Повышение пластичности конструкций из углеродистых сталей воздействием внешнего электрического поля при низких температурах

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 621.052.539.4

А. В. Бурнашев, А. М. Большаков, К. Н. Большев

ПОВЫШЕНИЕ ПЛАСТИЧНОСТИ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ ВОЗДЕЙСТВИЕМ ВНЕШНЕГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Рассматривается проблема обеспечения надежности, прочности, ресурса и долговечности металлоконструкций, эксплуатирующихся в условиях Крайнего Севера. Предложен метод повышения пластичности углеродистых сталей воздействием внешнего электрического поля. Представлена уникальная методика проведения натурных испытаний сосудов высокого давления на разрушение с регистрацией данных в реальном времени. Для нагружения сосуда внутренним давлением используется расширение замерзающей воды: сосуд, наполненный жидкостью и герметизированный, подвергается воздействию низких температур, жидкость по мере кристаллизации расширяется, тем самым создавая внутреннее давление, разрушающее сосуд от искусственного дефекта по достижению критического уровня. Изложены результаты серии натурных испытаний сосудов высокого давления, цилиндрических образцов на растяжение при низких температурах под воздействием электрического поля малой величины и без него. Сделан вывод, что слабые электрические воздействия также способны оказывать положительное влияние на низкотемпературную пластичность конструкционных сталей, что в свою очередь будет полезным материалом для решения задач по обеспечению заданного уровня эксплуатационной надежности конструкций эксплуатирующихся при низких температурах.

Ключевые слова: хладостойкость, пластичность, электропластичность, электрический потенциал, низкие температуры, конструкционные стали, сосуды давления, натурные испытания, эксплуатационная надежность, ресурс.

A. V. Burnashyov, A. M. Bolshakov, K. N. Bolshev

Increasing of Ductility of Carbon Steel Constructions at Low Temperatures Affected by the External Electric Field

The issue of reliability, resistance and endurance of metal constructions exploited in conditions of the Far North is observed. Based on the works of reputable scientists and experts in the field of electroplastic deformation of metals, the method of increasing

БУРНАШЕВ Афанасий Васильевич - вед. инженер отдела механики и безопасности конструкций Института физикотехнических проблем Севера им. В. П. Ларионова СО РАН.

E-mail: a.v.burnachev@mail.ru

BURNASHYOV Afanasiy Vasilievich - Lead Engineer of the Department of Mechanic and Structural Safety, the Institute of Physical and Technical Problems of the North named after V. P. Larionov, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences.

E-mail: a.v.burnachev@mail.ru

БОЛЬШАКОВ Александр Михайлович - д. т. н., заведующий отделом механики и безопасности конструкций Института физико-технических проблем Севера им. В. П. Ларионова СО РАН.

E-mail: a.m.bolshakov@iptpn.ysn.ru

BOLSHAKOV Aleksandr Mikhailovich - Doctor of

Engineering Sciences, Head of the Department of Mechanic and Structural Safety, the Institute of Physical and Technical Problems of the North named after V. P. Larionov, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences.

E-mail: a.m.bolshakov@iptpn.ysn.ru

БОЛЬШЕВ Константин Николаевич - к. т. н., научный сотрудник отдела тепломассопереноса Института физикотехнических проблем Севера им. В. П. Ларионова СО РАН.

E-mail: k.bolshev@mail.ru

BOLSHEV Konstantin Nikolaevich - Candidate of Engineering Sciences, Scientific Researcher of the Department of Heat and Mass Transfer, the Institute of Physical and Technical Problems of the North named after V. P. Larionov, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences.

E-mail: k.bolshev@mail.ru

of ductility of carbon steels affected by the external electric field is proposed. The unique methodic of actual rupture testing of pressure vessels with real time data registration is presented. According to this methodic, the expansion of freezing water is used for internal pressure loading of vessel. The vessel, filled by the liquid and hermetically-sealed is exposed to low temperatures. The liquid expands with crystallization, producing the internal pressure which breaks up the vessel from artificial flaw upon reaching the critical level. There are results of a series of actual extension testing of pressure vessels and test cylinders at low temperatures under small magnitude electric field or without it. After the discussion of research results we have come to the conclusion that weak electrical action is also able to positively influence the low-temperature ductility of structural steel, which in turn will be a useful material for solving the problems of reliability level of constructions exploited at low temperatures.

Key words: cold resistance, ductility, electroplasticity, current potential, low temperatures, structural steel, pressure vessels, field tests, operational reliability, resource.

