Использование параметров динамической кривой ударного изгиба для оценки характера разрушения трубных сталей в интервале вязко-хрупкого перехода

Применение современных маятниковых копров с возможностью регистрации диаграммы деформирования образца в ходе его нагружения позволило рассматривать испытание на ударный изгиб не только как стандартный вид технологических сдаточных испытаний для оценки соответствия металла нормативным требованиям. Запись диаграммы деформирования в координатах усилие – перемещение дает возможность получать более объективную оценку сопротивления металла разрушению, а также в целом расширяет представление о механизме разрушения, особенно в интервале переходных температур. В связи с этим представляет интерес анализ динамических кривых ударного изгиба для получения сведений о характере разрушения, в частности — о количественном соотношении вязкой и хрупкой составляющих в изломе. В настоящей работе на примере сталей марок 06ГФБА, 26ХМФА и 35ХГМА, применяемых для производства труб нефтегазового сортамента, экспериментально показано, что значения усилий в характерных точках предварительно сглаженной динамической кривой ударного изгиба позволяют достаточно точно определять долю вязкой составляющей (ДВС) расчетным методом, без визуального анализа изломов разрушенных образцов. Исследования показали, что хрупкая составляющая в изломе образуется в момент появления резкого скачка на диаграмме, а прогиб образца характеризует его сопротивление появлению и росту хрупкой трещины при разрушении. Выраженная зависимость параметров кривой ударного изгиба от температуры испытания может служить качественным показателем для выявления их неверно определенных значений в характерных точках. С помощью расчета ДВС получена кривая хладноломкости и определена температура вязко-хрупкого перехода. Сопоставление кривых хладноломкости, построенных по расчетным и экспериментальным (измеренным визуально по изломам) данным ДВС, показало близкие значения критической температуры хрупкости. Это подтверждает возможность использования расчетного метода для ее быстрой и качественной оценки с удовлетворительным приближением, особенно в условиях большого количества образцов. Его также можно применять как дополнительный метод контроля при сдаточных испытаниях.

1. Павлов В. А. Физические основы холодной деформации ОЦК металлов. — М.: Наука, 1978. — 208 с.

2. Чернов В. М., Кардашев Б. К., Мороз К. А. Хладноломкость и разрушение металлов с разными кристаллическими решетками — дислокационные механизмы / Журнал технической физики. 2016. Т. 86. Вып. 7. С. 57 – 64.

3. Казанцев А. Г., Маркочев В. М., Сугирбеков Б. А. Статистическая оценка определения критической температуры хрупкости металла корпуса реактора ВВЭР-1000 по данным испытаний на ударный изгиб / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2017. Т. 83. 1 3. С. 47 – 54.

4. Toth L., Rossmanith H. P., Siewert T. A. Historical background and development of the Charpy test / Eur. Struct. Integrity Soc. Elsevier. 2002. Vol. 30. P. 3 – 19. DOI: 10.1016/s1566-1369(02)80002-4

5. Manahan M. P., Siewert T. A. The history of instrumented impact testing / Siewert T. A., Manahan M. P., McCowan C. N. (eds.). Pendulum impact machines: procedures and specimens. — West Conshohocken, PA: ASTM International, 2006. P. 3 – 12. DOI: 10.1520/stp37597s

6. Волошенко-Климовицкий Ю. Я. Динамический предел текучести. — М.: Наука, 1965. — 180 c.

7. Штремель М. А. Информативность измерений ударной вязкости / Металловедение и термическая обработка металлов. 2008. No 11(641). С. 37 – 51.

8. Махутов Н. А., Морозов Е. М., Матвиенко Ю. Г. Становление и развитие испытаний на ударную вязкость в СССР и России / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2001. Т. 67. No 7. С. 42 – 49.

9. Canonico D. A., Stelzman W. J., Berggren R. G., et al. Use of instrumented charpy tests to determine onset of upper-shelf energy. ORNL-5086. — Oak Ridge, TN: Oak Ridge National Laboratory, 1975. — 18 p.

