Акустико-емісійна оцінка воднево-корозійного розтріскування сталей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ЛУЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ФІЗИКО-МЕХАНІЧНИЙ ІНСТИТУТ ім. Г.В. КАРПЕНКА

НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ

Автореферат дисертації

на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

АКУСТИКО-ЕМІСІЙНА ОЦІНКА ВОДНЕВО-КОРОЗІЙНОГО РОЗТРІСКУВАННЯ СТАЛЕЙ

01.02.04-МЕХАНІКА ДЕФОРМІВНОГО ТВЕРДОГО ТІЛА

СЕЛІВОНЧИК Тетяна Василівна

УДК 539.3:620.191.33:620.179.17

Луцьк - 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Луцькому державному технічному університеті та у Фізико-механічному інституті ім. Г.В. Карпенка Національної Академії наук України, м. Львів.

Науковий керівник - доктор технічних наук, старший науковий співробітник СКАЛЬСЬКИЙ Валентин Романович, Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка Національної академії наук України, м. Львів, завідувач відділу акустико-емісійного діагностування елементів конструкцій.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, член-кореспондент НАН України АНДРЕЙКІВ Олександр Євгенович, Національний університет імені Івана Франка, м. Львів, професор кафедри механіки;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

КНИШ Віталій Васильович, Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона Національної академії наук України, м. Київ, старший науковий співробітник відділу міцності зварних конструкцій

Захист відбудеться “ 06 ” листопада 2007 року о 13⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 32.075.01 у Луцькому державному технічному університеті за адресою: м. Луцьк, вул. Львівська, 75, 43018.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Луцького державного технічного університету (м. Луцьк, вул. Львівська. 75).

Автореферат розіслано “ 05 ” жовтня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук О.Г. Бондарський

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми досліджень. Одним з найнебезпечніших факторів, що знижує міцність і довговічність металічних елементів конструкцій, є одночасний вплив робочого середовища та механічного навантаження на фізико-хімічні властивості матеріалів. Така ситуація виникає під час експлуатування більшості обладнання відповідального призначення. Особливо це стосується теплової та атомної енергетики, хімічної і нафтохімічної промисловостей, трубопровідного транспорту, а також інших галузей народного господарства, де використовуються обладнання і конcтрукції, що працюють в контакті з корозійними та водневмісними середовищами.

В Україні більша частина такого обладнання вже вичерпала свій проектний ресурс. Тому, гостро назріла необхідність створення нових надійних методів оцінки міцності та діагностування довговічності виробів і елементів конструкцій, які ще не виведені з довготривалої експлуатації. Хоча на даний час існує багато різних шляхів розв'язання цієї проблеми, але всі вони є ще не досить досконалими щодо оцінки ранніх стадій зародження і розвитку руйнування у матеріалах (головно сталях), спричиненого одночасною дією вище перерахованих факторів, а також не дають можливості виявляти їх динаміку розвитку. Цю проблему можливо вирішити, глибоко вивчивши вплив на механічні властивості таких найпоширеніших конструкційних матеріалів, як сталі, воднево-корозійного та механічного чинників сучасними методами, що ґрунтуються на нових фізичних явищах.

Воднево-корозійне розтріскування конструкційних сталей має свої особливості: ранні його стадії протікають всередині матеріалу і тривалий час це відбувається без виходу тріщин на зовнішню поверхню матеріалу, що додатково ускладнює їх виявлення. Виходячи із цього, актуальність досліджень полягає якраз у застосуванні для контролю та вивчення цих явищ, а також кількісної оцінки пошкодженості матеріалу, методу акустичної емісії (АЕ). Адже таке локальне руйнування супроводжується процесами, які генерують пружні хвилі АЕ.

У світовій практиці у сфері застосування явища акустичної емісії існує значний прогрес у розвитку апаратурної бази методу зі створенням багатоканальних акустико-емісійних комплексів і, в основному, розв'язанні задачі локації джерел акустичної емісії на великогабаритних об'єктах. Поряд із цим також сформульовані напрямки досліджень механізмів її генерування на дислокаційному рівні з використанням різних параметрів сигналів акустичної емісії для отримання необхідної якісної інформації під час інтерпретування результатів наукових досліджень процесів руйнування. Визначення ж ранніх стадій воднево-корозійного розтріскування сталей, а також динаміки розвитку такого їх руйнування, знаходиться на етапі становлення та розвитку. Ось чому вибраний напрямок досліджень спрямований на розв'язання актуальної для низки галузей промисловості України науково-технічної проблеми - розробки методів АЕ-оцінки зародження та динаміки розвитку об'ємної пошкодженості конструкційних сталей у результаті їх воднево-корозійного розтріскування.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Дослідження за темою дисертації виконувалося в рамках держбюджетних наукових тем за відомчим замовленням НАН України: 2004-2006 рр. - „Розробка методик і засобів виявлення зародження та розвитку тріщин у великогабаритних об'єктах під впливом навантаження та робочого середовища”, № держреєстрації (№д/р) 0104U004570, дисертант - виконавець; 2005-2007 рр. - „Створення методів і засобів АЕ-оцінки розвитку об'ємної пошкодженості конструкційних матеріалів під дією навантаження та наводнення”, №д/р 0105U004305, дисертант - виконавець.

Мета і задачі дослідження: на основі теоретико-експериментальних підходів створити методики та провести АЕ-оцінку зародження та динаміку розвитку воднево-корозійного розтріскування конструкційних сталей.

Для досягнення поставленої мети необхідно розв'язати такі науково-технічні задачі:

· створити модель корозійно-водневого розтріскування конструкційних сталей під дією електролітичного наводнення та наводнення з газової фази;

· дослідити особливості генерування сигналів АЕ за електролітичного наводнення сталі;

· розробити методики і експериментально оцінити розтріскування конструкційних сталей під дією корозійно-механічного чинника;

· розробити теоретичні засади та провести експерименти з визначення за сигналами АЕ нижнього порогового значення коефіцієнта інтенсивності напружень під час корозійного та водневого розтріскування сталей;

· створити експериментальну методику АЕ-оцінки впливу температури та середовища на динаміку руйнування конструкційних сталей під впливом термоциклування у газоподібному середовищі;

· встановити критичні значення акустико-емісійної міри об'ємної пошкодженості конструкційної сталі у залежності від ступеня її наводнення.

