Определение трещиностойкости и механических свойств металла труб большого диаметра при статическом и динамическом нагружении

Исследуются температурные зависимости механических характеристик и трещиностойкости сталей 17Г1С-У, 17ГС, 14Г2АФ-У, ВСт.Зкп и их сварных соединений - прямошовных труб. На основании результатов испытаний гладких микрообразцов на осевое растяжение теоретически определено критическое значение коэффи...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2004
Hauptverfasser:	Остсемин, А.А., Саидов, Г.И.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України 2004
Schriftenreihe:	Проблемы прочности
Schlagworte:	Научно-технический раздел
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/47102
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Определение трещиностойкости и механических свойств металла труб большого диаметра при статическом и динамическом нагружении / А.А. Остсемин, Г.И. Саидов // Проблемы прочности. — 2004. — № 4. — С. 80-93. — Бібліогр.: 20 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-47102
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-471022013-07-09T21:23:18Z Определение трещиностойкости и механических свойств металла труб большого диаметра при статическом и динамическом нагружении Остсемин, А.А. Саидов, Г.И. Научно-технический раздел Исследуются температурные зависимости механических характеристик и трещиностойкости сталей 17Г1С-У, 17ГС, 14Г2АФ-У, ВСт.Зкп и их сварных соединений - прямошовных труб. На основании результатов испытаний гладких микрообразцов на осевое растяжение теоретически определено критическое значение коэффициента интенсивности напряжений. Экспериментально установлены температурно-скоростные зависимости механических характеристик металла труб большого диаметра. Досліджуються температурні залежності механічних характеристик і трі- щиностійкості сталей 17Г1С-У, 17ГС, 14Г2АФ-У, ВСт.Зкп та їх зварних з ’єднань - прямошовних труб. На основі результатів досліджень гладких мікрозразків на осьовий розтяг теоретично визначено критичне значення коефіцієнта інтенсивності напружень. Експериментально установлено температурно-швидкісні залежності механічних характеристик металу труб великого діаметра. We study the thermal dependences of mechanical characteristics and crack resistance of steels 17G1S-U, 17GS, 14G2AF-U, VSt.3kp and their weld joints - longitudinal welded pipes. Based on the experimental results obtained by testing smooth microspecimens in tension, we provided theoretical assessment of the critical value of the stress intensity factor. We obtained experimental thermal-deformation rate dependences of the mechanical characteristics for large-scale pipe metals. 2004 Article Определение трещиностойкости и механических свойств металла труб большого диаметра при статическом и динамическом нагружении / А.А. Остсемин, Г.И. Саидов // Проблемы прочности. — 2004. — № 4. — С. 80-93. — Бібліогр.: 20 назв. — рос. 0556-171X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/47102 620.171.32 ru Проблемы прочности Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко 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 Остсемин, А.А. Саидов, Г.И. Определение трещиностойкости и механических свойств металла труб большого диаметра при статическом и динамическом нагружении Проблемы прочности
description	Исследуются температурные зависимости механических характеристик и трещиностойкости сталей 17Г1С-У, 17ГС, 14Г2АФ-У, ВСт.Зкп и их сварных соединений - прямошовных труб. На основании результатов испытаний гладких микрообразцов на осевое растяжение теоретически определено критическое значение коэффициента интенсивности напряжений. Экспериментально установлены температурно-скоростные зависимости механических характеристик металла труб большого диаметра.
format	Article
author	Остсемин, А.А. Саидов, Г.И.
author_facet	Остсемин, А.А. Саидов, Г.И.
author_sort	Остсемин, А.А.
title	Определение трещиностойкости и механических свойств металла труб большого диаметра при статическом и динамическом нагружении
title_short	Определение трещиностойкости и механических свойств металла труб большого диаметра при статическом и динамическом нагружении
title_full	Определение трещиностойкости и механических свойств металла труб большого диаметра при статическом и динамическом нагружении
title_fullStr	Определение трещиностойкости и механических свойств металла труб большого диаметра при статическом и динамическом нагружении
title_full_unstemmed	Определение трещиностойкости и механических свойств металла труб большого диаметра при статическом и динамическом нагружении
title_sort	определение трещиностойкости и механических свойств металла труб большого диаметра при статическом и динамическом нагружении
publisher	Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
publishDate	2004
topic_facet	Научно-технический раздел
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/47102
citation_txt	Определение трещиностойкости и механических свойств металла труб большого диаметра при статическом и динамическом нагружении / А.А. Остсемин, Г.И. Саидов // Проблемы прочности. — 2004. — № 4. — С. 80-93. — Бібліогр.: 20 назв. — рос.
