7. Выполнен спектральный, микроструктурный и электронномикроскопический анализы металла ЗКН. Выявлены полосы первичного и вторичного скольжения, измерены их длины и расстояния между ними. Определена степень деформационного упрочнения металла ЗКН экспериментальным путем по результатам микроиндентирования, а также расчетным путем по дислокационной модели Тейлора. Показано примерное совпадение экспериментальных и расчетных значений.

8. Выполнено опробование разработанной методики определения механических свойств металла в ЗКН лопаток и роторов паровых турбин, гибов паропроводов, поверхностей нагрева, шпилек, сварных соединений и других конструкций. Показано, что характеристики твердости, предел текучести, временное сопротивление, отношение предела текучести к временному сопротивлению металла ЗКН резко возрастают, а предельная равномерная деформация столь же резко снижается, в результате чего повышается склонность металла к хрупкому разрушению. Для более обоснованной оценки степени опасности ЗКН необходим совместный контроль механических свойств и микроструктуры металла. Количественными показателями степени опасности ЗКН могут быть значения отношения предела текучести к временному сопротивлению и предельной равномерная деформации.

9. Общее научно-практическое значение полученных результатов состоит в том, что они дают возможность:

- определения механических свойств металла в малых объемах на мезо- и микроуровнях деформирования (ЗКН, локальные зоны сварных соединений, покрытия различного назначения, пленки, поверхностные слои деталей, упрочненые различными способами обработки и др.), а также контроля наноматериалов, микро- и наноизделий;

- прогнозировать характеристики твердости для инденторов различного диаметра и характеристики прочности для подобных разрывных образцов различного диаметра;

- уточнять коэффициенты запаса при расчетах на прочность, используя значения характеристик прочности для образцов с поперечным сечением, равным поперечному сечению сплошных деталей;

- применять предложенную методику при входном контроле и в процессе эксплуатации изделий машиностроения.

- 18 -

использовать и в других целях, когда требуется определение механических свойств весьма малых объемов металла, например, тонких покрытий, пленок, отдельных зерен и их границ и др.

В качестве примера в таблице 4 приведены результаты определения механических свойств металла ЗКН лопатки паровой турбины К-300 Конаковской ГРЭС. Лопатка была изготовлена из стали 20Х13 и пробыла в эксплуатации около 40 лет. В таблице также приведены механические свойства металла той же лопатки вне ЗКН. Данные таблицы свидетельствуют о резком увеличении отношения (0,2/(В металла ЗКН и снижении предельной равномерной деформации (в до критических значений. Металлографический анализ показал, что в месте расположения некоторых ЗКН образовались микротрещины, вследствие чего лопатка была демонтирована и заменена на другую.

Таблица 4. Результаты определения механических свойств металла в ЗКН и вне ЗКН лопатки паровой турбины из стали 20Х13 после 40 лет эксплуатации.

Механические

свойства Металл

вне ЗКН Металл

n 2,09 2,05

НВВ, Н/мм2 (кГ/мм2) 2649 (270) 2992(305)

(В, Н/мм2 (кГ/мм2) 883(90) 994(101)

(0,2, Н/мм2 (кГ/мм2) 716(73) 922(94)

(0,2 /(В 0,81 0,93

(В, % 8,3 4,8

Аналогичным образом были определены механические свойства металла ЗКН на гибах паропроводов диаметром 423х40 мм из стали 15Х1М1Ф. Результаты испытаний показали, что для металла ЗКН отношение (0,2/(В и предельная равномерная деформация еще не достигли критических значений ((0,2/(В = 0,86,

(В = 5,5 %), хотя и выходят за рамки допускаемых значений этих характеристик, согласно нормативным документам. Несмотря на то, что металлографический анализ показал отсутствие трещин, структурно-механическое состояние металла в ЗКН приближается к предельно допустимому.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Установлено, что структурные зоны концентрации напряжений (ЗКН), образующиеся в процессе эксплуатации изделий машиностроения могут стать причиной зарождения трещин и очагом разрушения металла. Чаще всего ЗКН имеют малые размеры в диапазоне от нескольких микрометров до нескольких миллиметров, что сильно усложняет контроль их механических свойств.

