УДК 621

Р 676

Анализ поверхностей разрушения различных зон разнородных сварных соединений в процессе циклической повреждаемости методом мультифрактальной параметризации.

 

Кузеев Искандер Рустемович,

доктор технических наук, профессор,

зав. кафедрой «Машины и аппараты химических производств» Уфимского Государственного Нефтяного Технического Университета.

Пояркова Екатерина Васильевна,

аспирант кафедры «Машины и аппараты химических производств» Уфимского Государственного Нефтяного Технического Университета,

старший преподаватель кафедры «Материаловедение и технология металлов» 

Орского Гуманитарно-Технологического Института.

 

Большие коряги

большие коряги

koryaga.shop

Военный юрист Екатеринбург

юрист Екатеринбург

konsultaciya-voennogo-yurista.ru

Исследования деградации структуры поверхности изломов в различных зонах разнородного сварного соединения из сталей марок 17Г1СУ и 09Г2ФБ в процессе накопления усталостных повреждений проводились методом мультифрактальной параметризации.

По  известной методике [1, 2], разработанной Ивановой В.С., Встовским Г.В., Колмаковым А.Г., Пименовым В.Н., была проведена количественная оценка информации изображений поверхностей разрушения в различных зонах разнородного сварного соединения. При разных уровнях накопленных повреждений были получены изломы образцов в отдельных участках, которыми являлись - области основных металлов, входящих в состав соединения, околошовная зона менее прочного металла и область металла центральной части шва.

Поверхность излома была предварительно разделена на дополнительные зоны, которым соответственно присвоена своя нумерация. Причем точка ●5 соответствовала центральной части  излома, точка ●2 – приповерхностной зоне плоскости сварного образца, а точка ●4 -  приповерхностной зоне, направление которой, соответствует поперечному направлению проката металла или долевому направлению сварного шва.

 

Рис. 1.

Нумерация зон исследования поверхностей  изломов.

 

Получение изображений изломов выполнялось с помощью электронного низковакуумного энергодисперсионного сканирующего микроанализатора JEOL JSM – 6460 LV (фирмы OXFORD Instruments) при ускоряющем напряжении 25 кВ (исследования проводились в Лаборатории электронной микроскопии ЮУрГУ, г. Челябинск) в каждой точке поверхности  при увеличениях х1000, х2500, х5000. Все снимки выполнялись в режиме поглощенных электронов.

Далее проводилась оцифровка исходного изображения и перевод его в черно-белый графический файл формата ВМР.

Расчет мультифрактальных характеристик осуществлялся с помощью программы MFRDrom, разработанной профессором Г.В. Встовским в ИМЕТ им. А.А. Байкова РАН по методу МФП, в основании которой лежит количественное описание конфигурации исследуемых структур в целом в рамках системного подхода, основанное на теории фракталов Б.Б. Мандельброта. Анализ проводился по «черной» составляющей изображении при 100% охвате.

Результатом мультифрактального анализа исследуемого объекта являлось определение спектра взаимосвязанных фрактальных размерностей, из которых для анализа структур изломов в материале наиболее информативны следующие:

D₀ – размерность Хаусдорфа – Безиковича, характеризующая однородный фрактал (размерность самоподобя);

D₁ – информационная размерность, характеризующая скорость роста количества информации при l →0;

D₂ – корреляционная размерность, характеризующая вероятность найти в одной и той же ячейке покрытия две точки множества;

Dq – порог устойчивости;

Δ_q – параметр скрытой периодичности структуры (упорядоченности) множества;

f_q – степень однородности.

Статистическая обработка полученных структурно-информационных показателей проводилась с помощью программного пакета STATISTICA и Microsoft Excel 2003.

Фрактальная симметрия характера разрушения относительно центра сварного шва по отношению к группе мультифрактальных преобразования должна подчиняться условию псевдоспектров D₀ ≤D₁ ≤D₂. Согласно этому, трактовка степени однородности и упорядоченности (или, неравновесности) исследуемого объекта описывается правилом «чем меньше значение данных параметров, тем более упорядоченной и однородной является структура исследованного объекта». В исследуемом нами объекте эта закономерность несколько искажается.