Введение

Проблема обеспечения надежности металлоконструкций, используемых в регионах с низкими климатическими температурами, затрагивается в работах многих ученых ведущих институтов нашей страны, благодаря которым создаются новые материалы и методы повышения прочности, ресурса конструкций. В настоящее время существует много различных конструкционных сталей, предназначенных для эксплуатации в условиях низких температур, но также есть конструкции, выполненные из обычных углеродистых сталей, например Ст 3, Ст 45 и т. п., эксплуатация которых запрещается при температуре -40 оС. Это наносит серьезный урон экономике вынужденной остановкой эксплуатации и создает реальную угрозу безопасности жизнедеятельности человека, живущего на Севере. Одной из причин снижения прочности металлоконструкций при низких температурах является рост концентрации напряжений вследствие повышения сопротивления материала начальной пластической деформации

[1-3]. С понижением температуры пластичность материала падает, увеличивается значение предела текучести, и перегрузки вызывают резкий рост уровня максимальных напряжений, это хорошо наблюдается в углеродистых сталях, в которых температура вязкохрупкого перехода колеблется в пределах от -10 до -60 оС.

Основная задача работы заключается в

разработке технологических механизмов и методов повышения прочности и хладостойкости материалов металлоконструкций путем воздействия на материал конструкций различными электромагнитными, импульсными и другими методами, позволяющими влиять на пластические свойства, на основе анализа деградации пластических свойств материалов металлоконструкций Севера, в том числе после длительной эксплуатации.

Известно, что воздействие импульсов тока и электромагнитного поля отодвигают процесс

хрупкого разрушения металла на более поздние

стадии деформации, способствуя тем самым сдвигу границы хладноломкости в сторону более низких

температур. Это открывает новые пути в решении проблем увеличения прочности металла и повышения надежности эксплуатации металлоконструкций в условиях низких температур.

Во многих работах, начиная с 1970-х годов, показано положительное влияние пластифицирующего воздействия тока на металлы. Внешние

энергетические воздействия на металлические

твердые тела, подвергаемые деформации, способны существенно изменять как кинетику протекания процесса, так и интегральные прочностные и пластические характеристики. Обработка образцов электрическим и магнитным полями, короткими

высокоамплитудными импульсами электрического тока металлов и сплавов, оказывая влияние на деформационную субструктуру, может изменять распределение внутренних напряжений, фазовый состав, зеренную структуру, и, в конечном итоге, существенно снижать сопротивление деформированию. Однако имеются свидетельства значительно слабых электрических воздействий, когда энерговложение ничтожно, а деформационные свойства материалов заметно меняются [4]. Предлагаемый нами способ основывается именно на таких воздействиях.

Целью является экспериментальное исследование влияния слабых электрических полей на изменение прочностных и пластических характеристик сосудов давления изготовленных из углеродистой стали, подвергаемых деформации в условиях низких климатических температур.

Материалы и методика эксперимента

В качестве объектов исследования воздействия электрического тока в металлических конструкциях использовали сосуды высокого давления (кислородные баллоны) объемом 40 литров из стали Ст 45 с химическим составом С-0,45 %, Si-0,30 %, Мп-0,85 %. Выбор сосудов осуществлялся таким образом, чтобы год изготовления, рабочие и проверочные давления сосудов и марки стали по клейму совпадали. Также перед проведением эксперимента измерялись толщина ультразвуковым толщиномером ТУЗ-2 и периметры сосудов в трех сечениях. Испытания проводились

попарно, в каждом случае вышеизложенные

характеристики совпадали или имели несущественную разницу, которой можно пренебречь, т. е. сосуды были практически одинаковы. На поверхность сосудов в центральной части наносится продольный надрез (искусственный дефект) глубиной 2 мм, шириной 2,5 мм и длиной 50 мм.