series	Проблемы прочности
work_keys_str_mv	AT ostseminaa opredelenietreŝinostojkostiimehaničeskihsvojstvmetallatrubbolʹšogodiametrapristatičeskomidinamičeskomnagruženii AT saidovgi opredelenietreŝinostojkostiimehaničeskihsvojstvmetallatrubbolʹšogodiametrapristatičeskomidinamičeskomnagruženii
first_indexed	2025-07-04T06:45:20Z
last_indexed	2025-07-04T06:45:20Z
_version_	1836697802227318784
fulltext	УДК 620.171.32 Определение трещиностойкости и механических свойств металла труб большого диаметра при статическом и динамическом нагружении А. А. Остсемин, Г. И. Саидов ООО “Южно-Уральский научно-производственный центр”, Челябинск, Россия Исследуются температурные зависимости механических характеристик и трещиностой кости сталей 17Г1С-У, 17ГС, 14Г2АФ-У, ВСт.Зкп и их сварных соединений - прямошовных труб. На основании результатов испытаний гладких микрообразцов на осевое растяжение теоретически определено критическое значение коэффициента интенсивности напряже ний. Экспериментально установлены температурно-скоростные зависимости механических характеристик металла труб большого диаметра. Ключевые слова : гладкие микрообразцы, механические свойства, трещино- стойкость, сварные соединения. Введение. В связи с интенсивным развитием газовой и нефтепере рабатывающей промышленности перед производственниками возникла проб лема обеспечения бесперебойной транспортировки большого количества газа и нефти с наименьшими затратами, без аварийных ситуаций. Многие трубо проводы имеют значительный срок эксплуатации: 25% газопроводов рабо тают более 20 лет, 38% - от 10 до 20 лет, 5% - свыше 33 лет К сварным трубам большого диаметра предъявляются повышенные требования обеспечения качества и эксплуатационной надежности. Комп лексное исследование трещиностойкости и механических свойств основного металла и сварного соединения при различных напряженном состоянии, температуре испытания и скорости деформирования - одно из условий надежности сварных труб. Разрушения газопроводов характеризуются высо кими скоростями распространения трещины, и, следовательно, в зоне разру шения происходит скоростное деформирование металла труб. Учитывая различия в характере роста трещин в нефте- и газопроводах, обусловленные разными условиями декомпрессии транспортируемой среды, для нефтепрово дов важно определить механические свойства в статических условиях, для газопроводов - в динамических. Исследования трещиностойкости и механических свойств необходимы при анализе причин аварий, диагностике трубопроводов, оценке новых конструкционных или технологических решений, а также при разработке рекомендаций по исправлению дефектов, капитальному ремонту и реконст рукции магистральных газонефтепроводов. По результатам таких исследо ваний можно приближенно определить коэффициенты интенсивности напря жений К 1С [1-4] и работу распространения трещины ар [5]. Актуальной задачей исследований является комплексное определение характеристик разрушения низколегированных сталей, используемых для изготовления труб большого диаметра, а также трещиностойкости и механических свойств с применением методов механики разрушения в упругой и упругопласти © А. А. ОСТСЕМИН, Г. И. САИДОВ, 2004 80 ТХОТ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2004, N 4 Определение трещиностойкости и механических свойств ческой постановке. Исследования трещиностойкости и механических свойств металла труб при статическом и динамическом нагружении позволяют более полно учитывать особенности реальных условий эксплуатации трубопрово дов и целенаправленно решать задачи повышения работоспособности прямо шовных труб на стадии их производства. Известные методики исследования механических свойств сварных со единений труб большого диаметра на микрообразцах [6-8] (диаметр 1,2 мм, длина 6,0 мм) имеют ряд ограничений. Цель настоящего исследования - теоретически определить критическое значение коэффициента интенсивности напряжений К 1С на основании ре зультатов испытаний гладких микрообразцов на осевое растяжение и экспе риментально установить температурно-скоростные зависимости механичес ких свойств металла труб большого диаметра. М атериалы и методика испытаний. Исследовались температурные зави симости механических свойств сталей 17Г1С-У, 17ГС, 14Г2АФ-У, ВСт.