Влияние пластической деформации на структуру, механические свойства и коэрцитивную силу металла кислородных баллонов
Приведены результаты систематических исследований, включающие магнитный, металло-, фрактографический и рентгеноструктурный анализы металла кислородных баллонов. Показано, что техническое состояние баллонов, а не срок службы, является решающим фактором для их безопасной эксплуатации. Отмечена также н...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Техническая диагностика и неразрушающий контроль |
|---|---|
| Дата: | 2011 |
| Автори: | , , , , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2011
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102494 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Влияние пластической деформации на структуру, механические свойства и коэрцитивную силу металла кислородных баллонов / Л.М. Лобанов, В.А. Нехотящий, М.Д. Рабкина, В.А. Костин, В.В. Харченко, Е.А. Кондряков, В.В. Усов, Н.М. Шкатуляк // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2011. — № 4. — С. 14-23. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860155083132502016 |
|---|---|
| author | Лобанов, Л.М. Нехотящий, В.А. Рабкина, М.Д. Костин, В.А. Харченко, В.В. Кондряков, Е.А. Усов, В.В. Шкатуляк, Н.М. |
| author_facet | Лобанов, Л.М. Нехотящий, В.А. Рабкина, М.Д. Костин, В.А. Харченко, В.В. Кондряков, Е.А. Усов, В.В. Шкатуляк, Н.М. |
| citation_txt | Влияние пластической деформации на структуру, механические свойства и коэрцитивную силу металла кислородных баллонов / Л.М. Лобанов, В.А. Нехотящий, М.Д. Рабкина, В.А. Костин, В.В. Харченко, Е.А. Кондряков, В.В. Усов, Н.М. Шкатуляк // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2011. — № 4. — С. 14-23. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Техническая диагностика и неразрушающий контроль |
| description | Приведены результаты систематических исследований, включающие магнитный, металло-, фрактографический и рентгеноструктурный анализы металла кислородных баллонов. Показано, что техническое состояние баллонов, а не срок службы, является решающим фактором для их безопасной эксплуатации. Отмечена также необходимость повышения физико-механических характеристик стали за счет улучшения технологии ее изготовления.
The paper gives the results of systematic studies, including magnetic, metallographic, fractographic and X-ray structural analyses of oxygen bottle metal. It is shown that the bottle technical condition, and not their service life, is the decisive factor of their safe service. The need to improve the physico-mechanical characteristics of steel through improvement of its production technology is also noted.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:53:13Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 620.30.12
ВЛИЯНИЕ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ НА СТРУКТУРУ,
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И КОЭРЦИТИВНУЮ СИЛУ
МЕТАЛЛА КИСЛОРОДНЫХ БАЛЛОНОВ
Л. М. ЛОБАНОВ, акад. НАНУ, В. А. НЕХОТЯЩИЙ, инж., М. Д. РАБКИНА, докт. техн. наук,
В. А. КОСТИН, канд. техн. наук (Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины, Киев),
В. В. ХАРЧЕНКО, докт. техн. наук, Е. А. КОНДРЯКОВ, канд. техн. наук (ИПП им. Г. С. Писаренко НАН Украины),
В. В. УСОВ, докт. физ.-мат. наук, Н. М. ШКАТУЛЯК, канд. физ.-мат. наук (ЮУНПУ им. К. Д. Ушинского)
Приведены результаты систематических исследований, включающие магнитный, металло-, фрактографический и
рентгеноструктурный анализы металла кислородных баллонов. Показано, что техническое состояние баллонов, а
не срок службы, является решающим фактором для их безопасной эксплуатации. Отмечена также необходимость
повышения физико-механических характеристик стали за счет улучшения технологии ее изготовления.
The paper gives the results of systematic studies, including magnetic, metallographic, fractographic and X-ray structural
analyses of oxygen bottle metal. It is shown that the bottle technical condition, and not their service life, is the decisive
factor of their safe service. The need to improve the physico-mechanical characteristics of steel through improvement of
its production technology is also noted.
В бесшовных баллонах среднего объема отечес-
твенного производства зафиксировано неравно-
мерное распределение коэрцитивной силы [1–3].
В работах [2, 3] отмечается влияние напряжен-
но-деформированного состояния, обусловленного
изготовлением и эксплуатацией, в [1] для опре-
деленной части баллонов установлена линейная
корреляция между величиной коэрцитивной силы
Hс(y) и толщиной стенки δ(x), что, в свою очередь,
может быть использовано для обнаружения опас-
ных зон и, соответственно, повышения безопасной
эксплуатации. Однако, в ряде случаев имеет место
нарушение линейной зависимости, что, по всей
видимости, отражает конкурирующую роль струк-
турно-текстурных параметров металла в форми-
ровании величины коэрцитивной силы [4].
Цель настоящей работы — исследовать изме-
нение структуры и сопротивляемость хрупкому
разрушению стали Дс в связи с влиянием плас-
тической деформации на значение и распределе-
ние коэрцитивной силы в цилиндрических обо-
лочках кислородных баллонов.
Материалы и методика эксперимента. Из
партии кислородных баллонов для исследования
был выбран баллон Б1 с большим сроком эксплу-
атации (табл. 1), характерным отличием которого
является специфическое распределение коэрци-
тивной силы в цилиндрической стенке (рис. 1, а)
с двумя четко выраженными участками (между
образующими Р5—Р6 и Р13—Р14) повышенных
значений (6,0...7,9 А/см).
