64925

Визначення характеристик міцності конструкційних сталей методом індентування

Автореферат

Физика

Для проведення розрахунків на міцність при прогнозуванні залишкового ресурсу, визначення технічного стану і обґрунтування можливого продовження термінів експлуатації відповідальних елементів конструкцій, що працюють в умовах термосилового навантаження, необхідно визначати...

Украинкский

2014-07-22

21.48 MB

8 чел.

PAGE  19

ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МІЦНОСТІ ім. Г. С. ПИСАРЕНКА                                      НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ

Каток Олег Анатолійович

УДК 539.53:620.178.15

ВИЗНАЧЕННЯ ХАРАКТЕРИСТИК міцності КОНСТРУКЦІЙНИХ СТАЛЕЙ МЕТОДОМ ІНДЕНТУВАННЯ

01.02.04 – механіка деформівного твердого тіла

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2010


Дисертацією є рукопис

Роботу виконано в Інституті проблем міцності ім. Г. С. Писаренка НАН України

Науковий керівник:

доктор технічних наук,

старший науковий співробітник

Харченко Валерій Володимирович

Інститут проблем міцності

ім. Г. С. Писаренка НАН України (м. Київ),

заступник директора з наукової роботи, завідувач відділу чисельних і експериментальних методів дослідження конструкційної міцності

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук,

старший науковий співробітник

Лошак Матвій Говшиєвич

Інститут надтвердих матеріалів (м. Київ)

ім. В. М. Бакуля НАН України

старший науковий співробітник

кандидат технічних наук,

старший науковий співробітник,

Музика Микола Романович

Інститут проблем міцності

ім. Г. С. Писаренка НАН України

старший науковий співробітник

Захист відбудеться «16» грудня 2010 року о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.241.01 в Інституті проблем міцності                       ім. Г. С. Писаренка НАН України за адресою: 01014, м. Київ,                                вул. Тимірязєвська, 2.

Із дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту проблем міцності                           ім. Г. С. Писаренка НАН України.

Автореферат розісланий «12» листопада 2010 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук, професор

________________

Карпінос Б. С.


Актуальність теми: 

Для проведення розрахунків на міцність при прогнозуванні залишкового ресурсу, визначення технічного стану і обґрунтування можливого продовження термінів експлуатації відповідальних елементів конструкцій, що працюють в умовах термосилового навантаження, необхідно визначати поточні характеристики міцності матеріалу з врахуванням їхньої деградації під дією часу та експлуатаційних факторів. Важливе значення це має для теплової й ядерної енергетики, нафтогазової промисловості та інших галузей народного господарства.

Із цією метою продовжуються роботи з розвитку неруйнівних методів контролю поточного стану металу та підвищення їх ефективності. Широкого поширення набули методи визначення твердості завдяки їх простоті і ефективності. Останнім часом у світовій практиці все більше використовують випробування металів індентуванням із записом діаграм у координатах зусилля F глибина вдавлювання індентора h, що відомі як методи інструментованого індентування (instrumented indentation methods) і дозволяють отримувати більш повну інформацію щодо механічних характеристик матеріалів. Багато уваги приділяється реалізації методу інструментованого індентування для контролю поточного стану елементів конструкцій відповідального обладнання під час експлуатації.

Зв'язок із науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась у відділі чисельних і експериментальних методів дослідження конструкційної міцності Інституту проблем міцності                       ім. Г.С. Писаренка НАН України в рамках бюджетної теми 1.3.4.409 «Чисельне моделювання напружено-деформованого стану конструкційних елементів обладнання різних галузей техніки з урахуванням тріщин та розробка критеріїв граничного стану» за постановою Бюро ВМ НАН України від 17.02.2004 р., протокол № 1; бюджетної теми ЦП-9 (державний реєстраційний номер 0107U000723) «Розрахунково-експериментальне визначення граничного стану конструкційних елементів з дефектами при термосиловому навантаженні» в рамках цільової програми наукових досліджень НАН України «Розробка фундаментальних проблем механіки суцільного середовища та механіки машин за пріоритетними напрямками національної економіки» за постановою Бюро ВМ НАН України від 14.12.2006 р., протокол № 5; у рамках Державної програми фундаментальних і прикладних досліджень з проблем використання ядерних матеріалів та ядерних і радіаційних технологій у сфері розвитку галузей економіки на    2004 – 2010 роки відповідно до постанови Кабінету Міністрів України від 08.09.2004 р. № 1165: НДР К-124 «Розробка методик та засобів для систем моніторингу напруженості та визначення пошкодження металу корпусів реакторів та інших відповідальних конструкційних елементів I контуру АЕС в процесі експлуатації» (державний реєстраційний номер 0104U009612); НДР К-3-334 «Визначення деградації теплостійких сталей I контуру АЕС з використанням інструментованих методів випробувань на твердість та ударну в’язкість» (державний реєстраційний номер 0107U005368); НДР К-9-47 «Апробація приладо-методичного комплексу визначення механічних характеристик вуглецевих та теплостійких сталей АЕС з використанням інструментованих випробувань на індентування та ударну в’язкість» (державний реєстраційний номер 0109U007065); в рамках договору № 1387 «Виконання комплексу робіт по оцінці технічного стану і обґрунтування можливості продовження строку експлуатації ПГ енергоблока № 1 для ВП «Півде́нно-Украї́нська АЕС» від 27.10.2009 р.

Мета і задачі дослідження.

Метою дисертаційної роботи є удосконалення методик визначення характеристик міцності сталей з використанням випробувань методом інструментованого індентування відповідальних елементів конструкцій та отримання нових даних для ряду конструкційних сталей щодо їх міцності після експлуатаційного напрацювання.

Для досягнення мети було поставлено та вирішено наступні задачі:

– удосконалення методик і розробка обладнання для проведення випробувань матеріалів за методом інструментованого індентування в лабораторних та промислових умовах при різноманітних режимах статичного і циклічного навантаження в макродіапазоні зусиль індентування;

– визначення характеристик міцності конструкційних сталей методом інструментованого індентування за допомогою різних методик та розробка рекомендацій щодо їх використання й удосконалення, зокрема підвищення точності і достовірності результатів;

– отримання методом інструментованого індентування нових експериментальних даних щодо вихідних та поточних характеристик міцності ряду конструкційних сталей й оцінка стану металу елементів конструкцій відповідального обладнання після експлуатаційного напрацювання.