Об'єкт дослідження. Процеси зародження та розвитку мікро- та макротріщин в об'ємі конструкційних сталей під дією статичних навантажень та робочих середовищ і пружні динамічні поля, які вони при цьому спричинюють у твердому тілі.

Предмет дослідження. Пошкодженість конструкційних сталей з урахуванням впливу робочих середовищ та механічних чинників у деформованих твердих тілах за параметрами сигналів акустичної емісії.

Методи досліджень. Для досягнення сформульованої в роботі мети використовували моделювання фізичних процесів руйнування з генеруванням сигналів АЕ під час зародження та розвитку корозійно-водневого розтріскування конструкційних сталей, математичне моделювання, розвинутий автором акустико-емісійний методи неруйнівного контролю таких процесів, статистичні методи обробки результатів експериментальних досліджень, фізичний експеримент.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у розв'язанні актуальної науково-технічної задачі, а саме - розробки методів АЕ-оцінки воднево-корозійного розтріскування та об'ємної пошкодженості конструкційних сталей за сигналами АЕ. Це підтверджено такими результатами:

Ё запропоновано модель, що описує фізичні аспекти воднево-корозійного розтріскування конструкційних сталей і ґрунтується на синтезі відомих літературних даних та результатів власних експериментальних досліджень;

Ё створено методологічні засади для оцінки ранніх стадій зародження та розвитку воднево-корозійного розтріскування сталей методом АЕ;

Ё за акустико-емісійною мірою об'ємної пошкодженості конструкційної сталі здійснено експериментальне ранжування ступеню її електролітичного наводнення;

Ё сформульовано теоретичні засади і створено новий метод експрес-оцінки нижнього порогового значення коефіцієнта інтенсивності напружень за водневого і корозійного розтріскування конструкційних сталей;

Ё створено методологічні засади і здійснено АЕ-оцінку впливу темпера-турного та водневого чинників на розвиток руйнування у конструкційній сталі з різним ступенем деградування.

На підставі цього розроблено нові:

Ш методику АЕ-оцінки статичної тріщиностійкості конструкційних сталей у робочому середовищі;

Ш експериментальну АЕ-методики кількісної оцінки ступеня пошкодженості конструкційних сталей під час їх корозійного чи водневого розтріскування та визначення динаміки протікання таких процесів;

Ш методологію оптимізації геометричних розмірів хвилеводів АЕ, яка враховує власні частоти первинного перетворювача сигналів АЕ, їх заникання, вплив температурного поля на перетворювач тощо.

Ш методологію АЕ-оцінки пошкодженості конструкційних сталей під впливом воднево-механічного чинника та утворення у них мікро- та макротріщин під час термоциклування у робочому середовищі.

Обґрунтованість і вірогідність отриманих результатів та висновків дисертаційної роботи забезпечуються використанням фундаментальних положень фізики і механіки руйнування матеріалів, динамічної теорії поля, коректною постановкою експериментальних досліджень, співставленням деяких часткових результатів із відомими у літературі, застосуванням в експериментальних дослідженнях сучасних засобів відбору, обробки та реєстрації необхідної інформації.

Практичне значення отриманих результатів. Створені методологічні засади експрес-оцінки статичної тріщиностійкості конструкційних сталей та методику виявлення розвитку водневих тріщин застосовували для діагностування стану резервуарів для зберігання нафти ЗАТ нафтопровід „Дружба” м. Броди.

Результати досліджень використані також для діагностування зварних з'єднань під час статичного навантаження рам та візків пасажирських вагонів у Пасажирському вагонному депо Ковель.

Апробація результатів роботи. Основні результати роботи доповідалися та обговорювалися на міжнародних конференціях “Проблеми корозії та протикорозійного захисту матеріалів.” (Львів, 2006), „Нові технології, методи обробки та зміцнення деталей енергетичних установок” (Запоріжжя - Алушта, 2006), “Современные проблемы и перспективы механики” (Ташкент, 2006), “Конструкційна міцність матеріалів і ресурс обладнання АЕС. Ресурс 2006.” (Київ, 2006), “Деформация и разрушение материалов. DFМ-2006”, (Москва, 2006), 12-ій Міжнародній науково-технічній конференції-виставці “ЛЕОТЕСТ-2007, Фізичні методи та засоби контролю середовищ, матеріалів та виробів” (Славське, 2007), 8-міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків у Львові (Львів, 2007), 4-й Міжнародній конференції “Воднева економіка та воднева обробка матеріалів ВОМ-2007”, (Донецьк, 2007).

У повному обсязі робота доповідалась на наукових семінарах: відділу акустико-емісійного діагностування елементів конструкцій Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка НАН України, м. Львів (керівник семінару - член-кореспондент НАН України, д.т.н., професор Андрейків О.Є.), науковому семінарі зі захисту дисертацій у Луцькому державному технічному університеті (керівник семінару - д.т.н., професор Божидарнік В.В.).

Публікації та особистий внесок здобувача. Основні результати досліджень, які відображені в дисертації, опубліковані у 15-ти наукових працях: 9-ти статтях у наукових періодичних вітчизняних виданнях, журналах і збірниках праць, що відповідають вимогам ВАК України до публікацій результатів дисертаційних робіт у фахових виданнях [1-9], у збірниках і тезах праць міжнародних конференцій [10-15].

У працях [3,4,7,8] здобувачем розроблено окремі методологічні основи та проведено експериментальні дослідження, узагальнено отримані результати та підготовлено рукописи до друку, а у працях [5,6,9-14] здобувач систематизувала, провела аналіз і синтез даних із літературних джерел, підготовила до друку рукописи. У решті спільних публікацій дисертанту належать постановка та проведення експериментальних досліджень, обробка, аналіз, інтерпретування та обговорення отриманих результатів і формулювання висновків.

