Комплексные методы и средства контроля и диагностики металлических конструкций

60

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Комплексные методы и средства контроля и диагностики металлических конструкций

Специальность 05.02.11 - Методы контроля и диагностика в машиностроении

Гордиенко В.Е.

Санкт-Петербург - 2007

Работа выполнена в ГОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет" (СПбГАСУ).

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

ПАВРОС Сергей Константинович,

доктор технических наук, профессор

КАРЯКИН Юрий Евгеньевич,

доктор технических наук, доцент

ДАВИДЕНКО Вячеслав Михайлович.

Ведущая организация: ОАО «Радиоавионика» (С.-Петербург).

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы и направленность исследований. Проблема обеспечения надежной и безопасной работы металлических конструкций (МК) с каждым годом становится все более актуальной, так как их старение значительно опережает темпы технического перевооружения. Так, в 2000 году износ действующих в России фондов достиг 42,2 % при коэффициенте обновления 1,2 % по сравнению с 5,8 % в 1990 г. и 8,2 % в 1980 г., при этом до 60...80 % металлических конструкций выработали проектные сроки эксплуатации.

В реальных условиях эксплуатации металлические конструкции подвергаются воздействию не только статических, динамических, циклических нагрузок и низких температур, но и различных по степени агрессивности коррозионных сред, которые приводят к изменению геометрических характеристик конструкций и физико-механических свойств металла. Кроме того, в элементах и узлах конструкций всегда присутствуют дефекты, полученные при изготовлении, транспортировке, монтаже и эксплуатации, способствующие появлению локальных зон концентрации напряжений (КН), наиболее опасные из которых могут привести к разрушению конструкций.

Учесть все эти факторы расчетными методами не всегда представляется возможным, так как результаты оценки действующих внутренних напряжений в эксплуатирующихся конструкциях с помощью расчетов в ряде случаев значительно расходятся из-за неопределенностей в исходных данных, упрощения расчетной схемы конструкций, выбора методик расчета и изменяющихся условий эксплуатации.

При диагностике технического состояния металлических конструкций все большее внимание уделяется неразрушающим методам контроля, при этом одним из наиболее важных контролируемых параметров является величина внутренних напряжений, определение которой представляет собой достаточно сложную научно-техническую проблему. Поэтому разработке новых неразрушающих методов и методик определения внутренних напряжений в диагностических центрах мира уделяется большое внимание. Проблема определения внутренних напряжений осложняется при работе конструкции в сложном напряженном состоянии, неизвестных механической, химической и структурной предысториях металла, при наличии опасных зон концентрации напряжений.

В настоящее время для оценки внутренних напряжений разрабатываются и совершенствуются, в основном, магнитные, тепловые и рентгеновские методы. Наибольшее применение находят магнитные методы, использующие эффект магнитоупругости, с намагничивающими устройствами и без них. Одним из перспективных методов, реализующих этот эффект, является метод магнитной памяти металла (МПМ), основанный на регистрации магнитных полей рассеяния, возникающих на поверхности металлических конструкций в слабом магнитном поле Земли (область Рэлея) в процессе их изготовления и эксплуатации.

В связи с вышесказанным, исследования, посвященные оценке действительного напряженно-деформированного состояния (НДС) МК на основе расширения возможностей методов и средств контроля и диагностики, выявления закономерностей изменения магнитоупругих свойств малоуглеродистых и низколегированных сталей, разработки новых способов и методик, способствующих повышению степени достоверности результатов измерений в целом, представляются актуальными.

Целью диссертационной работы является повышение надежности и долговечности металлических конструкций путем выявления действительного НДС МК на основе научно-обоснованного подхода к комплексному применению методов и средств контроля и диагностики.

Задачи исследований. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе обоснованы и поставлены следующие научно-технические задачи:

1. Провести анализ существующих методов и средств неразрушающего контроля, диагностики и оценки напряженно-деформированного состояния металлических конструкций.

2. Исследовать влияние различных факторов при деформационной, деформационно-термической и термической обработках на формирование микроструктуры с заданной степенью дисперсности в малоуглеродистых и низколегированных сталях и разработать способы ее магнитного контроля.

3. Провести комплексные экспериментальные исследования по оценке влияния внутренних напряжений на изменение напряженности магнитного поля рассеяния в сталях с различным химическим составом и структурным состоянием в условиях малоциклового упруго-пластическом деформирования, с разработкой графических и аналитических регрессионных зависимостей.

4. Рассмотреть процессы намагничивания ферромагнитных материалов в слабом магнитном поле Земли (область Рэлея) при их упруго-пластическом деформировании и предложить механизм, объясняющий эти процессы.

5. Разработать способы определения действующих внутренних напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов с использованием эффекта магнитоупругости метода магнитной памяти металла.

6. Разработать комплексную экспериментально-расчетную методику выявления действительного НДС МК, учитывающую структуру и химический состав металла, структурную неоднородность сварных соединений, а также влияние коррозионных повреждений, с элементами моделировании кинетики их развития.

7. Разработать способы усиления сварных соединений и элементов металлических конструкций за счет направленного изменения микроструктуры металла в локальных зонах концентрации напряжений термической обработкой с последующим магнитным контролем дисперсности формируемой микроструктуры.

8. Обосновать применение постоянного и периодического магнитного мониторинга и разработать методику контроля напряженно-деформированного состояния металлических конструкций в зонах концентрации напряжений.

