Акустико-эмиссионный метод контроля при оценке степени деградации механических свойств и остаточного ресурса работоспособности трубных сталей

АКУСТИКО-ЭМИССИОННЫЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ПРИ ОЦЕНКЕ СТЕПЕНИ ДЕГРАДАЦИИ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА РАБОТОСПОСОБНОСТИ

ТРУБНЫХ СТАЛЕЙ Н.П. Лузина

Научный руководитель - д.т.н., профессор В.Л. Ткалич

Рассмотрены возможности и перспективы акустико-эмиссионной диагностики для оценки структурного состояния металлических материалов на различных стадиях разрушения в условиях статического деформирования. Показано, что параметры акустической эмиссии (энергия, амплитудный и частотный спектры и др.) уже на стадии деформационного упрочнения позволяют оценить структурную деградацию материала (степень охрупчивания, зарождение микротрещин и т.п.), а также оценить остаточный ресурс работоспособности металлических материалов.

Введение

Зарождение и развитие трещин, пластическая деформация, коррозионное растрескивание, фазовые превращения и другие процессы динамической перестройки структуры материала сопровождаются излучением акустических (ультразвуковых) сигналов акустической эмиссии. Регистрация сигналов акустической эмиссии, определение параметров и координат источников сигналов акустической эмиссии позволяет на ранних стадиях структурных изменений идентифицировать дефекты структуры материала, контролировать скорость их развития, оценивать степень их опасности и прогнозировать остаточный ресурс работы материала и конструкции в целом.

Метод акустико-эмиссионной диагностики как метод неразрушающего контроля обладает не только более высокой производительностью (в сотни раз превосходящей производительность классических методов неразрушающего контроля, таких как рентген, ультразвук и др.), но и дает ответ на главный вопрос - имеются ли в материале конструкции потенциально опасные дефекты, которые в будущем могут стать причиной разрушения, и оценить степень их опасности, а также повысить безопасность эксплуатации, продлить ресурс работы оборудования, заменить гидравлические испытания сосудов давления пневматическими, существенно сократив сроки регламентных работ технологических установок.

Метод акустико-эмиссионного неразрушающего контроля основан на регистрации и последующей обработке параметров акустических сигналов ультразвукового диапазона, сопровождающих локальную перестройку структуры материала, зарождение и развитие микро- и макродефектов.

Метод акустической эмиссии (АЭ) реализуется в процессе активного нагружения контролируемого объекта. Для проведения АЭ диагностики к объекту контроля должны быть приложены статические и/или динамические нагрузки повышением давления при гидравлических или пневматических испытаниях, либо должны быть созданы поля напряжений механическим нагружением объекта.

Оценка степени повреждаемости конструкционных сталей при статическом и циклическом деформировании с использованием метода акустической эмиссии

В процессе пластической деформации пластичных металлических материалов наблюдается постепенное накопление и взаимодействие дефектов кристаллической решетки (вакансий, междоузельных атомов, дислокаций и дисклинаций, двойников, границ блоков и зерен и т.п.). Вследствие этого на определенной стадии деформации в материале зарождаются сначала субмикротрещины, затем микротрещины, которые,

достигнув критического размера, приводят к необратимой повреждаемости материала, развитие которой в конечном итоге приводит к катастрофическому разрушению.

Выявление степени критической повреждаемости в ответственных металлических конструкциях является в настоящее время одним из важнейших направлений в науке о прочности материалов. Особенно это важно для металлических конструкционных материалов, работающих в условиях циклических нагрузок, поскольку критический размер дефекта в этом случае чрезвычайно мал, а высокая частота нагружения может привести к быстрому его развитию и разрушению материала. В условиях циклического деформирования зарождение микротрещин чаще всего происходит при напряжениях ниже статического предела текучести за счет интенсивных процессов микропластической деформации на протяжении многих циклов нагружения в отдельных наиболее благоприятно ориентированных зернах поликристаллических материалов [6, 8, 9].

Обнаружение микротрещин (или других опасных дефектов) определенного размера связано с возможностью методов неразрушающего контроля (НК). Применение такого метода НК, как акустико-эмиссионная (АЭ) диагностика, открывает новые возможности в создании измерительных средств НК, позволяющих получить количественные характеристики структурного состояния и остаточного ресурса работы металлических конструкций [2-4, 6, 7, 11].

Принципиально новый уровень в исследованиях и контроле структурного состояния металлических материалов открывается при использовании акустико-эмиссионной диагностики неразрушающего контроля с регистрацией комплекса аку-стико-эмиссионных характеристик материала. В настоящей работе с использованием этого метода исследовали процессы пластической деформации и разрушения при статическом деформировании конструкционных сталей.