Структура роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, які містять 49 рисунків і 5 таблиць, висновків, а також додатку та списку літератури, що має 182 назви. Обсяг основного тексту дисертації займає 141 сторінку. Повний обсяг роботи - 164 сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрито сутність і стан вивчення наукової проблеми, обґрунтовано доцільність проведення досліджень та актуальність теми дисертації, сформульовано її мету, відзначено новизну отриманих результатів, наведено дані про їх апробацію та практичне значення, про публікації, що відображають основний зміст роботи, а також зазначено особистий внесок здобувача у публікаціях, підготовлених за участі співавторів.

У першому розділі на підставі аналізу літературних джерел показано, що останнім часом відбувся розвиток досліджень процесів воднево-корозійного руйнування твердих тіл із широким залученням для їх пізнання явища АЕ. Пов'язано це, в першу чергу, із потужним розвитком електро-ніки, що дало змогу створити дуже високочутливі, малогабаритні, з широкою гамою функціональних можливостей апаратурні засоби та інформаційно-вимірювальні системи і комплекси.

Як показав аналіз літературних джерел, суттєвий внесок у дослідження якісних параметрів процесів воднево-корозійного розтріскування матеріалів зробили такі вітчизняні та зарубіжні вчені: О.Андрейків, В.Гольцов, І.Дмитрах, М.Лисак, А.Майстренко, З.Назарчук, А.Недосєка, Г.Никифорчин, М.Новіков, В.Осадчук, Б.Патон, В.Похмурський, І.Походня, Г.Прокопенко, О.Романів, В.Стрижало, В.Скальський, В. Баранов, Є.Несмашний, В.Лунін, В.Маричев, В.Іванов, В.Друченко, S.Yuyama, W.Gerberich, C.Hartbower, R.Newman, S.Carpenter, T.Kishi, H.Okada, Y.Pollock, Н.Dunegan та ін. Вони найчастіше використовували такі параметри сигналів АЕ: амплітуда обвідної сигналу АЕ, сумарний рахунок імпульсів, швидкість рахунку, хвильове відображення сигналу, його спектральні характеристики тощо.

З огляду літературних джерел та електронних інформаційних носіїв випливає, що основним механізмом руйнування конструкційних сталей під впливом корозійного та водневого середовища з одночасною дією навантаження є водневе розтріскування.

У другому розділі показано, що вже з самого початку взаємодії середовища з металом, у результаті протікання відомих фізико-хімічних взаємодій, виділяються іони водню, які швидко проникають (дифундують) у метал. Збираючись там на дефектах кристалічної ґратки водень утворює молекули газу, а за результатами взаємодії з вуглецем - і молекули метану. Внаслідок цього створюються локальні парціальні тиски, які часто досягають десятків тисяч атмосфер і спричинюють утворення та розвиток мікро- та макротріщин. А це, в свою чергу, різко знижує характеристики міцності та тріщиностійкості конструкційних сталей, які працюють у воднево-корозійних середовищах.

За відомими результатами теоретико-експериментальних досліджень, а також враховуючи власні дані, отримані під час виконання дисертаційної роботи, створено модель виникнення та докритичного розвитку корозійно-водневих тріщин в металічних тілах. В її основу покладено фізико-хімічні процеси, що протікають у матеріалі, особливо у вершині тріщин, під час електролітичного переносу водню чи наводнення з газової фази. Модель полягає у прояві таких визначальних чинників, які супроводжуються генеруванням пружних хвиль АЕ. Корозійні процеси (анодне розчинення металу; катодні реакції; руйнування оксидних плівок; утворення гідридів;виділення та лопання бульбашок водню; електрохімічне розчинення металу); процеси, зумовлені взаємодією водню з металами (адсорбція і десорбція водню; дифузія іонів водню у металі; водневе окрихчення; утворення гідридів) пластичні деформації (прискорений рух дислокацій; коалесценція великих пор; об'єднання мікропор; двійникування; деформації зсуву і ковзання; утворення мікротріщин); утворення та розвиток макротріщин (стрибок мікротріщини у межах розміру зерна; злиття мікротріщин з утворенням зародку макротріщин; транскристалітний і міжзеренний сколи; руйнування включень; стрибок макротріщини).

У цьому ж розділі проведено дослідження ранніх стадій зародження та розвитку процесів воднево-корозійного розтріскування конструкційних сталей. Спочатку дослідили кінетику росту тріщини під час корозійного розтріскування (КР) сталі 38ХН3МФА. Призматичні зразки розмірами 1020120 мм³ навантажували триточковим згином за кімнатної температури у 3% розчині NaCl у робочій камері, а на боковій поверхні поза камерою розташовували первинний перетворювач АЕ (ПАЕ). Оскільки у більшості досліджень КР у якості інформативного параметра АЕ вибрана швидкість рахунку, то для співставлення отриманих нами результатів з відомими у літературі даними, було вибрано також цей параметр разом із реєстрацією амплітудного розподілу сигналів АЕ у реальному масштабі часу та сумарного рахунку N. За формою і тривалістю сигналів АЕ спостерігали осцило графічно. З початком навантаження записували акустограми сигналів АЕ (АГ) і проводили це безперервно, синхронно з руйнуванням зразка.

Будували часову залежність швидкості рахунку сигналів АЕ та довжини тріщини від значень K_I, а також зміну швидкості рахунку від швидкості росту корозійної тріщини. Криві апроксимовано відповідними залежностями.

а	б
Рис. 1. Часові залежності зміни швидкості рахунку сигналів АЕ (крива 1), приросту довжини тріщини l (крива 2) (а) та зміна швидкості рахунку від швидкості росту тріщини v (б) у сталі 38ХН3МФА.