            При анализе полученных данных замечено, что в отсутствии циклических нагружений по всей длине сварного соединения отсутствуют расчетные  МФ параметры в каноническом спектре. Однако при уровне накопленных повреждений 0,2  N_i/N_p  их величины начинают проявлять себя только в областях, принадлежащим основным металлам, входящих в состав сварного соединения. Дальнейшее циклирование до уровня, соответствующего критическому состоянию (0,3-0,4 N_i/N_p), приводит к появлению значений мультифрактальных характеристик в спектре сanon  уже во всех зонах сварного соединения, причем максимальную размерность Хаусдорфа – Безиковича (самоподобия) D₀ имею точки поверхностей изломов, принадлежащих области околошовной зоны со стороны стали 17Г1СУ. При уровне накопленных повреждений 0,6 N_i/N_p вновь наблюдается  изменение в поведении, относящееся к природе вычисления спектров. Теперь они проявляются лишь в  областях основного (более прочного) металла и металла шва. Состояние сварного соединения, близкого к разрушению привело к полному отсутствию канонических спектров, т.е. появилась их инверсия в псевдоспектры мультифрактальных характеристик.

Наличие псевдоспектров можно рассматривать как собственное свойство носителя меры, связанное с нарушением его геометрической симметрии. Несмотря на отсутствие строгого теоретического обоснования, появление таких спектров является более или менее стабильным эффектом. Более того, в нашем исследовании, наблюдались структуры, позволяющие вычислять только псевдоспектры.

Параметры фрактальных размерностей (хаусдорфовой, корреляционной, информационной, а также обобщенной размерности Реньи), на протяжении всего эксперимента, не имели стойких статистически достоверных различий между образцами, не подверженных циклическим испытаниям и образцами, имеющими определенный уровень накопленных повреждений.

Наибольший интерес (в зависимости от уровня накопленных повреждений) представляет изменение такого МФ параметра, как степень однородности f_q. Чем больше значение f_q, тем более однородна структура.

 Этот параметр в исходном состоянии в зонах основных металлов у сталей, входящих в состав сварного соединения,  имеет разные значения, но к центру шва его величина усредняется.

При уровне накопленных повреждений 0,2  N_i/N_p  у степени однородности f_q  выявляется  характер ее изменения по всей длине сварного соединения, схожий с исходным состоянием исследованных образцов.

При уровнях 0,4 - 0,6  N_i/N_p   степень однородности координально изменяется (увеличивается) в околошовной зоне стали 17Г1СУ, тем самым, меняя закон распределения этого параметра на противоположный начальному этапу циклирования.

Уровень накопленных повреждений 0,8 N_i/N_p вносит некий хаос в характер распределения степени однородности по сварному шву. Если во всех прежде рассмотренных случаях степень однородности в центре шва возрастала относительно более прочного металла, входящего в состав соединения (09Г2ФБ), то при данном уровне накопленных повреждений ее величина заметно снижается.

Необходимо также отметить, что степень однородности центра поверхности излома в основном металле (17Г1СУ) по отношению к приповерхностным зонам тоже имеет характерную особенность. До уровня накопленных повреждений 0,4 N_i/N_p в центре сечения этот параметр обладает максимальной величиной, тогда как при дальнейшем циклировании он стремительно начинает уменьшаться.

 

а)

 

б)

 

         

в)

Рис. 2.

Влияние уровня накопленных повреждений на МФП структуры поверхности разрушения:

а) степень однородности f_q ;

б) размерность самоподобия D₀ ;

в) параметр скрытой периодичности (упорядоченности) Δ_q

 

Особое внимание при анализе данных, полученных с помощью мультифрактальной параметризации, заслуживает такой МФ параметр как размерность самоподобия D₀, характеризующая однородный фрактал.

Для оценки влияния циклических нагружений и уровня накопленных повреждений на МФП D₀ была построена графическая зависимость, представленная на рисунке 2, б).

При детальном изучении характера изменения размерности Хаусдорфа-Безиковича (самоподобия) установлено, что из всех исследованных областей разнородного сварного соединения особенную роль в разрушении при малоцикловом нагружении играет околошовная зона менее прочного металла, входящего в состав соединения.

Замечено, что все МФ параметры ведут себя при циклических нагружениях идентично, т.е. в областях основных металлов и металла центра шва мультифрактальные характеристики изменяются по схожему закону, тогда как металл в зоне термовлияния 17Г1СУ координальным образом не подчиняется общей конструкции, ввиду структурных изменений и диффузионных процессов, происходившим в период сварки.