Методы исследования. Все задачи диссертационных исследований эффективно решены на основе применения апробированных и корректных методов: механических испытаний, металлографического анализа, термической обработки сталей, магнитной диагностики, а также численных методов расчета, математического моделирования и прикладной статистики и интерпретации статистических данных (планирование экспериментов, описательная статистика, проверка статистических гипотез, измерительный анализ, регрессионный анализ). При оценке работы реальных конструкций использовались экспериментальные данные, полученные на образцах и крупномасштабных моделях.

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что:

1. Разработаны теоретические и практические положения по оценке действительного напряженно-деформированного состояния металлических конструкций, включающие предварительное выявление зон концентрации напряжений, оценку степени их опасности и определение в наиболее опасных из них действующих внутренних напряжений.

2. Разработаны способы обработки малоуглеродистых и низколегированных сталей, включающие в себя проведение деформационного, деформационно-термического и термического воздействий и позволяющие получить микроструктуру с требуемой степенью дисперсности, соответствующую различным состояниям поставляемого заводского проката, и способы ее магнитного контроля.

3. Установлена корреляционная связь между напряженностью магнитного поля рассеяния и действующими внутренними напряжениями при малоцикловом упруго-пластическом деформировании сталей с учетом их химического состава и исходной микроструктуры.

4. Предложен механизм, объясняющий изменение магнитного параметра от уровня внутренних напряжений, химического состава и исходной микроструктуры сталей при циклическом упруго-пластическом деформировании.

5. Разработаны частные (при известных микроструктуре и химическом составе сталей) и обобщенные графические и аналитические регрессионные зависимости безразмерных параметров и , позволяющие оценить уровень действующих внутренних напряжений в зонах концентрации напряжений при нагружении и разгружении элементов конструкций и сварных соединений.

6. Разработаны и запатентованы способы определения действующих внутренних напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов.

7. Разработана экспериментально-расчетная методика выявления действительного напряженно-деформированного состояния металлических конструкций с учетом структуры и химсостава металла, структурной неоднородности зон сварных соединений и кинетики развития коррозионных повреждений на основе комплексного применения методов и средств контроля и диагностики.

8. Разработаны способы усиления сварных соединений и элементов металлических конструкций путем проведения восстановительной термической обработки за счет направленного изменения микроструктуры металла в локальных зонах концентрации напряжений с последующим магнитным контролем.

9. Разработана методика контроля напряженно-деформированного состояния элементов металлических конструкций в выявленных зонах концентрации напряжений за счет проведения магнитного мониторинга.

Степень обоснованности научных положений, рекомендаций и выводов обеспечиваются: корректностью поставленных задач, представительностью и достоверностью исходных и экспериментальных данных, использованием общепринятых в механике материалов теорий, гипотез и допущений, применении апробированных и корректных методик разрушающего и неразрушающего контроля, методов математического моделирования и прочностного расчета, а также методов прикладной статистики и интерпретации статистических данных.

Положения, выносимые на защиту:

1. Теоретические и практические положения по оценке действительного напряженно-деформированного состояния металлических конструкций, включающие предварительное выявление зон концентрации напряжений, оценку степени их опасности и определение в наиболее опасных из них действующих внутренних напряжений.

2. Результаты разработки способов получения микроструктур с заданной степенью дисперсности в малоуглеродистых и низколегированных сталях и рекомендации по усилению сварных соединений и элементов металлических конструкций по разработанным режимам термической обработки с применением магнитного контроля.

3. Результаты широкомасштабных экспериментальных исследований по изучению взаимосвязи действующих внутренних напряжений и напряженности магнитного поля рассеяния в сталях с различным химическим составом и структурным состоянием в условиях малоциклового упруго-пластического деформирования.

4. Описание механизма, объясняющего связь магнитных, структурных и механических параметров малоуглеродистых и низколегированных сталей при малоцикловом упруго-пластическом деформировании в слабом магнитном поле Земли.

5. Результаты разработки частных и обобщенных графических и аналитических регрессионных зависимостей, описывающих взаимосвязь магнитных, структурных и механических параметров малоуглеродистых и низколегированных сталей и позволяющих оценить уровень действующих внутренних напряжений при нагружении и разгружении элементов металлических конструкций.

6. Результаты разработки экспериментально-расчетной методики выявления действительного напряженно-деформированного состояния металлических конструкций на основе комплексного применения методов и средств контроля и диагностики и методики магнитного мониторинга.

Практическая значимость диссертационной работы состоит:

1. В разработке способов получения микроструктур в малоуглеродистых и низколегированных сталях с заданной степенью дисперсности за счет проведения деформационной, деформационно-термической и термической обработок и способов ее поэтапного магнитного контроля.

2. В разработке и апробации способов определения внутренних напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов, включающих в себя предварительное выявление зон концентрации напряжений и оценку степени их опасности по величине приращения напряженности магнитного поля рассеяния (1 патент РФ и 2 решения о выдаче патентов РФ на изобретения). Способы могут быть использованы при диагностировании технического состояния металлических конструкций и оборудования в процессе изготовления, монтажа, эксплуатации, реконструкции и реновации в различных отраслях промышленности, что позволит повысить степень достоверности результатов измерений и выявить резервы несущей способности.

3. В апробации частных и обобщенных графических и аналитических зависимостей структурных, магнитных и механических параметров малоуглеродистых и низколегированных сталей при определении в контролируемых зонах действующих внутренних напряжений, и использовании их в прочностных расчетах при оценке напряженно-деформированного состояния эксплуатируемых металлических конструкций.