Отримані дані показали, що період повільного росту тріщини залежить від прикладеного К_Іі обернено пропорційно. Встановлено, що за К_І = 16,2 МPa і початкової швидкості v = 210^-8 м/с сигнали АЕ вже перевищують фоновий рівень завад і реєструються зі швидкістю рахунку =2...3 імп./хв. Вони починають суттєво збільшувати свою амплітуду приблизно через 0,72…0,9 кс від початку випробувань, коли швидкість росту тріщини становить приблизно (1,4...1,8)Ч10^-6 м/с. Подальше підвищення швидкості росту тріщини призводить до зростання швидкості рахунку сигналів АЕ. За низьких значень К_Іі зростає тривалість періоду сповільненого росту тріщини. Це зумовлено, як свідчать літературні дані, механізмом локального розчинення металу у вершині тріщини. Тривалість відсутності сигналів АЕ тоді може сягати 5,4 кс. Але завжди спостерігається випередження наростання швидкості рахунку сигналів АЕ по відношенню до швидкості росту тріщини. Сигнали АЕ перевищували фоновий рівень за швидкості росту тріщини v >0,4Ч10^-7 м/с, що є у межах її критичних значень v₀, які були встановлені під час випробувань (v₀ = 0,5Ч10^-7 м/с). Саме за значень v₀ відбувається зміна механізмів КР (рис. 1,б).

Для дослідження за сигналами АЕ електролітичного наводнення були виготовлені зразки діаметром 4 мм зі сталі 40. Їх наводнювали шляхом катодної поляризації в 1 н. розчині за густини струму . На рис. 2 показано характер зміни швидкості рахунку сигналів АЕ під час наводнювання зразків. На початковому етапі наводнення реєструється підвищена кількість імпульсів АЕ, яка досягає свого максимуму через 4…5 годин від початку наводнення. Після цього швидкість рахунку сигналів АЕ безперервно зменшується і на кінцевому етапі стабілізується.

а	б
Рис. 2. Часові залежності швидкості рахунку сигналів АЕ (а) та пронормованого до усередненого її значення процентне співвідношення цього показника (б) під час електролітичного наводнення зразків зі сталі 40.

Проведені після наводнення металографічні дослідження показали наявність у зразках мікро - і макротріщин як на поперечних, так і на поздовжніх шліфах, що підтвердило генерування АЕ під час електролітичного наводнення конструкційної сталі. Таким чином, встановлено, що наростання активності АЕ корелює із часовою залежністю дифузії водню, а її максимум співпадає, очевидно, зі станом насичення матеріалу воднем (рис. 2,б). Як показали співвідношення напружень розриву зразків до межі текучості сталі, а також вимірювання діаметра шийки в місці розриву в зразках з найбільшим часом наводнення ці параметри залежать від часу наводнення. Отож застосування методу АЕ показало його ефективність у дослідженні впливу водню на зародження та розвиток руйнування у конструкційній сталі.

Третій розділ присвячено розробці АЕ-методики прискореного визначення нижнього порогового рівня коефіцієнта інтенсивності напружень (К_ІSCC). Встановлення цього параметра статичної тріщиностійкості матеріалів в робочому середовищі пов'язане з низкою методичних труднощів у порівнянні з аналогічними випробуваннями на повітрі. Вони зумовлені неможливістю візуального контролю за розвитком тріщини через тунелювання її всередині зразка (як правило без виходу на поверхню) та ускладнення доступу до зразка в робочій камері з агресивним середовищем. Тому для дослідження процесів, що проходять за водневого і корозійного розтріскування матеріалів, ефективно застосовують метод АЕ, який дозволяє визначити старт тріщини і час між її стрибками точніше, ніж традиційними методами.

Відомий експрес-метод визначення К_ISCC, запропонований О. Андрейківим та В. Скальським (патент України №2913). Його суть полягає у тому, що спочатку на декількох зразках визначають константу матеріалу В. З цією метою зразки випробовують на повітрі зі значеннями К_I , які зумовлюють великі швидкості росту тріщини. Паралельно реєструють кількість подій АЕ. Приріст тріщини Дl фіксують термофарбуванням, а після долому зразка - вимірюють згідно регламентованих методик. За відомими значеннями Дl (виміряних на доломі) та величиною зусилля навантаження визначають величину К_I. Маючи значення часу між стрибками тріщини t_c, Дl та К_I, за відомими залежностями отримують константу матеріалу В. Далі будують аналітичну криву залежності часу t_T очікування стрибка тріщини від величини К_I. Після цього приступають до навантаження зразка в робочому середовищі за умов випробувань, аналогічних як у випадку визначення В, із високих значень К_I (К_I> К_ISCC), фіксуючи при цьому час t_e, який реально визначає інтервал стрибка від моменту прикладання навантаження до появи сигналів АЕ певної амплітуди. Ступінчато зменшуючи навантаження, наближаються до аналітичної кривої. Значення К_ISCC визначають за точкою перетину апроксимаційної кривої точок експерименту із аналітичною кривою. Отож час проведення експериментальних досліджень на визначення К_ISCC за запропонованою методикою на порядки зменшується за рахунок фіксації стрибків тріщини методом АЕ, бо це дає змогу скорочувати час спостережень за зразком між ступенями навантаження. Однак у застосуванні цього способу є певні методичні труднощі, пов'язані з підбором таких зусиль навантаження, коли остання точка експериментально очікуваного часу появи САЕ попадала б на теоретичну криву або лягала б якомога ближче до неї. Це вимагає додаткових часових затрат і часто важко досягти бажаного результату через перехід експериментально встановленого КІН за теоретичну криву. Тобто на кінцевій фазі випробувань часто виникає ситуація, коли навантаження на цій ступені занижене і реально тріщина не розвиватиметься на протязі тривалого часу, що не забезпечує однозначного попадання кінцевої експериментальної точки на теоретичну криву.



Рис. 3. Схема оцінки K_ISCC сталі 40 у різних робочих середовищах (криві 1, 3 - випробування у водні; 2, 4 - у корозійному середовищі).

На розв'язання цієї проблеми нами запропоновано новий підхід, за яким пропонується навантажувати зразок аналогічно квазістатичним зусиллям від початку росту втомної тріщини до певної його величини, коли її ріст відсутній на часовому інтервалі спостережень, що становить більше 7,2…15,0 кс. Після цього графічно визначати K_ISCC, апроксимуючи аналітично отримані експериментальні точки. Це дає можливість додаткового покращення технологічності та скорочення часу визначення K_ISCC (рис.3).

