Содержание
Введение............................................................ 5
Глава 1. Деградация механических свойств и структу ры сталей при эксплуатации................................................... 11
1.1. Деградация механических свойств и структура котельных сталей................................................................ 11
1.2.Эволюция физико-механических параметров сварных соединений при эксплуатации........................................... 16
1.3. Деградация свойств материалов и конструкций................... 18
1.4. Деградация свойств железобетонных конструкций и арматуры 23
1.5. Временная зависимость прочности твердых тел................... 25
1.6. Выводы из литературного обзора и постановка задачи исследований.............................................................. 26
Глава 2. Материалы и методики исследования........................... 29
2.1. Материалы исследования........................................ 29
2.2. Методы исследования........................................... 31
2.3. Методика исследования стали путем использования просвечивающей дифракционной электронной микроскопии тонких фольг 34 Глава 3. Изменение механических свойств, структуры и поверхности разрушения арматуры при длительной эксплуатации......................................................... 39
3.1. Изменение механических свойств арматуры......................... 39
3.2. Металлографические исследования структурно-фазового состояния арматуры................................................. 40
3.3. Анализ поверхности разрушения методами сканирующей электронной микроскопии................................................ 42
3.4. Временная зависимость прочности материала....................... 49
Основные выводы по главе............................................. 51
2
Глава 4. Эволюции фазового состава и дефектной субструкту ры армату ры в процессе длительной эксплуатации....................... 52
4.1. Структурно-фазовое состояние горячекатаной стали: арматура текущего производства.............................................. 52
4.2. Эволюция дефектной субструктуры зерен феррита горячекатаной стали.......................................................... 58
4.2.1. Дислокационная субструктура (ДСС) зерен феррита 58
4.2.2. Изгиб-кручение кристаллической решетки зерен феррита 62
4.3. Эволюция состояния зерен перлита горячекатаной стали 66
4.3.1. Эволюция дислокационной субструктуры........................ 66
4.3.2. Кривизна-кручение кристаллической решетки и поля напряжений.............................................................. 67
4.3.3. Разрушение перлита и механизмы его реализации............... 68
4.3.4. «Псевдоперлит».............................................. 74
4.4. Микротрещины приповерхностного слоя горячекатаной стали 77
4.5. Включения второй фазы, формирующиеся при эксплуатации горячекатаной арматуры............................................. 84
4.5.1. Фазовый анализ стали, выполненный методами экстрактных угольных реплик.................................................... 84
4.5.2. Фазовый анализ стали, выполненный методом тонких фольг 90
4.6. Закономерности и корреляции эволюции дефектной субструктуры и фазового состава горячекатаной стали в процессе длительной эксплуатации................................................... 95
4.6.1. Эволюция субструктуры зерен феррита......................... 95
4.6.2. Эволюция субструктуры зерен перлита......................... 98
4.6.3. Эволюция процесса трещинообразования в арматурной стали 100
4.7. Структурно-фазовое состояние термоупрочненной арматуры
после длительной эксплуатации..................................... 101
3
4.7.1. Структура стали в центральной области стержня............. 101
4.7.2. Структура стали в поверхностной области стержня после З
лет эксплуатации................................................. 104
4.7.3. Структура стали в поверхностном слое стержня после 20 лет эксплуатации..................................................... 109
4.7.4. Структура стали в приповерхностном слое стержня после 20
лет эксплуатации.............................................. 112
4.7.5. Сопоставление результатов исследования эволюции структурно-фазового состояния горячекатаной и термоупрочненной арматуры в процессе длительной эксплуатации стали.................. 116
4.8. Включения второй фазы, формирующиеся при эксплуатации термоупрочненной арматуры........................................ 121
4.8.1. Фазовый (химический) состав включений..................... 121
4.8.2. Морфология включений вторых фаз........................... 122
4.8.3. Средние размеры и дефектная субструктура включений 123
4.8.4. Сопоставление результатов, полученные при электронномикроскопических микродифракционных исследованиях процесса образования окисной фазы в горячекатаной и термоупрочненной
арматуре в процессе эксплуатации................................. 125
Основные выводы по главе...................................... 126
Основные выводы.................................................. 130
Список литерату ры............................................... 133
4
ВВЕДЕНИЕ
В настоящие время современный технический прогресс требует создания материалов с высокими эксплуатационными свойствами. Если раньше конструкционные материалы использовались с большим запасом прочности, то сейчас все более актуальной ставится задача обеспечения надёжной и безопасной службы материала в предельных условиях. При этом надежность, которая является одной из составляющих качества и характеризует способность изделий выполнять заданные функции в течении всего срока с сохранением эксплуатационных свойств, является необходимым критерием работоспособности оборудования. Исходя из этого методы и средства ее оценки играют важную роль. Одним из путей повышения надёжности оборудования является изучение свойств материалов с позиции физического материаловедения, позволяющей предсказать изменение свойств при эксплуатации. Современные критерии разрушения и надёжности непосредственно связаны с оценкой времени работы оборудования до отказа, определяя ресурса работоспособности. Данный подход может быть реализован при установлении степени поражёниности структуры метала в исходном состоянии, определением скорости накопления дефектов в процессе эксплуатации и созданием систем диагностики, позволяющих надежно регистрировать это накопление.
