6. Определение параметров трещиностойкости основного металла
Испытания металла штрипса и труб класса прочности К60 и К70 производства ОАО «Северсталь» по определению параметров статической трещиностойкости (критические значения CTOD, J-интеграла) были выполнены на призматических образцах на трехточечный изгиб типа IV по ГОСТ 25.506 в диапазоне температур -80…0◦С. Толщина образцов была максимально приближена к толщине штрипса или труб.
Основными особенностями получаемых результатов являются следующие:
1. «Классические» хрупкие разрушения, характеризующиеся распространением нестабильного разрушения в плоскости трещины с кристаллическим типом излома, для всех испытанных материалов отсутствовали, по крайней мере, до температуры -60°С. Это свидетельствует о достаточно высокой хладостойкости всех сталей.
2. Во многих случаях испытаний на диаграммах нагружения образца регистрируются срывы, сопровождающиеся частичным снижением нагрузки. Данные срывы в соответствии с действующими международными стандартами (ASTM 1820, BS 7448) должны интерпретироваться как критические события и они определяют критические значения CTOD. Анализ изломов испытанных образцов показал, что во всех случаях эти срывы на диаграммах связаны с образованием расщеплений (расслоев). Причем данные расслои можно разделить на две группы, рис.6.1 : 1) расслои, возникшие в плоскости, нормальной к плоскости исходной усталостной трещины; 2) расслои, поверхность которых образует острый угол по отношению к плоскости усталостной трещины. В первом случае на обеих половинках излома имеются одинаковые расщепления, во втором случае на одной половине имеется выкол, на второй – входящий в этот выкол выступ.
3. Возникновение расщеплений имеет случайный характер, что приводит к большому разбросу данных по CTOD, а температурная зависимость определяемой величины оказывается слабо выраженной.
Рис. 6.1 Характерные виды изломов образцов
а) расслоение в плоскости, нормальной к плоскости исходной усталостной трещины
б) расщепление под углом к нормали к плоскости исходной усталостной трещины
Результаты испытаний являются высоко чувствительными к конкретным особенностям проката и режима ТМО каждой из труб – различие результатов испытаний двух труб одного класса прочности и близких толщин оказывается выше, чем интегральное различие сталей разных классов прочности и сталей разных толщин.
Для сталей класса прочности К60, Х70 неожиданно наиболее высокие результаты со средними значениями CTOD не менее 1.0 мм показал металл трубы № 66585.2 класса прочности К60 толщиной 40 мм, наиболее низкие – CTOD не более 0.05 – 0.15 мм - металл трубы № 22428.6 класса прочности К60 толщиной 26.8 м.
Большой разброс данных от листа к листу не позволяет сделать вывод о том, влияет или не влияет на величину CTOD, определяемому по моменту расслоения, передел «штрипс – труба».
К настоящему времени достаточно достоверно показано, что возникновение расщеплений в разработанных сталях не связано с наличием неметаллических включений. Причиной расщеплений следует считать пониженное сопротивление отрыву метала в Z-направлении, характерное для сталей ТМО. Согласно результатам известных численных решений, напряжения σx в направлении, перпендикулярном плоскости трещины в ее вершине, достигают 3,5 предела текучести, в то же время, в Z-направлении , то есть в направлении толщины листа, (σz) – напряжения достигают 2,4 предела текучести.
В гомогенном материале это обуславливает распространение трещины в ее плоскости (т.е. перпендикулярно максимальным напряжениям σx), а в структурно-неоднородном материале возможно разрушение типа расщепления при температуре ниже критической, так как напряжения в Z-направлении оказываются предельными. В этом случае появляется температурный интервал вязких разрушений с расщеплениями. Их появление снижает степень объемности напряженного состояния в вершине трещины и, вследствие этого, температура хрупкого разрушения снижается (рис.6.2).
Рис. 6.2 Предполагаемый механизм образования расщеплений
Обнаруженный второй тип расщепления - расщепления под острым углом к плоскости исходной усталостной трещины, представляют собой промежуточный тип разрушения под действием напряжений отрыва, лежащих в диапазоне между значениями σY и σZ.