4. В разработке и апробировании в промышленных условиях (локомотивное депо ЗАО "Локомотив" ДО ОАО "Кировский завод", Санкт-Петербург) экспериментально-расчетной методики оценки напряженно-деформированного состояния металлических конструкций, учитывающей выявление зон локальных и общих коррозионных повреждений и структурной неоднородности сварных соединений, и последующего магнитного мониторинга внутренних напряжений в зонах концентрации напряжений.

5. В разработке способов усиления сварных соединений и элементов металлических конструкций за счет проведения контролируемой термической обработки локальных зон концентрации напряжений по разработанным режимам рекристаллизационного отжига и термоциклической обработки малоуглеродистых и низколегированных сталей.

6. В использовании результатов исследований, изложенных в диссертации, в учебных курсах "Технология конструкционных материалов", "Материаловедение" и "Технология сварки мостовых конструкций", читаемых в Санкт-Петербургском государственном архитектурно-строительном университете для студентов строительных специальностей и студентов специальности "Мосты и тоннели".

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на научно-технических конференциях и семинарах: на IV Всероссийском с международным участием научно-практическом семинаре "В мире неразрушающего контроля и диагностики материалов, промышленных изделий и окружающей среды" (С.-Пб., 2003); на семинаре "Сварочные технологии", посвященному 160-летию Котлонадзора России (С.-Пб., 2003); на научном семинаре в СПбГТУ (2007), на 56-59-ой международных научно-технических конференциях молодых ученых (аспирантов, докторантов) и студентов "Актуальные проблемы современного строительства" (С.-Пб., 2003-2006); на 60-64-ой научных конференциях профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов СПбГАСУ (С.-Пб, 2003-2007).

Публикации. Основные положения диссертационного исследования достаточно полно отражены в 47 публикациях, в состав которых входят 4 монографии, 1 патент РФ и 2 решения о выдаче патента РФ на изобретения; в изданиях, рекомендованных Перечнем ВАК, опубликовано 6 научных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 8 глав, общих выводов, заключения и списка литературы. Диссертация изложена на 348 страницах основного текста, содержит 107 рисунков, 16 таблиц и 1 приложение.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении дан краткий обзор состояния вопроса и обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы задачи исследований и основные результаты, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена анализу современного состояния методов и средств контроля, диагностики и оценки напряженно-деформированного состояния металлических конструкций.

Целесообразность использования неразрушающих методов контроля, основанных на различных физических эффектах, в том числе эффекте магнитоупругости, доказана в результате многочисленных исследований Акулова Н.С., Бахарева М.С., Векслера Н.А., Вицены Ф., Вонсовского С.В., Власова В.Т., Горбаша В.Г., Горицкого В.М., Горкунова Э.С., Дубова А.А., Дубова Ал. А., Киренского Л.В., Колокольникова С.М., Клюева В.В., Кулеева В.Г., Макарова В.Н., Михеева М.Н., Мужицкого В.Ф., Ничипурука А.П., Смирнова А.С., Фадеева А.Ю., Щербинина М.Н., Шель М.М., Шура Я.С., Яценко Т.А. и многих других. Однако до сих пор, несмотря на острую необходимость в информации о действительной работе элементов и узлов конструкций, получить ее в достаточном объеме часто не удается ввиду отсутствия эффективных методов выявления зон концентрации напряжений и измерения в наиболее опасных зонах действующих в металле внутренних напряжений.

Проведенный анализ различных методов оценки НДС металла выявил значительные трудности в решении этой проблемы. Так, например, разрушающие методы контроля для этих целей практически не пригодны. В то же время, и традиционные методы НК практически не позволяют выявлять внутренние напряжения и дефекты на ранней стадии их развития, в том числе в опасных зонах концентрации напряжений. Однако если такие опасные зоны не выявлены, то в этом случае снижается ценность выполнения поверочных прочностных расчетов с целью прогнозирования дальнейшей работоспособности металлических конструкций.

Наиболее приемлемыми являются косвенные методы определения действующих внутренних напряжений, к которым можно отнести магнитные методы, использующие эффект магнитоупругости. Однако значительная часть этих методов требует проведения предварительного намагничивания или подмагничивания зоны контроля металла с использованием намагничивающих систем. Трудность намагничивания повышается с увеличением габаритов конструкции, а также с увеличением количества труднодоступных и трудноконтролируемых узлов и элементов конструкции. Во многих случаях для повышения надежности и достоверности контроля требуется зачистка поверхности сварного соединения или даже снятие усиления сварного шва, что не всегда представляется возможным и целесообразным. Если учесть, что около 80 % разрушений конструкций происходит в сварных соединениях, то проблема такого контроля усугубляется.

В ряде работ показано, что весьма перспективными являются методы магнитного контроля, использующие остаточную намагниченность, в частности, используемый в данной работе метод магнитной памяти металла, измеряющий напряженность магнитных полей рассеяния, возникающих на поверхности конструкций в слабом магнитном поле Земли в процессе изготовления и эксплуатации. Метод позволяет осуществлять контроль при точечном контакте феррозондового преобразователя с поверхностью контроля, не требует предварительной подготовки поверхности и дополнительного намагничивания и является наиболее привлекательным.

Проведенный анализ показал, что систематические исследования по совершенствованию методов и средств контроля диагностики технического состояния, определению действующих внутренних напряжений и оценке НДС металлоконструкций при упруго-пластическом деформировании, с учетом химического состава и исходной микроструктуры сталей, вида и режима действующих нагрузок, отсутствуют. Практически отсутствуют работы по оценке НДС сварных соединений с учетом их структурной неоднородности при малоцикловом нагружении сталей, по выявлению зон локальных коррозионных повреждений с моделированием кинетики их развития и влияния на НДС конструкций. Не исследованы возможности проведения магнитного мониторинга при диагностировании технического состояния металлических конструкций в опасных зонах концентрации напряжений.