10. Смирнов М. А., Пышминцев И. Ю., Борякова А. Н. К вопросу о классификации микроструктур низкоуглеродистых трубных сталей / Металлург. 2010. 1 7. С. 45 – 51.

11. Moura C. M., Miqueri F., Vilela J. J., et al. Evaluation of the ductile-to-brittle transition temperature in the ABNT 1016 steel using instrumented Charpy impact testing / 19th International congress of mechanical engineering. — Brasília, RJ: ABCM, 2007. — 10 p.

12. Kobayashi T., Niinomi M., Koide Y., et al. Instrumented impact testing of ceramics / Trans. Jap. Inst. Metals. 1986. Vol. 27. No. 10. P. 775 – 783.

13. Huang T., Yang G., Tang G. А fast two-dimensional median filtering algorithm / IEEE Trans. Acoust. Speech Signal Proc. 1979. Vol. 27. No. 1. P. 13 – 18.

14. Savitzky A., Golay M. J. E. Smoothing and differentiation of data by simplified least squares procedures / Anal. Chem. 1964. Vol. 36. No. 8. P. 1627 – 1639.

15. Sreenivasan P. R. Instrumented impact testing — accuracy, reliability and predictability of data / Trans. Ind. Inst. Metals. 1996. Vol. 49. No. 5. P. 677 – 696.

16. Ботвина Л. Р. Основы фрактодиагностики. — М.: Техносфера, 2022. — 394 с.

17. Sreenivasan P. R., Shastry C. G., Mathew M. D., et al. Dynamic fracture toughness and Charpy transition properties of a service- exposed 2.25 Cr-1 Mo reheater header pipe / J. Eng. Mater. Technol. 2003. Vol. 125. No. 2. P. 227 – 233. DOI: 10.1115/1.1543969

18. Гуляев А. П. Ударная вязкость и хладноломкость конструкционной стали. — М.: Машиностроение, 1969. — 69 с.

19. Кантор М. М., Боженов В. А. Рассеяние значений ударной вязкости низколегированной стали в критическом интервале хладноломкости / Материаловедение. 2013. No 11. С. 3 – 14.

20. Кантор М. М., Судьин В. В., Боженов В. А. и др. Микроструктура и ударная вязкость игольчатого феррита в сварных соединениях низколегированной стали по результатам множественных испытаний на ударный изгиб / Неорганические материалы. 2023. Т. 59. No 4. С. 451 – 467. DOI: 10.31857/s0002337x23040024

21. Чегуров М. К., Сорокина С. А. Основы фрактографического анализа изломов образцов из конструкционных сплавов: учеб. пособие. — Н. Новгород: НГТУ им. Р. Е. Алексеева, 2018. — 79 с.

22. Эрделен-Пепплер М., Хилленбранд Х. Г., Кальва С. и др. Исследование применимости прогнозируемой способности к удержанию распространения разрушения для высокопрочного трубопровода в условиях низких температур / Известия высших учебных заведений. Черная Металлургия. 2012. No 3. С. 3 – 12. DOI: 10.17073/0368-0797-2012-3-3-12

23. Duan Q. Q., Qu R. T., Zhang P., et al. Intrinsic impact toughness of relatively high strength alloys / Acta Mater. 2018. Vol. 142. P. 226 – 235. DOI: 10.1016/j.actamat.2017.09.064

24. Böhme W. Experience with instrumented Charpy tests obtained by a DVM round-robin and further development / van Walle E. (ed.). Evaluating material properties by dynamic testing (ESIS 20). — London: Mechanical engineering publications, 1996. P. 1 – 23.

25. Windle P. L., Crowder M., Moskovic R. A statistical model for the analysis and prediction of the effect of neutron irradiation on Charpy impact energy curves / Nucl. Eng. Design. 1996. Vol. 165. Nos. 1 – 2. P. 43 – 56. DOI: 10.1016/0029-5493(96)01198-3