Для оценки влияния структурной неоднородности на характеристики трещиностойкости материала была выполнена программа испытаний образцов, вырезанных в различных направлениях как по плоскости, так и по направлению распространения разрушения, рис.6.3. Одинаковые по размерам образцы для всех ориентаций могли быть изготовлены лишь с толщиной, равной натурной. Дополнительно для стандартной ориентации образцов (XY) испытывались полнотолщиные образцы. Результаты этих испытаний представлены на рис.6.4. Минимальные значения CTOD (до 0.02 мм) зарегистрированы для разрушений в Z- плоскости, при этом разрушения всегда имеют характер хрупкого, даже в случаях, когда получаемые значения CTOD сопоставимы с получаемыми для других ориентаций образца. Это подтверждает возможность использования принципиальной схемы рис. 6.2 образования расщеплений для количественного анализа.
Рис. 6.3 Схема вырезки образцов различной ориентации для испытаний на трещиностойкость
Рис. 6.4 Результаты определения CTOD для образцов различной ориентации.
Для анализа условий возникновения расщеплений и уровня компоненты напряжений σz в испытываемых образцах и при распространении трещины в трубопроводе были выполнены численные расчеты МКЭ с применением объемных тетрагональных элементов. Для ряда задач частичным раскреплением узлов сетки в плоскости симметрии образца моделировалось расщепление; при этом параметры нагрузки и размеры расщепления брались по результатам испытаний конкретного образца. Получено хорошее совпадение расчетной величины скачка нагрузки при расщеплении с наблюдаемым экспериментально, что позволяет далее оценивать площадь расщепления по этой величине. Показано, что ориентация образовавшегося расщепления может быть проконтролирована в ходе выполнения испытаний без разгрузки и разрушения образца.
При расщеплениях типа 1 снижение нагрузки связано с частичной потерей несущей способности образца при образовании новой поверхности и не сопровождается изменением его податливости. При расщеплениях типа 2 происходит изменение податливости образца.
На рис.6.5 представлены результаты определения МКЭ компоненты напряжений σz в образцах типа SENB, использованных для испытаний на трещиностойкость (что соответствует действующей нормативной документации) и в вершине трещины, распространяющейся вдоль трубы под действием внутреннего давления.
Рис.6.5 Результаты расчетов МКЭ зависимости напряжений в Z направлении от раскрытия трещины
Сопоставление сделано по величине раскрытия вершины трещины, рассматриваемой в данном случае как обобщенный параметр нагрузки. Представлены данные для двух точек: на расстоянии 0.5 мм и 3 мм впереди вершины трещины на ее продолжении. Получено, что по отношению к стандартному образцу SENB зона высокого уровня Z – компоненты напряжений в трубе значительно более локализована, а напряженное состояние в зоне пластических деформаций в вершине трещины существенно отклоняется от условий плоской деформации приближаясь к плоскому напряженному состоянию. Сходный характер распределения Z – компоненты напряжений получается, если перейти от изгиба к растяжению образца с трещиной. По известным литературным данным, именно к этой схеме испытаний начинают переходить за рубежом при аттестации труб (предлагается использование образцов типа SENT с краевым надрезом, растяжение).
Вторым альтернативным вариантом является применение изгибных образцов со значительно увеличенным отношением ширины нетто-сечения образца к толщине. Расчеты МКЭ показывают, что подобие напряженно-деформированного состояния в образце и в трубе возникает уже при переходе от отношения 1:1 (стандартное) к 1:2.
В условиях, когда регистрируемые расщепления могут рассматриваться как допустимые, необходимо использовать стандартные испытания на трещиностойкость для определения так называемых δ-R или J-R кривых, характеризующих сопротивление материала распространению вязкого разрушения.
На рис.6.6 представлены результаты обработки экспериментальных данных, при которых подрост трещины определяется методом частичной разгрузки по изменению податливости образца. Отсутствие вклада расщеплений в Z-направлении в изменении податливости образца, подтвержденное численными расчетами, отражается на том, что данные образуют единую зависимость раскрытия трещины от ее подроста вне зависимости от того, имели или не имели место эти расщепления. Однако видна и другая ситуация: в тех случаях, когда расщепления возникают под углом к плоскости трещины, значительно отличным от 90, угол наклона R-кривой резко падает. Эти события связаны с возникновением участков охрупчивания в районе расщеплений при низких температурах. Таким образом, построение R-кривой позволяет выйти на количественный критерий допустимости расщеплений: они должны рассматриваться как браковочный признак, если приводят к изменению податливости образца.
Рис.6.6 δ-R кривая для металла трубы класса прочности К70 с толщиной стенки 23.7 мм
статический подрост определен по методу теплового окрашивания - ■;
статический подрост определен по методу частичных разгрузок: ● - до «критического» события, ○ - после расслоя в плоскости нормальной к плоскости усталостной трещины, Δ – после расщепления под углом к нормали