Использование эффекта магнитоупругости открывает широкие перспективы для совершенствования методов и средств контроля и диагностики технического состояния с целью повышения надежности и долговечности МК. Однако они в достаточной степени не реализованы, как для выявления зон КН в элементах сварных МК, оценки степени их опасности с учетом химического состава и исходной микроструктуры стали, так и для определения действующих внутренних напряжений, повышения достоверности прочностного расчета, учитывающего кинетику развития коррозионных повреждений, и последующего магнитного мониторинга выявленных опасных зон КН.

Вторая глава посвящена обоснованию и выбору материала исследования, методов исследования, выбору крупномасштабных моделей МК и разработке базовых положений диагностики технического состояния с использованием эффекта магнитоупругости метода МПМ.

Разработана методика диагностики технического состояния конструкций из ферромагнитных материалов методом магнитной памяти металла, реализующим эффект магнитоупругости. Напряженность магнитного поля рассеяния контролировали с помощью прибора ИКНМ-2 ФП (измеритель концентрации напряжений магнитометрический с двухканальным феррозондовым преобразователем). В процессе измерений значений магнитного параметра во время остановок при циклическом нагружении сохранялся постоянный контакт преобразователя с поверхностью контролируемой зоны КН.

Приведены результаты исследования влияния магнитной предыстории металла и толщины немагнитного защитного покрытия конструкций на изменение напряженности магнитного поля рассеяния . Показано, что после первого цикла нагружение-разгружение магнитомеханическая предыстория образцов для всех исследованных сталей практически полностью стирается (рис. 1). Толщина немагнитного защитного покрытия до 3 мм не оказывает существенного влияния на результаты испытаний.

Для проведения экспериментальных исследований использовались плоские образцы толщиной 2, 4, 8 мм и круглые диаметром 5 мм, изготовленные по ГОСТ 1497-84 из малоуглеродистых 08пс, Ст3 и низколегированных 09Г2С и 10ХСНД сталей. При исследовании сварных соединений использовались сварные образцы без снятия и со снятым усилением сварного шва, изготовленные по ГОСТ 6996-66.



Рис. 1. Зависимость напряженности магнитного поля от одноосных напряжений растяжения при упругом деформировании намагниченных образцов из стали 10ХСНД (а) и локально упрочненных образцов из стали 08пс (б)

Выбор материала исследования обусловлен тем, что:

· стали нашли широкое применение в машиностроении и других отраслях промышленности;

· стали относятся к разным категориям прочности, имеют разную склонность к циклическому упрочнению и разупрочнению, что имеет существенное значение при интерпретации результатов со сталями подобного класса;

· стали имеют обычные и повышенные антикоррозионные свойства;

· данный выбор сталей позволяет распространить полученные закономерности и дать обоснованные рекомендации на все материалы, близкие к ним по составу и свойствам;

· вследствие низкого содержания углерода стали могут быть хорошим материалом для изучения физики магнитоупругих явлений.

В реальных МК, в зависимости от поставленного проката, структурной неоднородности сварных соединений, старения металла в процессе эксплуатации, микроструктура в элементах конструкций может значительно отличаться, что определяет в них различные механические свойства. Учитывая этот факт, научно-обоснованная методика предусматривала проведение экспериментальных исследований на образцах с различной исходной микроструктурой:

· в состоянии поставки;

· с крупнозернистой структурой после отжига при 900 и 1050 ^оС;

· с мелкозернистой структурой;

· после холодной пластической деформации (поставка + прокатка на =50 %).

Для получения мелкозернистой структуры с заданной степенью дисперсности разработаны способы, включающие в себя:

· термоциклическую обработку (ТЦО) с 5-кратным нагревом сталей до температуры 770 ^оС, последующим охлаждением в печи до 690 ^оС, и в конце 5-го цикла с 690 ^оС - на воздухе;

· рекристаллизационный отжиг предварительно холоднодеформированных сталей (степень деформации =50 %) в интервале температур 20...800 ^оС.

Термическая обработка образцов проводилась в программируемых муфельных печах СНОЛ 8.2/1100 с микропроцессорным управлением, при этом температура нагрева контролировалась с точностью ± 1 ^оС, точность выхода на режим составляла ± 1 сек.

Для проведения микроструктурного анализа применялся комплекс приборов, включающий в себя инвертированный металлографический микроскоп МЕТАМ РВ-22 и высокоразрешающую цифровую фотоаппаратуру с персональным компьютером. Данные металлографических исследований обрабатывались математически.

Механические свойства сталей изучали на поверенной разрывной машине FPZ 1/100. Деформация образцов осуществлялась в упруго-пластической области при малоцикловом ступенчатом нагружении. Во время остановок замерялись значения напряженности магнитного поля рассеяния при сохранении постоянного контакта феррозондового преобразователя с поверхностью контролируемой зоны концентрации напряжений.

В качестве модельных объектов исследования были выбраны крупномасштабная сварная ферма, сварная стойка и двутавровая балка, которые отражают различные конструктивные решения и позволяют реализовать основные схемы нагружения, присущие реальным металлическим конструкциям (рис. 2).

