Оценить упрочнение металла ЗКН и критическое напряжение, необходимые для образования трещины, согласно дислокационным моделям.

Провести экспериментальное опробование разработанной методики на различных элементах оборудования, находящегося в эксплуатации.

Методы исследования. В ходе выполнения диссертационной работы были применены современные методы и технические средства микроструктурного анализа, электронной микроскопии, спектроскопии, фрактографии со стереоизображением в формате 3D, определения механических свойств металла растяжением и индентированием на разных масштабных уровнях.

Научная новизна полученных результатов.

Установлено, что параметр деформационного упрочнения при вдавливании сферических инденторов и предельная равномерная деформация при растяжении подобных цилиндрических образцов снижаются при уменьшении диаметра индентора и диаметра образца. Особенно сильно эти параметры снижаются при переходе от мезо- к микроуровням деформирования металла.

Установлен и экспериментально подтвержден общий характер влияния масштабного фактора на изменение характеристик прочности стали при растяжении образцов различного диаметра и характеристик твердости при вдавливании сферических инденторов различного диаметра. Предложены условия подобия, при выполнении которых возможен пересчет характеристик твердости на характеристики прочности по единой зависимости на макро-, мезо-, микроуровнях деформирования металла. Такими условиями являются равенство поверхности отпечатка и абсолютного изменения площади поперечного сечения образца, а также равенство относительной пластической деформации при вдавливании и растяжении.

Разработана методика определения механических свойств металла ЗКН путем индентирования на мезо-микроуровнях с последующим пересчетом значений механических свойств на макроуровень по предложенным зависимостям.

Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждены всесторонними исследованиями, выполненными с применением современных методик, приборов, оборудования, вычислительной и информационно-измерительной техники, сравнением и достаточно точным совпадением предложенных аналитических и расчетных зависимостей с экспериментальными данными.

Практическая значимость и реализация результатов работы:

Разработанная методика определения механических свойств металла ЗКН на мезо-микроуровнях индентирования расширяет возможности оперативного контроля и дополняет ценными сведениями оценку фактического структурно-механического состояния металла элементов конструкций и машин в условиях эксплуатации. Для повышения эффективности методики необходимо дополнять ее анализом микроструктуры металла с использованием метода пластических реплик.

Практическое опробование методики выполнено на следующих узлах энергетического и нефтяного оборудования:

- гибы и лопатки паропроводов энергоблока №4 Конаковской ГРЭС;

- шпильки фланцевого соединения пароперепускных труб ЦВД турбины

ПТ-60-130/13 Дягилевской ТЭЦ;

- трубы конвективного пароперегревателя КПП «ИнтерРАО»;

НV10=HV0,1/(. Учитывая близость значений твердости по Виккерсу и Бринеллю на макроуровне можно принять НV10( НВ2,5 и оценить (В=f(HB2,5).

Для обоснования возможности использования коэффициентов (1 и (2 при определении механических свойств металла ЗКН были проведены следующие эксперименты. Сталь 45 была термически обработана по двум режимам: 1-й режим – закалка 850оС и низкий отпуск 200оС; 2-й режим – закалка 850оС и высокий отпуск 600оС. В результате такой обработки структурно-механическое состояние стали резко различалось. После 1-го режима термообработки структура стали состояла из мартенсита отпуска и имела высокий уровень остаточных напряжений и твердости. После 2-го режима термообработки сталь приобрела структуру сорбита отпуска зернистого строения, остаточные напряжения и твердость резко снизились. На микрошлифе из этой стали, обработанной по двум режимам, были определены значения n2,5, n0,4, (HBB)2,5, (НВВ)0,4, (1, (2 (см. таблицу 3).

Таблица 3. Значения n, НВВ, (1, (2 для стали 45 в различном структурно-механическом состоянии, определенные на разных размерных уровнях.

Термическая обработка D = 0.4 мм D = 2.5 мм (1 (2

n0,4 (НВВ)0,4 n2,5 (НВВ)2,5

Н/мм2 кГ/мм2

Н/мм2 кГ/мм2

Закалка 850(С, отпуск 200(С 2.02 5788 590 2.06 5121 522 1.020 1.130

Закалка 850(С, отпуск 600(С 2.06 2511 256 2.10 2207 225 1.019 1.138

Как следует из таблицы 3 значения (1 и (2 оказались примерно одинаковыми независимо от структурно- механического состояния стали 45. Аналогичные результаты были получены и для стали 30ХГСА, термически обработанной по таким же двум режимам. Таким образом, проведенные эксперименты позволяют сделать вывод о том, что предложенные коэффициенты (1 и (2, учитывающие влияние масштабного фактора, могут быть использованы для одного и того же материала независимо от его структурно-механического состояния. Из этого следует, что предложенную методику можно применить для определения механических свойств металла ЗКН.

Основные этапы применения методики:

- уточнение границ и контуров ЗКН по результатам неразрушающего контроля (например, акустическим или магнитным методами) и измерений микротвердости; маркировка ЗКН и выбранных мест испытаний для определения механических характеристик;

- подготовка поверхности металла ЗКН и вне ЗКН для металлографического анализа; снятие пластических реплик с контролируемых мест;

- испытания металла вне ЗКН и в ЗКН индентированием на микро-мезо-макроуровнях с определением механических характеристик;

- анализ микроструктуры и механических свойств металла в ЗКН и вне ЗКН;

- принятие решений о структурно-механическом состоянии металла в ЗКН.

Методика была опробована на гибах паропроводов, поверхностях нагрева котлоагрегатов, лопатках и роторах турбин, шпильках, а также на изделиях установок нефтедобычи, на которых были обнаружены локальные ЗКН. Кроме того, методика была использована для определения механических свойств металла в локальных зонах сварных соединений (зона термического влияния, линия сплавления и др.), в которых испытания можно проводить только микроиндентированием. Методику можно

- 16 -

Таблица 2. Механические характеристики металла в ЗКН и вне ЗКН трубы 36х5 мм из стали ДИ-59 (10Х13Г12БС2Н2Д2).

HV, кГ/мм2

вне ЗКН HV, кГ/мм2

в ЗКН ( (в, Н/мм2 (кГ/мм2) вне ЗКН (В, Н/мм2 (кГ/мм2)

в ЗКН ((в, Н/ мм2 (кГ/ мм2) в ЗКН

Макроуровень 1,102 Макроуровень

176 НV10 260 НV0,1