Об’єкт дослідження: вуглецеві і теплостійкі сталі та конструкційні елементи відповідального обладнання з них після експлуатаційного напрацювання, методики дослідження механічних характеристик за методом інструментованого індентування.

Предмет дослідження: механічні характеристики металевих матеріалів.

Методики дослідження: експериментальні і чисельні методи дослідження механічних характеристик металевих матеріалів при індентуванні.

Наукова новизна роботи полягає в тому, що:

– удосконалено методики і створено оригінальні установки для випробувань металів за методом інструментованого індентування в лабораторних та промислових умовах при різноманітних режимах статичного і циклічного навантаження в макродіапазоні зусиль індентування;

– проведено порівняльний аналіз ряду відомих методик визначення характеристик міцності вуглецевих і теплостійких сталей за діаграмами індентування, які отримано на основі спеціальних експериментальних досліджень із застосуванням розробленого обладнання; виявлено обмеження цих методик і розроблено рекомендації щодо їх застосування для розглянутих сталей;

– розроблено нові методики визначення границі міцності і твердості сталей з використанням параметра, який дорівнює тангенсу кута нахилу діаграм індентування в координатах максимальне зусилля Fmax циклу навантаження – пластична складова глибини вдавлювання індентора hp цього циклу, що дозволило підвищити точність отримуваних результатів у широкому діапазоні зміни характеристик міцності конструкційних сталей (400…1200 МПа);

– визначено розподіл характеристик міцності і твердості металу по висоті та товщині вузла зварного з’єднання № 111-1 «гарячого» колектора з корпусом парогенератора (відповідального елемента ВВЕР-1000) після напрацювання, який, зокрема, по висоті (поперек зварного шва) має складний немонотонний характер зі зміною границі міцності металу до 35 %.

Достовірність отриманих результатів забезпечується використанням сучасного експериментального обладнання і методик випробувань, що відповідають міжнародним стандартам, проведеними оцінками точності методів і схем розрахунків процесу деформування матеріалу при індентуванні, порівнянням та задовільною збіжністю результатів чисельного моделювання з отриманими експериментальними даними (досліджень).

Практичне значення отриманих результатів. Розроблені методики й оригінальне обладнання для проведення випробувань методом індентування можуть бути використані для визначення механічних характеристик стальних елементів конструкцій відповідального обладнання та подальшої оцінки його міцності і ресурсу.

Визначено характеристики міцності і твердості металу відповідального обладнання після напрацювання (вузол парогенератора зі зварним швом № 111-1 із теплостійкої сталі 10ГН2МФА і елемент трубопроводу зі сталі 17Г1С). Отримані результати були використані при проведенні робіт щодо оцінки стану металу і визначення залишкового ресурсу відповідального обладнання 1-го контуру енергоблока № 1 для ВП «Півде́нно-Украї́нська АЕС».

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи отримано автором самостійно. Вибір теми і формування завдань дослідження проведено спільно з науковим керівником. У друкованих працях, написаних у співавторстві, автору належить:

– удосконалення методики і створення експериментального обладнання для випробувань металів методом інструментованого індентування в лабораторних (лабораторна установка UTM-20 HT) та промислових (переносний прилад PIIT-02) умовах при різноманітних режимах статичного і циклічного навантаження в макродіапазоні зусиль індентування [1, 4, 6–8];

– проведення чисельного моделювання процесу локального деформування матеріалу індентором, аналізу впливу деформування вузла вимірювання глибини вдавлювання індентора на визначення характеристик міцності. Дослідження зміни розподілу еквівалентних деформацій і форми відбитка зі збільшенням глибини вдавлювання індентора [2, 9];

– проведення порівняльного аналізу ряду відомих методик визначення характеристик міцності вуглецевих сталей 20, 45 та теплостійкої сталі 15Х2НМФА за діаграмами індентування, що отримані на основі спеціальних експериментальних досліджень із застосуванням розробленого обладнання та чисельного моделювання. Порівняння характеристик міцності, отриманих методом індентування за допомогою різних методик з результатами випробувань на розтяг; розробка рекомендацій з їх застосування [3–5, 9];

– створення методики визначення границі міцності і твердості сталей з використанням параметра, який дорівнює тангенсу кута нахилу діаграм індентування в координатах максимальне зусилля Fmax циклу навантаження – пластична складова глибини вдавлювання індентора hp цього циклу: ідея методики, математичне формулювання та відпрацювання її в широкому діапазоні зміни характеристик міцності конструкційних сталей               (400…1200 МПа) [4, 5, 9, 10, 11];

– отримання розподілу характеристик міцності і твердості металу по висоті та товщині вузла зварного з’єднання № 111-1 «гарячого» колектора з корпусом парогенератора (відповідального елемента ВВЕР-1000) після експлуатаційного напрацювання. Показано, що по товщині основного металу границя міцності σв змінюється не більше, ніж на 1,5%, тоді як по висоті (поперек зварного шва) її характер складний і немонотонний, а величина її зміни сягає 35% [11].

– проведення оцінки технічного стану металу труби газопроводу після експлуатаційного напрацювання за результатами лабораторних випробувань на розтяг та інструментованого індентування [10, 11].

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідалися і обговорювалися на міжнародній конференції «Конструкційна міцність матеріалів і ресурс устаткування АЕС» (РЕСУРС-2006) (Київ, 2006); VII конференції молодих учених і спеціалістів (С.-Петербург, Росія, 2008); міжнародній конференції «Конструкційна міцність матеріалів і ресурс устаткування АЕС» (РЕСУРС-2009) (Київ, 2009); міжнародній науково-технічній конференції «Пошкодження матеріалів під час експлуатації, методи їх діагностування і прогнозування» (Тернопіль, Україна, 2009); міжнародній науково-технічній конференції «Міцність матеріалів та елементів конструкцій» (Київ, 2010); 8th International SymposiumMaterials and Metallurgy” (Љibenik, Croatia, 2008); 4th Hungarian-Ukrainian Joint Conference «Safety-Reliability and Risk Engineering Plants and Components» (Miskolc-tapolca, Hungary, 2009); 9th International SymposiumMaterials and Metallurgy” (Љibenik, Croatia, 2010) та на наукових семінарах Інституту проблем міцності ім. Г. С. Писаренка НАН України.