а б в

Рис. 2. Схемы крупногабаритных моделей и испытательных стендов: сварной фермы (а), сварной стойки для внецентренного сжатия (б) и двутавровой балки № 18 (в) (1, 2, 3, 4, А, В - зоны контроля)

В третьей главе изложены результаты экспериментальных исследований сталей с различным химическим составом с целью получения исходных микроструктур с заданной степенью дисперсности, характерных для металлических конструкций и сварных соединений, обладающих структурной неоднородностью.

Рассмотрены особенности формирования структуры в малоуглеродистых и низколегированных сталях при холодной пластической деформации, рекристаллизационном отжиге и термоциклической обработке и их влияние на изменение напряженности магнитного поля рассеяния.

Установлена связь между магнитным параметром и структурными изменениями в малоуглеродистых и низколегированных сталях, происходящих при холодной пластической деформации. Показано, что наиболее значительные изменения происходят при небольших степенях деформации, с увеличением степени деформации изменения значений уменьшаются (рис. 3, а). Результаты металлографического анализа хорошо согласуются с данными магнитного контроля.

Разработаны способы получения структуры с заданной степенью дисперсности в сталях за счет предварительной холодной пластической деформации и последующего рекристаллизационного отжига.

а б

Рис. 3. Зависимость напряженности магнитного поля рассеяния для сталей 08пс, 09Г2С и 10ХСНД от степени деформации е (а) и температуры рекристаллизационного отжига (б)

Выявлены особенности формирования структуры в малоуглеродистых и низколегированных сталях при первичной рекристаллизации. Показано, что во всех исследуемых сталях по окончании первичной рекристаллизации формируется мелкозернистая структура. Дальнейшее повышение температуры нагрева приводит к укрупнению структуры и повышению разнозернистости, при этом конечный размер зерен может быть больше исходных (рис. 4).

Установлена связь между структурными превращениями в сталях и магнитным параметром . Показано, что монотонное снижение значений начинается при низких температурах нагрева и заканчивается по окончании процесса первичной рекристаллизации, что характеризует высокую структурную чувствительность магнитного параметра .

Показано, что благодаря различной чувствительности методов контроля фиксируются различные стадии процесса рекристаллизации к моменту завершения термической обработки. Так, при магнитном контроле, в отличие от металлографических исследований, определяется стадия возврата и более раннее прохождение процесса рекристаллизации, что способствует получению более мелкозернистой структуры. Следовательно появляется возможность более точного контроля формирования микроструктуры с заданной степенью дисперсности по изменению магнитной амплитуды (рис. 3, б).

а б в

г д е

Рис. 4. Изменение структуры стали 08пс при рекристаллизационном отжиге, х900: в состоянии поставки (а), после прокатки на =50 % (б), после прокатки на =50 % и отжига при 600, 700, 800 и 900 ^оС (в-е)

Выявлены особенности формирования структуры в сталях с различным химическим составом и исходной микроструктурой (состояние поставки, после термической и деформационной обработок) при термоциклической обработке. Установлено, что степень дисперсности формирующейся структуры зависит от химического состава стали, ее исходного состояния и числа циклов. Повышение количества легирующих элементов способствует получению более мелкозернистой структуры. С уменьшением исходного размера зерен при термоциклической обработке формируется структура с более высокой степенью дисперсности. Проведение холодной пластической деформации перед ТЦО позволяет сформировать самую мелкозернистую структуру во всех исследованных сталях. Более интенсивное измельчение исходной структуры наблюдается в процессе первых трех циклов, дальнейшее увеличение числа циклов (до пяти и более) незначительно уменьшает размер зерен, однако снижает их разнозернистость (рис. 5).

Установлена связь между магнитным параметром и структурными изменениями в сталях при ТЦО. Показано, что величина зависит от исходной микроструктуры, химического состава сталей и числа циклов термоциклирования. Наибольшее изменение значений параметра наблюдается в процессе первых циклов нагрев-охлаждение. При последующих циклах магнитная амплитуда уменьшается, что связано с менее значительным измельчением структуры (рис. 6) и подтверждается данными металлографических исследований (рис. 5).

а б в

г д е

Рис. 5. Изменение структуры стали 08пс при ТЦО, х900: а - состояние поставки, б-е - после 1-5 цикла соответственно

Высокая структурная чувствительность магнитного метода позволяет рекомендовать его для контроля формирования структуры в процессе ТЦО в промышленных условиях как более производительный метод по сравнению с методом металлографического анализа.

Разработаны способы получения микроструктуры с заданной степенью дисперсности при ТЦО сталей с различным химическим составом и исходным структурным состоянием.

Таким образом, фиксируя различные стадии прохождения рекристаллизационного отжига и ТЦО, удается получить структуру с различной степенью дисперсности, однако при ТЦО открываются более широкие возможности получения структуры как с точки зрения ее однородности, так и конечного размера зерен.

а б в

Рис. 6. Зависимость напряженности магнитного поля рассеяния Н_р от числа циклов при термоциклировании сталей 08пс, 09Г2С и 10ХСНД в состоянии поставки (а), после предварительного отжига при 900 ^оС и после холодной пластической деформации на е=50 %

В четвертой главе приведены результаты исследований влияния действующих внутренних напряжений на изменение магнитного параметра при малоцикловом упругом деформировании, с учетом схемы нагружения, исходной микроструктуры и химического состава исследуемых сталей.

