Определение характеристик сопротивления усталости многослойных сварных швов стали 10Г2ФБЮ

УДК 621.791.011

Е.А. Кривоносова, О.А. Рудакова E.A. Krivonosova, O.A. Rudakova

Пермский национальный исследовательский политехнический университет Perm National Research Polytechnic University

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СОПРОТИВЛЕНИЯ УСТАЛОСТИ МНОГОСЛОЙНЫХ СВАРНЫХ ШВОВ СТАЛИ 10Г2ФБЮ

DETERMINATION OF PERFORMANCE MULTILAYER FATIGUE RESISTANCE OF WELDS STEEL 10MN4VNB

Представлены результаты испытаний многослойных сварных швов стали 10Г2ФБЮ на усталостный изгиб, на основании которых определены количественные параметры сопротивления усталости - продолжительность инкубационного периода и скорость роста усталостной трещины в период стабильного развития. Показана эффективность установления взаимосвязи между количественными параметрами сопротивления усталости и фрактографическими особенностями отдельных участков поверхности усталостных изломов с целью анализа причин усталостных разрушений сварных соединений трубопроводов.

Ключевые слова: сварной шов, усталостное разрушение, инкубационный период, скорость роста усталостной трещины, поверхность излома.

The paper presents the results of tests of multilayer weld steel 10Mn2VNb on fatigue bending, which are defined on the basis of quantitative parameters of the fatigue resistance - the duration of the incubation period and the rate of fatigue crack growth in a period of stable development. Shows the effectiveness of establishing the relationship between the quantitative parameters of resistance to fatigue and fractographic features of individual sections of the fatigue fracture surface in order to analyze the causes of fatigue failures of welded joints of pipelines.

Keywords: weld joint, fatigue failure, latent period, fatigue crack growth, fracture surface.

Трубопроводы в условиях эксплуатации подвергаются одновременному воздействию статических и повторно-статических (малоцикловых) нагрузок от колебаний давления перекачиваемого продукта. Такое сочетание внешних факторов может значительно ускорить разрушение трубопроводов. При этом в наибольшей степени к разрушениям такого рода предрасположены участки поверхности труб, имеющие конструктивные элементы в виде концентраторов напряжений, среди которых в первую очередь следует выделить сварные соединения [1].

Сварпые соедипепия имеют высокую пеодпородпость свойств, связап-пую с макро- и микроструктурпой пеодпородпостью отдельпьк зоп (металл шва, зопа термического влияпия и осповпой металл), перавпомерпым распре-делепием остаточек папряжепий в этиx зoпax, физической и геометрической копцептрацией папряжепий, зависящей от формы и размеров шва и его дефектов. Следовательпо, большой иптерес представляет исследовапие влияпия морфологии структуры м^шслой^^ сварпыгс соедипепий па особеппо-сти сопротивлепия усталостпому разрушепию.

Исследовали металл сварпыга швов стали 10Г2ФБЮ, выпoлпеппыx по трем различпым теxпoлoгиям: теxпoлoгия 1 - ручпая дуговая сварка: корепь шва - ЛБ-52 U, заполпепие/облицовка - OK 74.70; теxпoлoгия 2 - ручпая дуговая сварка: корепь шва - Conarc 52, заполпепие/облицовка - Conarc 74; теxпoлoгия 3 - полуавтоматическая сварка самозащитпой порошковой проволокой с проплавлепием корпя шва в CO2: корепь шва - SuperArc L-56, за-полпепие/облицовка - Innershield NR-208 Special. Металлографический апа-лиз микроструктуры облицовочпого и зaпoлпяющиx слоев сварпыга соедипе-пий показал, что облицовочпые слои имеют грубую круппозерпистую литую структуру с выделепиями видмапштеттова феррита по грапицам зереп, а за-полпяющие слои - мелкодисперспую структуру с равпомерпой долей феррита и перлита вследствие перекристаллизации при повторпом тепловом воздействии от паложепия пocледyющиx слоев (рис. 1).