Баллон был подвергнут гидравлическому ис-
пытанию статическим давлением. Для предотвра-
щения деформации на участке баллона, прилега-
ющему к днищу, перед испытанием был установ-
лен бандаж (рис. 2). На первом этапе испытания
баллон был нагружен давлением P = 32,5 МПа,
что вызвало начало пластического деформирова-
ния цилиндрической стенки. После сброса давле-
ния отмечено увеличение значений коэрцитивной
силы до 8,5 А/см на участке между образующими
P5—P6 (рис. 1, б). На этом же участке при дав-
лении 51,9 МПа баллон разрушился. Увеличение
периметра баллона в неразрушенной части сос-
тавило 4,9 %. По данным коэрцитиметрии
(Hс= 9...10,5 А/см) разрушение произошло при
напряжениях, отвечающих пределу прочности
стали Дс [5]. Исходя из результатов гидроис-
пытания, разрушающее давление превысило
расчетное в 2,8 раза, а рабочее — в 3,5 раза,
что, согласно [2], допускало возможность прод-
ления срока эксплуатации.
Для дальнейших исследований из разрушенно-
го баллона были отобраны пробы — из участка
с наибольшей деформацией, а также из участка,
находящегося под бандажом (рис. 1, в и рис. 2).
Спектральным анализом было установлено,
что химический состав металла баллона соответ-
ствует стали Дс (табл. 2).
Металлографический анализ проводили на
продольных и поперечных шлифах, перпендику-
лярных толщине стенки баллона, при помощи
микроскопа «NEOPHOT-32». Травление микро-
структуры осуществляли в 4 %-ном спиртовом
растворе азотной кислоты. Твердость по Виккерсу
при нагрузке 100 г была измерена на микротвер-
домере М-400 фирмы «LECO».
© Л. М. Лобанов, В. А. Нехотящий, М. Д. Рабкина, В. А. Костин, В. В. Харченко, Е. А. Кондряков, В. В. Усов, Н. М. Шкатуляк, 2011
14 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №4,2011
Рис. 1. Распределение коэрцитивной силы (Hc, А/см) в металле баллона Б1 в исходном состоянии (а); после нагржения
давлением 32,5 МПа (б); после разрушения при 51,9 МПа (в) (P1—P15 — образующие цилиндрической части баллона)
ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №4,2011 15
Рентгеноструктурный анализ выполняли сог-
ласно методике построения обратных полюсных
фигур (ОПФ) [6,7]. Измеряли интегральные ин-
тенсивности дифракционных рефлексов от крис-
таллографических плоскостей {110}, {200},
{211}, {220}, {310}, {222}, {321}, {400}, {330}
образцов и эталона, который был приготовлен из
мелких рекристаллизованных опилок стали Дс.
Исследовали следующие сечения отобранных
фрагментов: наружный и внутренний слои, а так-
же сечение, перпендикулярное продольной оси
цилиндрической поверхности баллона. Во всех
случаях перед съемкой кривых полюсной плот-
ности соответствующие поверхности химически
полировали на глубину 0,1 мм для удаления ис-
каженного механической обработкой слоя. Иссле-
дуемые образцы и эталон подвергали θ–2θ-ска-
нированию на дифрактометре «ДРОН-3» по ме-
тоду Брега–Брентано в одинаковых геометричес-
ких условиях съемки. Находили отношения ин-
тегральных интенсивностей линий дифракции ис-
следуемых образцов и эталона. Приведенная по-
люсная плотность Pnkl пропорциональна отноше-
нию интенсивности линии (hkl) в текстурованном
образце и образце без текстуры [6, 7]:
Phkl =
Ihkl
т
Ihkl
0 K, где K = 1
Σ
Δ
Ahkl Ihkl
т ⁄ Ihkl
0 , Σ
Δ
Ahkl = 1.
Таким образом, Phkl =
Ihkl
т ⁄ Ihkl
0
Σ
Δ
Ahkl Ihkl
т ⁄ Ihkl
0 , где Ihkl
т —
интегральная интенсивность линии {hkl} в текс-
турованном образце; Ihkl
0 — то же для образца без
текстуры.
Значение коэффициентов Ahkl для ОЦК-решет-
ки приведены в табл. 3.
Нормировку полученных отношений проводи-
ли по методике Морриса [7]. При этом для уве-
личения точности интегральные интенсивности
дифракции от плоскостей первого и высших по-
рядков, например, от (110) и (220) учитывали как
среднее арифметическое.
Механические характеристики металла балло-
нов из стали Дс получены при испытаниях на
одноосное растяжение цилиндрических и плоских
образцов на приборе Instron 8802.
Испытания на ударный изгиб проводили сог-
ласно стандарту ISO 14556–2000 в диапазоне тем-
ператур T = –120…+80 °С на вертикальном инс-
трументированном копре, спроектированном и из-
готовленном в Институте проблем прочности
им. Г. С. Писаренко НАНУ [8]. Использовали ма-
лоразмерные образцы Шарпи согласно РД
ЭО 0598–2004, вырезанные в осевом направ-
лении, с надрезами, выполненными в кольцевом
направлении. По результатам испытаний согласно
методике, предложенной в работе [9], были оп-
ределены энергии разрушения и ударная вязкость:
A(t1, t2) = 1
m ⎡⎢
⎣
q(t1) − 12Δq(t1, t2)⎤⎥
⎦
Δq(t1, t2),
где q(t) = mV(t); m — масса ударника; V — скорость
ударника.