У четвертому розділі показано, що у сучасних відповідальних виробах і конструкціях, у більшості випадків, на метал одночасно із дією названих чинників впливають термоцикли “нагрівання-охолодження”, які пришвидшують дифузію водню у конструкційні сталі і тим самим сприяють зародженню та розвитку тріщин за менші інкубаційні часові інтервали. У таких випадках для діагностування стану елементів конструкцій важливо застосовувати метод АЕ. Однак, за високих температур ПАЕ втрачають свої властивості. У таких випадках використовують хвилеводи сигналів АЕ, геометричні розміри яких та температурний розподіл за довжиною хвилевода розраховують з погодженням його амплітудно-частотних характеристик та допустимої температури з аналогічними параметрами ПАЕ. Аналогічні розрахунки проведені у роботі для хвилевода, який використовували для дослідження впливу термоциклування у робочому середовищі на деградування конструкційної сталі 12Х1МФ.

Спочатку методом скінченних елементів розрахували амплітудно-частотні характеристики хвилевода, з конструктивних міркувань вибравши апріорі діаметр 4 мм та довжину не більше 0,5 м. Циліндричний хвилевід вздовж твірної було розбито на 94, вздовж радіуса основи на 5, а вздовж контуру основи - на 8 частин. Збільшення кількості розбиттів у два рази дало відносну похибку зміни основної частоти 0,43%. Тому у подальших розрахунках використовували саме це розбиття. Розподіл нормованих нормальних переміщень на торцевій поверхні хвилеводу для f = 4,07x10⁵ Гц наведено на рис. 4.

Рис. 4. Розподіл нормальних зміщень на торці хвилеводу для f = 4,07x105 Гц

Для експериментальних АЕ-досліджень під час термоциклування зразків у робочому середовищі використовували камеру та методику нагрівання і охолодження, які створені у ФМІ НАНУ, м. Львів. Експерименти проводили разом з д.т.н. О. Студент та к.т.н. Б. Лонюком. Особливістю методики термоциклування є те, що зразки термоциклували не в області поліморфного перетворення, а в діапазоні температур від максимальної експлуатаційної, наприклад, для паропроводів, яка є істотно нижчою від температури початку поліморфного перетворення для цієї сталі, до кімнатної. Таким чином, в лабораторних умовах у певній мірі моделювали процес зупинки-пуску технологічного обладнання. Окрім того, в методиці використали високу швидкість нагрівання та охолодження. Внаслідок стрімкого охолодження від робочої температури до кімнатної відбувалось перенасичення металу воднем і досягалась його надрівноважна концентрація за нижчої температури.

Під час охолодження надлишковий водень прямує до пасток на границях зерен, фаз чи структурних дефектах. Мігруючи, він сприяє перерозподілу елементів у металі, зокрема вуглецю, і, тим самим, інтенсифікує мікроструктурні перетворення, що разом з високими парціальними тисками спричинює зародження та розвиток мікро- та макротріщин у сталі - деградування матеріалу. Експерименти проводили на 4-х групах гладких зразків зі сталі 12Х1МФ розмірами 1218180 мм³. У 1-й та 3-й групах були зразки, виготовлені з вихідного (не напрацьованого) матеріалу, а у 2-й та 4-й групах - з матеріалу, який працював у паропроводах теплоенергетичного обладнання близько 150 тис. год. (540 Мс). Першу та другу групу зразків термоциклували на повітрі, а третю та четверту - у середовищі газоподібного водню. Нагрівання до температури 813 К та її підтримку здійснювали змінним електричним струмом.

Під час термоциклування зразків першої групи АЕ ґенерувалася, в основному, на часовому відтинку охолодження зразків. При цьому спостерігали тенденцію заникання її активності зі зростанням кількості циклів. Окремі випробування показали, що температура нагрівання зразка з не напрацьованого матеріалу з переходом до швидкого його охолодження впливає на активність сигналів АЕ саме на етапі спадання температури.

а	б

Рис. 5. Залежність кількості подій Q (а) та суми амплітуд А_і сигналів АЕ (б) від числа циклів N нагрівання та охолодження зразків 1-ї та 2-ї груп.

За кількістю подій, які зареєстровано протягом 15 циклів для 1-ї та 2-ї груп зразків, зразки з не напрацьованого матеріалу, починаючи з перших циклів, зменшують кількість подій зі зростанням кількості циклів (рис.5). Ці експериментально встановлені залежності добре апроксимуються експонентою. Друга ж група зразків має дещо складніший характер зміни кількості подій АЕ у залежності від кількості циклів. Тут на перших циклах відслідковується тенденція до їх спадання, а потім активність АЕ зростає зі збільшенням числа циклів. Щодо суми амплітуд, яка несе інформацію про об'ємну пошкодженість матеріалу, то для зразків вказаних 2-х груп вона змінюється лінійно від числа циклів і за абсолютними значеннями цього показника зразки з експлуатованого матеріалу мають перевагу, починаючи з 10-го циклу.

Свої особливості генерування сигналів АЕ мають зразки другої групи. Якщо розглянути їх відповідні АГ, то тут активність АЕ не зафіксована, здебільшого, на часових інтервалах нагрівання і витримки зразка за температури 813 К, що так само проявляється і для зразків з не напрацьованого матеріалу. Натомість вона сильніше проявляється в інтервалі спадання температур, порівняно з іншими двома інтервалами циклу. Так, під час охолодження зразків 2-ї групи в інтервалі температур 813 623 К спостерігаються дискретні сигнали АЕ зі значними амплітудами. Подекуди їх максимальні амплітуди сягають А_max 40 у.о. З подальшим охолодженням до кімнатної температури активність АЕ майже зовсім заникає. У кожному наступному циклі (до досягнення їх загальної кількості 4 6 циклів) активність АЕ у цьому часовому інтервалі циклу спадає, а після цього починає наростати з кожним наступним циклом спочатку з незначними амплітудами, які потім починають також збільшуватися як під час нагрівання зразка, так і під час його охолодження.