Зкп - прямошовных труб 0 530...1220 мм, изготовленных на Челябинском трубо прокатном заводе. Исходные данные для этих сталей приведены в [6-8]. Температурные зависимости (интервал 113...293 К) механических свойств определяли при испытании гладких образцов на статическое и ударное растяжение и ударный изгиб. При проведении механических испытаний использовали пятикратные микрообразцы, которые вырезали поперек направления прокатки по техно логии, предложенной Я. Б. Фридманом. Технология изготовления микро образцов описана в [3, 8, 9]. Обоснование выбора микрообразцов диаметром 1,2 мм и длиной 6,0 мм сделано ранее [3, 8, 9]. Используемые при испытаниях микрообразцы дают возможность исследования локальных зон сварного соединения труб боль шого диаметра. Отметим, что достоверные результаты при высокоскорост ных (динамических) нагружениях могут быть получены только при испыта нии образцов аналогичных размеров. Это связано с тем, что при меньших размерах испытуемого образца и динамометра удается резко уменьшить инерционные эффекты, существенно искажающие диаграмму разрушения, и повысить точность определяемой из осциллограммы усилие-время инфор мации [3, 10]. Запись и обработку осциллограмм осуществляли согласно предложенной ранее [10] методике. Статические испытания проводили на специально разработанной и изготовленной оригинальной установке, обеспечивающей скорость дефор мации £ = 7 ,3 -10-4 с -1 . Погрешность силоизмерения составляла ± 4,8 Н, деформации - ± 0,01 мм, температуры - ± 1,5 К [11]. Ударные испытания осуществляли при £ = 200 с -1 по описанной в [10] методике. Для определения ударной вязкости К С ¥ и температуры перехода из вязкого состояния в хрупкое (Ткр) испытывали образцы типа VI (ГОСТ 9454-78) на маятниковом копре МК-30А. Результаты исследования. На рис. 1 представлены температурные зависимости пределов текучести о т и прочности о в, а также относитель ного сужения ^ при статическом нагружении сталей ВСт.3кп, 17ГС, 17Г1С-У ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2004, № 4 81 А. А. Остсемин, Г. И. Саидов и 14Г2АФ-У. Характер изменения этих характеристик аналогичен резуль татам, полученным ранее [6-8, 12]. Как видно, с понижением температуры значения о т , о в увеличиваются, причем рост предела текучести происхо дит более интенсивно, чем предела прочности. Увеличение предела текучести металла с понижением температуры имеет существенное значение при оценке работоспособности прямошовных труб большого диаметра при низких температурах. Сопротивление разрыву Б к с понижением температуры возрастает для всех исследуемых сталей. а б в г Рис. 1. Температурные зависимости механических свойств трубных сталей ВСт.Зкп (а), 17ГС (б), 14Г2АФ-У (в) и 17Г1С-У (г) при статическом нагружении. 82 ІББМ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2004, № 4 Определение трещиностойкости и механических свойств Значение р , оставаясь постоянным (50...75%) в широком диапазоне низких температур, резко уменьшалось по достижении определенной темпе ратуры (примерно ниже 160 К). Анализ поведения кривых а т , а в, Б к и р показал, что при температурах ниже 200 К будет достигнуто равенство: при р = 0 получим а т = а в = Б к, соответствующие значению сопротивления отрыву Б отр. Сталь 14Г2АФ-У по сравнению с другими сталями имеет наиболее высокие значения а т и а в. На рис. 2 представлены температурные зависимости величин а т , а в, Б к , р , относительного удлинения д, ударной вязкости КСУ, боковой утяжки ДЬ и прогиба / (образцы Менаже) стали 14Г2АФ-У при динамическом нагружении (ё = 200 с 1). Как видно, нижняя критическая температура Т кр образцов типа VI равна 153 К. Рис. 2. Температурные зависимости механических свойств стали 14Г2АФ-У при динами ческом нагружении. /ББ. ̂0556-171Х. Проблемы прочности, 2004, N2 4 83 А. А. Остсемин, Г. И. Саидов С точки зрения хладноломкости сталь 14Г2АФ-У является наилучшей среди исследуемых сталей. Анализ механических характеристик рассматри ваемых сталей показал, что по сравнению со сталями 17Г1С-У и ВСт.Зкп указанная сталь имеет более высокую вязкость, прочность и чувствитель ность к скорости деформации. Это объясняется, по-видимому, тем, что для ее изготовления использовался метод контролируемой прокатки, она обладает свойством карбонитридного упрочнения и легирована ванадием и ниобием. Сопоставление механических свойств сталей по температурной и ско ростной чувствительности свидетельствует, что для стали 14Г2АФ-У они на 12...15% выше, чем для стали 17Г1С-У, и на 20...30%, чем для ВСт.