Введение 6
Глава 1. Обзор состояния вопроса и постановка задач исследования 8
Структура и свойства высокопрочных судостроительных сталей. Методы производства 8
Требования, предъявляемые к судостроительным сталям по Правилам Регистра 17
Методы и режимы сварки судостроительных сталей, используемые при строительстве конструкций и сертификации основного металла 25
Влияние термического цикла сварки на структуру и свойства судостроительных сталей. Критические участки зоны термического влияния (ЗТВ). 30
Методика определения параметров трещиностойкости сварных соединений.
Обзор получаемых при определении CTOD ЗТВ результатов 42
Постановка задачи исследования 47
Глава 2. Экспериментальное определение трещиностойкости металла сварных соединений судостроительных сталей 49
Выбор материалов для исследования 49
Методика испытаний на CTOD 52
Результаты испытаний основного металла 57
Результаты испытаний металла шва 59
Построение карт распределения участков сварного соединения перед фронтом усталостной трещины испытанных образцов 61
Полученные результаты 65
Результаты испытаний металла ЗТВ 72
Глава 3. Анализ данных по трещиностойкости металла крупнозернистой ЗТВ 75
Алгоритм обработки данных в виде двухпараметрического распределения Вейбулла с определением его коэффициентов 75
Примеры накопленных и интегральных функций распределения вероятности разрушения 77
Сопоставление интегральных вероятностей с требованием РМРС и оценка влияния отдельных факторов 85
Анализ влияния % составляющих шва и ЗТВ на результат определения
CTOD 87
Глава 4. Моделирование процесса разрушения металла ЗТВ с учетом случайного характера фактического содержания хрупких структурных составляющих на фронте трещины 92
Анализ фактической вероятности содержания металла крупнозернистой ЗТВ и металла шва при разметке образцов по линии сплавления по результатам металлографических исследований 92
Теоретические представления о связи вероятности хрупкого разрушения с объемом «зоны процесса» 94
Разработка алгоритма и программы численного моделирования процесса разрушения 97
Результаты моделирования 100
Обсуждение результатов работы. Заключение 103
Список использованной литературы 105
В настоящее время большое внимание уделяется проблеме освоения арктического шельфа, включающей в себя необходимость постройки нефте- и газо- добывающих платформ, магистральных трубопроводов и морского флота ледоколов и судов ледового плавания. Конструкции в условиях Крайнего Севера работают в особо суровых условиях эксплуатации, таких как сейсмическая активность, ветроволновое воздействие, коррозионное воздействие, а также экстремально низкие температуры до -40…-60оС. Основными материалами для строительства арктических конструкций по-прежнему остаются низколегированные высокопрочные свариваемые стали, особенностью которых является наличие вязко-хрупкого температурного перехода. Это обусловливает потенциальную опасность хрупких разрушений при снижении температуры. Очевидно, что из-за возможных тяжелых экономических и экологических последствий такая опасность должна быть полностью исключена.
Поэтому для надежной и безотказной эксплуатации конструкции стали, используемые для их производства, должны удовлетворять ряду особых требований. К таким требованиям относятся: высокая прочность в сочетании с высокой пластичностью, высокая ударная вязкость, высокая сопротивляемость хрупким разрушениям в условиях резкоменяющихся температур и знакопеременных нагрузок, высокое сопротивление коррозии и слоистым разрушениям. В большинстве случаев все конструкции являются сварными, что заставляет к вышеперечисленным свойствам добавить еще одно, наиболее важное, это хорошая свариваемость материала. Поэтому указанные требования относятся не только к основному металлу, но и к металлу сварных соединений.
В настоящее время в нашей стране требования к металлу морских конструкций, в том числе применяемых в условиях Арктики, регламентируются Правилами Российского морского регистра судоходства.
В данной работе основное внимание уделяется моменту возникновения разрушения от возможного трещиноподобного дефекта, а именно изучению параметра трещиностойкости высокопрочных судостроительных сталей. Требования к параметру CTOD в зависимости от категории прочности стали, толщины и условий нагружения конструкции приведены в «Правилах» РМРС.