Публікації. За результатами дисертації опубліковано дванадцять робіт, у тому числі: основні – чотири статті в спеціалізованих журналах і вісім додаткових – одна публікація та сім тез доповідей.

Структура та обсяг дисертації. Робота складається з вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку літературних джерел з 121 найменувань. Зміст викладено на 163 сторінках друкованого тексту, включаючи 63 ілюстрації та 18 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступній частині обґрунтовано актуальність роботи, вказано мету та основні задачі, відзначено наукову новизну і практичне значення отриманих результатів, наведено інформацію про апробацію, структуру та обсяг роботи.

У першому розділі розглянуто основні  літературні джерела щодо  вибраного напрямку дослідження. Детально розглянуто методики визначення характеристик міцності металів методом інструментованого індентування в макродіапазоні індентування. Проаналізовано їх особливості та обмеження. Вагомий внесок у створення, розвиток і вдосконалення цих методик внесли вітчизняні та зарубіжні науковці: В. П. Альохін, М. Б. Бакіров, С. І. Буличов,     М. С. Дрозд, С. М. Дуб, Г. П. Зайцев, І. М. Закієв, М. П. Марковець,                  В. М. Матюнін, Ю. В. Мільман, В. М. Шабанов, C. M. Cheng, Y. T. Cheng, N. Chollaccop, M. Dao, A. E. Giannakopoulos, F. M. Haggag, Hyungyil Lee, Jin Haeng Lee, Z. S. Lio, W. C. Oliver, G. M. Pharr, S. Suresh, S. Swaddiwudhipong, K. K. Tho, K. Zeng та ін. Показано, що незважаючи на досягнуті результати при визначенні характеристик міцності металів методом індентування, актуальним залишається забезпечення необхідної точності та достовірності їх визначення. 

Відзначено, що за необхідності в приладах для проведення випробувань металів індентуванням із записом діаграм у координатах зусилля F – глибина вдавлювання індентора h їх випуск у світі проводиться в основному як дослідні зразки. Розроблені вітчизняні аналоги призначені тільки для проведення випробувань металів індентуванням при малих навантаженнях.

На основі аналізу даних, наведених у літературних джерелах, було сформульовано мету роботи та задачі, що потребують розвязання для їх досягнення.

У другому розділі описано установки і методики, що були розроблені для проведення випробувань у лабораторних та виробничих умовах із метою визначення характеристик міцності за методом інструментованого індентування.

Для запису діаграм індентування в координатах зусилля – глибина вдавлювання індентора, відпрацювання методики проведення експерименту та аналізу методик визначення характеристик міцності металів за результатами таких випробувань в Інституті проблем міцності                              ім. Г. С. Писаренка НАН України було створено лабораторну установку UTM-20HT згідно з вимогами міжнародного станарту ISO 14577 (рис. 1). Установка призначена для проведення випробувань в макродіапазоні індентування. Із метою проведення випробувань у виробничих умовах, наприклад на трубопроводах, на базі лабораторної установки розроблено переносний прилад РІІТ-02 (рис. 2).

Рис. 1. Лабораторна установка UTM – 20 HT для проведення випробувань зразків і невеликих деталей методом індентування в лабораторних умовах:     1 – колони; 2, 3 – верхня і нижня траверси; 4 – пристрій навантаження;                 5 – шток навантаження; 6 – координатний столик; 7 – блок керування;                  8, 9 – датчики вимірювання зусилля та глибини вдавлювання індентора;                    10 – вимірювальна система; 11 – датчик вимірювання положення штока навантаження; 12 – персональний комп’ютер.

При створенні обладнання було запропоновано нову конструкцію вузла вимірювання глибини вдавлювання індентора, що зменшило вплив пружного деформування вузла індентування на результати вимірювання переміщення індентора відносно поверхні зразка. Плавність прикладання зусилля до індентора та якість реєстрації діаграм індентування було підвищено за рахунок використання в головці індентування пружної скоби.

Для керування процесом індентування на дослідницькому обладнанні, вимірювання, накопичення і зберігання параметрів вимірювання в цифровому вигляді та у вигляді діаграм інструментованого індентування розроблено програмне забезпечення HardTest. Програмне забезпечення керує роботою обладнання в режимах м’якого і жорсткого, статичного і циклічного навантажень, із та без витримки в часі в широкому діапазоні швидкостей деформації. Удосконалено процедуру визначення моменту дотику поверхні зразка (при доробці процедури використано умову нижньої границі макродіапазону індентування, що обумовлено стандартом ISO 14577) та визначено, що швидкість індентора при цьому повинна бути не більше 0,12 мм/хв. Для зменшення часу випробування використано ступеневе автоматичне зменшення швидкості підводу індентора до поверхні зразка. Введено новий розрахунковий параметр, який використовується при тестовому контакті – відстань проходження вузла вимірювання глибини вдавлювання індентора від початкового місце положення до поверхні зразка, що дозволяє розрахувати шкалу переміщення індентора у всьому діапазоні переміщення штоку навантаження та відмовитися від датчика переміщення штоку. Функції управління, вимірювання та накопичення експериментальних даних розділено з функцією відображення результатів вимірювання, що дозволило покращити регулювання (управління) приводом приладу та підвищити якість реєстрації діаграм індентування.

Рис. 2. Переносний прилад PIIT-02 для проведення випробувань матеріалів методом індентування у виробничих умовах: 1пристрій навантаження;            2 – основа; 3 – індентор; 4 – об’єкт випробування (труба); 5 – персональний комп’ютер; 6 – блок вимірювання та управління.