Зкп [6]. Дополнительные исследования сварных прямошовных труб 01420 X 17,5 мм из стали 14Г2АФ-У проведены ранее [13] на образцах, нагруженных по схеме изгиб-растяжение [14]. Размеры и форму образца, а также схему нагружения выбирали так, чтобы приблизить условия его разрушения к разрушению реальных магистральных газопроводов [15]. Испытания проводили в статическом и динамическом режимах нагру жения. По диаграммам и осциллограммам определяли коэффициент интен сивности напряжений К 1 С, максимальную нагрузку Рпр, общую Ар и удельную ар работу распространения трещины с учетом упругой и пласти ческой деформации медного крешера. При динамическом нагружении по осциллограммам определяли среднюю скорость распространения трещины. По предложенной ранее [14, 15] формуле вычисляли К с в процессе статичес ких испытаний. Для основного металла стали 14Г2АФ-У при температуре 293 К достоверность полученных критических значений К с = 223 МПа-\/м оценивали путем сравнения с К с = 223 МПал/)м, рассчитанным по пределу трещиностойкости 3 с = 260 кД ж /м 2 [14], и К с = 227 МПал/)м - по раскры тию трещины д с = 0,18 мм [16]. Погрешность определения значения К с для стали 14Г2АФ-У толщи ной 17,5 мм равна 2%, для стали 17Г1С-У толщиной 12 мм - 4,6%. Эти результаты вполне согласуются со значениями трещиностойкости низколеги рованных сталей, полученными в [12]. Сопротивляемость зон сварного соединения исследуемых сталей страги- ванию трещины практически такая же, как основного металла при 293 К. С понижением температуры до 258 К механизм разрушения изменяется на квазихрупкий, сопротивляемость страгиванию и распространению трещины уменьшается [13]. Представление докритических диаграмм разрушения в терминах пре дела трещиностойкости позволяет получить -кривые, достаточно инва риантные к геометрическим размерам образца. Располагая такими кривыми, можно судить о сопротивлении сталей устойчивому росту трещины и склон ности к неустойчивому ее распространению; их можно использовать для ранжировки сталей разных толщин. Например, полученные ранее данные [14] свидетельствуют, что сталь 14Г2АФ-У менее склонна к неустойчивому росту трещины, чем стали 17Г1С-У и ВСт.3кп. 84 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2004, № 4 Определение трещиностойкости и механических свойств Характер температурных зависимостей механических свойств сталей при статическом и динамическом деформировании идентичен, за исключе нием того, что во втором случае уровень пределов текучести о т и прочно сти о в выше, чем в первом. Это согласуется с известными данными [9, 12]. Анализ температурно-скоростных зависимостей предела текучести исследуемых трубных сталей показал, что кривые о т (Г , ё ) описываются аналитической температурно-скоростной зависимостью [3, 7, 9]: Я £ 01п(от - о о ) = — 1п— + 1 п [о т (0 )-о о ], (1) Н о £ где о о - атермическая постоянная напряжений, не зависящая от темпера туры и скорости; £ - скорость пластической деформации; Н о - константа; Я - газовая постоянная; о т (о) - напряжение течения образца при абсо лютном нуле температуры; [от (о) — о о ] - термически активируемая посто Я £ о ян н ая ;-----1п — - коэффициент температурной чувствительности. Н о £ Я £ о Три неизвестных параметра выражения (1) - о о; [о т (о) —о о ] ; -----1п — Н о £ - можно найти по трем экспериментальным точкам согласно методике, опи санной ранее [9]. В табл. 1 представлены экспериментальные значения параметров (1) для исследуемых сталей, по которым строили кривые температурно-зависи мой части предела текучести в полулогарифмических координатах (рис. 3). Из рис. 3 видно, что экспериментальные точки хорошо описываются пря мыми линиями регрессии, что подтверждает справедливость выражения (1) для низколегированных сталей. Т а б л и ц а 1 Параметры температурно-скоростной зависимости предела текучести исследуемых сталей Сталь оо, МПа о т(о) °о; МПа Я £о 3 — 1^-° = а-Ю3. Но £ К —1 а Ст а дин ВСт.Зкп 2бо 132о 13,4о 2,38 2бо 13оо 5,63 17ГС 347 132о 15,4о 2,29 372 129о 6,72 17Г1С-У 345 132о 1 б,оо 2,3о 336 129о 6,52 14Г2АФ-У 384 1 боо 16,7о 2,59 475 1 1 8 о 6,45 Примечания. 