Сосуды разрушались по методике испытаний сосудов высокого давления с искусственным дефектом (надрезом) внутренним давлением с

регистрацией данных в реальном времени [5]. В данной методике для нагружения сосуда внутренним давлением используется расширение замерзающей воды, т. е. сосуд, наполненный жидкостью и

герметизированный, подвергается воздействию низких температур, жидкость по мере кристаллизации расширяется, тем самым создавая внутреннее давление, разрушающее в итоге сосуд от искусственного дефекта по достижению критического уровня. Данная схема нагружения является жесткой, без релаксации напряженно-деформированного состояния стенок сосуда: в ходе кристаллизации жидкости, образуется ледяная оболочка на внутренней стенке сосуда с жидким ядром в центре, в результате чего внутреннее давление, увеличивающееся по мере нарастания льда со стороны жидкого ядра, передается на стенки сосуда через твердое тело - лед. Для автоматизации измерения данных в ходе эксперимента использовался автоматизированный измерительный

комплекс «Теркон». Комплекс производит измерение и регистрацию внутренней и внешней температур сосуда, температуру окружающей среды и давления внутри сосуда. Электрический контакт с образцами во всех экспериментах осуществлялся медным проводом диаметром в 1,5 мм.

В один из сосудов подается электрический ток величиной 9В источником питания постоянного тока Б5-43, второй без воздействия тока. Схема воздействия током показана на рис. 1.

Сосуды были залиты водой, герметизированы и одновременно поставлены в среду с низкой температурой. Температура измерялась термопарами внутри и на стенках сосудов. В момент разрушения она составляла -35 °С и поддерживалась температурой окружающей среды.

Основные результаты и их обсуждение

Существование эффекта и возможность его экспериментального наблюдения иллюстрируются на графике испытаний на одноосное растяжение цилиндрических образцов из стали Ст 3 при низких температурах. Образцы выполнены по ГОСТу 11150-84, длина рабочей зоны составляла 35 мм, диаметр - 5 мм. Испытание проводили на разрывной машине «Е'шск Roel-600» с охлаждающей камерой под воздействием внешнего электрического поля. В целях исключения нагрева образцов была задана скорость нагружения, равная 3,3*10-5м*с-1, при которой изменение температуры ДТ не превышало

Измерительный комплекс ‘Теркон

Рис. 1. Схема подведения электрического потенциала к сосуду давления

2 К [6]. На образец подается электрический потенциал величиной 5В источником питания постоянного тока Б5-43, схема подключения показана на рисунке 1. Характеристики, определяемые при испытании, фиксировались на диаграмме ст-5.

На рисунке 2 приведена диаграмма серии испытаний на растяжение образцов при трех разных условиях: 1 - 10 образцов при -50 оС без наложения потенциала; 2 - 10 образцов при -50 оС с наложением потенциала 5В; 3 - 10 образцов при комнатной температуре без наложения потенциала. Результаты испытания выбраны в соответствии со статистическими методами обработки результатов механических испытаний. Из графиков видно, что при воздействии тока происходит заметное изменение механических свойств, в данном случае увеличивается пластичность материала, относительное удлинение которого на 5 % больше, чем в случае без наложения потенциала.

Рассмотрим результаты, полученные на сосудах № 1 и № 2 1980 года изготовления. Как видно из графиков (рис. 3), сосуд № 1 под воздействием электрического потенциала разрушился через 13 ч 30 мин при давлении 43 МПа, сосуд № 2 -через 12 ч 10 мин при давлении 38 МПа.

Для определения величины пластической деформации после разрушения сосудов были измерены периметры в ранее измеренных местах без учета раскрытия трещины. Значения данных величин представлены в таблице.

Стоит отметить, что в серии испытаний сосуды,

к которым был подключен электрический ток, разрушились с ветвлением трещины, а сосуды без воздействия - без ветвления трещины (рис. 3). Этот факт можно объяснить тем, что конструкция дольше сопротивляется разрушению, исчерпывает свою пластичность, накапливает более высокое внутреннее давление и затрачивает большую работу при разрушении.

Природа воздействия электрического тока на пластичность металлов и сплавов достаточно сложна и может быть связана как с непосредственным воздействием электронов проводимости на подвижность дислокаций, так и с нагревом при выделении джоулева тепла, а также, возможно, с пинч- и скин-эффектами [6-7]. В наших случаях существенного выделения джоулева тепла не установлено, что могло бы препятствовать объяснению полученных результатов. Как известно, воздействие электрического потенциала приводит к изменению плотности поверхностной энергии, что, в свою очередь, вызывает соответствующие, изменения механических свойств. Мы объясняем полученный эффект тем, что действия электрических полей на нагружаемый объект могут изменять распределение внутренних напряжений, структуру, состояние границ зерен, помогают беспрепятственному движению дислокаций и в конечном итоге существенно повышают пластичность. Но все эти процессы являются обратимыми и действуют только при воздействии тока, что не дает возможности более

Таблица

Пластические свойства сосудов давления (сталь 45) в исходном состоянии и после испытания на разрушение при одновременном воздействии электрического тока и без него

Условия испытания Внешний диаметр сосуда, мм 8, %

верх середина низ

Внешнее электрическое поле 694/701,5 692/700,5 694/701 1,08

Без воздействия электрического поля 690/695,5 692/697,5 692/697 0,77

Примечания: 1. Числитель - исходное состояние, знаменатель - после испытания. 2. Параметр 8 определяли как отношение разности значений диаметра после разрушения и в исходном состоянии к значению диаметра в исходном состоянии. Пластическую деформацию считали как среднее

глубокого исследования данного эффекта на структурном уровне.