Исследование характеристик АЭ при статических испытаниях на растяжение

В качестве исследуемого материала были выбраны конструкционные стали 19Г (0,16-0,22 С, 0,20-0,40 0,7-1,00 Мп, <0,30 Сг, <0,30 Си и <0,30 N1, вес. %) и 20Х13 (0,23С, 0,45Мп, 0,27Б1, 0,013Р, 0,008Б, 12,8Сг, 0,18№, 0,1Си, в %) и Си <0,30 . Сталь 19Г используется для изготовления труб для магистральных трубопроводов, а сталь 20Х13 широко применяется в ответственных конструкциях.

На рис. 1 для примера представлена диаграмма изменения интенсивности NАЭ и

суммарного числа сигналов АЭ NАЭ от времени (степени деформации), совмещенная с

диаграммой напряжение-деформация при одноосном растяжении образца из стали 19Г в исходном структурном состоянии. Похожая диаграмма была получена и на образцах из стали 20Х13.

Изменение параметров АЭ коррелирует с основными стадиями деформации на диаграмме растяжения. В работе [9] предложено процесс пластической деформации до образования шейки в поликристаллических металлических металлах при статическом растяжении рассматривать состоящим из следующих стадий: микротекучести (макро-упругая область, где соблюдается закон Гука), текучести (деформация Людерса-Чернова) и деформационного упрочнения. В случае отсутствия площадки текучести макроупругая область сразу переходит в стадию деформационного упрочнения.

Первый максимум интенсивности АЭ NАЭ регистрируется в области микротекучести (ниже предела текучести), а второй, с наивысшим пиком интенсивности, - в районе предела текучести, при этом в спектре сигналов АЭ преобладают высокочастотные компоненты (выше 400 кГц, рис. 2) [6].

Рис. 1. Диаграммы изменения интенсивности сигналов ЫАЭ и суммарного числа импульсов АЭ ЫАЭ в зависимости от времени деформирования (степени деформирования) при статическом растяжении образца из стали 19Г в исходном структурном состоянии

Рис. 2. Распределение спектральной плотности мощности Б сигналов АЭ в зависимости от частоты сигналов при деформации в области предела текучести при статическом растяжении образца из стали 19Г в исходном структурном состоянии

Уже давно известно, что в железе, углеродистых и низколегированных сталях АЭ часто резко возрастает, начиная с напряжений меньших предела текучести. Для отожженного железа этот максимум наступает примерно при напряжении 0,7 от. Также известно [8, 9], что в макроупругой области у этих материалов наблюдается преимущественное пластическое течение поверхностных слоев металла.

Ряд исследований по изучению поведения деформации поверхностных слоев в области микротекучести был выполнен с использованием методов рентгеноструктурно-го анализ. Так, в работах [1, 5] было показано, что на зависимостях «деформация решетки - приложенное напряжение» при определенном напряжении, меньшем макроскопического предела текучести, у углеродистых сталей отмечается резкое изменение деформации кристаллической решетки, которая характеризуется параметром т*

(рис. 3) с образованием «зуба» на этой кривой [1]. Если образец разгрузить, то возникает остаточная деформация решетки.

-вдо и цШ5 врою да* ФШ Параметр ш, характсршувдтий дсфорчйтсню

* рНСтя_х~нрнм:1гой решетки

Рис. 3. Изменение параметра т* с ростом напряжения в образце из углеродистой стали с 0,61 %С

В работах [8, 9] высказано предположение, что такое внезапное изменение параметров кристаллической решетки в области микротекучести в поверхностном слое углеродистых сталей может быть связано с мгновенным прохождением фронта Людерса-Чернова в поверхностных зернах поликристалла. Анализ также показал [8, 9], что движение и размножение дислокаций в этом случае преимущественно происходит в области границ зерен, а эксперименты по стравливанию поверхностного слоя показали, что этот эффект связан с более ранним пластическим деформированием поверхностных слоев металла. У сталей 20 и 09ГСФ максимум акустической активности приходится на область квазиупругих деформаций, и, по мнению авторов этих работ, он связан с поверхностными эффектами. Кроме того, в работах [8, 9] более детально рассмотрен вопрос об особенностях микропластической деформации в макроупругой области у углеродистых сталей с учетом поверхностных эффектов.

Таким образом, с учетом рассмотренных соображений, первый пик акустической эмиссии на стадии микротекучести можно связать с коллективным движением и размножением дислокаций в области границ зерен преимущественно поверхностного слоя, а также выходом их на поверхность. Зарождение новых дислокаций в основном происходит на границах зерен и микроконцентраторов напряжений непосредственно на поверхности металла. Единичный импульс акустической эмиссии в области микротекучести может произойти при одновременном прорыве примерно 4-105 дислокаций. Пики акустической эмиссии при прохождении деформации Людерса-Чернова на площадке текучести связаны с процессами прорыва дислокационной лавины во всем объеме металла на линии фронта текучести. При этом основными факторами также являются процессы выхода дислокаций на поверхность и преимущественное увеличение плотности дислокаций у границ зерен.