1. Скорость деформации при статическом нагружении £ = 7-Ю 4 с 1, при динамическом - 2оо с-1. 2. Над чертой приведены данные при статическом нагружении, под чертой - при динамическом. ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2004, № 4 85 А. А. Остсемин, Г. И. Саидов (ат-ст0) ' Ю. МПа О 50 100 150 200 250 Т, К Рис. 3. Кривые температурно-зависимой части предела текучести в полулогарифмических координатах при статическом нагружении: 1 - сталь ВСт.Зкп; 2 - 17ГС; 3 - 14Г2АФ-У; 4 - 17Г1С-У. К £ о Угловой коэффициент линии регрессии -----1п— определяет темпера- Н о £ турную чувствительность металла при скорости деформации 7 , 3 -10 4 с 1. Из рис. 3 следует, что значения напряжений [о т (0) — о о ] для исследуемых сталей находятся в диапазоне 1200...1600 МПа. Для малоуглеродистой стали ВСт.Зкп этот параметр составил 1300...1320 МПа при статическом и дина мическом нагружении [7], для стали с карбонитридным упрочнением 14Г2АФ-У - 1180...1600 МПа при аналогичных условиях нагружения, для стали 17Г1С-У - соответственно 1200...1320 МПа. Для прямошовной трубы 0 7 2 0 X 8 мм из стали 17ГС на линии сплавления внутреннего шва этот параметр равен 840 МПа, для наружного шва - 660 МПа [8]. Уменьшение значения [от (0) — о о ] в сварных швах можно объяснить искажением крис таллической решетки феррита в результате сварочных процессов, что сни жает сопротивление движению дислокаций в нем. Сварочный процесс влия 86 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2004, № 4 Определение трещиностойкости и механических свойств ет в основном на атермическую составляющую предела текучести о 0 , который определяется сопротивлением атомов примесей движению дисло каций, линейным натяжением дислокационного сегмента и дальнодействую- щими полями напряжений. Размеры зерна, процессы наклепа и старения влияют только на атермическую составляющую предела текучести о 0 . Сум- К , £ 0марные параметры -----1п— существенно отличаются для исследуемых н 0 £ сталей (рис. 3). Как видно из данных табл. 1, угловой коэффициент для сталей ВСт.3кп, 17ГС, 14Г2АФ-У, 17Г1С-У при статическом деформировании соответствен но в 2,38; 2,29; 2,59 и 2,30 раза больше, чем при динамическом, т.е. предел текучести сталей с понижением температуры растет более интенсивно в первом случае, чем во втором. Приведенные результаты могут служить основанием при выборе марки стали для работы трубопроводов в конкрет ных эксплуатационных условиях. Ударная вязкость КСУ исследуемых сталей при различных темпера турах разная. Так, при комнатной температуре значение КСУ для стали 17Г1С-У составляет 1,1 М Дж/м2, для 14Г2АФ-У - 1,6 М Дж/м2 и для ВСт.3кп - 0,6 М Дж/м2. Для малоуглеродистой стали ВСт.3кп величина нижней критической температуры хрупкости Т кр = 213 К, в то время как для низколегированной стали 17Г1С-У прямошовной трубы для жесткой плавки - 163 К, для мягкой - 188 К [7]. При определенных температурах Т , свойственных каждой стали, значение КСУ резко уменьшается до 0,1 МДж/м . Кристаллический вид излома, нулевые значения ДЬ и / свидетельствуют о наступлении хруп кого разрушения надрезанных образцов при этих температурах. Температура Т кр для исследуемых сталей колеблется в диапазоне 163...243 К. Эти резуль таты подтверждают высокую эксплуатационную надежность и работоспособ ность прямошовных труб большого диаметра. Для оценки деформационного упрочнения сталей использовали истин ную диаграмму деформирования о (£), выраженную степенной зависимос тью о г- = А£ п , где о ; и £; - интенсивность напряжений и деформаций. На рис. 4 приведены значения коэффициентов п и А для исследуемых сталей и их сварных соединений в зависимости от температуры испытаний [7]. С понижением температуры показатель степени деформационного упроч нения п для материалов в условиях скоростного деформирования резко уменьшается, особенно интенсивно для малоуглеродистой стали ВСт.3кп: с 0,14 при 293 К до 0,03 при 213 К. Для стали 17ГС показатель п наиболее высокий: 0,17 при 293 К и 0,10 при 213 К. Для околошовной зоны внутренних швов труб 0 7 2 0 X 8 мм и 0530 X 8 мм, выполненных из стали 17ГС, показатель п практически оди наков и изменяется от 0,16 при 293 К до 0,10 при 213 К. 0556-171Х. Проблемы прочности, 2004, N 4 87 А. А. Остсемин, Г. И. Саидов Рис. 4. Температурно-скоростные зависимости параметров п и А для исследуемых сталей и их сварных соединений: 1 - ВСт.