Рис. 2. Баллон Б1 с бандажом после гидравлического
испытания статическим давлением 51,9 МПа; 1 — участок
пробы из зоны с найбольшими значениями кольцевой
деформации — 6...7 %; 2 — бандаж
16 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №4,2011
Удельная энергия деформирования и разруше-
ния (KCV) определялась по формуле: Eуд = ES , где
S — площадь поверхности излома; E — энергия
разрушения. Для вычисления значений энергий
деформирования и разрушения на отрезке време-
ни от t1 до t2 определяли запас количества дви-
жения к началу интервала времени t1 и изменение
Δq в этом интервале.
S-образные кривые вязко-хрупкого перехода
были получены путем аппроксимации данных с
помощью функции Больцмана:
y =
A1 − A2
1 + e(x − x0) ⁄ dx
+ A2.
Фрактографический анализ проводили с по-
мощью растрового электронного микроскопа
«JSM-840» при увеличениях ×10…×1000 и уско-
ряющем напряжении 20 кВ в режиме SEI и BEI.
Использование режима BEI обусловлено тем, что
для исследования образцов в этом режиме нет не-
обходимости проводить их травление с целью вы-
явления микроструктуры. Контраст изображения
в данном режиме обусловлен различием в хими-
ческом составе структурных составляющих. С по-
мощью платы захвата изображения MicroCapture
электронное изображение поверхности изучаемых
изломов передавалось на экран компьютера с пос-
ледующей оцифровкой и запоминанием его в циф-
ровом виде. Переведя электронное изображение
в цветовое, программа Image Pro позволяет дос-
таточно точно определить долю каждого участка:
хрупкого, вязкого и квазискола.
Результаты и их обсуждение. Металлографи-
ческая структура металла баллона представляет
собой мелкозернистую феррито-перлитную смесь,
типичную для баллонной стали Дс. Балл зерна
феррита находится в диапазоне №8—№10 по
ГОСТ 5639–82 «Стали и сплавы». Интересно от-
метить с внутренней поверхности стенки баллона
в металле, находящемся под бандажом, наличие
обезуглероженного слоя на глубину до 100 мкм,
со значением микротвердости 1,91...1,99 ГПа (по
сравнению с остальной массой металла —
2,27...2,45 ГПа). Здесь же наблюдаются глубокие
трещины и отслоения (рис. 3, а). В металле, пре-
терпевшем деформацию (рис. 3, б), имеет место
деформированный слой глубиной 50...60 мкм.
Значения микротвердости достигают здесь вели-
чины 2,03...2,13 ГПа.
Таким образом, металлографическая структура
оболочки Б1 мелкозернистая, неоднородная с явно
выраженным приповерхностным слоем с внутрен-
ней стороны. В исходном состоянии (под банда-
жом) этот слой имеет признаки обезуглерожива-
ния. После разрушения при гидравлических ис-
пытаниях приповерхностный слой деформируется
на глубину до 60 мкм.
Т а б л и ц а 1 . Объективные данные исследуемых баллонов из стали Дс
Баллон Заводской
номер
Срок службы,
лет
Толщина стенки Коэрцитивная си-
ла, А/см Результаты испытаний
min...max σ* min...max Hc
**
Разрушающее
давление Рразр,МПа
Увеличение периметра в
неразрушенной части
баллона, %
Фактический за-
пас прочности,
m = Pразр/Pрасч
Б1 86482 48 7,3...8,9 7,4 4,7...9,2 7,7 51,9 4,9 2,65
Б2 91200 45 5,6...9,0 6,2 6,0...9,4 7,1 49,9 1,8 2,86
(брак металла)
Б3 39280 18 7,4...9,3 8,8 5,1...7,8 5,9 55,1 1,6 2,38
(брак металла)
Б4 147710 52 7,3...9,2 7,5 4,3...6,3 5,1 51,4 4,1 2,91
Б5 269418 36 6,6...8,5 6,6 4,6...8,3 - 48,3 3,95 2,87
Б6 49607 49 7,4...8,0 7,8 4,7...6,9 4,7 47,3 4,7 2,58
Б7 153737 56 7,8...9,6 8,5 4,3...7,1 5,2 49,3 1,8 2,11
(брак металла)
Б8 758 0 7,5...9,4 7,7 5,4...7,0 5,8 56,7 4,8 2,76
Б9 25 0 7,6...8,6 7,7 6,0...8,7 7,5 58,9 4,2 2,71
Б10 89952 48 6,1...10,3 - - 4,2...7,7 не испытан - -
Примечание. Исходные значения δ* и Hc
** участков стенки, по которым произошло разрушение
Т а б л и ц а 2. Химический состав металла баллона
Проба C Si Mn S P Cr Ni Mo
Б1 0,443 0,394 0,91 ≤0,025 0,019 0,10 0,08 <0,03
Ту 14-157-15 0,43...0,53 0,17...0,37 0,7...1,0 ≤0,045 ≤0,045 ≤0,35 ≤0,25 -
ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №4,2011 17
В связи с неоднородностью приповерхностных
слоев представлялось целесообразным изучить их
кристаллографические ориентировки.
Кристаллографическая текстура. Значения
полюсной плотности Phkl в различных сечениях
цилиндрической поверхности баллона Б1 под бан-
дажом и вне бандажа приведены в табл. 4.
Из представленных данных видно, что тексту-
ра Б1, как в исходном состоянии, так и в наиболее
деформированном сечении (Нc ~ 11 А/см) в ос-
новном характеризуется наличием плоскостей
{001}, {110} и {112}, параллельных цилиндричес-
кой поверхности, так как их плотность на полюс-
ных фигурах превышает единицу, которая соот-
ветствует отсутствию текстуры. При этом с осью
цилиндрической поверхности баллонов преиму-
щественно совпадают кристаллографические нап-
равления, расположенные от <100> до <110>.