Таким чином, як показали експерименти метод АЕ чутливий до структурних перетворень у сталі 12Х1МФ під дією термоциклування на повітрі, як у напрацьованому, так і у вихідному її станах і добре відображає динаміку змін структури даного матеріалу як на мікро, так і на макрорівнях.

Рис.6. Часова залежність зміни температури у циклах нагрівання 4-ох груп зразків (нумерація кривих номерам груп зразків).

Часовий характер зміни температури циклів нагрівання-витримка-охолодження для зразків у газоподібному водні показаний на рис. 6. На початку випробувань розраховували кількість циклів, необхідних для повного насичення зразків груп 3 та 4 за відомого тиску водневого середовища. Для цього було створено математичну модель зміни температурного режиму кожного із циклів. Вона полягала у тому, що часовий інтервал нагрівання та охолодження визначали за відомими функціями, а інтервал витримки зразків за температури 813 K - відомий з експерименту. За розрахунковими даними, використовуючи описану у дисертації методику розрахунку, визначили кількість циклів до повного насичення воднем зразків груп 3 та 4, що становлять, відповідно, 7 та 6 термоциклів. Виходячи з результатів цих розрахунків, здійснювали термоциклування у газоподібному водні зразків цих двох груп. Результати випробувань показано на рис. 7. Як випливає із отриманих результатів АЕ-досліджень, напрацьований матеріал за суттєво нижчих енергетичних затрат генерує за термоциклування як у водні, так і на повітрі суттєво більше сигналів АЕ, що свідчить про його більшу пошкодженість.

Таким чином, методом АЕ досить активно можна оцінювати вплив термоциклування у різних робочих середовищах на об'ємну пошкодженість сталей теплоенергетичного обладнання у залежності від ступеню їх деградування.

У п'ятому розділі проведено оцінку ступеню об'ємної пошкодженості конструкційних сталей та зміни цього показника від тривалості електро-літичного насичення їх воднем. Використовували запропонований В. Скальським та О. Андрейківим критерій АЕ-міри об'ємної пошкодженості твердих тіл (Cкальський В.Р., Андрейків О.Є. Оцінка об'ємної пошкодженості матеріалів методом акустичної емісії. - Львів: Видавничий центр ЛНУ ім. І. Франка, 2006). Випробовували розтягом циліндричні зразки зі сталі 40, які було розділено на три групи. На першій групі, що не піддавалася дії водневого чинника, перевіряли виконання ефекту Кайзера. Для цього їх розтягали до досягнення певної (різної для кожного окремого зразка) величини напружень в межах лінійної ділянки діаграми “напруження у - деформація е”, аж до появи сигналів АЕ на записаній синхронно із навантаженням акустограмі. Тоді зразок витримували під напруженням протягом кількох хвилин, розвантажували і повторно навантажували також до моменту повторної появи сигналів АЕ. Встановлено, що вторинна АЕ починає з'являтися за напружень, що перевищують попередню її появу на 2...5%, або під час наближення до цієї межі. Таким чином, наявне виконання ефекту Кайзера.



а	б

Рис. 7. Залежність кількості подій Q (а) та суми амплітуд А_і сигналів АЕ (б) від числа циклів N нагрівання та охолодження зразків 3-ї та 4-ї груп.

Другу групу зразків, що також не піддавалася дії водню, розтягували до різних значень у і також в межах лінійної ділянки діаграми у - е. Після зняття навантажень ці зразки наводнювали електролітично. Після цього проводили їх повторне розтягання до значень напружень, попередньо зафіксованих на кожному зразку до наводнення, записуючи АГ. Після наводнення зразків сигнали АЕ появлялися на АГ за напружень _AE, які в 1,5...2,5 рази менші від тих, що були до наводнення. Тобто, спостерігається явне порушення ефекту Кайзера і зумовлене воно пошкодженістю структури матеріалу воднем.

Таблиця. Характеристики впливу наводнення на об'ємну пошкодженість сталі 40

Тривалість наводення, год.	Механічні характеристики та показники пошкодженості
	02, МПа	b, МПа	sk, МПа	д, %	, %	1, у.о./мм3	, у.о./мм3
4	480	579	1346	19,2	54	23,9	30,4
6	454	552	1310	18,7	49		34,9
8	410	520	1100	15,3	38		36,3

конструкційні сталі тріщиностійкість протикорозійний захист

Випробування електролітично насичених зразків третьої групи показало, що значення величин об'ємної пошкодженості сталі 40 у залежності від тривалості (ступеня) її електролітичного наводнення змінюється (див. таблицю), що і є свідченням впливу водневого чинника. Причому метод АЕ, а саме акустико-емісійна міра об'ємної пошкодженості, є чутливим критерієм градації ступеню наводнення конструкційних сталей, про що свідчать отримані результати досліджень.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

1. Сформульовано АЕ-модель оцінки виникнення та докритичного розвитку корозійно-водневих тріщин в металічних тілах, в основу якої покладено фізико-хімічні процеси, що протікають у металі (в тому числі і у вершині тріщин) під час електролітичного переносу водню та наводнення з газової фази з урахуванням домінуючої дії механізму водневого окрихчення в цих процесах.

2. Показано, що ранні стадії зародження та розвитку тріщиноподібних дефектів корозійно-водневого походження супроводжуються дискретними сигналами АЕ, за допомогою яких можна ефективно визначати зміну механізмів за корозійного розтріскування сталей.

3. Під час електролітичного наводнення конструкційної сталі встановлено кореляцію між активністю акустичної емісії, насиченістю матеріалу воднем, а відтак і його пошкодженістю.

4. Запропоновано покращену експрес-методику АЕ-оцінки нижнього порогового значення статичної тріщиностійкості конструкційних сталей K_ISCC, що дає змогу швидше визначати цю важливу характеристику за рахунок можливості виявлення скритих стадій корозійно-водневого розтріскування, які за регламентованими нормативними документами традиційними методами встановити неможливо.

