Вплив експлуатаційних температур на міцність і циклічну тріщиностійкість теплостійкої сталі металургійного обладнання

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 01.02.04 – «Механіка деформівного твердого тіла». – Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя, Тернопіль, 2014. Дисертацію присвячено виявленню основних закономірностей впливу високих температур на циклічну тріщиностійкість теплостійкої сталі 25Х1М1Ф і розробці методики прогнозування залишкової довговічності ролика МБЛЗ. Виявлено вплив високих температур на стадійність і енергоємність статичного та динамічного руйнування сталі 25Х1М1Ф. Встановлено що енергія зародження тріщини при 375oС зростає в 1,6 разив порівнянні з 20oС. При 600 o С енергія зародження тріщини знижується в 1,2 рази в порівнянні з результатами випробувань при 20oС, що обумовлено знеміцненням матеріалу, розвитком тріщин, розшаруванням і множинною пошкодженісттю матеріалу зразка. Виявлено що за Кmax< 38 MПa√м сталь є нечутливою до частоти навантажування а підвищення частоти навантажування в діапазоні Кmax = 40...80 МПа√м знижує швидкість поширення тріщини у 2,0...4,0 рази. Виявлено, що вплив частоти та форми циклу навантажування на мікрошвидкість росту втомної тріщини аналогічний впливу на макрошвидкість, із збільшенням витримки крок борозенок зменшується, що пов’язано із релаксацією напружень, обумовленою накопиченням пластичності та повзучістю у вершині тріщини. Розроблено оригінальну фізичну модель ролика МБЛЗ, яка дозволила оцінити вплив зупинок лиття на зміну температурних полів ролика на різних відстанях від поверхні. Модельні і експлуатаційні температурні цикли в ролику МБЛЗ задовільно узгоджуються. Запропоновано методику прогнозування залишкової довговічності суцільно кованого ролика МБЛЗ, яка ґрунтується на підходах лінійної механіки руйнування і уточнює довговічність ролика з початковими дефектами з урахуванням впливу частоти експлуатаційного навантаження.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 01.02.04 - «Механика деформируемого твердого тела». - Тернопольский национальный технический университет имени Ивана Пулюя, Тернополь, 2014. Диссертация посвящена определению основных закономерностей влияния высоких температур на циклическую трещиностойкость теплостойкой стали 25Х1М1Ф и разработке методики прогнозирования остаточной долговечности ролика МНЛЗ. Обнаружено влияние высоких температур на стадийность и энергоемкость статического и динамического разрушения стали 25Х1М1Ф. Рост температуры приводит к увеличению угла поворота губ сдвига относительно продольной оси образца. Форма губ сдвига при 375 oС и 600 oС подобны, однако с ростом температуры увеличивается их высота, появляются локальные надрывы материала. Установлено что энергия зарождения трещины при 375 oС увеличивается в 1,6 раза по сравнению с 20 oС. При 600 oС энергия зарождения трещины снижается в 1,2 раза по сравнению с результатами испытаний при 20 oС, что обусловлено разупрочнением материала, развитием трещин, расслоением и множественными повреждениями материала образца. Установлено, что для стали 25Х1М1Ф при всех режимах испытаний преобладающим был внутризеренный микромеханизм разрушения с наличием усталостных бороздок. Обнаружено что после деформирования растяжением феррито-перлитной стали 25Х1М1Ф при температуре 600 oС сетчастая и частично ячеистая дислокационная структура превращается в клубковую и ячеистую не разориентированную, ячеистую разориентированную и частично фрагментированную дислокационную структуры. Установлено что за Кmax< 38 MПa√м сталь является нечувствительной к частоте нагружения а повышение частоты нагружения в диапазоне Кmax=40...80 MПa√м снижает скорость распространения трещины в 2,0...4,0 раза. Обнаружено что влияние частоты и формы цикла нагружения на микроскорость роста усталостной трещины аналогичны влиянию на макроскорость, с увеличением выдержки шаг бороздок уменьшается, что связано с релаксацией напряжений, обусловленной накоплением пластичности и ползучестью в вершине трещины. Установлено увеличение доли межзеренного разрушения, а также следы пластического деформирования бороздок в изломе образца с увеличением времени пребывания при максимальной нагрузке, что свидетельствует о накоплении пластической деформации в вершине трещины при ее распространении. Разработана оригинальная физическая модель ролика МНЛЗ, которая позволила оценить влияние остановок литья на изменение температурных полей ролика на различных расстояниях от поверхности. Модельные и эксплуатационные температурные циклы в ролике МНЛЗ удовлетворительно согласуются. Предложена методика прогнозирования остаточной долговечности цельнокованого ролика МНЛЗ, которая полагается на анализ напряженно-деформированного состояния пустотелого цилиндра, подходы линейной механики разрушения и уточняет долговечность ролика с начальными дефектами с учетом влияния частоты эксплуатационной нагрузки.

Dissertation is submitted for the scientific degree of Candidate of Sciences (Enginireeng) sciences, in specialty 01.02.04 - "Mechanics of deformable solids". Ternopil Ivan Pul'uj National Technical University, Ternopil, 2014. The thesis deals with the analysis of main regularities of high temperatures effect on the cyclic crack resistance of heat-resistant steel 25Kh1M1F and development of methods for prediction residual durability of casters roller. The influence of high temperatures on the stages and energy consumption of static and dynamic fracture of steel 25Kh1M1F was found. It was established that the energy crack initiation at 375 o C is increased in 1.6 times as compared with that at 20 oC. At 600 oC crack initiation energy is reduced in 1.2 times as compared with the test results at 20 oC, which is caused by the softening of the material, the development of cracks, delamination and multiple fracture of the specimen material. It was foundthat for Кmax< 38 MPa√m the steel is not sensitive to the loading rate and raising of loading frequency within the range Кmax=40...80 MПa√м decreases the rate of crack propagation in 2.0 ... 4.0 times. It was found that the effect of frequency and cycle loading form on fatigue crack growth micro-rate is similar to the effect on macrorates, with the increase of exposure the step of grooves decreases, wich is caused by the relaxation of stresses resulted from the accumulation of plasticity and creep at the crack tip. A physical model of the original roller casters, wich made possible to evaluate the effect of the casting roller stops on the temperature fields at different distances from the surface has been developed. Modeling and operating temperature cycles in the roller have satisfactory agreement. The method of the residual durability prediction of the continuously forged CCM roller, wich is based on the approaches of linear fracture mechanics and specifies the durability of roller with initial defects, taking into account of the operating loading frequency, has been developed.