2. Показано, что образование ЗКН происходит путем концентрации полос скольжения вокруг неметаллических включений, карбидных частиц, границ зерен и других элементов структуры металла, а также дефектов металлургического и технологического происхождения, что приводит к резкому увеличению плотности дислокаций, твердости металла и его охрупчиванию.

3. Установлен и экспериментально подтвержден общий характер влияния масштабного фактора на изменения характеристик прочности стали при растяжении образцов различного диаметра и характеристик твердости при вдавливании сферических инденторов различного диаметра.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы обусловлена необходимостью определения механических свойств металла в зонах концентрации напряжений (ЗКН), являющихся источниками развития повреждений изделий машиностроения.

Причины возникновения ЗКН в изделиях машиностроения можно подразделить на металлургические, технологические, конструктивные и эксплуатационные. Отдельно следует выделить локальные структурные ЗКН, образующиеся в процессе изготовления или эксплуатации изделий под воздействием рабочих нагрузок, температуры, давления. В этих зонах происходят пластические сдвиги на разных масштабных уровнях. Как показывают экспериментальные исследования, локальные структурные ЗКН могут иметь размеры в пределах от нескольких микрометров до нескольких миллиметров. При средних напряжениях в изделии ниже предела текучести в локальных ЗКН напряжения значительно возрастают, а в некоторых случаях достигают разрушающих напряжений, вызывая образование трещин.

Особую актуальность проблема определения механических свойств металла локальных ЗКН приобретает в настоящее время в связи с необходимостью оценки остаточного ресурса оборудования и конструкций во всех отраслях промышленности.

Анализ существующих видов механических испытаний материалов показал, что индентирование (твердометрия) является наиболее перспективным способом определения механических свойств локальных ЗКН. Однако трудности такого вида испытания состоят в том, что из-за малых размеров ЗКН для контроля механических свойств можно использовать только мезо-, микро-, наноиндентирование. Определяемые при этом значения мезо-, микро-, нанотвердости превосходят значения макротвердости из-за влияния масштабного эффекта. А существующие связи характеристик прочности, определяемых при растяжении образцов, с характеристиками твердости, определяемыми при индентировании, установлены для макроуровня деформирования металла. В справочниках, сертификатах на металл и машиностроительную продукцию значения твердости и других механических характеристик представлены по результатам испытаний также на макроуровне. Поэтому необходимо установить условия подобия и обосновать возможность пересчета характеристик прочности по характеристикам твердости на разных масштабных уровнях.

Таким образом, разработка методики определения механических свойств металла ЗКН непосредственно в элементах оборудования по характеристикам твердости на разных масштабных уровнях, представляется актуальной задачей.

Целью исследования является – разработка методики определения фактических механических свойств металла ЗКН непосредственно в элементах оборудования, используя возможность пересчета характеристик прочности по характеристикам твердости на разных масштабных уровнях.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

Исследовать влияние масштабного фактора на механические свойства конструкционных материалов при растяжении образцов разного диаметра.

Исследовать влияние масштабного фактора на твердость этих же конструкционных материалов, определенную методом Виккерса при изменении нагрузки вдавливания и на твердость, определенную методом Бринелля при изменении диаметра индентора.

Выявить общие закономерности влияния масштабного фактора на характеристики прочности материалов, определенные испытаниями образцов на растяжение и характеристики твердости, определенные вдавливанием инденторов.

Предложить условия подобия для сопоставления характеристик прочности с характеристиками твердости материалов в целях установления связи между ними на разных масштабных уровнях..

Разработать методику определения механических свойств металла структурных ЗКН изделий машиностроения, возникающих в условиях эксплуатации.

Исследовать микроструктуру металла ЗКН на разных масштабных уровнях.