Другими словами, преимущественными компо-
нентами текстуры являются следующие ориенти-
ровки: {001} <110> — основная, так как полюсная
плотность P001 наибольшая; {112} <110> — рас-
сеяние основной ориентировки и {110} <001> —
ориентировка текстуры сдвига.
Как известно, кристаллографические плоскос-
ти семейства {001} являются в ОЦК-металлах и
сплавах основными плоскостями скола [10]. По-
этому при формировании в металле текстуры, ко-
торая характеризуется расположением этих плос-
костей параллельно плоскости прокатки, можно
ожидать повышенной склонности листов и конс-
трукций из них к слоисто-хрупкому разрушению,
особенно при развитии трещин нормального от-
рыва [11–13]. Тем не менее, наличие в металле
баллона компоненты текстуры сдвига {110}
<110> в определенной степени уменьшает склон-
ность металла к этому виду разрушения [14].
Следует отметить, что под бандажом (в исход-
ном состоянии) текстура основной компоненты
{001} <110> более острая с внутренней поверх-
ности по сравнению с наружной (P001 = 1,46/1,31).
В свою очередь, после разрушения эта ориен-
тировка также возрастает с внутренней поверх-
ности (P001 = 1,54/1,46). Однако особенно резко
она увеличивается с наружной поверхности
(P001 = 1,50/1,31). Что касается плоскостей сдвига
{110}, то после разрушения эта ориентировка ос-
лабевает с наружной (1,24/1,13) и усиливается с
внутренней поверхности (1,25/1,33).
Таким образом, данные рентгеноструктурного
анализа свидетельствуют о неравномерном расп-
ределении кристаллографической текстуры по се-
чению оболочки. При этом в результате пласти-
ческой деформации наблюдается по существу уве-
личение «опасной» компоненты по толщине стен-
ки при накоплении «вязкой» составляющей толь-
ко с внутренней поверхности.
Механические свойства. В связи с изменениями
в результате гидравлических нагрузок структурно-
текстурных параметров металла по сравнению с ис-
ходным состоянием представляло интерес опреде-
лить также влияние деформации на механические
характеристики металла сечения с наиболее высо-
Т а б л и ц а 3. Коэффициенты нормировки для расчета Phkl
ОПФ [6]
hkl Аhkl
110 0,126
200 0,052
211 0,109
310 0,270
222 0,074
321 0,370
Т а б л и ц а 4. Распределение Рhkl в металле Б1
hkl
Поверхность
под бандажом
Поверхность
вне бандажа
наружная внутренняя наружная внутренняя
001 1,31 1,46 1,50 1,54
110 1,24 1,25 1,13 1,33
112 1,06 1,17 1,10 1,15
310 0,98 0,92 0,91 0,85
222 0,93 0,97 0,98 0,93
321 0,88 0,86 0,92 0,89
Примечание. Значения, меньшие 1, в расчетах не применяются
Рис. 3. Структура (×200) с внутренней поверхности стенки Б1: а — под бандажом; б — вне бандажа
18 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №4,2011
кими значениями коэрцитивной силы. Установле-
но, что предел текучести металла баллона Б1 (см.
рис. 1, в) увеличился здесь почти на 40 % по срав-
нению с участком, находящимся под бандажом; вы-
росло также относительное удлинение — примерно
на 20 % (табл. 5).
В то же время временное сопротивление и от-
носительное сужение изменились незначительно.
Аналогичные исследования были проведены на
металле Б6 (табл. 5). Интересно отметить, что в
данном случае также имеют место значительные
изменения предела текучести металла (примерно
на 30 %) и показателей пластичности, тогда как
временное сопротивление не претерпело сущест-
венных изменений.
Поскольку при выборе материалов для конс-
трукции, которая может быть подвержена механи-
ческим воздействиям существенным фактором, как
известно, является температура вязко-хрупкого пе-
рехода Tх, представляло интерес определить также
влияние пластической деформации на сопротивле-
ние разрушению металла при ударных нагрузках.
Ударная вязкость малоразмерных образцов
Шарпи. Несмотря на то, что дискуссионным ос-
тается вопрос, в какой мере хрупко-вязкий пере-
ход является инженерным свойством, которое
формируется напряженным состоянием конс-
трукции или определяется физическими свойства-
ми конкретного материала, на ход этой кривой
заметное влияние оказывает состав стали, ее мик-
роструктура, количество и распределение неме-
таллических включений, размер исходного аусте-
нитного зерна и т. д.
Следует отметить, что температурной зависи-
мости ударной вязкости стали Дс баллона Б1 в
исходном состоянии (под бандажом) присуща ти-
пичная для металлов и сплавов с ОЦК-решеткой
форма кривой хрупко-вязкого перехода (рис. 4,
кривая 1). В результате гидроиспытаний произош-
ло пластическое деформирование металла в це-
лом. На локальном участке, по всей видимости,
это привело к образованию равномерной ячеистой
дислокационной субструктуры, что обусловило
снижение Tх на этом участке (рис. 4, кривая 2). По-
лученные результаты хорошо согласуются с дан-
ными, приведенными в работе [15, стр. 159–161],
где обращено внимание на то, что образование
равномерной субструктуры в трубных сталях при
больших степенях обжатия снижает Tх. В связи
с этим представляло интерес оценить влияние де-
формации, вызванной гидроиспытаниями, на ме-
ханические свойства металла других раннее ис-
следованных баллонов [1, табл. 1].
