Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. —
Уфа: УГНТУ, 2015. — 392 с.
Научный консультант: Доктор технических наук, профессор Кузеев
И.Р.
Специальность 05.16.09. Материаловедение (машиностроение в нефтегазовой отрасли).
работы и содержание исследований соответствуют научной специальности ВАК 05.16.09 – Материаловедение (машиностроение в нефтегазовой отрасли) по пунктам:
Теоретические и экспериментальные исследования фундаментальных связей состава и структуры материалов с комплексом физико-механических и эксплуатационных свойств с целью обеспечения надежности и долговечности материалов и изделий;
Установление закономерностей и критериев оценки разрушения материалов от действия механических нагрузок и внешней среды;
Разработка и совершенствование методов исследования и контроля структуры, испытание и определение физико-механических и эксплуатационных свойств материалов на образцах и изделиях.
Цель работы: возникновения – установление формирования и основных закономерностей эволюционирования структурно-механической неоднородности широкого спектра сталей и, полученных из них сварных соединений, применяемых для изготовления различных конструкций нефтегазовой отрасли.
В соответствии с поставленной целью были сформулированы и решены следующие задачи исследования:
Применение многоуровневого подхода к выявлению потенциально опасных зон сварных соединений, обладающих наибольшим уровнем структурно-механической неоднородности. Анализ структуры разнородных сварных соединений как иерархически организованной системы для установления причинно-следственных связей возникновения «макрогофров» на поверхности материала.
Моделирование напряженно-деформированного состояния стальных образцов со сварными соединениями, а также процессов зарождения и развития в них пластической деформации. Установление роли границ раздела разного масштаба в процессах концентрации напряжений, зарождения пластических сдвигов и возникновения трещин.
Количественный анализ данных о микрорельефе поверхностей разрушения характерных зон разнородных сварных соединений в терминах масштабно-инвариантных параметров и представление самих поверхностей разрушения как фрактальных объектов.
Оценка воздействия послесварочной обработки на структурно-механическое состояние сварных элементов конструкций, направленной на уменьшение локализации деформации, на мезо- и макро-масштабных уровнях.
Разработка классификации разномасштабных уровней отклика структуры на характер и интенсивность тепловых воздействий при термической обработке сварных элементов по установленным особенностям поведения физико-химически неоднородных сварных соединений.
Привлечение концепции многоуровневого структурно-механического подхода к оценке технического состояния материалов высокотемпературного оборудования оболочкового типа, применяемого в нефтегазовой отрасли.
В качестве объекта исследования были выбраны структурно-неоднородные материалы, наиболее часто используемые в оборудовании и сварных конструкциях нефтегазовой отрасли: преимущественно феррито-перлитные (марок Ст3сп, сталь 20, 09Г2С, 09Г2ФБ, 10Г2ФБЮ, 17Г1СУ, 10ХСНД, 12Х1МФ, 15Х1М1Ф, 12МХ), мартенситная (марки 12ХН3А) и аустенитные (марок 12Х18Н10Т, Х25Н19) стали в различных состояниях и в сварных соединениях, характеризующиеся наличием границ раздела разного масштаба.
Предмет исследования представляла иерархическая картина структурно-механической неоднородности различных материалов в процессах термического и термосилового воздействий, циклических нагружений и накопления ими поврежденности.
Основные выводы и результаты
Установлены основные закономерности эволюции структурно- механической неоднородности материалов сварных конструкций в масштабной иерархии и мультифрактальной концепции процесса разрушения как заключительной фазы закономерно развивающегося во времени многомасштабного и многоэтапного процесса повреждаемости.
Обоснован критерий выявления потенциально опасных зон у сварных соединений по неравномерному (скачкообразному) изменению механической прочности металла соединений. Выявлено распределение напряжений на поверхности материала по принципу «шахматной доски» на границах раздела (интерфейсе) «поверхность – объем материала».
Показана роль неметаллических включений, обнаруженных в микроструктуре сварных соединений, с позиции установления причинно-следственных связей в иерархическом соподчинении масштабов возникновения макрогофров на поверхности материала. Дана оценка влияния не только самого факта присутствия неметаллических включений в структуре сварного соединения на прочностные характеристики такого материала, сколько установления их морфологии, типа, состава и размеров для последующего согласования возможного макро-механического поведения металла с учетом выявленных особенностей структуры на мезо- и микро-масштабном уровне.
