Введение к работе
Актуальность темы. Несмотря на бурное развитие науки и техники в XX веке, появление огромного количества синтетических, полимерных и композиционных материалов, конструкционные стали и в XXI веке остаются основным конструкционным материалом В процессе эксплуатации стальных конструкций происходит естественное изменение свойств этого магериала под действием окружающей среды (старение, коррозия, водородное охрупчивание и т п) Поэтому развитие методов оценки свойств материалов, мониторинга состояния работающего оборудования, является весьма актуальной задачей
В настоящее время метод акустической эмиссии (АЭ) находит все более широкое применение в практике неразрушающего контроля потенциально опасного обо-рудования^ Однако существующие методики позволяют обнаруживать только активно развивающиеся на момент контроля дефекты, т е фактически — последнюю стадию дефектообразования При этом не используются значительные потенциальные возможности метода акустической эмиссии для оценки деградации механических свойств металла конструкций в процессе эксплуатации, что является наиболее важной задачей в системе обеспечения промышленной безопасности Основной причиной, сдерживающей широкое распространение метода АЭ для мониторинга текущего состояния и оценки остаточного ресурса трубопроводов, крупногабаритных конструкций и т п является отсутствие четких представлений о природе и основных источниках АЭ, особенно в таких сложных материалах, какими являются термообработанные стали Несмотря на большое количество публикаций (Данеган, Вадлей, Фадеев, Кудря и др), сведения о связи акустической эмиссии со структурными факторами этого огромного класса конструкционных материалов отрывочны и зачастую носят противоречивый характер Развитие цифровой техники открывает новые возможности изучения акустического излучения не только с традиционной, «энергетической», стороны, но и на основе спектрального анализа сигналов АЭ, о попытках применения которого в литературе имеются только отрывочные сведения
В настоящее время в практике диагностирования металла промышленных объектов все большее применение находит метод кинетического индентирования2), позволяющий определять основные механические характеристики металла безобразцовым способом (Алехин, Матюнин, Бакиров и др) Совмещение этой перспективной методики с методом АЭ может стать основой для создания нового эффективного метода неразрушающего контроля, однако специальною исследования такой возможности до сих пор не проводилось Кроме того, в литературе практически полностью отсутствуют сведения о влиянии на АЭ водорода разной степени связанности (сильно связанного и диффузно-подвижного), хотя водород, по мнению многих авторов, может оказывать решающее значение на прочностные свойства материала в целом
Правила организации и проведения акуешко-эмиссионного контроля сосудов, аппаратов, котлов и технологических трубопроводов РД 03-131-97 Госгортехнадзор России 1997 г
Булычев С И , Алехин В П Испытание материалов непрерывным вдавливанием индеп-тора -М Машиностроение, 1990 -224 с
Цель работы и основные задачи исследования. Разработка научных основ для комплексной оценки состояния металла трубных сталей по результатам механических испытаний, совмещенных с методом акустической эмиссии
Для достижения указанной цели требовалось решить следующие задачи
-
Исследовать влияние температуры отпуска на энергетические и спектральные характеристики сигналов АЭ в процессе растяжения конструкционных сталей
-
На основе спектрального анализ выявить наиболее чувствительные к структуре сталей типы сигналов АЭ
-
Сопоставить изменение концентрации водорода с разными энергиями связи (диффузно-подвижного и сильно связанного) в зависимости от температуры отпуска и степени деформации термообработанных конструкционных сталей с характеристиками АЭ с целью установления их возможной корреляции
-
Установить корреляции между результатами измерения параметров АЭ в термообработанных конструкционных сталях при разрушающей (растяжение) и нераз-рушающей (индентирование) схемах испытания
Объект исследования: трубные стали
Предмет исследования: методики оценки состояния материала Методы исследования: метод АЭ, механические испытания, химический анализ, оптическая и растровая электронная микроскопия, рентгеноспектральный микроанализ, дилатометрия, высокотемпературная вакуумная экстракция Научная новизна. На основе комплексного исследования поведения ряда конструкционных сталей под нагрузкой получены следующие новые результаты
обнаружено явление трансформации спектра основного типа сигналов АЭ при изменении температуры отпуска закаленных сталей, на основе которого предложен критерий оценки состояния термообработанных сталей,
выявлено четыре основных типа спектров сигналов АЭ при активном деформировании сталей,
установлена корреляция между числом регистрируемых сигналов АЭ и твердостью испытуемого материала,
показано, что вид индентора и скорость его внедрения не оказывают существенного влияния на спектральные характеристики АЭ испытаний при выбранной методике обработки АЭ сигналов,
впервые обнаружена корреляция характеристик АЭ с концентрациями диффузно-подвижного и сильно связанного водорода,
установлены корреляции между результатами измерения энергетических и спектральных параметров АЭ при разных схемах механических испытаний термообработанных конструкционных сталей растяжении и индентировании
Практическая ценность и реализация результатов работы.