Фактически современные судостроительные стали, обладающие высокой чистотой по неметаллическим включениям и мелкодисперсной структурой, обеспечивают предъявляемые к ним требования по CTOD. Более сложная ситуация возникает при испытаниях металла сварного соединения—металла шва и металла зоны термического влияния (ЗТВ), где формируется неблагоприятная структура при термическом воздействии сварки (ЗТВ) и присутствует дендритная крупнозернистая составляющая (шов).
Таким образом, целью работы является определение сопротивления хрупкому разрушению наиболее слабого звена – зоны термического влияния сварных соединений.
В данной работе было проведено исследование трещиностойкости зоны термического влияния сварных соединений судостроительных сталей высокой прочности при низких температурах, а именно анализ влияния процентной доли хрупких структурных составляющих (ЗТВ и металла шва) на фронте усталостной трещины на общий результат при определение параметра CTOD.
Анализ литературных данных, изложенный в обзоре общего состояния вопроса, показал, что получаемые в результате испытаний ЗТВ сварных соединений значения CTOD имеют очень большой разброс, и при этом они могут варьироваться в диапазоне от 0.01 до 3 мм для одной серии образцов. Причиной такого разброса может являться как неблагоприятное влияние хрупкого металла шва, так и низкая трещиностойкость крупнозернистой ЗТВ на фронте усталостной трещины. Экспериментальные данные, анализируемые в практической части работы, также показали большой разброс результатов и практическую невозможность проанализировать влияние крупнозернистой ЗТВ на CTOD при отсутствии металла шва на фронте усталостной трещины, т.е. исключить его влияние на результат, поскольку при разметке образцов тяжело попасть в крупнозернистую ЗТВ (из-за ее криволинейности и влияния человеческого фактора при разметке и изготовлении надрезов), исключив при этом полностью попадание в металл шва.
В связи с этим зарубежными авторами было предложено провести испытания на трещиностойкость образцов малых размеров с имитацией термического цикла сварки. Получаемые при этом результаты в среднем оказываются на уровне 0.05 мм по значению CTOD.
Поскольку на основе статистического анализа результатов испытаний не представилось возможным оценить в полной мере «истинную» трещиностойкость крупнозернистой ЗТВ из-за неоднозначного влияния металла шва на результат, было проведено моделирование численного эксперимента по методу Монте-Карло. В результате моделирования выявлено, что средние значения истинной трещиностойкости металла ЗТВ оказываются существенно ниже непосредственно получаемых данных. Так, для экспериментального среднего значения CTOD ЗТВ, равного 0.22 мм «истинное» среднее при наиболее правдоподобном сочетании характеристик трещиностойкости основного металла и металла шва получаем: 10 = 0.16 мм, а для экспериментального значения 0.10 мм получим: 10 = 0.03 мм. Полученные значения «истинной» трещиностойкости качественно соответствуют литературным данным, полученным при имитации термического цикла сварки, т.е. находятся на низком уровне.
Результаты исследования также показали, что, несмотря на удовлетворительный результат по среднему значению трещиностойкости, велика вероятность получения отдельных результатов существенно ниже требований Регистра. Очевидно, что вероятность получения таких результатов растет с количеством образцов. Возможным выходом из данной ситуации, может стать снижение требований, предъявляемых Регистром к среднему значению и/или допущение наличия выбросов отдельных значений. При этом перейти к поверочным расчетам хрупкой прочности на основе полученных результатов и получаемого разброса. Кроме того, необходимо получать статистически представительный объем данных для металла шва, чтобы отделить его влияние на результаты испытаний.
Иным решением может стать применение других методик испытаний на трещиностойкость с использованием образцов типа SENT, наиболее приближенных к условиям работы материала в реальной конструкции, что предлагают зарубежные авторы. Однако, данное предложение является спорным, так как, во-первых, остается непонятным как проводить испытания образцов большой толщины, а во-вторых, с учетом остаточных сварочных напряжений жесткость напряженного состояния в вершине дефекта реальной конструкции может быть не ниже, чем в образцах SENB.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