Специальность 05.16.09. Материаловедение (машиностроение в нефтегазовой отрасли).
работы и содержание исследований соответствуют научной специальности ВАК 05.16.09 – Материаловедение (машиностроение в нефтегазовой отрасли) по пунктам:
Теоретические и экспериментальные исследования фундаментальных связей состава и структуры материалов с комплексом физико-механических и эксплуатационных свойств с целью обеспечения надежности и долговечности материалов и изделий;
Установление закономерностей и критериев оценки разрушения материалов от действия механических нагрузок и внешней среды;
Разработка и совершенствование методов исследования и контроля структуры, испытание и определение физико-механических и эксплуатационных свойств материалов на образцах и изделиях.
Цель работы: возникновения – установление формирования и основных закономерностей эволюционирования структурно-механической неоднородности широкого спектра сталей и, полученных из них сварных соединений, применяемых для изготовления различных конструкций нефтегазовой отрасли.
В соответствии с поставленной целью были сформулированы и решены следующие задачи исследования:
Применение многоуровневого подхода к выявлению потенциально опасных зон сварных соединений, обладающих наибольшим уровнем структурно-механической неоднородности. Анализ структуры разнородных сварных соединений как иерархически организованной системы для установления причинно-следственных связей возникновения «макрогофров» на поверхности материала.
Моделирование напряженно-деформированного состояния стальных образцов со сварными соединениями, а также процессов зарождения и развития в них пластической деформации. Установление роли границ раздела разного масштаба в процессах концентрации напряжений, зарождения пластических сдвигов и возникновения трещин.
Количественный анализ данных о микрорельефе поверхностей разрушения характерных зон разнородных сварных соединений в терминах масштабно-инвариантных параметров и представление самих поверхностей разрушения как фрактальных объектов.
Оценка воздействия послесварочной обработки на структурно-механическое состояние сварных элементов конструкций, направленной на уменьшение локализации деформации, на мезо- и макро-масштабных уровнях.
Разработка классификации разномасштабных уровней отклика структуры на характер и интенсивность тепловых воздействий при термической обработке сварных элементов по установленным особенностям поведения физико-химически неоднородных сварных соединений.
Привлечение концепции многоуровневого структурно-механического подхода к оценке технического состояния материалов высокотемпературного оборудования оболочкового типа, применяемого в нефтегазовой отрасли.
В качестве объекта исследования были выбраны структурно-неоднородные материалы, наиболее часто используемые в оборудовании и сварных конструкциях нефтегазовой отрасли: преимущественно феррито-перлитные (марок Ст3сп, сталь 20, 09Г2С, 09Г2ФБ, 10Г2ФБЮ, 17Г1СУ, 10ХСНД, 12Х1МФ, 15Х1М1Ф, 12МХ), мартенситная (марки 12ХН3А) и аустенитные (марок 12Х18Н10Т, Х25Н19) стали в различных состояниях и в сварных соединениях, характеризующиеся наличием границ раздела разного масштаба.
Предмет исследования представляла иерархическая картина структурно-механической неоднородности различных материалов в процессах термического и термосилового воздействий, циклических нагружений и накопления ими поврежденности.
Основные выводы и результаты
Установлены основные закономерности эволюции структурно- механической неоднородности материалов сварных конструкций в масштабной иерархии и мультифрактальной концепции процесса разрушения как заключительной фазы закономерно развивающегося во времени многомасштабного и многоэтапного процесса повреждаемости.
Обоснован критерий выявления потенциально опасных зон у сварных соединений по неравномерному (скачкообразному) изменению механической прочности металла соединений. Выявлено распределение напряжений на поверхности материала по принципу «шахматной доски» на границах раздела (интерфейсе) «поверхность – объем материала».
Показана роль неметаллических включений, обнаруженных в микроструктуре сварных соединений, с позиции установления причинно-следственных связей в иерархическом соподчинении масштабов возникновения макрогофров на поверхности материала. Дана оценка влияния не только самого факта присутствия неметаллических включений в структуре сварного соединения на прочностные характеристики такого материала, сколько установления их морфологии, типа, состава и размеров для последующего согласования возможного макро-механического поведения металла с учетом выявленных особенностей структуры на мезо- и микро-масштабном уровне.