Были отобраны пробы из разрушенных при
давлениях 49,9 и 55,1 МПа баллонов Б2 и Б3 и
претерпевших наибольшие деформации 1,8 и
1,6 % соответственно (см. табл. 1). Разрушение
Б2 было инициировано участком цилиндрической
стенки толщиной (6,2 мм) и с относительно вы-
сокими значениями коэрцитивной силы в коль-
цевом и осевом направлениях 7,5 и 9,4 А/см, что
свидетельствует о перегрузке, вызвавшей теку-
честь металла. Хрупкое разрушение Б3 с образо-
ванием пяти осколков было инициировано браком
участка стенки (закатом металлургического про-
исхождения).
Выбор именно этих баллонов для дальнейших
исследований обусловлен тем, что в металле Б2
выявлена типичная мелкозернистая структура с
баллом зерна феррита № 8, присущая обычной
структуре баллонной стали Дс [16, 17]. В Б3 наб-
людается крупнокристаллическая структура с бал-
лом зерна № 3 и тонкими выделениями полиго-
нального феррита по границам перлитных зерен,
что свидетельствует о значительном перегреве ме-
талла, возможно как на стадии изготовления, так
и в период эксплуатации.
Что касается кристаллографической текстуры,
то как и в Б1 она в основном характеризуется на-
личием плоскостей {001}, {110} и {112} с их не-
однородным распределением по толщине стенки
баллонов (табл. 6). Кроме того, в Б3, так же как
и в предыдущем случае, полюсная плотность ос-
новной компоненты {001}<110> увеличивается от
наружной поверхности (P001 = 1,27) к внутренней
(P001 = 1,50). В Б2, в отличие от Б3 и Б1, по всему
сечению толщины стенки преобладает текстура
плоскостей сдвига, что, как будет показано, от-
Т а б л и ц а 5 . Результаты механических испытаний
Вырезка образцов Временное сопротивление
σв, H/мм2
Предел текучести σ02,
H/мм2
Относительное удлинение
δ, %
Относительное сужение
ψ, %
Б1
Под бандажом 730,7 382,1 22,2 56,9
Вне бандажа 763,8 530,1 17,9 54,5
Б2 После разрушения 796,7 484,9 21,4 39,1
Б3 После разрушения 730,2 445,8 15,2 35,6
Б4 После разрушения 663,0 498,1 16,6 24,4
Б5 После разрушения 712,5 536,9 - 33,0
Б6
Исходное состояние 682,4 416,8 27,8 48,8
После разрушения 703,2 539,7 23,4 37,3
ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №4,2011 19
ражается на повышении сопротивления металла
хрупкому разрушению (рис. 5).
Ударные испытания малоразмерных образ-
цов Шарпи, изготовленных из металла Б2 и Б3,
были проведены в диапазоне температур T =
= –50…+120 °С. Результаты, приведенные на
рис. 5, свидетельствуют, прежде всего, о значи-
тельной хрупкости металла обоих баллонов, пос-
кольку при комнатной температуре они имеют
достаточно низкие значения ударной вязкости.
Тем не менее, следует отметить более высокое
сопротивление хрупкому разрушению мелкозер-
нистой структуры с благоприятной кристаллогра-
фической текстурой (рис. 5, кривая 1) по сравне-
нию с крупнозернистой структурой с преимущес-
твенным содержанием плоскостей скола (рис. 5,
кривая 2). Однако в области вязкого разрушения
на верхнем шельфе менее прочный металл Б3 ока-
зывается более вязким по сравнению с более проч-
ным металлом Б2 (см. табл. 5).
Таким образом, увеличение прочностных ха-
рактеристик металла баллонов за счет структур-
ных факторов приводит к увеличению сопротив-
ления металла хрупкому разрушению и некото-
рому снижению сопротивления вязкому при удар-
ных нагрузках. Кроме того, пластическая дефор-
мация металла при гидроиспытаниях баллонов
обусловливает изменения субструктуры и крис-
таллографические преобразования, что проявляет-
ся в характере кривых вязко-хрупкого перехода.
Для детального изучения сопротивления ме-
талла разрушению был применен фрактографи-
ческий анализ изломов ударных образцов.
Результаты фрактографических исследова-
ний изломов. С целью определения общего харак-
тера разрушения предварительные исследования
проводились при увеличении ×20. Это позволило
точно установить положение участков хрупкого,
вязкого разрушения и квазискола, а также с по-
мощью программы Image Pro — долю каждого
из них в изломе (табл. 7).
Как известно, энергия разрушения состоит из
энергии зарождения микротрещин и/или микро-
пор, и энергии их распространения. Чем выше оба
эти параметра, тем выше ударные свойства ме-
талла. При низких температурах энергия их рас-
пространения практически равна нулю, а полная
энергия почти равна энергии их зарождения. Пос-
кольку распространение микротрещин обусловле-
но подвижностью дислокаций, то энергия их рас-
пространения практически одинакова для широ-
кого класса сталей и составляет 10…15 Дж/см2.
Поэтому металл исследуемых баллонов имеет по
существу одинаковую энергию нижнего шельфа
(см. рис. 4, 5).