Для стадии деформационного упрочнения, наиболее интересной с точки зрения изменения структуры металла, характерна АЭ с преобладанием мощных дискретных импульсов. На этой стадии происходит значительное увеличение плотности дислокаций с выходом дислокационных скоплений на границы зерен и когерентные границы

фазовых включений, формированием дислокационной ячеистой структуры с критической плотностью дислокаций и образованием субмикротрещин. И.А. Одинг и Ю.П. Либеров [5] показали, что уже на стадии деформационного упрочнения существует критическое напряжение, при котором на поверхности металлов зарождаются субмикротрещины длиной порядка 1-5 мкм. Для железа это критическое напряжение при комнатной температуре соответствует пластической деформации 7-9 %. Выше этого уровня перечисленные процессы сопровождаются процессами АЭ значительной амплитуды и энергии. В распределении спектральной плотности мощности АЭ на стадии деформационного упрочнения выделяются два максимума [6]: первый в диапазоне 100-350 кГц, а второй - в диапазоне 350-800 кГц, при этом спектр простирается до 1 мГц (рис. 4).

2,4

2,2

2.0

< [Л

(А

Л 1,6

ь

2 1,4

с

5 1,0

I 0.8

Я

о.

Е 0Т6

V

0.2

о.о

Рис. 4. Распределение спектральной плотности мощности Б сигналов АЭ

в зависимости от частоты на стадии деформационного упрочнения при статическом растяжении образца из стали 19Г в исходном структурном состоянии

Высокочастотный максимум спектральной плотности мощности АЭ (350-800 кГц) связан с релаксацией упругой энергии посредством увеличения плотности подвижных дислокаций, а низкочастотный (100-350 кГц) - с релаксацией упругой энергии при выходе дислокационных скоплений на межзеренные или межфазные границы, а также в момент образования микротрещин. Увеличение плотности дислокаций приводит к сокращению длины свободного пробега и плотности подвижных дислокаций (уменьшается амплитуда и энергия сигналов АЭ), а сокращение активно деформируемого объема обусловливает постепенное снижение уровня АЭ, который достигает своего минимума в момент локализации деформации (образования шейки).

Заключение

Рассмотрены возможности и перспективы акустико-эмиссионной диагностики для оценки структурного состояния металлических материалов на различных стадиях

Ш 600

Чистота, кГц

1000

1200

пластической деформации и разрушения в условиях статического деформирования. Исследования проведены на образцах из конструкционных сталей 19Г и 20Х13. Показано, что параметры акустической эмиссии (энергия, амплитудный и частотные спектры и др.) на стадии деформационного упрочнения при статическом растяжении коррелируют со структурным состоянием металла и степенью его повреждаемости. Энергетические параметры, в частности, суммарная энергия акустической эмиссии, могут служить критериями структурного состояния и основой методики оценки остаточного ресурса металла.

Предлагаемая методика определения повреждаемости конструкционных сталей может быть использована для оценки остаточного ресурса ответственных металлических изделий (например, магистральных трубопроводов, сосудов давления, лопаток турбин и т. п.).

Литература

1. Faninger G. Einfluss des Gefiiges auf das Verfor-mungsverhalten unlegierter und chromlegierter Stahle. // Harterei-Techn. Mitt. B.22. 1967. 341-350.

2. Баранов В.М., Гриценко А.И., Карасевич А.М. Акустическая диагностика и контроль на предприятиях топливо-энергетического комплекса. М., Наука. 1998. 304 с.

3. Башков О.В., Семашко Н.А. Прогнозирование механических характеристик сплавов методом акустической эмиссии. // Материаловедение. 2004. С. 41-44.

4. Березин А.В., Козинкина Л.М., Рыбакова Л.М. Акустическая эмиссия и деструкция пластически деформированного металла. // Дефектоскопия. 2004. С. 9-14.

5. Одинг И.Л., Либеров Ю.П. Накопление дефектов и образование субмикроскопических трещин при статическом деформировании армко-железа. // Изв. АН СССР. ОТН. Металлургия и топливо, горное дело. 1964. С. 113-119.

6. Пенкин А.Г., Терентьев В.Ф. Оценка степени повреждаемости конструкционной стали 19Г при статическом и циклическом деформировании с использованием метода акустической эмиссии. // Металлы. 2004. С. 78-85.

7. Семашко Н.А., Шпорт В.И., Марьин Б.Л. Акустическая эмиссия в экспериментальном материаловедении. М., Машиностроение. 2002. 239 с.

8. Терентьев В. Ф. О пределе выносливости металлических материалов. // Металловедение и термическая обработка металлов. 2004. С. 15-19.

9. Терентьев В.Ф. Усталость металлических материалов. М., Наука. 2003. 254 с.

10. Терентьев В.Ф. Усталостная прочность металлов и сплавов. М., Интермет инжиниринг. 2002. 288 с.

11. Шоршоров M.X., Гусев О.В., Пенкин А.Г. Акустическая эмиссии как метод исследования закономерностей деформации и разрушения при испытании композиционных материалов. Волокнистые и дисперсно-упрочненные композиционные материалы. М., Наука. 1976. С. 93-101.