Разработан критерий оценки состояния термообработаных сталей по характеристикам АЭ, который прошел успешную апробацию при изучении партии труб, изготовленных по разным технологическим режимам, предоставленных для исследования предприятием СинТЗ
Показана перспективное гь применения неразрушающего способа контроля состояния металла сочетание методов АЭ и испытания на твердость
Достоверность полученных результатов подтверждается значительным объемом экспериментальных данных, полученных в результате применения комплекса исследовательских методов, включающего методы акустической эмиссии, механических испытаний, а также рентгенографии, растровой электронной микроскопии и металлографии, использованием современных методов измерения и обработки экспериментальных данных, сопоставлением полученных результатов между собой и с результатами, полученными другими авторами На защиту выносятся:
Результаты исследования спектрального состава сигналов АЭ в зависимости от режимов термообработки сталей
Классификация сигналов АЭ на четыре типа по форме кривой спектральной плотности
Связь спектральных и энергетических параметров АЭ с пластичностью термооб-работанных сталей
Влияние степени предварительной пластической деформации, полученной одноосным растяжением, на параметры АЭ при индентировании
Критерий оценки состояния термообработанных сталей по параметрам АЭ
Способ неразрушающего контроля состояния материала сочетание метода АЭ с испытаниями на твердость
Корреляция характеристик АЭ с концентрациями сильно связанного и диффузно-подвижного водорода
Апробация. Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены на 13 конференциях разного уровня II Евразийской научно-практ конф «Прочность неоднородных структур» ПРОСТ 2004 (20-22 апреля 2004 г., Москва), III Междунар конф «Фазовые превращения и прочность кристаллов» (20-24 сентября 2004 г , Черноголовка), I Междунар школе «Физическое материаловедение» (22-26 ноября 2004 г, Тольятти), XV Петербургских Чтениях по проблемам прочности (12-14 апреля 2005г, Санкт-Петербург), 4-й междунар научной конф «Прочность разрушений и конструкций» (15-17 февраля 2005 г, Оренбург), 44 междунар конф «Актуальные проблемы прочности» (3-7 октября 2005 г, Вологда), II Междунар школы «Физическое материаловедение» (6-10 февраля 2006 г, Тольятти), XVI Петербургских Чтениях по проблемам прочности (14-16 марта 2006, Санкт-Петербург), III Евразийской научно-практ конф «Прочность неоднородных структур» ПРОСТ 2006 (18-20 апреля 2006 г, Москва), XVI Междунар конф. «Физика прочности и тастичносги материалов» (26-29 июня 2006 г, Самара), IV Междунар конф «Фазовые превращения и прочность кристаллов» (4-8 сентября 2006 г, Черноголовка), 45 Междунар конф «Актуальные проблемы прочности» (25-28 сентября 2006 г, Белгород)
Публикации. Основное содержание работы отражено в 16 публикациях Личный вклад автора состоит в постановке конкретных задач в рамках общей темы работы, выборе объектов для исследования и подготовке образцов, обработке и анализе результатов экспериментов и подготовке статей к опубликованию, формулировке основных положений и выводов диссертационной работы Эксперименты по АЭ проведены совместно с Мещеряковым Д Е (ТГУ, і Тольятти), исследования микроструктур и рентгенографические исследования — с Ясниковым И С
(ОАО «АВТОВАЗ», г Тольятти) Определение концентрации водорода выполнено в «НПК Электронные и Пучковые Технологии» совместно с Полянским AM (г Санкт-Петербург)
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и списка цитируемой литературы, включающего 155 наименований Содержание диссертации изложено на 158 страницах машинописного текста, включая 76 рисунков и 18 таблиц