Таблица 6. Распределение Phkl по толщине стенки баллонов Б2 и Б3
hkl
Б2 Б3
Наружная
поверхность Середина толщины Внутренняя
поверхность
Наружная
поверхность Середина толщины Внутренняя
поверхность
110 1,56 1,48 1,60 1,36 1,44 1,51
200 1,27 1,35 1,29 1,27 1,45 1,50
211 1,18 1,08 1,11 1,00 1,12 1,02
310 0,86 0,91 0,86 1,00 1,00 0,92
222 0,87 1,13 0,86 1,00 1,00 0,89
321 0,85 0,80 0,85 0,86 0,86 0,82
Рис. 4. Температурная зависимость ударной вязкости метал-
ла Б1: 1 — под бандажом; 2 — вне бандажа
Рис. 5. Температурная зависимость ударной вязкости металла
баллонов:1 — Б2; 2 — Б3
20 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №4,2011
Энергия зарождения разрушения при прочих
одинаковых условиях определяется характером
микроструктуры и температурой. В связи с особен-
ностями сложнонапряженного состояния в вершине
надреза, разрушение под надрезом в основном на-
чинается вязко даже при отрицательных темпера-
турах. Поверхность излома в этой зоне имеет ямоч-
ное (чашечное) строение в результате роста мик-
ропор и их коалесценции (рис. 6, а, б). Различие
же определяется протяженностью зоны «утяжки»
под надрезом. Чем длиннее этот участок, тем выше
общий уровень ударной вязкости.
Сравнение протяженности вязкой зоны в ис-
следованных изломах ударных образцов в зави-
симости от температуры испытаний (рис. 7) сви-
детельствует о том, что размер этой зоны в ме-
талле Б2 после +40 °С резко увеличивается по
сравнению с Б3. Дальнейшие исследования изло-
мов ударных образцов показали, что при низких
температурах испытаний металл Б2 разрушается
по механизму квазискола (рис. 6, в). Размер фа-
сеток разрушения составляет 10…30 мкм. Отсут-
ствуют вторичные трещины и явно выраженные
очаги разрушения. В изломе наблюдается элемен-
ты пластического разрушения: «жгуты», перемыч-
ки и отдельные вязкие ямки. С увеличением тем-
пературы испытания доля вязкой составляющей
в квазисколе растет (см. табл. 7). В отличие от
этого металл Б3 при низких температурах разру-
шается по механизму транскристаллитного скола
с ярко выраженным ручеистым изломом (рис. 6,
г). Размер фасеток хрупкого разрушения состав-
ляет 50…80 мкм. Наблюдаются вторичные тре-
щины по границам зерен. Доля вязкой составля-
ющей незначительна — изменяется от 10 % при
–30 °С до 15 % при +100 °С.
Таким образом, фрактографический анализ из-
ломов в сочетании с металлографическим анали-
зом микроструктуры и кристаллографическим
анализом текстуры позволяет объяснить характер
изменения температурной зависимости ударной
вязкости металла. Так, более высокое сопротив-
ление разрушению металла Б2 по сравнению с ме-
таллом Б3 в диапазоне температур вязко-хрупкого
перехода связано, прежде всего, с более мелко-
зернистой структурой металла Б2 (10…30 мкм) по
сравнению с Б3 (50…80 мкм) и разным фазовым
составом в пределах указанных зерен. В связи с
этим, разрушение Б2 и Б3 проходит по различным
механизмам: в Б2 мелкозернистая микроструктура
способствует развитию квазискола, а в Б3 круп-
нозернистая феррито-перлитная структура — раз-
витию хрупкого скола. При этом в Б2 по сравне-
нию с Б3 для зарождения микротрещин необхо-
дима большая энергия, и, как следствие, в Б2 про-
тяженность вязкой зоны под надрезом (зона вяз-
кого подрастания трещины) выше, чем в Б3.
Приведенные результаты свидетельствуют о
том, что сталь Дс в баллонах разного качества. Осо-
бенно это проявляется при воздействии пластичес-
Рис. 6. Фрактографический (×200) анализ ударных образцов: а — вязкая зона под надрезом в Б2 при 40 °С; б — в Б3 при
50 °С; в — характер разрушения образцов на нижнем шельфе Б2 при –20 °С; г — Б3 при –30 °С
ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №4,2011 21
кой деформации. Причина, по-видимому, заклю-
чается в технологии получения стали. Поэтому для
улучшения физико-механических характеристик
стали Дс, в том числе повышения сопротивления
хрупкому разрушению, целесообразно обратить
внимание на совершенствование технологическо-
го процесса ее изготовления.
Выводы
Обнаружено, что распределение коэрцитивной си-
лы в оболочках баллонов из стали Дс в исходном
состоянии неоднородно, а в ряде случаев предс-
тавляет вытянутые обособленные области с по-
вышенными показателями, достигающими в от-
дельных участках значений, близких к
критическим (9,5 А/см). С ростом давления в бал-
лонах и, соответственно, пластической дефор-
мации металла эти области увеличиваются и яв-
ляются местом последующего разрушения. Рост
пластической деформации сопровождается адек-
ватным изменением коэрцитивной силы.
Определено, что по толщине стенки баллонов
структурно-текстурные параметры распределяют-
ся неравномерно. Так, в Б1 до гидроиспытаний
полюсная плотность P001 плоскостей скола {001}
с внутренней поверхности на 11,5 % больше, чем
с наружной. В результате пластической дефор-
мации при гидроиспытаниях произошло увеличе-
ние полюсной плотности P001 как с внутренней
поверхности, так и с наружной, что практически
привело к выравниванию «опасной» составляю-
щей по толщине стенки. Наличие в текстуре ме-
талла балонов компонент текстуры сдвига {110}
<001> подавляет склонность металла хрупкому
разрушению за счет вязкой компоненты P110.