5. Оптимізовано геометрію хвилеводу пружних хвиль АЕ з урахуванням частотних характеристик первинних п'єзоперетворювачів, що застосували під час термоциклування конструкційної сталі у різних робочих середовищах, розподілу температурного поля за довжиною хвилеводу, а відтак і конструктивних особливостей доступу до місця встановлення первинного перетворювача на об'єкті контролю, здійснено експериментальну оцінку заникання пружних хвиль АЕ на хвилеводі.

6. Експериментально встановлено, що термоциклування сталей, як на повітрі, так і в умовах водневого середовища, призводить до зростання їх об'ємної пошкодженості, кінетика зміни якої корелює з параметрами сигналів АЕ, що генеруються у результаті утворення та розвитку тріщиноподібних дефектів. Напрацьований матеріал швидше піддається мікро- та макротріщиноутворенню під впливом як температурного фактору, так і робочого середовища.

7. Визначено за сигналами АЕ кількісні показники об'ємної пошкодженості конструкційної сталі у залежності від ступеню її електролітичного наводнення, що дозволяє встановити міру впливу воднево-механічного чинника на динаміку зародження та розвиток її руйнування і є важливим показником під час технічного діагностування елементів конструкцій.

8. Створені у роботі методологічні засади ефективно використані для діагностування зварних з'єднань резервуару для зберігання нафти на Бродівському відділку нафтопроводу „Дружба” та рам і візків пасажирських вагонів у Пасажирському вагонному депо Ковель.

Основний зміст дисертаційної роботи відображено у публікаціях:

Скальський В.Р., Сергієнко О.М., Селівончик Т.В. Розрахунок та оптимізація геометрії хвилевода сигналів акустичної емісії // Машинознавство. - 2005. - №9. - С. 41 - 45.

Скальський В.Р., Рудавський Д.В. Селівончик Т.В. Визначення параметрів водневого чинника у металі під впливом термоциклювання // Машинознавство. - 2005. - №10. - С. 33 - 35.

Скальський В.Р., Селівончик Т.В. Акустико-емісійна оцінка корозійного розтріскування конструкційної сталі // Фізико-хімічна механіка матеріалів. Спеціальний випуск. - 2006. - 2. - №5, - С.768 - 771.

Скальський В.Р., Селівончик Т.В. Кількісна оцінка впливу водневомеханічного чинника на об'ємну пошкодженість конструкційних сталей // Вісник двигунобудування. - 2006. - №2. - С. 71 - 76.

Скальський В., Михальчук В., Окрепкий Ю., Селівончик Т. Акустико-емісійна оцінка об'ємної пошкодженості алюмінієвого сплаву // Вісник Львівського національного ун-ту ім. Івана Франка. Серія мех.-мат. - 2006. - вип. 65. - С. 32 - 39.

Скальський В.Р., Селівончик Т.В. Акустико-емісійна модель стадій водневої пошкодженості сталей // Наукові нотатки Луцького держ. ун-ту. - 2006. - Вип. 18 - C. 365 -374.

Скальський В.Р., Селівончик Т.В. Акустико-емісійна оцінка впливу водневого окрихченням конструкційної сталі. // Зб. наук. праць ФМІ НАН України “Фізичні методи та засоби контролю середовищ, матеріалів та виробів”.- Львів, 2007. - Вип.13. - С.169 - 173.

Скальський В.Р., Сергієнко О.М., Селівончик Т.В. та ін. Акустико-емісійна оцінка стадій докритичного розвитку тріщин у матеріалах / // Фіз.-хім. механіка матеріалів. - 2007. - №4. - С. 85 - 92.

Скальский В.Р., Рудавський Д.В., Селивончик Т.В. Оценка концентрации водорода в металле за время действия термоциклов // Сборн. докл. Междунар. науч.-техн. конф. “Современные проблемы и перспективы механики”, Ташкент, 17-18 мая 2006. - Ташкент, 2006. - С. 391 - 393.

Скальский В.Р., Мыхальчук В.Б., Селивончик Т.В., Семегенивский Р.И. Oцена влияния водорода на остаточную намагниченность стали. // Сборн. докл. Междунар. науч.-техн. конф. “Современные проблемы и перспективы механики”, Ташкент, 17-18 мая 2006. - Ташкент, 2006. - С. 389 - 390.

Скальський В.Р., Селівончик Т.В. Визначення водневої пошкодженості біметалів методом акустичної емісії / Тези доп. міжнар. конф. “Конструкційна міцність матеріалів і ресурс обладнання АЕС”. Київ, 19 - 21 вересня 2006. - Київ, 2006. - С. 92 - 93.

Скальский В.Р., Сергиенко О.Н., Лотоцкий Ю.Л., Селивончик Т.В. Акустико-эмиссионная оценка объемной поврежденности конструкционных материалов // Сборн. докл. Междунар. науч.-техн. конф. “Деформация и разрушение материалов. DFМ-2006”, Москва, 13-17 ноября 2006. - Москва, 2006. - С. 633 - 636.

Скальський В.Р., Рудавський Д.В. Селівончик Т.В. Оцінка концентрації та молекулярного тиску водню в металах за термоциклування// Зб. праць 4-ї Міжнар. конф. “Воднева обробка матеріалів ВОМ-2007”, 21-25 травня 2007 р., Донецьк 2007. - С. 815 - 819.

Скальський В.Р., Рудавський Д.В. Селівончик Т.В. Акустико-емісійне виявлення руйнування під час водневого термоциклування //Тези доп. 8-міжнар. симпоз. українських інж.-мех. у Львові, 23-25 травня 2007 р. - C.120.

Михальчук В.Б., Долішній П.М., Селівончик Т.В. Вплив водню на зміну амплітуд магнетопружної акустичної емісії. //Тези доп. 8-міжнар. симпоз. українських інж.-мех у Львові, 23-25 травня 2007 р. - C.130.

Анотація. Селівончик Т.В. Акустико-емісійна оцінка воднево-корозійного розтріскування сталей. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 01.02.04 - механіка деформівного твердого тіла. - Луцький державний технічний університет, м. Луцьк; Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка Національної академії наук України, м. Львів, 2007.