Випробування зразків та елементів конструкцій проводили в жорсткому та м’якому режимах навантаження. Режим навантаження вибирали в залежності від методики, що застосовувалася при визначенні характеристик міцності металу. Для випробування використовувалися прямокутні зразки розміром 40×60×10 мм або елементи конструкції (наприклад, темплет вузла зварного з’єднання № 111-1 «гарячого» колектора з корпусом парогенератора (відповідального елемента ВВЕР-1000) після експлуатаційного напрацювання). Досліджувались вуглецеві сталі 20 і 45, трубна сталь 17Г1С та теплостійкі сталі 15Х2НМФА і 10ГН2МФА, що використовуються в ядерній енергетиці.

Третій розділ присвячено розробці розрахункової моделі процесу деформування матеріалу індентором і проведено його чисельне моделювання.

Геометричні параметри моделі вибрано з урахуванням конструкції вузла вимірювання глибини вдавлювання індентора лабораторної установки         UTM-20HT.

Розрахунки проводили з використанням програмних комплексів, що базуються на методі скінченних елементів. Для оцінки точності результатів чисельного моделювання індентування було розглянуто розрахункові схеми з різними розмірами скінченних елементів (СЕ) зразка в області контакту: 0,05; 0,02; 0,01 та 0,0066 мм. Отримані результати розподілів еквівалентних напружень порівнювалися за Мізесом та за еквівалентною пластичною деформацією на поверхні зразка вздовж радіуса при діаметрі відбитка d, що дорівнює 0,375 D, де D – діаметр індентора. Для скінченно-елементних сіток із розмірами СЕ у зоні індентування 0,01 і 0,0066 мм результати були близькі. Тому в подальших розрахунках використано розрахункову схему з розмірами скінченних елементів зразка в області контакту 0,01 мм.

Проведено порівняння результатів чисельного моделювання з аналітичним розв’язком задачі Герца (пружний контакт) та експериментальними діаграмами інструментованого індентування, які отримано на установці UTM-20HT (пружно-пластичний контакт). Різниця між отриманими результатами не перевищує 5 %.

Проведено аналіз кінетики напружено-деформованого стану процесу локального деформування матеріалу індентором на прикладі сталі 45. Для вдосконалення конструкції установки UTM-20HT за даними чисельного моделювання індентування було оцінено вплив пружного деформування конструктивних елементів вузла вимірювання глибини вдавлювання індентора на точність отримання результатів вимірювання глибини відбитка. Проаналізовано аналітичні підходи, за допомогою яких можна оцінити цей вплив. Показано, що для перерахунку глибини індентування на глибину відбитка краще використовувати підхід, що регламентується міжнародним стандартом ISO 14577. При цьому похибка визначення глибини відбитка не перевищує 3%.

На основі результатів чисельного моделювання було проведено аналіз існуючих методик визначення характеристик міцності методом інструментованого індентування на прикладі сталей 45 та 15Х2НМФА. Показано, що для визначення границі міцності найбільш ефективна методика, запропонована М. М. Матліним. Відхилення результатів визначення границі міцності при розтязі та індентуванні не перевищує 3%. Однак цією методикою дуже складно користуватися на практиці внаслідок труднощів при одночасному вимірюванні глибини та діаметра відбитка. Відхилення даних за методикою Матюніна від даних випробувань на розтяг не перевищує 9%. Точність визначення границі текучості суттєво нижча. Жодна з відомих методик не має переваг порівняно з іншими. У більшості випадків відхилення результатів визначення границі текучості методом інструментованого індентування від даних випробувань на розтяг для окремих металів складає 10%.

У четвертому розділі представлено результати експериментальних досліджень ряду конструкційних сталей методом інструментованого індентування. Запропоновано методики визначення границі міцності та твердості за Брінеллем із використанням параметра, що визначається за тангенсом кута нахилу діаграми інструментованого індентування в координатах максимальне зусилля Fmaх циклу навантаження – пластична складова глибини вдавлювання індентора hp цього циклу.

У результаті серії випробувань методом інструментованого індентування сталей 20, 45 і 15Х2НМФА за кімнатної температури було записано діаграми індентування в координатах зусилля F – глибина вдавлювання індентора h (рис. 3). Отримані діаграми було використано для визначення характеристик міцності за допомогою методик, запропонованих М. П. Марковцем, В. М. Матюніним, М. Б. Бакіровим та М. Хаггагом. Окрім характеристик міцності визначали твердість за Брінеллем. При визначенні механічних характеристик методом інструментованого індентування з вирахуванням можливого розкиду експериментальних даних записували п’ять діаграм індентування для кожної марки сталі. Отримані з діаграм індентування величини механічних характеристик усереднювали.

Рис. 3. Діаграми індентування в координатах зусилля F – глибина вдавлювання індентора h записані на лабораторній установці UTM-20HT в режимі жорсткого циклічного навантаження без витримки в часі з швидкістю навантаження 0,05 мм/хв.

Проаналізовано особливості використання цих методик та їх обмеження. На прикладі сталі марки 15Х2НМФА в різних станах показано обмеження використання методик визначення границі міцності за максимальною твердістю за Брінеллем (твердість на границі міцності за методиками Марковця, Бакірова та Матюніна) на установці UTM-20HT, що пов’язане з занадто високим ступенем навантаження індентора. Розглянуто обмеження застосування степеневого рівняння  при апроксимації діаграми індентування в координатах напруження  – деформація  для визначення границі текучості за коефіцієнтом пластичності А. Відзначено залежність коефіцієнта А від вибору початкової та кінцевої границі апроксимації.

Із використанням параметра а, що дорівнює тангенсу кута нахилу γ діаграми інструментованого індентування в координатах максимальне зусилля Fmax циклу навантаження – пластична складова глибини вдавлювання індентора hp цього циклу створено нові методики визначення границі міцності та твердості за Брінеллем.

Дані для побудови залежності Fmax від hp (рис. 4,б) визначаються з циклічної діаграми індентування в координатах Fh (рис. 4,а).

а                                                           б

Рис. 4. Схематичне представлення циклічної діаграми індентування в координатах зусилля F – глибина індентування h (а) та залежності максимального зусилля Fmax циклу навантаження від залишкової глибини індентування після зняття навантаження hp цього циклу (б) (hp1, hp2, hpn – значення пластичної складової залишкової глибини індентування після зняття максимального зусилля Fmax1, Fmax2, Fmaxn; γкут нахилу).