г де

Рис. 1. Микроструктура облицовочпого и заполпяющего слоев сварпык швов стали 10Г2ФБЮ, выпoлпеппыx по теxпoлoгиям 1

Для исследования сопротивления усталости вырезали образцы из верхней части сварных соединений типа Шарпи таким образом, чтобы зарождение усталостной трещины начиналось в облицовочном слое, имеющем наиболее грубое строение, и проводили испытание консольно закрепленного образца на усталостный изгиб на воздухе при амплитудах 1,0 и 1,2 мм. По результатам испытания построены зависимости длины трещины от числа циклов нагружения (рис. 2).

Анализ полученных зависимостей в сопоставлении с фрактограммами поверхности излома (рис. 3) позволил выделить наиболее характерные участки усталостных изломов, аналогичные описанным в работе [2].

Рис. 2. Зависимость длины усталостной трещины от количества циклов нагружения сварных швов стали 10Г2ФБЮ, выполненных по технологиям 1, 2 и 3 при испытании

на амплитуде 1,0

Рис. 3. Характерные участки усталостных изломов на зависимостях роста усталостной трещины от числа циклов нагружения (а) и фракгограммах поверхности разрушения (б): 1 - очаг разрушения; 2 - зона стабильного роста трещины; 3 - зона нестабильного роста

трещины; 4 - зона долома

Очаг разрушения 1 - макроскопическое место начала разрушения. Анализ поверхности излома металла сварного шва, выполненного по разным технологиям, показал, что с увеличением инкубационного периода в очаге наблюдаются более глубокие и протяженные борозды (рис. 4, 5). Так, наибольший инкубационный период наблюдается у металла сварного шва стали 10Г2ФБЮ, выполненного по технологии 1. В очаге разрушения они имеют наиболее выраженные глубокие борозды, направленные в одном направлении от начала разрушения вглубь (рис. 4, 5).

а б

Рис. 4. Изломы металла сварного шва, выполненного по технологии 1, при различных амплитудах нагружения: а - 1,2 мм; б - 1,0 мм

Зона стабильного роста трещины 2 характеризуется наличием усталостных полос, ориентированных нормально направлению роста трещины. При более высоких номинальных напряжениях усталостные полоски распространяются на меньшую глубину, но имеют большую ширину, а поверхность излома становится более гладкой. Кроме того, строение данного участка излома зависит от скорости распространения трещины. При высокой скорости распространения трещины на поверхности излома образуются более грубые борозды. Анализ зависимости длины усталостной трещины от числа циклов нагружения позволяет выделить на них начальный участок с прямолинейной зависимостью Ь - N (см. рис. 3, а).

Зона нестабильного роста трещины 3 характеризуется смешанным микрорельефом (микрополосы и «ямки»). Распространение трещины в пределах этого участка характеризуется образованием зоны пластической деформации, соизмеримой с длиной трещины, что сопровождается остановками трещины (см. рис. 3, а). Ямки зарождаются в сильнодеформированной зоне впереди фронта трещины, при этом чашечный излом распространяется путем образо-

вания локальных очагов разрушения с последующим удлинением и разрывом перемычек, разделяющих эти очаги [3, 4]. Чем меньше амплитуда напряжений, тем больше вклад в распространение трещины принадлежит энергии, высвобождаемой при встрече трещины с компактным скоплением дислокаций, и тем больше зона «ямочного разрушения» (см. рис. 4, 5).

а б

Рис. 5. Изломы металла сварного шва, выполненного по технологии 2, при различных амплитудах нагружения: а - 1,2 мм; б - 1,0 мм

Зона долома 4 - участок излома, соответствующий конечной стадии разрушения.

Наибольший интерес для исследования особенностей усталостного разрушения представляет участок стабильного роста трещины, где продвижение усталостной трещины происходит с равномерной скоростью, когда пластическая деформация у роста фронта роста трещины минимальна, а именно - начальный участок с прямолинейной зависимостью. Скорость роста трещины в пределах участка стабильного роста трещины определяли по тангенсу угла наклона начального участка зависимости усталостного разрушения Ь - N (рис. 6). Результаты расчета инкубационного периода и скорости роста усталостной трещины в пределах участка стабильного роста трещины для различных технологий представлены в табл. 1, 2.