Сложности экономического, научного и производственного характера, связанные с необходимостью продления ресурса безопасности эксплуатации большого числа действующих - высокорисковых объектов (атомная и тепловая энергетика, транспортный комплекс, нефтегазохимия, авиация, ракетно-космические аппараты, мощная горнодобывающая техника, уникальные сооружения), а также вновь проектируемых с ресурсами до 60 - 100 лет, поставили на повестку дня необходимость комплексных исследований деградации материалов и конструкций. Эти исследования должны затрагивать концептуальную деградацию (с образованием микро- и макродефектов и трещин). В деградаци-онных процессах имеют место изменения структурных состояний, старение
5
(естественное, искусственное, деформационное, динамическое), образование и развитие механических повреждений в поверхностных слоях и в объеме, физико-химические повреждения (радиационные, коррозионные, эрозионные) и т.д.
[1-3].
Арматурный прокат является важнейшим элементом железобетонных конструкций. Непременным условием структурно - фазового состояния, формируемого при производстве арматурного стержня, является длительная стабильность нормируемых стандартами характеристик прочности, пластичности, коррозионной стойкости, свариваемости и сцепляемости с бетоном [4]. Однако в материалах каркаса фундаментных блоков зданий и сооружений с течением времени накапливаются повреждения, которые ведут к деградации структуры и свойств [5,6].
Недостаточное внимание к вопросам долговечности, и в частности, к проблемам её нормирования может привести к тому, что в народном хозяйстве будет происходить непрерывное накопление конструкций и сооружений, на ремонт которых будут расходоваться средства, соизмеримые с затратами на новое строительство.
В этой связи выявление изменений механических характеристик, фазового состава и дефектной субструктуры арматуры в процессе работы в качестве каркасов зданий и сооружений является актуальным, научно и практически значимым.
Актуальность. Необходимость продления ресурса безопасности эксплуатации действующих высокорисковых объектов поставили на повестку дня необходимость комплексных исследований деградации материалов и конструкций. Неприемлемым условием структурно-фазовых состояний, формируемых при производстве арматурного проката, который представляет собой основной элемент конструкций, является длительная стабильность нормируемых стандартами характеристик прочности, пластичности, коррозионной стойкости. Од-
6
нако, в процессе длительной эксплуатации в материале могут накапливаться и развиваться дефекты, приводящие к деградации свойств и разрушению с катастрофическими последствиями. Установление механизмов изменения структурно-фазовых состояний арматуры при длительной эксплуатации несомненно актуально, так как позволяет управлять этими процессами, предотвращать разрушение конструкций, более обоснованно подходить к проблеме прогнозирования долговечности в процессе проектирования, строительства и эксплуатации конструкций и сооружений.
Цель работы: исследование физической природы и закономерностей деградации механических свойств и структурно-фазовых состояний арматуры из стали 35ГС при длительной эксплуатации в каркасе фундаментов промышленных зданий и сооружений.
Для достижения цели в ходе работы решались следующие задачи:
1. Исследования деградации механических свойств и микроструктуры арматуры из стали 35ГС после различных сроков эксплуатации.
2. Электронно-микроскопический анализ структуры и фазового состава горячекатаной арматуры в исходном состоянии и их эволюция при длительной до 50 лет эксплуатации.