Установлена связь между действующими внутренними напряжениями и напряженностью магнитного поля рассеяния при упругой деформации (одноосное растяжение и сжатие) образцов из сталей с крупнозернистой, мелкозернистой исходными структурами и структурой после холодной пластической деформации. Показано, что при циклическом упругом деформировании растяжением с увеличением действующих внутренних напряжений напряженность магнитного поля снижается, при снижении (разгружение) - значения возрастают во всех случаях. При сжатии образцов характер зависимости изменяется на противоположный: с увеличением внутренних напряжений напряженность магнитного поля возрастает, а при снижении (разгружение) значения уменьшаются.

Показано, что при упругом деформировании малоуглеродистых и низколегированных сталей циклическое изменение внутренних напряжений за счет приложения и снятия внешних нагрузок способствует образованию петли магнитного гистерезиса, которая после 1-го цикла нагружение-разгружение чаще всего незамкнута. В процессе 2-го и последующих циклов ветви петли магнитного гистерезиса сближаются, при этом различие конечных и начальных значений становится незначительным. Это явление характерно для разных схем нагружения (рис. 7).

Во всех случаях, независимо от химического состава и структурного состояния сталей, после 1-го цикла нагружение-разгружение стирается исходная магнитная предыстория металла, вследствие чего увеличение числа циклов практически не приводит к изменению характера хода кривых . При неизвестной предыстории металла это имеет положительное значение, так как способствует значительному повышению точности и надежности последующих измерений.

Показано, что при малоцикловом нагружении стали с мелкозернистой структурой характеризуются более значительными изменениями параметра от действующих внутренних напряжений, чем стали с крупнозернистой равновесной структурой (рис. 7). Холодная пластическая деформация приводит к значительным изменениям магнитного параметра только в процессе первого цикла нагружение-разгружение, и к незначительным - при последующих.

Таким образом, полученные экспериментальные зависимости , характеризующие связь между механическими и магнитными параметрами при циклическом нагружении малоуглеродистых и низколегированных сталей в различном структурном состоянии, позволяют проводить оценку напряженно-деформированного состояния металла: выявление зон концентрации напряжений, сравнение их между собой по степени опасности с оценкой в них знака действующих внутренних напряжений (растяжение, сжатие), по петле магнитного гистерезиса - область деформирования (упругая, пластическая), по приращению магнитного параметра - уровень действующих внутренних напряжений.

Предложен механизм, объясняющий магнитный гистерезис при циклическом упругом деформировании сталей. При растяжении происходит обратимое смещение доменных границ, изменение размеров доменов и уменьшение их числа, вследствие чего уменьшаются площадь доменных границ и, следовательно, магнитное поле рассеяния , что фиксируется феррозондовым преобразователем прибора. При снятии нагрузки происходит возвращение доменных границ в исходное состояние и, следовательно, повышение величины магнитного параметра .

В пятой главе представлены результаты экспериментальных исследований зон концентрации напряжений по выявлению взаимосвязи структурных, магнитных и механических параметров малоуглеродистых и низколегированных сталей с различной исходной микроструктурой в процессе упруго-пластического деформирования, с разработкой частных и обобщенных графических и аналитических зависимостей. Описан механизм, объясняющий физику магнитоупругих явлений в ферромагнитных материалах в слабом магнитном поле Земли (поле Рэлея).

а б в г

д е ж з

Рис. 7. Зависимость при растяжении образцов из сталей: 10ХСНД (а), 09Г2С (б), Ст3 (в), 08пс (г) в состоянии поставки; 09Г2С (отжиг при 1050 ^оС) (д), 10ХСНД (поставка + ТЦО) (ж) и 08пс (прокатка на =50 %) (з) и при сжатии образцов из стали Ст3 (поставки) (е)

Показано, что при упруго-пластическом деформировании растяжением сталей с крупнозернистой и мелкозернистой структурами в упругой области деформирования с увеличением нагрузки магнитный параметр снижается, при переходе в пластическую область деформирования - повышается (рис. 8, 9). При этом на возрастающей ветви кривой , независимо от химсостава и исходной микроструктуры сталей, можно различить три характерных стадии. На первой стадии - медленный подъем значений , на второй - более крутой, и на третьей стадии - замедление роста значений . При разгружении образцов возникает магнитный гистерезис, при этом конечные значения магнитного параметра не совпадают с исходными.

Установлено, что уменьшение размера зерен в сталях приводит к смещению минимальных значений в сторону более высоких действующих внутренних напряжений. Аналогичный характер смещения минимальных значений магнитного параметра наблюдается и при изменении химического состава сталей. Чем выше прочностные свойства сталей, тем к более высоким внутренним напряжениям смещается минимум значений в одних и тех же исходных структурных состояниях.

Предварительная холодная пластическая деформация способствует смещению минимальных значений параметра в сторону более высоких действующих внутренних напряжений для всех исследуемых сталей, что связано с упрочнением металла в процессе предварительной холодной пластической деформации (рис. 8, 9).

Установлено, что исходная микроструктура существенно влияет и на характер изменения при снятии внешней растягивающей нагрузки в пластической области деформирования. Для крупнозернистых сталей характерно раннее снижение значений с уменьшением внутренних напряжений. Уменьшение исходного размера зерен приводит к большему запаздыванию значений , при этом значения магнитного параметра для сталей с самой мелкозернистой структурой и после холодной пластической деформации остаются неизменными (рис. 9).