Параметр а визначається з рівняння

,

(1)

де n – число циклів навантаження; ,  відповідно значення пластичної складової залишкової глибини індентування після зняття зусилля і-го циклу навантаження.

У роботі встановлено, що залежність границі міцності σв та твердості за Брінеллем НВ від параметра а має лінійний характер (рис. 5 і 6):

(2)

де параметри , ,  і  встановлюються для кожної механічної характеристики матеріалу окремо шляхом статистичної обробки загального масиву експериментальних даних, отриманих для досліджених матеріалів.

Рис. 5. Залежність границі міцності σв від параметра а для конструкційних сталей 20 (□),45 (◊) і 15Х2НМФА (Δ).

Рис. 6. Залежність твердості за Брінеллем НВ від параметра а для конструкційних сталей 15Х2МФА (○), 15Х2НМФА (Δ), 45 (■) і металу зварного шва 10ХМФТ (□), 08ХГМНТА (◊).

Параметри  і , (2), які використовуються при визначенні границі міцності на установці UTM – 20HT, дорівнюють 0,0257 і 179,25 відповідно, в той час як параметри  і , які використовуються при визначенні твердості за Брінеллем, дорівнюють 0,009 і 28,5 відповідно.

При використанні такого підходу визначення механічних властивостей металів не залежить від пружної деформації вузла вимірювання глибини вдавлювання індентора.

Проведено порівняльний аналіз відомих методик визначення характеристик міцності методом інструментованого індентування за кімнатної температури. Порівняльні результати визначення характеристик міцності методами одновісного розтягу та інструментованого індентування з використанням відомих методик представлено в табл. 1 і 2. Видно, що запропоновані методики можна використовувати лише для окремих матеріалів. Наприклад, при використанні методики Матюніна для визначення границі текучості сталі 20 відхилення результатів порівняно з випробуванням на розтяг становить 8 %, тоді як для сталі 15Х2НМФА воно збільшується до 24 %. Для зменшення відхилення при визначенні σ0,2 за методикою Бакірова запропоновано використовувати кореляційні залежності для металів, які поділено на окремі групи. Завдяки цьому відхилення порівняно з випробуванням на розтяг зменшується до 6%.

Таблиця 1

Порівняльні результати визначення границі текучості σ0,2, МПа,                         методами одновісного розтягу та інструментованого індентування

Марка сталі

Одновісний розтяг

Інструментоване індентування за методиками

Бакірова

Хаггага

Матюніна

20

244,9

237,5

318,5

264,3

45

353,9

343,8

461,1

396,5

15Х2НМФА

638,1

605,2

599,9

487,9

Таблиця 2

Порівняльні результати визначення границі міцності σв, МПа,                 методами одновісного розтягу та інструментованого індентування

Марка сталі

Одно-вісний розтяг

Інструментоване індентування за методиками

Хаггага

Марковця

Бакірова

Матюніна

ІПМіц

20

459,1

518,5

394,5

394,5

436,6

479,0

45

677,6

760,4

560,9

560,9

634,4

645,6

15Х2НМФА

728,4

940,2

751,1

748,4

При визначенні границі міцності конструкційних сталей при зміні характеристик міцності в широкому діапазоні (400…1200 МПа) найбільш точною виявилася запропонована методика, відхилення результатів за якою порівняно з даними випробування на розтяг не перевищувало 6,5%. Відхилення визначення границі міцності за методикою Матюніна порівняно з випробуванням на розтяг сталі 45 сягало 10…12%. При використанні інших методик відхилення результатів перевищувало 10 %.

Аналіз методик визначення твердості за Брінеллем методом інструментованого індентування показав, що найбільш точною є запропонована методика (табл. 3). Різниця між значеннями твердості, які отримані за запропонованою методикою і загальноприйнятим методом за ГОСТ 9012-59, не перевищує ±3%.

Таблиця 3

Порівняльні результати визначення твердості за Брінеллем НВ, МПа методом інструментованого індентування та загальноприйнятим методом за ГОСТ 9012-59

Марка сталі

ГОСТ 9012-59

МетодикаМатюніна 

Методика Бакирова

Вдоск. методика Матюніна

Методика ІПМіц

45

183,7

192

191

192

189

15Х2НМФА

222

226

224

227

223

Cв-08ХГМНТА

306

310

318

316

301

15Х2МФА

297,3

304

310

310

294

Cв-10ХМФТ

255

264

264

261

254

Для установлення оптимальних умов проведення випробувань досліджували вплив ряду факторів (швидкість деформування, режим навантаження, тертя на поверхні зразка тощо) на точність визначення характеристик міцності методом інструментованого індентування. Зокрема, при аналізі впливу тертя на поверхні показано, що значення границі міцності сталі 45 зменшуються при нанесенні мастила (олеїнова кислота, масло І50, касторове масла) на поверхню індентора та лунки. Найбільший вплив змащування було отримано при використанні олеїнової кислоти – величина границі міцності, що визначена за запропонованою методикою, на 1,3 % нижча, ніж при індентуванні поверхні, яка не змащена, а за методикою Матюніна – 1,6%.

Отримано нові дані щодо характеристик міцності ряду сталей відповідального обладнання після експлуатаційного напрацювання. У фрагменті стінки труби (сталь 17Г1С) газопроводу діаметром 1200 мм після тривалої експлуатації величина границі міцності, яка визначена за допомогою запропонованої методики, в напрямку вісі труби нижча на 3,5%, ніж в круговому. Результати, отримані за методом інструментованого індентування, підтверджуються даними випробувань на одновісний розтяг.

На прикладі сталі 15Х2НМФА в різних станах доведено можливість визначення механічних характеристик із використанням запропонованої методики. При твердості сталі 215 і 345 НВ та прийнятних величинах навантаження індентора (до 4000 Н) відхилення результатів визначення границі міцності від даних випробувань на розтяг не перевищує 4 %, в той час як відомі методики Матюніна і Бакірова для отримання аналогічних результатів при твердості 215 НВ дають відхилення, які перевищують 5%, а при твердості 345 НВ потребується набагато більше навантаження (приблизно в два рази).