3. Установление типов и закономерностей изменения параметров дислокационных субструктур в стали 35ГС при длительной эксплуатации.
4. Фрактографический анализ поверхности разрушения арматуры методами сканирующей электронной микроскопии.
5. Выявление основных механизмов деградации свойств и структуры низкоуглеродистой стали после длительной эксплуатации.
Научная новизна заключается в том, что
1. Впервые исследовано изменение механических свойств и структуры горячекатаной арматуры из стали 35ГС в процессе длительной до 50 лет эксплуатации в фундаментах промышленных зданий и сооружений.
7
2. Впервые методами современного материаловедения (и в первую очередь растровой и просвечивающей электронной микроскопии проведены количественные исследования поверхности разрушения, дислокационной субструктуры, фазового состава арматуры с разным сроком эксплуатации.
3. Установлена физическая природа деградации механических свойств и структурно-фазовых состояний экономнолегированной стали при длительной эксплуатации.
Практическая значимость. Совокупность экспериментальных результатов и их анализ позволил:
1. Установить гарантированные сроки безопасного использования горячекатаной арматуры из стали 35ГС в фундаментных блоках промышленных зданий и сооружений на основе достигнутого понимание физической природы деградации структурно-фазовых состояний и механических свойств.
2. Сформировать банк экспериментальных данных о закономерностях изменения свойств и структурно-фазовых состояний низколегированной стали при длительной эксплуатации.
3. Целенаправленно оценивать вклад эволюции дислокационной субструктуры в изменении свойств стали при длительной эксплуатации.
Личный вклад автора состоит в постановке задач исследования, в проведении механических испытаний арматуры, в получении данных оптических, электронно-микроскопических и других исследований, в обработке полученных результатов, формулировании выводов.
Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается комплексным подходом к решению поставленных задач с использованных современных широко апробированных методов и методик исследования, применением статистических методов обработки экспериментальных результатов, сопоставлением установленных в работе закономерностей фактам, полученным другими авторами.
Настоящая работа проводилась в соответствии федеральной целевой программой «Интеграция» на 2002-2004г.; грантами министерства образования и науки РФ по фундаментальным проблемам металлургии на 2002-2005г. темами ГОУ ВПО «Томский государственный архитектурно-строительный университет» и «Сибирский государственный индустриальный университет».
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Количественные закономерности деградации механических свойств арматуры из стали 35ГСпри длительной эксплуатации до 50 лет в качестве каркаса фундаментных блоков зданий и сооружений.
2. Комплекс экспериментальных результатов исследования поверхности разрушения стали с разным сроком эксплуатации и установление типов разрушения.
3. Структурные и фазовые превращения, протекающие в стали, и количественные закономерности эволюции параметров структурно-фазовых состояний, дислокационной субструктуры и её типов в процессе длительной эксплуатации.
4. Результаты анализа фазового состава, морфологии и гранулометрии включений оксидной и оксикарбидной фаз в горячекатаной арматуре и эволюции их параметров в процессе эксплуатации.
5. Физическая природа деградации механических свойств и структурнофазовых состояний стальной арматуры в процессе её эксплуатации в фундаментных блоках промышленных зданий и сооружений.
Апробация работы. Основные результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях, совещаниях и семинарах: 1-Н Международной школе «Физическое материаловедение», Тольятти 2006; XV, XVI Петербургских чтениях по проблемам прочности, Санкт-Петербург 2005, 2006; VI Международной конференции «Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов», Воронеж 2005; 44 Международной конференции «Современное материаловедение: достижения и проблемы», Киев 2005; XIII Республиканской научной конференции аспиран-
9
тов, Гродно 2005; XVI Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов», Самара 2006; 4 Международной конференции «Фазовые превращения и прочность кристаллов», Черноголовка2006; Международной конференции «Прочность неоднородных структур», Москва 2006; Берн-штейновских чтениях по термомеханической обработке, Москва 2006;Х1 Международной школе - семинара «Эволюция дефектных структур в конденсированных средах» Барнаул 2006; 45 Международной конференции «Актуальные проблемы прочности», Белгород 2006;Международной конференции «Деформация и разрушение металлов», Москва, 2006.
Публикации Материалы диссертации опубликованы более чем в 20 печатных работах, в том числе 7 статьях в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Список основных из них приведён в конце автореферата.
Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка цитируемой литературы из 118 наименований, содержит 143 страницы машинного текста, включая 12 таблиц и 76 рисунков.
10
ГЛАВА 1. ДЕГРАДАЦИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И СТРУКТУРЫ СТАЛЕЙ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ
1.1. Деградация механических свойств и структура котельных сталей
Для электрических станций (ТЭЦ) используются материалы, от прочности которых зависит надежная работа паровых котлов и энергетических блоков. Металл во время его эксплуатации работает в трудных условиях, обусловленных внутренним давлением пара, тепловым расширением и рядом других факторов. В современных паровых котлах пар перегревается до температуры 540 - 570° С. В связи с этим, металл начинает накапливать пластическую деформацию, когда напряжения еще малы, ухудшаются его пластические свойства, происходит изменение внутренней структуры и фазового состава, а на поверхности метала начинают прогрессировать коррозионные процессы. Внутри труб происходят всевозможные отложения из-за пара и загрязнения воды. Эти обстоятельства ведут к ухудшению теплообмена из-за образования оксидов [7-12].
Перечисленные причины влияют на надежность труб и котлов при эксплуатации на более длительный срок, а это в свою очередь приводит к быстрому выходу из строя и дорогостоящему монтажу и ремонту.
В работах [13 - 17] проведены исследования тонкой структуры и фазового состава стали 12Х1МФ. Изучение структуры после 88000 часов эксплуатации показало, что границы зерен утолщаются, и вблизи них наблюдается некоторое количество карбидных частиц. Авторы допускают, что имеющие место структурно - фазовые превращения обусловлены поступлением свободного углерода, образовавшегося в результате распада углеродосодержащих органических примесей в технической воде. Основной карбидной фазой в стали является наноразмерный цементит. Авторы работ установили, что в данной стали выделение карбидов хрома, молибдена в основном происходит в теле зерна и имеет различную форму. В этой стали идёт процесс растворения карбидов цементитного типа и замещения в них железа хромом и молибденом. Также рассмотрено влияние карбидов на процесс разрушения. В условиях высокотемпературной ползучести разрушение развивается путем зарождения и
И
роста микропор. Они зарождаются на границах раздела карбид - матрица. Зарождение микропор может быть различным - в месте выхода субграниц на крупный карбид, на границах зерен у карбидов. Поры при этом могут расти. Укрупнения карбидов не влияет на длительную пластичность стали. Карбидная фаза в теплоустойчивых сталях играет существенную роль в процессе упрочнения и разупрочнения при ползучести. В статьях делается вывод, что выделение крупных карбидов по границам зерен сопровождается обеднением легирующими элементами приграничных областей, уменьшением числа дисперсных карбидных частиц в этих областях, что и приводит к разупрочнению приграничных объёмов.
Следует отметить, что в исследованных сталях могут реализовываться следующие процессы: 1)-возврат в феррите и перлите; 2)-рост ферритных и перлитных зерен; 3)- растворение прослоек цементита по границам зерен; 4)-образование специальных карбидов; 5)-внутреннее окисление; 6)-уход углерода и кислорода на дислокации. Для выяснения всех этих причин необходимо проводить детальное исследование тонкой структуры и фазового состава сталей. Длительная эксплуатация материалов паротрубопроводов приводит к деградации структуры и потере её механических характеристик. Особенно негативно это отражается на свойствах жаропрочных сталей (табл.1.1.).
Табл. 1.1 Параметры дислокационной структуры и размеров зерен в стали 10К.
Состояние 2 є £. О -З* й Ё & о ^ * 2 5 & ♦ Рч- перлит ✓ О* и п п я О ц. Г 3 £ ГІ 2 5 » " 3 О о — о с. И «і Ь и Г • П «Г С. 2 2 с. Г4 ’V. н О V —• .со. а
исх. 12,85 8,24 11,64 0,16 0,032 3,9 Т *> *'>*' 5,6
после 5 лет 14,63 4,63 14,23 0,05 0,009 4.9 3.3 6.7
Исследований изменения тонкой структуры методами электронной микроскопии в литературе очень мало. В работах [18,19] проведены исследования исходной структуры и структуры после ползучести, а также влияние карбидов на процесс разрушения. Авторы данных работ утверждают, что долговечность и
12
- Київ+380960830922