Ь, мм

/л СИ II Р II

3 Щ 4 5 6 7 8

М, количество циклов, х103

Рис. 6. Пример расчета скорости роста усталостной трещины

Таблица 1

Инкубационный период роста усталостной трещины, циклы

Амплитуда нагружения, мм Технология 1 Технология 2 Технология 3

1,0 317 400 150 000 105 000

1,2 97 200 45 000 85 000

Таблица 2

Скорость роста усталостной трещины в период стабильного роста, мм/цикл

Амплитуда нагружения, мм Технология 1 Технология 2 Технология 3

1,0 0,000 013 52 0,000 190 00 0,000 076 92

1,2 0,000 021 39 0,000 013 19 0,000 480 00

Большой интерес для анализа причин усталостных разрушений и их предотвращения представляет установление взаимосвязи между количественными параметрами сопротивления усталости, морфологии структуры и рельефа поверхности излома, являющейся своеобразной фотографией истории разрушения. Так, например, может быть установлена взаимосвязь между инкубационным периодом и такими параметрами структуры, как размер зерна и соотношение структурных составляющих. Однако при описании количественной взаимосвязи не может быть учтен такой случайный фактор, как положение концентратора напряжений, в качестве которых в реальных условиях могут выступать царапины на поверхности, крупные неметаллические включения [5].

а б

Рис. 7. Положение концентратора напряжений

Так, например, при испытании образцов, выполненных по технологии 2, в облицовочном слое которых присутствуют широкие фрагменты видман-штеттова феррита, в случае попадания концентратора на границу зерна в область видманштеттова феррита (рис. 7) наблюдается минимальный инкубационный период. При попадании концентратора в тело зерна, где наблюдается мелкодисперсная феррито-перлитная структура, продолжительность инкубационного периода в несколько раз выше. В связи с этим более перспективным представляется описание количественной взаимосвязи между параметрами сопротивления усталости и фрактографическими особенностями отдельных участков усталостных изломов.

Сделаем следующие выводы:

1. Установлено, что поверхности усталостных изломов сварных швов стали 10Г2ФБЮ содержат следующие характерные участки: очаг разрушения, зона стабильного роста усталостной трещины, зона нестабильного роста трещины, зона долома.

2. По результатам испытания образцов, вырезанных из верхней части сварных соединений, с положением концентратора в облицовочном слое, имеющем грубую крупнозернистую литую структуру, построены зависимости длины трещины от числа циклов нагружения. По полученным зависимостям рассчитаны количественные параметры сопротивления усталости - продолжительность инкубационного периода и скорость роста усталостной трещины в период стабильного роста.

3. Установление взаимосвязи между инкубационным периодом и количественными параметрами структуры, такими как размер зерна и соотношение структурных составляющих, затруднено таким случайным фактором, как положение концентратора напряжений, в качестве которого могут выступать царапины на поверхности, крупные неметаллические включения.

4. Для анализа причин усталостных разрушений и их предотвращения наиболее перспективным представляется установление взаимосвязи между количественными параметрами сопротивления усталости и фрактографическими особенностями отдельных участков поверхности усталостных изломов.

Список литературы

1. Гривняк И. Свариваемость микролегированных сталей (металлургические аспекты) // Автоматическая сварка. - 1972. - № 8. - С. 10-15.

2. Иванова В.С. Усталостное разрушение металлов. - М.: Металлургиз-дат, 1963. - 258 с.

3. Иванова В.С., Ботвина Л.Р., Маслов Л.И. О дискретности процесса разрушения // Физика металлов и металловедение. - 1974. - Т. 37, Вып. 2. -С.407-413.

4. Иванова В.С., Ботвина Л.Р., Маслов Л.И. Фрактографические особенности усталостных изломов и вязкость разрушения // Усталость и вязкость разрушения: сб. науч. тр. - М.: Наука, 1974. - С. 79-108.

5. Процессы зарождения и роста коррозионных трещин на стали магистральных трубопроводов. Ч. II. Кинетические закономерности и влияние условий эксплуатации на КРН трубных сталей в водных средах / А.И. Малкин [и др.] // Коррозия: материалы, защита. - 2010. - № 2. - С. 1-13.

Получено 27.04.2012