Дисертацію присвячено створенню теоретико-експериментальних засад оцінки воднево-корозійного руйнування конструкційних сталей, які працюють під впливом відповідного середовища з одночасною дією механічного навантаження. Об'єктом дослідження є процеси зародження та розвитку мікро- та макротріщин в конструкційних сталях під дією вказаних фізико-хімічних чинників і пружні динамічні поля, які при цьому виникають у твердому тілі.

Для ефективного виявлення цих процесів у дисертації розроблено науково обґрунтовані підходи щодо акустико-емісійного діагностування тріщиноподібних дефектів з позицій механіки руйнування. В їх основу покладена акустико-емісійна модель оцінки виникнення та докритичного розвитку корозійно-водневих тріщин в металічних тілах, яка ґрунтується на фізико-хімічних процесах, що протікають у металі (в тому числі і у вершині тріщин) під час електролітичного переносу водню та наводнення з газової фази з урахуванням домінуючої дії механізму водневого окрихчення.

Показано, що ранні стадії зародження та розвитку тріщиноподібних дефектів корозійно-водневого походження супроводжуються дискретними сигналами акустичної емісії, за допомогою яких можна ефективно визначати механізми водневого чи корозійного розтріскування сталей, ступінь їх об'ємної пошкодженості.

Ключові слова: тріщина, воднево-корозійне розтріскування, акустична емісія, нижнє порогове значення коефіцієнта інтенсивності напружень, термоциклування, об'ємна пошкодженість.

Аннотация. Селивончик Т.В. Акустико-эмиссионная оценка водородно-коррозионного растрескивания сталей. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук за специальностью 01.02.04 - механика деформируемого твердого тела. - Луцкий государственный технический университет, г. Луцк; Физико-механический институт им. Г.В. Карпенко Национальной академии наук Украины, г. Львов, 2007.

Диссертация посвящена созданию теоретико-экспериментальных основ оценки водородно-коррозионного разрушения конструкционных сталей, которые работают под воздействием соответствующей среды с одновременным приложением механической нагрузки. Объектом исследования являются процессы зарождения и развития микро- и макротрещин в конструкционных сталях под действием статических нагрузок и рабочих сред и упругие динамические поля, которые при этом возникают в твердом теле. На основании этого созданы методологические подходы, направленные на решение важной научно-технической проблемы, а именно - количественной оценки зарождения и развития микро- и макротрещин водородно-коррозийного происхождения в конструкционных сталях, которые образуются в условиях эксплуатации последних. При этом учитываются также особенности разрушения металлических сплавов, обусловленного такими трещинами, а именно то, что оно проходит скрыто, без выхода трещин на внешнюю поверхность материалов.

Акустико-эмиссионное выявление таких процессов, позволило создать экспресс-методику ускоренного оценки нижнего порогового значения коэффициента интенсивности напряжений К_ІSCC. Определение этого параметра статической трещиностойкости материалов в рабочей среде по классическим, регламентированным методикам связано с рядом методических трудностей. Они обусловлены невозможностью визуального контроля за развитием трещины и осложнением доступа к образцу в рабочей камере с агрессивной средой. Метод акустической эмиссии дает возможность определять старт трещины и время между ее скачками более достоверно, чем традиционными оптическими методами, и существенно сокращает время испытаний.

Исходя из этого, предложена также новая эффективная методика акустико-эмиссионной оценки зарождения и развития трещинообразования в конструкционных сталях при их термоциклировании как на воздухе, так и в среде газообразного водорода. Для ее создания оптимизированы путем числового расчета собственные частоты волновода и их согласование с рабочей полосой частот первичного преобразователя упругих волн акустической эмиссии. Проведена экспериментальная оценка потерь в волноводе при прохождении в нем упругих волн акустической эмиссии.

Показано, что ранние стадии зарождения и развития трещинообразных дефектов коррозионно-водородного происхождения сопровождаются дискретными сигналами акустической эмиссии, с помощью которых можно эффективно определять механизмы водородного или коррозионного растрескивания сталей, степень их объемной поврежденности.

Полученные результаты исследований положены в основу создания методик прикладного применения, которые использовали для технического диагностирования состояния промышленных объектов во время их регламентных испытаний.

Ключевые слова: трещина, водородно-коррозионное растрескивание, акустическая эмиссия, нижнее пороговое значение коэффициента интенсивности напряжений, термоциклирование, объемная поврежденность.

Abstract. Selivonchyk T.V. Acoustic emission estimation of hydrogen-corrosive cracking of steels. - Manuscript.

The thesis for the Candidate's Degree in Technical Sciences on speciality 01.02.04 - Mechanics of Deformable Solids. - Lutsk State Technical University, Lutsk; Karpenko Physico-Mechanical Institute National Academy of Sciences of Ukraine, Lviv, 2007.

The thesis is dedicated to development of theoretical and experimental grounds for estimation of hydrogen-corrosive fracture of structural steels operating under action of corresponding environment and simultaneous mechanical loading. The object of investigation is the processes of formation and development of micro- and macrocracks in structural steels caused by specified physical and chemical factors as well as the elastic dynamic fields, which appear in this case in a solid.

For effective detection of these processes, scientifically validated bases of acoustic emission diagnostics of crack-like defects from fracture mechanics viewpoint are developed in the thesis. They are grounded on an acoustic emission model for estimation of formation and subcritical growth of corrosive and hydrogen induced cracks in metallic bodies, which is based on physical and chemical processes occurring in a metal (including a crack tip) during the electrolytic hydrogen transfer or hydrogenation from a gas phase and takes into account a dominant action of hydrogen embrittlement mechanism.

It is shown that the early stages of formation and development of crack-like defects of corrosive-hydrogen origination are accompanied by the discrete signals of acoustic emission allowing determining effectively the change in mechanisms of hydrogen or corrosive cracking of steels, a degree of their bulk damaging.

Keywords: crack, hydrogen-corrosive cracking, acoustic emission, threshold value of stress intensity factor, heat cycling, bulk damaging.

Размещено на Allbest.ru