а б в

Рис. 8. Зависимость напряженности магнитного поля рассеяния от одноосных напряжений растяжения для образцов из сталей 08пс (а), 09Г2С (б) и 10ХСНД (в) в состояниях: 1 - (поставка + отжиг при 1050 ^оС), 2 - (поставка + отжиг при 900 ^оС), 3 - состояние поставки

а б в

Рис. 9. Зависимость напряженности магнитного поля рассеяния от одноосных напряжений растяжения для образцов из сталей 08пс (а), 09Г2С (б) и 10ХСНД (в) в состояниях: 4а - (прокатка на =50 % + рекристаллизационный отжиг); 4б - (поставка + ТЦО); 4в - (прокатка на =50 % с неослабленным сечением образцов); 5а, б - (поставка + прокатка на =50 %); 5в - (прокатка на =50 % с ослабленным сечением образцов

Показано, что после полного разгружения отсутствует совпадение исходных и конечных значений , как для сталей с крупнозернистой, так и мелкозернистой структурами. Характер изменения предварительно деформированного металла соизмерим с характером изменения мелкозернистых сталей, что необходимо учитывать при диагностировании технического состояния МК. Факт прохождения пластической деформации можно подтвердить проведением металлографического анализа в исследуемых зонах концентрации напряжений. Закономерности изменения , полученные на малоуглеродистых и низколегированных сталях при упруго-пластическом нагружении и разгружении, могут быть распространены и на другие стали, близкие к ним по составу и свойствам.

На основе проведенных исследований разработаны и запатентованы способы определения внутренних напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов и предложены рекомендации, позволяющие использовать метод МПМ при оценке напряженно-деформированного состояния металлических конструкций.

Трехстадийное изменение магнитного параметра от внутренних напряжений обусловлено эволюцией дислокационной структуры на изменение доменной структуры в сталях в процессе пластической деформации.

Между процессами изменения магнитного параметра в слабом магнитном поле Земли (область Рэлея) при пластическом деформировании, намагничиванием ферромагнетика в сильных магнитных полях и процессами упрочнения металлов с кубической решеткой при пластической деформации наблюдается качественное сходство кривых и трехстадийность изменения зависимостей магнитной индукции от напряженности магнитного поля , напряженности магнитного поля рассеяния от действующих внутренних напряжений и зависимости внутренних напряжений от степени пластической деформации , и гистерезисные явления при разгружении. Это магнитный гистерезис в сильном и слабом магнитных полях при размагничивании и механический - при снятии внешней нагрузки.

Магнитный гистерезис, возникающий в слабом магнитном поле Земли в процессе циклического нагружения, аналогичен магнитному гистерезису, возникающему при намагничивании и размагничивании ферромагнетика в сильном магнитном поле. При этом трехстадийное изменение значений при нагружении в пластической области деформирования соответствует хорошо изученным процессам намагничивания ферромагнетика в сильном магнитном поле (область обратимых и необратимых смещений доменных границ, парапроцесс). В нашем случае на процесс намагничивания ферромагнетика в слабом магнитном поле Земли оказывают влияние действующие внутренние напряжения, которые приводят к деформационному упрочнению за счет эволюции дислокационной структуры (I стадия легкого скольжения дислокаций, II стадия быстрого упрочнения и III стадия снижения скорости упрочнения металла, характерные и для зависимости ). Поэтому при пластическом деформировании сталей на I и II стадиях упрочнения металла, за счет взаимодействия дислокаций и формирования ячеистой дислокационной структуры, происходит необратимое смещение доменных границ, дробление доменов, увеличение площади доменных границ и закрепление их на границах зерен, скоплениях дислокаций и включениях, формирование кристаллографической текстуры и поворот векторов спонтанной намагниченности доменов в направлении приложенных напряжений. На стадии III, в связи с аннигиляцией дислокаций и уменьшением поля внутренних напряжений, уменьшается коэффициент упрочнения, что приводит к замедлению роста значений при повышении внутренних напряжений. При разгружении, вследствие необратимого смещения доменных границ, возникает магнитный гистерезис, ширина петли которого увеличивается с уменьшением размеров зерен и степени холодной пластической деформации. Следовательно, по результатам металлографического анализа и ширине петли магнитного гистерезиса можно судить о прохождения пластической деформации и ее степени в контролируемых зонах концентрации напряжений.

С целью развития возможностей выявления действительного напряженно-деформированного состояния металлических конструкций по результатам экспериментальных исследований проведен регрессионный анализ данных и получены частные (для конкретного исходного структурного состояния) и обобщенные (учитывающие различные структурные состояния) графические и аналитические зависимости напряженности магнитного поля рассеяния от действующих внутренних напряжений для сталей с различными химическим составом и исходной микроструктурой. Для всех значений напряженности магнитного поля рассчитаны выборочные средние значения, дисперсии и средние квадратичные отклонения. Проведены процедура проверки гипотез о равенстве средних, анализ значимости коэффициентов регрессионной модели с использованием критерия Стьюдента (t-критерий), анализ значимости коэффициентов множественной корреляции (F-критерий) для любого уровня и анализ значимости моделей в целом. Проведенные статистические исследования взаимосвязи структурных, магнитных и механических параметров свидетельствуют о том, что все исследованные выборки являются представительными, что позволяет подобрать значимые регрессионные модели для всех исследуемых сталей. На основе таких моделей получены частные и обобщенные графические и аналитические регрессионные зависимости, учитывающие различные исходные структурные состояния малоуглеродистых и низколегированных сталей и отражающие сложный характер взаимосвязи .

Аналитические выражения, описывающие с достаточно высокой точностью зависимость магнитного параметра от действующих внутренних напряжений при упруго-пластическом деформировании стали 08пс, можно представить в виде:

, (1)

, (2)

где , , - текущие значения напряженности магнитного поля рассеяния и действующие внутренние напряжения, - начальное значение напряженности магнитного поля рассеяния и предел текучести материала соответственно, а, b, с, d, e - коэффициенты.