Проаналізовано методики визначення характеристик міцності сталі 10ГН2МФА для зварного з’єднання №111-1 парогенератора АЕС і навколишньої зони, після тривалої експлуатації та оцінено відхилення їх даних від результатів випробувань на розтяг. Оцінено розподіл величини границі міцності по товщині патрубка і висоті вузла зварного з’єднання колектора з патрубком парогенератора. Показано, що розкид характеристик міцності по товщині патрубка не перевищує 1,5%, середня величина яких σВ дорівнює 662,7 МПа. Розподіл σв по висоті (поперек зварного шва) носить складний немонотонний характер (рис. 7), а зміна границі міцності металу сягає 35 %.

                      а                                                                   б

Рис.7. Розподіл границі міцності (■,□) і границі текучості (○) теплостійкої сталі 10ГН2МФА по товщині (а) та висоті (б) вузла зварного з’єднання «гарячого» колектора з патрубком парогенератора АЕС з ВВЕР-1000 після експлуатаційного напрацювання: ■ – зона зварного з’єднання (зварний шов №111); □, ○ – частина патрубка парогенератора ДУ 1200.

Висновки

Із використанням удосконалених методик і створеного експериментального обладнання для випробувань металів методом інструментованого індентування запропоновано нові методики визначення характеристик міцності і твердості сталей при неруйнівному контролі відповідальних елементів конструкцій та отримано нові дані для ряду конструкційних сталей щодо їх міцності у вихідному стані та після експлуатаційного напрацювання.

1. Удосконалено методики і створено оригінальні установки для випробувань металів методом інструментованого індентування в лабораторних та промислових умовах (в діапазоні навантажень до 10000 Н та 2000 Н відповідно) згідно з вимогами міжнародного стандарту ISO14577. Підвищено точність та ефективність роботи обладнання, а саме:

– запропоновано нову конструкцію вузла вимірювання глибини вдавлювання індентора, що зменшило вплив пружного деформування вузла індентування на вимірювання переміщення індентора відносно поверхні зразка;

– удосконалено процедуру визначення моменту дотику індентором поверхні зразка та установлено, що швидкість індентора при цьому повинна бути не більша, ніж 0,12мм/хв.;

– розроблено спеціальне програмне забезпечення, що дозволило проводити випробування матеріалів у режимах м’якого і жорсткого, статичного і циклічного навантажень, із та без витримки в часі в широкому діапазоні швидкостей деформації.

2. Визначено оптимальні параметри випробувань шляхом експериментального дослідження впливу ряду факторів (швидкість деформації, режим навантаження, тертя на поверхні зразка тощо) на діаграми індентування та характеристики міцності, які отримано при обробці цих діаграм. Зокрема, різниця в значеннях границі міцності сталі 45 не перевищує 1,5% при випробуваннях із різними змащувальними матеріалами (олеїнова кислота, касторове масло, масло І50) та без них.

3. На основі експериментальних досліджень і чисельного моделювання проведено порівняльний аналіз відомих методик визначення характеристик міцності сталей за діаграмами індентування. Визначено похибки результатів випробувань із використанням розробленого обладнання і цих методик, зокрема для визначення границі міцності сталей різної міцності – 20, 45, 17Г1С та 15Х2НМФА. Установлено, що найкращі результати отримано за методикою Матюніна, але величини похибки при цьому сягають до 12%. Запропоновано рекомендації щодо використання проаналізованих методик.

4. Розроблено нові методики визначення характеристик міцності та твердості металів за методом інструментованого індентування. На відміну від існуючих методик, механічні властивості конструкційних сталей за запропонованою методикою визначаються з використанням параметра, який дорівнює тангенсу кута нахилу діаграм індентування в координатах максимальне зусилля циклу навантаження – пластична складова глибини вдавлювання індентора цього циклу. У широкому діапазоні зміни характеристик міцності (400…1200 МПа) конструкційних сталей (вуглецеві 20 і 45, трубна 17Г1С та теплостійкі 15Х2НМФА, 10ГН2МФА) відхилення величин границі міцності, які визначені за запропонованою методикою, від результатів випробувань на розтяг не перевищує 6,5 % .

5. Отримано розподіл характеристик міцності і твердості металу по висоті та товщині відповідального елемента обладнання АЕС з ВВЕР-1000 - вузла зварного з’єднання №111-1 «гарячого» колектора з корпусом парогенератора після експлуатаційного напрацювання. Показано, що по товщині основного металу границя міцності змінюється не більше ніж на 1,5%, тоді як по висоті (поперек зварного шва) вона має складний немонотонний характер, а зміна границі міцності металу сягає 35 %.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА МАТЕРІАЛАМИ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