Зкп; 2 - околошовная зона внутреннего шва трубы 0 720 Х 8 мм из стали 17ГС; 3 - внутренний шов трубы 0 530 Х 8 мм из стали 17ГС; 4 - основной металл трубы 0 1220Х 12 мм из стали 17Г1С-У. Коэффициент А для исследуемых сварных швов в диапазоне темпера тур 213...293 К практически не изменяется: 1080...1150 МПа [7]. Для оценки сопротивляемости хрупкому разрушению наряду с механи ческими свойствами сталей важное значение имеет величина сопротивления отрыву Б отр, которую определяли по методикам, предложенным в [9, 17]. Как видно из данных табл. 2, значения Б отр хорошо согласуются между собой. Т а б л и ц а 2 Сравнение значений К0С, рассчитанных по формулам (3), (9) (статическое деформирование) Сталь а т(0) -о ^ МПа С̂отр; МПа а, мм К 0 , МПал/м, по формулам (3) (9) ВСт.Зкп 1300 1040 0,0200 10,30 10,0 17ГС 1320 1440 0,0095 6,74 7,2 17Г1С-У 1320 1530 0,0075 6,30 6,4 88 1ББМ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2004, № 4 Определение трещиностойкости и механических свойств Об уровне анизотропности исследуемых сталей свидетельствуют пока затели их микроструктуры. Все стали обладают практически одинаковой объемной долей перлита и феррита, за исключением ВСт.3кп, у которой содержание перлита ниже, а феррита - выше. Средний размер ферритных зерен d для сталей разный. Для стали ВСт.3кп он наибольший и составляет 0,020 мм, для стали 14Г2АФ-У - наименьший. Анализ гистограмм и рас пределения размеров зерен (по 1000 зерен каждого материала) показал, что сталь ВСт.3кп имеет наибольшее число зерен с диаметром 16...32 мкм, для остальных сталей этот показатель находится в интервале 7,5...9,5 мкм. Ре зультаты, полученные в Институте проблем прочности им. Г. С. Писаренко НАН Украины, свидетельствуют о том, что структура трубных сталей весьма анизотропна [12]. Теоретическое обоснование и экспериментальное определение крити ческого напряжения о кр, а также физические основы разрушения металлов с позиции сопротивления отрыву Б отр и температуры нулевой пластич ности Т нп рассмотрены в [9]. Определение сопротивления микроскола материала приведено ранее [18]. Для установления зависимости критического коэффициента интенсив ности напряжений (ККИН) от температуры, скорости деформирования, по казателя деформационного упрочнения и структуры металла используем модель зарождения микротрещины на некотором небольшом расстоянии от вершины и дальнейшее ее слияние с магистральной трещиной [1, 2]. Право мерность принятия такой модели разрушения для низколегированных ста лей оправдана тем, что под действием приложенного напряжения в резуль тате пластической деформации вершина трещины притупляется и на некото ром расстоянии от нее на линии продолжения трещины имеет место сущест венное трехосное растяжение [19]. Дальнейшее продвижение магистральной трещины не связано с последующим нарушением атомных связей в вершине трещины, а происходит путем зарождения микротрещины на расстоянии р с от вершины трещины и слиянии ее с магистральной трещиной [1, 2, 19]. Согласно модели зарождения микротрещины в вершине надреза при разрушении в условиях плоской деформации упрочняющегося по степен ному закону материала справедливо соотношение [1] (о \ (1-п)/2п К т \ = " (2) V0 с ! К 1С где о т - физический предел текучести; п - показатель степени деформа ционного упрочнения материала; К ^ - параметр, характеризующий микро механизм разрушения, заключающийся в зарождении на расстоянии р с от вершины трещины при локальном напряжении скола о с микротрещины и последующем ее слиянии с магистральной трещиной, К ц = о сЛ/яр С; о с - напряжение скола, допускающее несколько различных способов экспери ментального определения. Ни р с, ни о с не зависят от температуры и скорости деформации, которые входят в соотношение (2) только через К ^, о т , К 1 С, п [1, 2]. 0556-171Х. Проблемы прочности, 2004, № 4 89 А. А. Остсемин, Г. И. Саидов Практическая реализация модели встречного разрушения, т.е. установ ление связи К 1С с температурной зависимостью предела текучести а т (Т), может быть осуществлена только при определенных значениях К р и а с [1-3]. В работе [20] значение р с варьируется от одного до двух диаметров зерна. Используем равенство р С ~ d, т.