Выводы

Исследуя влияние внешнего электрического поля на конструкции из углеродистых сталей при низких температурах, можно судить о существовании некоего эффекта пластификации, который отодвигает процесс хрупкого разрушения металла на более поздние стадии деформации, способствуя тем самым сдвигу границы хладноломкости в сторону более низких температур. Обнаруженные эффекты показывают связь между электрическими зарядами и механическими свойствами металлов. Это важно для понимания сущности воздействия электрического тока на пластичность металлов.

Следует подчеркнуть, что статистика подобных экспериментов еще не набрана, поэтому говорить об обнаружении эффекта преждевременно. Для более точного утверждения данного результата необходимо дальнейшее исследование по этому направлению,

проведение различных механических и натурных испытаний при низких температурах. Результаты исследований будут представлять собой единый комплекс решения задач обеспечения заданного уровня эксплуатационной надежности конструкций, используемых при низких температурах в Якутии.

Л и т е р а т у р а

1. Когаев В. П. Расчеты на прочность при напряжениях, переменных по времени. - М.: Машиностроение, 1977.

- 232 с.

2. Кузьмин В. Р. Расчет уровня хладостойкости

элементов конструкций. - Новосибирск: Наука, 1986.

- 145 с.

3. Махутов Н. А., Лыглаев А. В., Большаков А. М. Хладостойкость (метод инженерной оценки) - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2011. - 195 с.

4. Зуев Л. Б., Данилов В. И., Филипьев Р. А., Котова

Н. В. О вариациях механических характеристик металлов

а, ЫГЬ

Рис. 3. Кривые разрушения сосудов давления. № 1 - сосуд под воздействием электрического потенциала; № 2 - сосуд без внешнего воздействия

Рис. 4. Фото разрушения сосудов давления. слева - сосуд под воздействием электрического потенциала; справа - сосуд без внешнего воздействия

при действии электрического потенциала // Металлы. -2010. - № 4. - С. 39-45.

5. Лыглаев А. В., Федоров С. П., Левин А. И. и др. Хладостойкость и прочность крупногабаритных тонкостенных элементов конструкций // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 1998. - Т. 64. - № 6. - С. 52-55.

6. Баранов Ю. В. Эффект А. Ф. Иоффе на металлах. -М.: МГИУ, 2005. - 140 с.

7. Спицын В. И., Троицкий O. A. Электропластическая деформация металлов. - М.: Наука, 1985. - 160 с.

R e f e r e n c e s

1. Kogaev V. P. Raschety na prochnost' pri

napriazheniiakh, peremennykh po vremeni. - M.: Mashinostroenie, 1977. - 232 s.

2. Kuz'min V. R. Raschet urovnia khladostoikosti

elementov konstruktsii. - Novosibirsk: Nauka, 1986. - 145 s.

3. Makhutov N. A., Lyglaev A. V., Bol'shakov A. M. Khladostoikost' (metod inzhenernoi otsenki) - Novosibirsk: Izd-vo SO RAN, 2011. - 195 s.

4. Zuev L. B., Danilov V. I., Filip'ev R. A., Kotova

N. V. O variatsiiakh mekhanicheskikh kharakteristik metallov pri deistvii elektricheskogo potentsiala // Metally. 2010. № 4. S. 39-45.

5. Lyglaev A. V., Fedorov S. P., Levin A. I. i dr.

Khladostoikost' i prochnost' krupnogabaritnykh tonkostennykh elementov konstruktsii // Zavodskaia laboratoriia. Diagnostika materialov. 1998. - T. 64. № 6. - S. 52-55.

6. Baranov Iu. V. Effekt A. F. Ioffe na metallakh. - M.:

MGIU, 2005. - 140 s.

7. Spitsyn V. I., Troitskii O. A. Elektroplasticheskaia

deformatsiia metallov. - M.: Nauka, 1985. - 160 s.