Установлено, что в диапазоне температур вяз-
ко-хрупкого перехода протяженность зоны вязко-
го подрастания трещины у металла с мелкозер-
нистой (10…30 мкм) структурой больше по срав-
нению с крупнозернистым (50…80 мкм) метал-
лом. При этом мелкозернистая структура, способ-
ствуя развитию квазискола, оказывает более вы-
сокое сопротивление разрушению.
Показано что решающим фактором для
безопасной эксплуатации баллонов является их
техническое состояние, а не срок службы. Отмечена
необходимость повышения физико-механических
характеристик стали за счет улучшения технологии
ее изготовления.
1. Магнитный контроль и структурно-текстурные особен-
ности металла кислородных баллонов / Л. М. Лобанов,
В. А. Нехотящий, М. Д. Рабкина и др. // Техн. диагности-
ка и неразруш. контроль. — 2011. — № 1. — С. 7–12.
2. Магнитный контроль напряженно-деформированного
состояния и остаточного ресурса сосудов, работающих
под давлением / Б. Е. Попов, Е. А. Левин, В. С. Котель-
ников и др. // Безопасность труда в промышленности. —
2001. — № 3. — С. 25–30.
3. Анализ разрушений и возможности контроля состояния
металла кислородных баллонов / В. М. Долинский, В. М.
Стогний, В. Г. Новик и др. // Техн. диагностика и нераз-
руш. контроль. — 2001. — № 4. — С. 33–36.
4. Анизотропия коэрцитивной силы и текстура деформиру-
емой стали / Л. М. Лобанов, В. А. Нехотящий, М. Д. Раб-
кина и др. // Деформация и разрушение материалов. —
2010. — № 10. — С. 19–24.
5. Магнитная диагностика и остаточный ресурс подъем-
ных сооружений / Б. Е. Попов, В. С. Котельников, А. В.
Зарудный и др. // Безопасность труда в промышленнос-
ти. — 2001. — № 2. — С. 44–49.
6. Бородкина М. М., Спектор Э. Н. Рентгенографический
анализ текстур в металлах и сплавах. — М.: Металлур-
гия, 1982. — 272 с.
7. Горелик С. С., Расторгуев Л. Н., Скаков Ю. А. Рентге-
нографический и электронно-оптический анализ. — М.:
Металлургия, 1970. — 366 с.
8. Инструментированный копер для ударных испытаний:
основные элементы, анализ работоспособности / В. В.
Харченко, Е. А. Кондряков, В. Н. Жмака, А. А. Бабуцкий
// Надежность и долговечность машин и сооружений. —
2006. — № 27. — С. 121–130.
9. Измерительное устройство для определения критериев
хрупкости материалов по методу тензометрирования про-
цесса разрушения образца ударным изгибом / О. А. Бакши,
И. О. Пинчук, А. Г. Кукин и др. // Приборы для исследова-
ния физических свойств материалов / Под ред. А. А. Смир-
нова. — Киев: Наук. думка, 1974. — С. 200–206.
10. Баррет Ч. С., Массальский Т. Б. Структура металлов // Пер.
с англ.: в 2-х ч. — М.: Металлургия, 1984. — Ч. 2. — 344 с.
11. Влияние кристаллографической текстуры на склонность
к слоисто-хрупкому разрушению низколегированных
малоперлитных сталей / В. В. Усов, Н. М. Шкатуляк, В.
С. Гиренко и др. // Изв. АН СССР. — 1990. — № 1. — С.
120–125.
12. Влияние кристаллографической текстуры на анизотро-
пию характеристик разрушения низколегированной ста-
ли контролируемой прокатки / В. В. Усов, Н. М. Шкату-
ляк, В. С. Гиренко и др. // Физ.-хим. механика металлов.
— 1993. — 29, № 2. — С. 47–52.
13. Кристаллографическая текстура и механические свойства
листов стали 09Г2ФБ / Н. П. Лякишев В. Ф. Шамрай, И. В.
Эгиз и др. // Металлы. — 2003. — № 4. — С. 93–100.
14. Усов В. В., Шкатуляк Н. М. Фрактальна природа крих-
ких зламів металу // Фіз.-хім. механіка матеріалів. —
2005. — № 1. — С. 58–63.
Т а б л и ц а 7. Фрактографический анализ изломов ударных об-
разцов Б1
Температура испы-
таний, °С -50 -20 0 +20 +40 +65
Доля
вязкой/хрупкой
составляющей, % 16/84 20/80 25/75 37/63 70/30 95/5
Рис. 7. Размер пластической зоны под надрезом: для Б2 y =
2.2591e0,8004x, R = 0,9925 ; для Б3 y = 1,625e0,8004x, R = 0,8909
22 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №4,2011
15. Ясній П. В. Пластично деформовані матеріали: втома і
тріщиностійкість. — Львів: Світ, 1998. — 292 с.
16. Белосточный А. В., Троцан А. И., Коротич И. К. Ис-
следование металла цельнометаллических баллонов
для сжатых газов, разрушившихся при эксплуатации //
Вісник приазов. держ. техн. ун-ту. — 2009. — № 19.
—С. 91–94.
17. Белосточный А. В., Лаухин Д. В. Исследование структур-
ных особенностей металла цельнометаллических сосу-
дов, работающих под давлением с целью стабилизации
механических свойств // Строительство, материаловеде-
ние, машиностроение: Сб. науч. тр.: Стародубовские
чтения. — Днепропетровск, 2005. — Вып. 32. — Ч. 1. —
С. 133–135.