е. в принятой микромеханической модели разрушения расстояние р с равно диаметру зерна феррита d [3,12]. Проведенные в [1] расчеты на ЭВМ показали, что выбор величины Кр не влияет на зависимость отношения К 1С/ К р от ё и других параметров, т.е. характер температурно-скоростной зависимости отношения К \ С/ К р аналогичен наблюдаемым в эксперименте зависимостям К 1С от Т и ё. Это свидетельствует о том, что К р - величина постоянная и не зависит от температуры Т и скорости деформации ё. Этому условию соответствует значение К 1с при Т = 0, т.е. К р = К°С. В [2] приведено соотношение К 1 С̂ = К р , иными словами, К р в выражении (2) представляет собой нижний порог трещиностойкости мате риала, структура которого обеспечивает микромеханизм разрушения, харак теризуемый параметрами р с и а с [2]. С дальнейшим уменьшением раз мера критической пластической зоны при неизменном микромеханизме раз рушения условие К 1ст\|п = К р будет по-прежнему сохраняться, т.е. соотно шение (2) предполагает наличие низкотемпературного плато на температур ной зависимости трещиностойкости [2], которое обычно наблюдается экспе риментально. Условие К 1 Сш\|п = К р отражает фундаментальное свойство материала - его минимальную способность сопротивляться хрупкому разру шению. Выражение для К р = а сЛ/п р С [1, 2] на основании приведенных экспе риментальных данных и с учетом инвариантности а с и [ а т (0) —а 0] к температуре Т и скорости деформации ё [3] можно записать в виде К р = К 0 = [а т (0) — а 0 ]̂ . (3) Согласно [4] зависимость ККИН от термоактивируемой части предела текучести (эффективного напряжения) и температуры Т описывается соответ ственно формулами " а т (0) — а 0К 1С1п —с = т 1п К {С а т а 0 (4) К 1с = К 0 еХР(ат Т X (5) где К 1°С - значение К 1 С при абсолютном нуле температуры; а - угловой коэффициент, который определяет температурную чувствительность пре- К ё 0 дела текучести при данной скорости деформации, а = -----1п— . Н 0 £ 90 1ББМ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2004, N 4 Определение трещиностойкости и механических свойств В координатах 1п К 1с К — 1п 1с 0 т (0) — 0 0 о о зависимость (4) представляет собой прямую линию с угловым коэффициентом т , что экспериментально подтверждается нашими результатами. Из выражений (2) и (5) можно определить угловой коэффициент т через термоактивационные параметры напряжения течения с учетом темпе ратуры и показателя деформационного упрочнения металла п: 0 1 — п 1п 0 т (0) — 0 0 о тт- 2п а Т (6) Подставив т из (6) в (5), с учетом (3) получим К 1с = [о т (0) — о 0] / л ё 0 т (0) — о ( 1—п 2п о т (7) Величину ё можно определить по формуле [9] 5 отр = 200 + 115ё—1/2. (8) Подставив значения из (8) в (7), получим К 1с = Во —(1—п)/2п . В = К 10с [о т(0) — о 0 ](1—п)/2п . о т (0) — о 0 5 отр — 200 (9) Таким образом, с помощью выражений (7) и (9) установлена зави симость К 1 с от температурно-скоростной зависимости предела текучести, диаметра зерна феррита, сопротивления отрыву, показателя деформацион ного упрочнения и термоактивируемой части напряжения течения металла. Все характеристики и свойства металла, входящие в правую часть этих выражений, могут быть определены при испытании одних только гладких образцов на одноосное растяжение. Результаты расчетов К °с по формулам (3) и (9) для низколегированных трубных сталей приведены в табл. 2. Значения 5 отр определялись как точка пересечения кривых о т (0), о в(Ь). Как видно, максимально значения К °с отличаются на 6%. Эти данные соответствуют значениям К 1 ст п для сталей ВСт.3кп, 17ГС, 17Г1С-У [12]. Справедливость формулы (9) экспериментально подтверждена в рабо тах [1, 2]. ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2004, № 4 91 А. А. Остсемин, Г. И. Саидов В ы в о д ы 1. Зависимость К 0 от термоактивируемой части предела текучести и принятая микромеханическая модель разрушения позволили связать физику и механику разрушения, а также структуру металла. Кроме того, по резуль татам испытания одних только гладких образцов на растяжения, не прибегая к испытаниям крупногабаритных образцов с трещинами, определена тре- щиностойкость сталей низкой и средней категории прочности. 