  1.  Установка для определения механических характеристик конструкционных материалов методом инструментированного индентирования / В. В. Харченко, Н. П. Рудницкий, О. А. Каток [и др.] // Надежность и долговечность машин и сооружений. – 2007. – Вып. 28. – С. 140–147. – Библиогр.: с. 147.
  2.  Каток О. А. Численное моделирование процесса непрерывного индентирования / О. А. Каток, С. В. Лензион, В. В. Харченко // Надежность и долговечность машин и сооружений. – 2007. – Вып. 29. – С. 167 – 173.Библиогр.: с. 172173.
  3.  Определение механических свойств сталей методом непрерывного индентирования / О. А. Каток, В. В. Харченко, А. В. Дроздов [и др.] // Надежность и долговечность машин и сооружений. – 2008. – Вып. 31. – С. 208213.Библиогр.: с. 213.
  4.  Переносний прилад для визначення характеристик міцності металів методом інструментованого ідентування/ В. В. Харченко, О. А. Каток,   О. В. Дроздов [та ін.] // Надежность и долговечность машин и сооружений. – 2009. – Вип. 32. – С. 162 – 168.Библиогр.: с. 167168.
  5.  Харченко В. В. Оцінка характеристик міцності сталей методом інструментованого індентування / В. В. Харченко, О. А. Каток,                   В. Е. Філатов // Пошкодження матеріалів під час експлуатації, методи їх діагностування і прогнозування: міжнар. науково-технічна конференція, 2124 вересня 2009 р.: праці конференції / Тернопільський державний технічний університет ім. І. Пулюя.– Тернопіль, 2009. – С. 64 –69.
  6.  Исследование поведения конструкционных материалов методом инструментированного индентирования / В. В. Харченко,                        Н. П. Рудницкий, О. А. Каток [и др.]. // Конструкционная прочность материалов и ресурс оборудования АЭС: международная научно-техническая конференция, 1921 сент. 2006 г.: тезисы докладов /            Ин-т проблем прочности им. Г. С. Писаренко НАН Украины, – Киев, 2006. –  С. 104 –105.
  7.  Rudnitskii N. P. A machine for instrumented indentation testing of structural materials / N. P. Rudnitskii, V.V. Kharchenko, O. A. Katok // Materials and Metallurgy (SHMD, 2008): 8th International Simposium, 1822 June. 2008. (Šibenik, Croatia): abstracts / Metalurgija.  47, No. 3. P. 233.
  8.  Каток О. А. Установка для испытаний материалов методом непрерывного индентирования в лабораторных условиях / О. А. Каток // конференция молодых ученых и специалистов: международная научно-техническая конференция, 2627 июня 2008 г.: тезисы докладов / ГНЦ ФГУП «ЦНИИ КМ «Прометей». Санкт-Петербург, 2008. – С. 46.
  9.  Анализ методик определения механических свойств сталей по результатам непрерывного индентирования / О. А. Каток,                         В. В. Харченко, А. В. Дроздов [и др.] // Конструкционная прочность материалов и ресурс оборудования АЭС: международная научно-техническая конференция, 2022 мая 2009 г.: тезисы докладов / Ин-т проблем прочности им. Г. С. Писаренко НАН Украины, – Киев, 2009. –  С. 66 –67.
  10.  Апробація методів неруйнівного контролю металу індентування при визначенні технічного стану конструкцій / Філатов В.Е., Каток О. А., Панасенко О.В. [и др.] // Прочность материалов и элементов конструкций: международная научно-техническая конференция, 28–30 сент. 2010 г.: тезисы докладов / Ин-т проблем прочности им. Г. С. Писаренко НАН Украины, – Киев, 2010. – Том 2. – С. 155.
  11.  Оценка характеристик прочности конструкционных сталей методом инструментированного индентирования / В. В. Харченко, О. А. Каток,  В. Е. Филатов [и др.] // Прочность материалов и элементов конструкций: международная научно-техническая конференция, 2830 сент.            2010 г.: тезисы докладов / Ин-т проблем прочности им. Г. С. Писаренко НАН Украины, – Киев, 2010. – Том 2. – С. 167.
  12.  Drozdov A. V., Development of modern testing equipment for indentation testing of metals / A. V. Drozdov, O. A. Katok, V.V. Kharchenko // Materials and Metallurgy (SHMD, 2010): 9th International Simposium, 20-24 June. 2010. (Šibenik, Croatia): abstracts / Metalurgija.  49, No. 3. P. 196.

АНОТАЦІЯ

Каток О.А. Визначення характеристик міцності конструкційних сталей методом індентування. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 01.02.04 – Механіка деформівного твердого тіла. – Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України, Київ, 2010.

Удосконалено методики і створено установки для випробувань металів методом інструментованого індентування згідно з вимогами міжнародного стандарту ISO 14577 в лабораторних та промислових умовах у макродіапазоні зусиль індентування. Розроблено розрахункову модель і проведено чисельне моделювання процесу деформування матеріалу в процесі індентування.

Шляхом експериментального і чисельного моделювання для визначення оптимальних умов проведення випробувань досліджено вплив ряду факторів (швидкість деформації, режим навантаження, тертя на поверхні зразка, пружне деформування конструктивних елементів вузла вимірювання глибини вдавлювання індентора, тощо) на процес деформування матеріалу при безперервному індентуванні та на діаграми, що реєструються в процесі таких випробувань.

Проведено аналіз відомих методик визначення характеристик міцності конструкційних сталей за діаграмами індентування та запропоновано рекомендації щодо використання цих методик.

Розроблено нові методики визначення границі міцності і твердості за Брінеллем на основі діаграми індентування в координатах зусилля – пластична складова глибини вдавлювання індентора. Показано ефективність використання цих методик у широкому діапазоні зміни міцності              (400…1200 МПа)конструкційних сталей (вуглецеві 20 і 45, трубна 17Г1С та теплостійкі 15Х2НМФА, 10ГН2МФА).

Розроблене обладнання і методики визначення механічних характеристик металу було використано для оцінки стану металу відповідального обладнання після експлуатаційного напрацювання. Зокрема, вперше визначено розподіл характеристик міцності і твердості металу по висоті та товщині відповідального елемента обладнання АЕС з ВВЕР-1000 – вузла зварного з’єднання №111-1 «гарячого» колектора з корпусом парогенератора після експлуатаційного напрацювання.

АННОТАЦИЯ

Каток О.А. Оценка характеристик прочности конструкционных сталей методом индентирования. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности – 01.02.04 – Механика деформируемого твердого тела (технические науки). – Институт проблем прочности им. Г. С. Писаренко НАН Украины, Киев, 2010 г.

Усовершенствованы методики и роздано установки для испытаний материалов методом инструментированного индентирования с записью диаграмм в координатах усилие – глубина вдавливания индентора в соответствии с требованиями международного стандарта ISO 14577 в лабораторных и промышленных условиях в макродиапазоне индентирования. Для повышения точности регистрации диаграмм предложено новую конструкцию узла измерения глубины вдавливания индентора, в которой датчик измерения перемещения крепится непосредственно к индентору; усовершенствована процедура определения точки касания вершиной индентора испытываемого материала поверхности.

Построены расчетные схемы и разработана методика численного моделирования деформирования металлов при индентировании с учетом конструкции узла измерения глубины вдавливания индентора созданного оборудования.