Другим параметром, количественно характеризующим структуру, является мультифрактальный параметр скрытой периодичности структуры (упорядоченности) множества Δ_q = D₁- Dq. Чем больше его значение (по модулю), тем более упорядочена структура [4]. Как известно, этот показатель отражает степень упорядоченности и нарушения симметрии для общей конфигурации исследуемой структуры в целом. Возрастание означает, что система накачивается информацией и в ней возрастает степень нарушенной симметрии. Максимумы у обоих основных металлов и металла шва наблюдаются при уровне накопленных повреждений, равном 0,4 N_i/N_p. Происходит спонтанная смена направления в сторону снижения. Это означает, что вблизи этих максимумов «побеждает» структура, отвечающая за хрупкое разрушение материала сварного соединения. Материал сам выбирает наиболее энергоемкий механизм разрушения на разных  этапах своей деградации.  Во многих случаях излом является отражением реакции структуры материала на различные виды внешнего воздействия [5]. Поэтому закономерно, что параллельно структурным изменениям в металле наблюдаются изменения механизма разрушения.

 

Рис. 3.

Макрофрактография металла шва разнородного сварного соединения, х2500.

 

Изломы, полученные при статическом растяжении разнородных сварных образцов с различной степенью накопления усталостных повреждений, были подвержены фрактографическому анализу, который показал различия структур изломов образцов как в зависимости от количества циклов, так и по их сечению. Это происходит ввиду того, что средняя (центральная) зона образца в меньшей мере подвергается изгибным напряжениям и увеличиваясь, достигает максимума в поверхностной зоне.

Макрофрактографический характер разрушения  (в результате малоциклового нагружения) при растяжении представлен на рисунке 3. Все фрактограммы соответствуют разрушению в центральной части шва разнородного сварного соединения из сталей марок 09Г2ФБ и 17Г1СУ, полученного электродуговой сваркой.

При уровне накопленных повреждений 0,2 N_i/N_p можно наблюдать усталостное разрушение в мелкозернистой части сварного шва. Поверхность разрушения состоит из фасеток, каждая из которых соответствует отдельному зерну, что позволяет таким образом оценить размер зерен.

При дальнейшем циклировании ориентация и уровни отдельных фасеток изменяются от зерна к зерну. Небольшое наличие неметаллических включений приводит к локальному вязкому разрушению по механизму роста микропор. Направление распространения трещины в этом поле зрения выявляется вдоль сварного шва.

На фрактограмме приповерхностной зоны плоскости сварного образца при уровне накопленных повреждений 0,8 N_i/N_p четко видны поры в точках сварки. Траектория усталостного разрушения проходит по этим порам.

Оценив поверхность разрушения центральной зоны при усталостном разрушении, заключаем что она (поверхность) содержит участки отрыва и усталостные бороздки. При этом в поверхностной зоне плоскости сварного образца на фрактограмме  мелкими террасами усталостных бороздок можно наблюдать гребни отрыва. Сочетание усталостных бороздок и межзеренного разрушения присуще циклическому разрушению [6], но по сути своей является аналогом межзеренного разрушения в сочетании с отрывом или коалесценцией микропор.

 

Литература.

 

1. Иванова В.С., Встовский Г.В., Колмаков А.Г., Пименов В.Н.. Фрактальная параметризация структур в радиационном материаловедении. М.: «Интерконтакт Наука», 1999. – 49 с.

2. Г.В. Встовский, А.Г. Колмаков, И.Ж. Бунин. Введение в мультифрактальную параметризацию структур материалов. Ижевск: Научно-издательский центр «Регулярная и хаотическая динамика», 2001, 116 с.

3. В.С. Иванова, А.А. Оксогоев Нелинейная динамика деформируемых фрактальных сред и адаптационные свойства структур материалов // Труды международной конференции «Байкальские чтения –II по моделированию процессов в синергетических системах» (г. Максимилиха, оз. Байкал) Улан-Удэ-Томск: Изд-во ТГУ, 2002, с. 68-78

4. Закирничная М.М., Авдеева Л.Г. Учебно-методические материалы к выполнению лабораторных работ по теме «Введение в мультифрактальную параметризацию структур». Уфа: Изд-во УГНТУ, 2003, 31 с.

5. Шанявский А.А. Синергетические аспекты фрактографического анализа эксплуатационных разрушений / Металлы. №6, 1996.- с. 83-92.

6. Фрактография и атлас фрактограмм / Справ. изд. пер. с англ../ под ред. Дж. Феллоуза.- М.: Металлургия, 1982. – 489 с.

 

Поступила в редакцию 04.05.2008 г.