2. Предложенные разработки могут применяться на практике для при ближенной оценки трещиностойкости трубных сталей по механическим характеристикам, приведенным в (9), для экспресс-оценки предполагаемой трещиностойкости разрабатываемых новых марок трубных сталей. Р е з ю м е Досліджуються температурні залежності механічних характеристик і трі- щиностійкості сталей 17Г1С-У, 17ГС, 14Г2АФ-У, ВСт.Зкп та їх зварних з ’єднань - прямошовних труб. На основі результатів досліджень гладких мікрозразків на осьовий розтяг теоретично визначено критичне значення коефіцієнта інтенсивності напружень. Експериментально установлено температурно-швидкісні залежності механічних характеристик металу труб великого діаметра. 1. Красовский А. Я. Хрупкость металлов при низких температурах. - Киев: Наук. думка, 1980. - 340 с. 2. Красовский А. Я., Плювинаж Г. Параметры структуры, контролирующие трещиностойкость конструкционных материалов // Пробл. прочности. - 1994. - № 1. - С. 18 - 30. 3. Саидов Г. И. Трещиностойкость сталей низкой и средней прочности. - Ташкент: Фан, 1989. - 97 с. 4. Саидов Г. И. Методика определения критического коэффициента интен сивности напряжений и температуры вязко-хрупкого перехода для ста лей низкой и средней прочности // Завод. лаб. - 1985. - № 8. - С. 71 - 74. 5. Остсемин А. А. Определение работы распространения трещины труб ных сталей по их механическим свойствам // Там же. - 1990. - № 11. - С. 83 - 86. 6. Саидов Г. И., Остсемин А. А. Исследование температурных зависи мостей механических свойств трубных сталей при статическом и дина мическом нагружении // Пробл. прочности. - 1983. - № 12. - С. 98 - 100. 7. Саидов Г. И., Моношков А. Н ., Остсемин А. А. Температурные зависи мости механических свойств основного металла и сварных соединений труб большого диаметра // Там же. - № 6. - С. 108 - 110. 92 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2004, № 4 Определение трещиностойкости и механических свойств 8. Остсемин А. А. Температурные зависимости механических свойств сварных соединений и основного металла труб большого диаметра при динамическом нагружении // Завод. лаб. - 2002. - 68, № 7. - С. 46 - 50. 9. Копелъман Л. А. Сопротивляемость сварных узлов хрупкому разру шению. - Л.: Машиностроение, 1978. - 232 с. 10. Копелъман Л. А., Саидов Г. И. Установка для определения механи ческих свойств металла различных зон сварного соединения при ско ростном деформировании в широком диапазоне низких температур // Завод. лаб. - 1972. - 48, № 11. - С. 1389 - 1393. 11. Саидов Г. И., Остсемин А. А. Установка для определения механических свойств микрообразцов при статическом деформировании в диапазоне температур 77-293 К // Пробл. прочности. - 1985. - № 11. - С. 117 - 118. 12. Красовский А. Я., Красико В. Н. Трещиностойкость сталей магист ральных трубопроводов: - Киев: Наук. думка, 1990. - 176 с. 13. Остсемин А. А. Исследование сопротивляемости разрушению сварных труб на образцах, испытываемых по схеме “изгиб-растяжение” // Свароч. пр-во. - 1991. - № 10. - С. 11 - 13. 14. Матвиенко Ю. Г., Остсемин А. А., Никешичева Е. В. Методика оценки склонности материалов к неустойчивому росту трещины // Завод. лаб. - 1987. - № 12. - С. 65 - 67. 15. Остсемин А. А., Денискин С. А., Ситников Л. А. К вопросу определения коэффициента интенсивности напряжений образца, испытываемого по схеме “изгиб-растяжение” // Пробл. прочности. - 1984. - № 1. - С. 81 - 85. 16. Патон Б. Е., Труфяков В. И., Киръян В. И. Требования к вязкости стали для магистральных газопроводов при постановке в них гасителей про тяженных разрушений // Автомат. сварка. - 1982. - № 12. - С. 5 - 9. 17. Копелъман Л. А., Саидов Г. И. Сопоставление результатов испытаний малоуглеродистых сталей на ударный изгиб и одноосное растяжение // Там же. - 1975. - № 3. - С. 29 - 34. 18. Шахматов М. В., Ерофеев В. В., Остсемин А. А., Саидов Г. И. Опре деление сопротивления микросколу материалов с использованием диа граммы пластичности // Пробл. прочности. - 1984. - № 3. - С. 105 - 107. 19. Rice J. R. and Rosengren G. F. Plane strain deformation near a crack tip in a law hardening material // J. Mech. Phys. Solids. - 1968. - 16, No. 1. - P. 1 - 12. 20. Нотт Дж. Ф. Основа механики разрушения. - М.: Металлургия, 1978. - 256 с. Поступила 09. 01. 2003 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2004, № 4 93

Определение трещиностойкости и механических свойств металла труб большого диаметра при статическом и динамическом нагружении

Institution

Ähnliche Einträge