Путем экспериментального и численного моделирования для определения оптимальных условий проведения испытаний исследовано влияние ряда факторов (скорость деформации, режим нагружения, трение на поверхности образца, упругое деформирование конструктивных элементов узла измерения глубины вдавливания индентора и др.) на процесс деформирования материала при непрерывном индентировании и на диаграммы индентирования, регистрируемые в процессе таких испытаний.

На основании экспериментально-численных исследований проведен сравнительный анализ ряда известных методик определения характеристик прочности конструкционных сталей по диаграммам индентирования. Определены погрешности методик при обработке результатов с использованием разработанного оборудования, и предложены рекомендации по использованию этих методик. Показано, что рассматриваемые методики применимы для узкого класса материалов.

Разработаны новые методики определения предела прочности и твердости по Бринеллю на основе диаграммы вдавливания индентора в координатах усилие – пластическая составляющая глубины вдавливания индентора. Показано, что при использовании разработанной методики определение механических свойств металлов не зависит от упругой деформации узла измерения глубины вдавливания индентора. Отклонение определения предела прочности оцененного из испытания на растяжение, от предела прочности оцененного методом инструментированного индентирования не превышает 6,5%. Эффективность применения методик проиллюстрировано на примере углеродистых и теплостойких сталей.

Разработанные оборудование и методики определения механических характеристик металла использованы для оценки состояния металла ответственного оборудования после эксплуатационной наработки. Впервые оценено распределение характеристик прочности и твердости теплостойкой стали 10ГН2МФА по толщине и высоте узла соединения «горячего» коллектора с корпусом парогенератора АЭС с ВВЭР 1000 после эксплуатационной наработки.

 

АBSTRACT

Katok O. A. Assessment of strength characteristics of structural steels by the instrumented indentation test method. – Manuscript.

Candidate of technical sciences thesis in specialty 01.02.04 – Mechanics of a deformable solid – G. S. Pisarenko Institute for Problems of Strength, National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, Ukraine

The procedures for instrumented indentation testing of metals according to the requirements of the Standard ISO 14577 under laboratory and industrial conditions in the macro range of indentation forces have been improved and the corresponding testing units have been created. The calculation model has been developed and the numerical simulation of the material deformation process during indentation has been performed.

To determine the optimum conditions for testing, the effect of a number of factors, such as the deformation rate, loading mode, friction of the specimen surface, elastic deformation of structural elements of the unit for measurement of the indentation depth, etc., on the process of deformation of the material in a continuous ball indentation test and on the curves that are recorded during these tests was investigated by way of the experimental and numerical simulation.

The analysis of the known procedures for determining the strength characteristics of structural steels from the indentation diagrams was made and the recommendations on the use of the procedures were offered.

New procedures for determining the ultimate strength and Brinell hardness have been developed that are based on force versus plastic component of indentation depth curves. The efficiency of the use of the above procedures in a wide range of variation in the strength of structural steels (from 400 to 1200 MPa), such as carbon steels 20 and 45, pipe steel 09G2S and heat-resistant steels 15Kh2NMFA, 10GN2MFA, has been shown.

The equipment and procedures for determining the mechanical characteristics of the metal were employed to assess the state of the metal of critical equipment after its service life. In particular, the distribution of the metal strength and hardness characteristics over the height and thickness of the critical element of NPP equipment, namely, the welded joint (No. 111-1) assembly for joining a hot collector to a steam generator shell after the service life was first determined.


Підп. до друку 25. 10. 10. Формат 60×84/16. Папір офс.

Різограф. друк. Ум. друк. арк. 1,16. Обл.-вид. арк. 0,86.

Наклад 100 прим. Зам. №27.

Дільниця оперативного друку ІПМіц. ім. Г. С. Писаренка НАН України

01014, вул. Тимірязєвська, 2


МПа

МПа

γ

hpn

Fmax n

hp2

Fmax 2

hp1

hp, мм

Fmax 1

σв,

МПа

Fmax, Н

hpn

Fmax n

hp2

Fmax 1

hp1

Fmax 2

10

5

3

2

1

11

12

9

8

7

6

4

1

2

3

4

5

6

F, Н

h, мм

σв,

σ0,2,

МПа

σв,


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

75823. Финансовая реформа Петра I 246.75 KB
  Указом 1 марта 1698 года Пётр I подтвердил указы своих предшественников на право городов собирать стрелецкие то есть деньги собираемые с городского населения и оброчные деньги выборными земскими старостами волостными судьями и целовальниками состоявшими в земских избах в обход воевод и приказных людей.
75824. Комплекс производственной гимнастики 23.6 KB
  В комплекс вводной гимнастики обычно включают следующие компоненты: Ходьба; Упражнения на поддерживание с глубоким дыханием; Упражнения для мышц туловища и плечевого пояса наклоны повороты туловища с большой амплитудой и активными движениями рук...
75825. Влияние гаджетов на здоровье человека 66.6 KB
  Психические расстройства. Психические расстройства. Электромагнитные волны негативно действуют на работу всего организма и могут вызвать головную боль бессонницу и даже расстройства иммунной системы. Психические расстройства Нарциссические расстройства...
75826. Гимнастическая терминология 2.4 MB
  Любое из упражнений многофункционально и располагает возможностями избирательного и регламентированного воздействия на функции разных органов и систем организма, двигательные и психические способности.
75827. Источники и ход эмбрионального развития вторичной почки. Формирование нефрона 405.38 KB
  Первичная почка формируется из большого числа сегментных ножек( до 25), расположенных в области туловища зародыша. Сегментные ножки отшнуровываются от сомитов и спланхнотома и превращаются в канальцы первичной почки.
75828. ПСИХОЛОГИЯ ЛЮБВИ 67 KB
  Любовь по Шекспиру «безумство от угара», по Пушкину «веселье жизни хладной». Многие великие умы человечества пытались постичь природу и сущность любви. Однако до сей поры никто так и не вывел универсальную формулу любви, лекарство от нее и не объяснил, почему она возникает, и почему исчезает.
75829. Инструментарий технологии программирования 19.18 KB
  Инструментарий технологии программирования обеспечивает процесс разработки программ и включает специализированные программные продукты являющиеся инструментальными средствами разработчика которые поддерживают все технологические этапы процесса проектирования программирования...