Аннотация

Аннотация

Поверхность усталостных изломов отражает особенности разрушения и является фотографией истории разрушения. Показана эффективность применения метода фрактального анализа для количественного описания геометрии излома, установлена взаимосвязь между фрактальной размерностью поверхности излома и количественными параметрами сопротивления усталости. Установленная взаимосвязь позволяет анализировать причины усталостного разрушения многослойных сварных швов.

Полный текст

В процессе сварки плавлением воздействие термического цикла сварки (ТЦС) приводит к появлению в зоне сварных соединений резко выраженной структурной и механической неоднородности: как правило, в металле сварного шва и зоне термического влияния (ЗТВ) образуется смешанная структура, состоящая из полигонального и видмаштеттова феррита, перлита, бейнита, мартенсита, зон крупного и мелкого зерна [1–3]. Указанные структурные изменения сопровождаются образованием развитого участка разупрочнения, оказывающего значительное влияние на свойства сварных соединений. Так, в работах отмечается, что в зоне сварных соединений, отличающихся резко выраженной структурной и механической неоднородностью и наличием дефектов на поверхности, как правило, зарождаются очаги усталостного разрушения. Большую информацию о характере разрушения несет поверхность излома, изломы являются своеобразной фотографией истории разрушения. Большой интерес представляет установление взаимосвязи между количественными параметрами поверхности излома и параметрами сопротивления усталостному разрушению. Исследовали металл сварных швов стали 10Г2ФБЮ, выполненных по трем различным технологиям: технология 1 – ручная дуговая сварка: корень шва – ЛБ-52 U; заполнение/облицовка – ОК 74.70; технология 2 – ручная дуговая сварка: корень шва – Conarc 52; заполнение/облицовка – Conarc 74; технология 3 – полуавтоматическая сварка самозащитной порошковой проволокой с проплавлением корня шва в СО2: корень шва – SuperArc L-56; заполнение/облицовка – Innershield NR-208 Special. Для исследования сопротивления усталости вырезали образцы из верхней части сварных соединений типа Шарпи таким образом, чтобы зарождение усталостной трещины начиналось в облицовочном слое, имеющем наиболее грубое строение, и проводили испытание консольно закрепленного образца на усталостный изгиб на воздухе при амплитудах 1,0 и 1,2 мм. По результатам испытания были рассчитаны количественные параметры сопротивления усталостному разрушению – продолжительность инкубационного периода зарождения усталостной трещины и скорость роста усталостной трещины в период стабильного роста (таблица). Количественные параметры сопротивления усталости Технология Инкубационный период, циклы Скорость роста усталостной трещины в период стабильного роста, мм/цикл Амплитуда нагружения 1,0 мм Амплитуда нагружения 1,2 мм Амплитуда нагружения 1,0 мм Амплитуда нагружения 1,2 мм 1 317 400 97 200 0,00001922 0,00001510 2 150 000 45 000 0,00002222 0,00004525 3 105 000 85 000 0,00005729 0,00002041 Анализ полученных зависимостей в сопоставлении с фрактограммами поверхности излома (рис. 1) позволил выделить наиболее характерные участки усталостных изломов, наибольший интерес из которых представляет участок стабильного роста трещины, где продвижение усталостной трещины происходит с равномерной скоростью [4]. Исследование фрактографических особенностей изломов показало, что рельеф излома (характер и размер микрополос) определяется такими параметрами, как амплитуда нагружения, скорость распространения усталостной трещины в период стабильного роста и продолжительность инкубационного периода зарождения усталостной трещины. Так, например, с увеличением скорости распространения трещины на поверхности излома наблюдаются более грубые и протяженные борозды (рис. 2). а б в Рис. 2. Поверхности излома сварных швов стали 10Г2ФБЮ, соответствующие различным скоростям распространения усталостной трещины в период стабильного роста, мм/цикл: а – 0,000019; б – 0,000022; в – 0,000057 Для количественного описания геометрии излома в работах [5–6] успешно применен метод фрактального анализа и показано, что фрактальная размерность является комплексным показателем геометрии излома, что позволяет количественно описывать взаимосвязь между строением излома и параметрами сопротивления усталости. По алгоритму фрактального анализа [5–7] обрабатывали фотографии поверхностей изломов сварных швов стали 10Г2ФБЮ, выполненных по различным технологиям (рис. 3). Рис. 3. Алгоритм фрактального анализа поверхности излома: а – фотография излома; б – бинаризованное изображение фотографии; в – расчет фрактальной размерности Результаты расчета фрактальных размерностей поверхностей изломов показали, что фрактальная размерность является количественным параметром строения усталостных изломов и отражает особенности усталостного разрушения (рис. 4). Установлена зависимость между фрактальной размерностью как параметром рельефа излома и количественными параметрами сопротивления усталости – скоростью роста усталостной трещины в период стабильного роста и инкубационным периодом зарождения усталостной трещины. Чем более грубый рельеф наблюдается на поверхности излома (инкубационный период 60 000–120 000 циклов, скорость роста 0,3500·10–4–0,5729·10–4 циклов/минуту), тем меньше фрактальная размерность Df = 1,79…1,82, при более гладкой поверхности излома, при значении инкубационного периода 130 000–340 000 циклов и скорости роста трещины 0,1510·10–4–0,2222·10–4 циклов/минуту, фрактальная размерность изменяется в пределах Df = 1,87…1,89. Рис. 4. Зависимости фрактальной размерности от скорости роста трещины и инкубационного периода для образцов, испытанных на амплитуде, мм: а – 1,0; б – 1,2 Таким образом, применение фрактального подхода при анализе особенностей усталостного разрушения показывает, что фрактальная размерность как количественный параметр строения поверхности излома взаимосвязана с параметрами сопротивления усталостному разрушению, что позволяет использовать метод фрактальной параметризации при анализе причин усталостного разрушения.