Поступила в редакцию
24.10.2011
ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №4,2011 23
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-102494 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0235-3474 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:53:13Z |
| publishDate | 2011 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Лобанов, Л.М. Нехотящий, В.А. Рабкина, М.Д. Костин, В.А. Харченко, В.В. Кондряков, Е.А. Усов, В.В. Шкатуляк, Н.М. 2016-06-12T02:38:45Z 2016-06-12T02:38:45Z 2011 Влияние пластической деформации на структуру, механические свойства и коэрцитивную силу металла кислородных баллонов / Л.М. Лобанов, В.А. Нехотящий, М.Д. Рабкина, В.А. Костин, В.В. Харченко, Е.А. Кондряков, В.В. Усов, Н.М. Шкатуляк // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2011. — № 4. — С. 14-23. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. 0235-3474 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102494 620.30.12 Приведены результаты систематических исследований, включающие магнитный, металло-, фрактографический и рентгеноструктурный анализы металла кислородных баллонов. Показано, что техническое состояние баллонов, а не срок службы, является решающим фактором для их безопасной эксплуатации. Отмечена также необходимость повышения физико-механических характеристик стали за счет улучшения технологии ее изготовления. The paper gives the results of systematic studies, including magnetic, metallographic, fractographic and X-ray structural analyses of oxygen bottle metal. It is shown that the bottle technical condition, and not their service life, is the decisive factor of their safe service. The need to improve the physico-mechanical characteristics of steel through improvement of its production technology is also noted. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Техническая диагностика и неразрушающий контроль Научно-технический раздел Влияние пластической деформации на структуру, механические свойства и коэрцитивную силу металла кислородных баллонов Influence of plastic deformation on the structure, mechanical properties and coercive force of metal of oxygen bottles Article published earlier |
| spellingShingle | Влияние пластической деформации на структуру, механические свойства и коэрцитивную силу металла кислородных баллонов Лобанов, Л.М. Нехотящий, В.А. Рабкина, М.Д. Костин, В.А. Харченко, В.В. Кондряков, Е.А. Усов, В.В. Шкатуляк, Н.М. Научно-технический раздел |
| title | Влияние пластической деформации на структуру, механические свойства и коэрцитивную силу металла кислородных баллонов |
| title_alt | Influence of plastic deformation on the structure, mechanical properties and coercive force of metal of oxygen bottles |
| title_full | Влияние пластической деформации на структуру, механические свойства и коэрцитивную силу металла кислородных баллонов |
| title_fullStr | Влияние пластической деформации на структуру, механические свойства и коэрцитивную силу металла кислородных баллонов |
| title_full_unstemmed | Влияние пластической деформации на структуру, механические свойства и коэрцитивную силу металла кислородных баллонов |
| title_short | Влияние пластической деформации на структуру, механические свойства и коэрцитивную силу металла кислородных баллонов |
| title_sort | влияние пластической деформации на структуру, механические свойства и коэрцитивную силу металла кислородных баллонов |
| topic | Научно-технический раздел |
| topic_facet | Научно-технический раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102494 |
| work_keys_str_mv | AT lobanovlm vliânieplastičeskoideformaciinastrukturumehaničeskiesvoistvaikoércitivnuûsilumetallakislorodnyhballonov AT nehotâŝiiva vliânieplastičeskoideformaciinastrukturumehaničeskiesvoistvaikoércitivnuûsilumetallakislorodnyhballonov AT rabkinamd vliânieplastičeskoideformaciinastrukturumehaničeskiesvoistvaikoércitivnuûsilumetallakislorodnyhballonov AT kostinva vliânieplastičeskoideformaciinastrukturumehaničeskiesvoistvaikoércitivnuûsilumetallakislorodnyhballonov AT harčenkovv vliânieplastičeskoideformaciinastrukturumehaničeskiesvoistvaikoércitivnuûsilumetallakislorodnyhballonov AT kondrâkovea vliânieplastičeskoideformaciinastrukturumehaničeskiesvoistvaikoércitivnuûsilumetallakislorodnyhballonov AT usovvv vliânieplastičeskoideformaciinastrukturumehaničeskiesvoistvaikoércitivnuûsilumetallakislorodnyhballonov AT škatulâknm vliânieplastičeskoideformaciinastrukturumehaničeskiesvoistvaikoércitivnuûsilumetallakislorodnyhballonov AT lobanovlm influenceofplasticdeformationonthestructuremechanicalpropertiesandcoerciveforceofmetalofoxygenbottles AT nehotâŝiiva influenceofplasticdeformationonthestructuremechanicalpropertiesandcoerciveforceofmetalofoxygenbottles AT rabkinamd influenceofplasticdeformationonthestructuremechanicalpropertiesandcoerciveforceofmetalofoxygenbottles AT kostinva influenceofplasticdeformationonthestructuremechanicalpropertiesandcoerciveforceofmetalofoxygenbottles AT harčenkovv influenceofplasticdeformationonthestructuremechanicalpropertiesandcoerciveforceofmetalofoxygenbottles AT kondrâkovea influenceofplasticdeformationonthestructuremechanicalpropertiesandcoerciveforceofmetalofoxygenbottles AT usovvv influenceofplasticdeformationonthestructuremechanicalpropertiesandcoerciveforceofmetalofoxygenbottles AT škatulâknm influenceofplasticdeformationonthestructuremechanicalpropertiesandcoerciveforceofmetalofoxygenbottles |