – № 2. – С. 2–25. 4. Бялонович А. В., Матохнюк Л. Е. Исследование накопле- ний усталостных повреждений в сталях с применением фурье-преобразования изображения структуры // Там же. – 2011. – № 6. – С. 136–145. Рис. 9. Расчетные значения локальных внутренних напряже- ний tл/вн в различных структурных зонах металла модельных образцов стали 10Г2ФБ в исходном состоянии и после 21000 циклов нагружения 115/2014 5. Горбачев Л. А., Погребняк А. Д. Формирование новых фаз, темных пятен и полос скольжения в малоуглероди- стой стали под воздействием циклического деформиро- вания // Металлофизика и новейшие технологии. – 2010. – 32, № 1. – С. 121–132. 6. Эволюция дислокационной структуры и образование ми- кротрещин при усталости перлитно-ферритной стали / В. И. Изотов, В. А. Поздняков, Е. В. Лукьяненко и др. // Физика металлов и металловедение. – 2010. – 110, № 6. – С. 624–627. 7. Кукаренко В. А. Влияние субмикроскопической струк- туры на циклическую долговечность никель-хромовых дисперсионно-твердеющих сплавов // Там же. – 2009. – 107, № 1. – С. 101–108. 8. Кныш В. В., Соловей С. А., Кузьменко А. З. Влияние пред- варительного циклического нагружения на эффектив- ность упрочнения сварных соединений высокочастотной проковкой // Автомат. сварка. – 2011. – № 10. – С. 44–48. 9. Кныш В. В., Кузьменко А. З., Соловей С. А. Повышение циклической долговечности сварных соединений с нако- пленными усталостными повреждениями высокочастот- ной проковкой // Там же. – 2010. – № 10. – С. 41–44. 10. Микроструктурные особенности усталостной повреж- даемости и способы повышения долговечности сварных соединений стали 09Г2С / В. Д. Позняков, В. А. Довжен- ко, С. Б. Касаткин, А. А. Максименко // Там же. – 2012. – № 5. – С. 32–37. 11. Структурные превращения при сварке стали 10Г2ФБ и свойства сварных соединений / В. Д. Позняков, В. А. Довженко, А. А. Максименко и др. // Там же. – 2010. – № 11. – С. 12–16. 12. Влияние термических циклов сварки и внешнего нагру- жения на структурно-фазовые изменения и свойства со- единений стали 17Х2М / Л. И. Маркашова, Г. М. Гри- горенко, В. Д. Позняков и др. // Там же. – 2009. – № 7. – С. 21–29. 13. Влияние легирования швов на структуру и свойства свар- ных соединений стали 17Х2М / Л. И. Маркашова, В. Д. Позняков, Т. А. Алексеенко и др. // Там же. – 2011. – № 4. – С. 7–15. 14. Estimation of the strength and crack resistance of the metal of railway wheels after long-term operation / L. I. Markashova, V. D. Poznyakov, A. A. Gaivoronskii et al. // Materials Sci. – 2012. – 47, № 6. – P. 799–806. 15. Маркашова Л. И., Кушнарева О. С. Влияние структуры на механические свойства металла шва сварных соеди- нений алюминиевых сплавов системы Al–Cu–Li // Фи- зико-химическая механика материалов. – 2013. – № 5. – С. 112–118. Поступила в редакцию 21.12.2013 О. Г. Левченко, О. І. Полукаров. ОХОРОНА ПРАЦІ У ЗВАРЮВАЛЬНОМУ ВИРОБНИЦТВІ: Навч. посібник. — К.: Основа, 2014. — 352 с. Мягкий переплет. Формат 200×290. Впервые в одном учебном пособии представлены нор- мативно-правовые и организационные основы охраны труда; характеристика условий труда при выполнении сварочных работ; производственная санитария; безопас- ность труда и противопожарная безопасность в свароч- ном производстве. Пособие отвечает программе обучения студентов сварочных специальностей в высших учеб- ных заведениях с подготовкой специалистов по сварке и родственным технологиям, имеет гриф Министерства образования и науки Украины (п исьмо № 1/11-18194 от 27.11.2013). Приведены сведения о вредных и опасных факторах сварочного процесса; вредных веществах, образующихся при дуговой сварке; гигиенических характеристиках спо- собов сварки; технологических способах минимизации выделений вредных веществ при сварке; системах венти- ляции для рабочих мест сварщиков; проблемах электро- магнитной безопасности; средствах индивидуальной за- щиты и др. Рассчитано на инженерно-технических работников сварочного производства, специа- листов по охране труда, безопасности жизнедеятельности, гигиене и экологии.

Влияние циклического нагружения на микроструктуру и хладостойкость металла ЗТВ стали 10Г2ФБ

Репозитарії

Схожі ресурси