Так, для стали 08пс с крупнозернистой структурой (рис. 10, а), частная регрессионная зависимость получена с коэффициентом множественной корреляции R²=0,84. Модель статистически значима, так как =57,52 (для 81 точки измерения). Все коэффициенты в модели значимы, так как вероятность для всех коэффициентов меньше =0,05. При этом коэффициенты равны: a=0,997872300, b=-1,78841401, c=-1,89629706, d=0,925422611, e=1,008487915.

Рис. 10. Графическое представление регрессионных зависимостей для стали 08пс: а - частная (для крупнозернистой структуры после отжига при 900 ^оС), б - обобщенная

Обобщенная регрессионная зависимость для стали 08пс (рис. 10, б), учитывающая различные структурные состояния (состояние заводской поставки, с крупнозернистой и мелкозернистой структурами, после холодной пластической деформации), получена с коэффициентом множественной корреляции R²=0,75. Модель статистически значима, так как =148,50 (для 118 точек измерения). Все коэффициенты в модели значимы, так как вероятность для всех коэффициентов меньше =0,05. При этом коэффициенты равны: a=0,994183846, b=-1,83653583, c=-1,88354734, d=1,110463452, e=1,090809993.

Установлено, что при известных структурных и механических параметрах стали для определения действующих внутренних напряжений следует использовать частные графическую или аналитическую зависимости для данного структурного состояния, при неизвестных параметрах - обобщенные зависимости. В первом случае точность определяемых действующих внутренних напряжений значительно выше: погрешность составляет 10...12 %, во втором случае - не превышает 15...25 %.

Показано, что полученные частные и обобщенные графические и аналитические регрессионные зависимости хорошо согласуются с экспериментальными данными, что позволяет использовать их при определении действующих внутренних напряжений в практике диагностирования технического состояния. Полученные зависимости и закономерности можно распространить на все стали, близкие к исследуемым по химическому составу, структурному состоянию и классам прочности.

В шестой главе исследовано напряженно-деформированное состояние сварных соединений при малоцикловом упругом деформировании и представлены результаты экспериментально-расчетной оценки НДС элементов МК при моделировании кинетики развития коррозионных повреждений. сталь сварной ферромагнитный намагничивание

В связи с тем, что более 80 % отказов металлических конструкций связано со сварными соединениями, несмотря на то, что их объем в сварных конструкциях не превышает 1,0…1,5 %, представляло научный и практический интерес оценить степень опасности основных зон сварного соединения с учетом их структурной неоднородности.

Установлено, что наибольшее изменение напряженности магнитного поля рассеяния на сварных образцах без снятия усиления наблюдалось в зоне сплавления основного металла со сварным швом, что, в соответствии с ранее проведенными исследованиями, свидетельствует о наличии в этой зоне контроля более высоких внутренних напряжений. С целью исключения влияния технологического концентратора при механических испытаниях были испытаны образцы со снятым усилением. Видно (рис. 11), что независимо от зоны контроля (сварной шов, зона сплавления, основной металл) наибольшие изменения напряженности магнитного поля рассеяния происходят в процессе 1-го цикла нагружение-разгружение. В процессе 2-го цикла значения при нагружении и разгружении сближаются друг с другом, что заметно по расположению ветвей петли магнитного гистерезиса, при этом конечные значения практически совпадают с исходными, что хорошо согласуется с результатами ранее проведенных экспериментальных исследований.

а б

Рис. 11. Зависимость напряженности магнитного поля рассеяния от внутренних напряжений в сварном соединении из стали Ст3 со снятым усилением: в зоне сплавления основного металла со сварным швом (а) и в зоне основного металла (б)

Анализ зависимостей показал, что наименьшие изменения параметра в процессе 2-го и 3-го нагружений присущи зоне основного металла. В зоне сплавления и сварного шва наблюдаются более значительные, но близкие друг к другу приращения значений , что свидетельствует о наличии примерно равных внутренних напряжений. Однако, учитывая отсутствие усиления сварного шва в исследуемых образцах, можно констатировать, что наиболее высокие внутренние напряжения соответствуют зоне сплавления.

Металлографический анализ подтвердил структурную неоднородность сварных соединений и наличие различных зон, характерных для малоуглеродистых и низколегированных сталей (рис. 12). Показано, что в зоне сварного шва, а также в зоне сплавления сварного шва и основного металла с прилегающим участком перегрева формируется крупнозернистая структура, приводящая к снижению прочностных свойств металла и повышению внутренних напряжений в процессе нагружения по сравнению с мелкозернистой структурой основного металла. Участок полной перекристаллизации металла, имеющий самую мелкозернистую структуру, показывал наименьшие изменения , соответствующие меньшим внутренним напряжениям.

а б в

Рис. 12. Микроструктура стыкового сварного соединения из стали Ст3, х350: а - сварной шов, б - зона сплавления, в - основной металл

Таким образом, наиболее опасным местом сварного соединения являются зона сплавления сварного шва и основного металла с участком перегрева, что подтверждается проведенными исследованиями. Эта опасность может усугубляться появлением при сварке радиусов перехода от металла сварного шва к основному металлу (средние значения радиусов составляют 0,4...0,8 мм), что способствует повреждению металла и зарождению трещин в малом объеме крупнозернистого участка зоны термического влияния. Поэтому при техническом диагностировании сварных соединений МК в первую очередь необходимо контролировать зону сплавления сварного шва с основным металлом и участком перегрева.

...