Формирование остаточных технологических напряжений и прочность анизотропных осесимметричных металлоизделий

Напряжения, существующие в телах или конструкциях при отсутствии каких-либо внешних воздействий, например, силовых, а также тепловых и других, в технической литературе называют по-разному. Наиболее распространенное в мировой практике названиеостаточные напряжения. Некоторые ученые называют эти напряжения собственными, внутренними, технологическими, сварочными, закалочными. В литературе на немецком языке принято название собственные — Eigenspannungenв литературе на английском языке остаточные напряжения — residual stress. Такое разнообразие в названиях не вредит существу дела, а иногда даже более точно характеризует сущность рассматриваемого явления.

Основной причиной возникновения технологических остаточных напряжений является неоднородность пластической деформации материала, которая возникает вследствие неоднородного по сечению холодного деформирования, неравномерного распределения температур при нагреве или охлаждении, неравномерности фазовых превращений в изделии, и т. п. 1].

Все технологические процессы пластического деформирования металлов (ковка, штамповка, прокатка, волочение, прессование) сопровождаются неравномерной пластической деформацией, но сечению. Одни слои металла растягиваются в большей степени, чем другие, и после разгрузки в них возникают остаточные напряжения ежатия, в других — менее деформируемых слоях — возникают растягивающие остаточные напряжения.

Дальнейшая интенсификация процессов производства прутков и труб, внедрение многопроходного волочения без промежуточных отжигов, сдача труб потребителю в наклепанном состоянии требуют детального изучения остаточных напряжений как одной из причин ускоренного разрушения, понижения усталостной прочности и коррозионной стойкости металлоизделий.

В большинстве известных работ по изучению остаточных напряжений упор делается на разработку либо нового экспериментального метода, либо на совершенствование уже известного, а определение остаточных напряжений является как бы иллюстрацией возможности его осуществления. Естественно, что в этом случае не рассматривается влияние параметров технологического процесса на остаточные напряжения. Изучению остаточных напряжений в осесимметрич-ных изделиях в зависимости от формы инструмента, смазки и прочих условий процесса пластического деформирования посвящено ограниченное число работ. Это исследования Г. И. Аксенова и Д. Г. Куриле-ха, И. А. Биргера, М. П. Желдака, И. А. Соколова, Г. JI. Колмогорова, Е. В, Кузнецовой, К. К. Годерзиан, В. И. Уральского, В. Даля и Г. Мюленвега, H.H. Ботроса, К. Като, Д. Мидоуза [1−7].

В государственных с тандартах качество продукции определено, как совокупность свойств продукции, обусловливающих ее пригодность удовлетворять потребности в соответствии с назначением. Из принципиального положения о зависимости качества продукции черной и цветной металлургии от уровня и стабильности технологии следует необходимость установления влияния отдельных параметров технологии на различные показатели качества. При этом во многих случаях, помимо управления процессом, может быть частично или полностью исключен контроль технологии производства и качества готовой продукции. В настоящее время накоплен определенный опыт прогнозирования ряда свойств в зависимости от исходной заготовки и параметров технологии с последующим исключением трудоемких, связанных с увеличением расходных коэффициентов, заключительных испытаний.

Для определенных видов изделий (прутков, проволоки, профилей, труб), получаемых методами холодной деформации, связь отдельных параметров технологии и показателей качества довольно стабильна.

Но достаточно точно можно прогнозировать только отдельные свойства: регулируя настройку стана можно получить требуемые отклонения по кривизне, но одновременно правка вызывает появление дополнительных внутренних напряжений и наклепа металладополнительной калибровкой можно повысить точность сечения и чистоту поверхности проката, но па наружных слоях появятся значительные остаточные напряжения.

О появлении остаточных напряжений в металле после различных процессов пластической или термической обработки известно давно, однако в показателях качества остаточные напряжения отражения не нашли. В последнее время в ряде зарубежных рекламных описаний и проспектов на фасонные профили высокой точности и другие изделия, получаемые методами холодной пластической деформации, содержатся указания о наличии «гарантированного уровня остаточных напряжений». Но в большинстве случаев при общей оценке качества отдельных видов металлопродукции или особенностей нового процесса ограничиваются общим указанием о «благоприятном» или «неблагоприятном» распределении или о наличии сжимающих или растягивающих остаточных напряжений. Причины кроются в отсутствии оперативных методов точного замера остаточных напряжений, количественной оценке их влияния на эксплуатационные свойства. Соответственно в металлургии практически отсутствуют данные о влиянии различных технологических параметров на величину остаточных напряжений. Из-за отсутствия четкой количественной оценки такого свойства металлопродукции, как наличия в ней определенных остаточных напряжений, до настоящего времени нет показателей качества по остаточным напряжениям. Эти напряжения нельзя отнести к таким простым единичным показателям качества, как пределы прочности и текучести, относительные удлинения и сужение, твердость, коррозионная стойкость и др. Под действием растягивающих напряжений микродефекты могут развиться в макротрещины.

Остаточные напряжения всегда взаимно уравновешены: в одних частях тела возникают растягивающие напряжения, в других — сжимающие.

Влияние остаточных напряжений на усталостную прочность зависит от размеров детали. С увеличением размеров деталей характер разрушения при всех видах нагружения переходит от вязкого к хрупкому. В связи с этим увеличивается и влияние остаточных напряжений.

Хрупкое разрушение металлов при взаимодействии коррозионной среды связывают с растягивающими остаточными напряжениями. Известны примеры коррозионного растрескивания латунных деталей под действием коррозии и растягивающих остаточных напряжении.

Совокупность действия остаточных макрои микронапряжений и вызывает, совершенно неожиданные, самопроизвольные разрушения деталей и конструкций.

К сожалению, отрицательную роль остаточные напряжения играют чаще, чем хотелось бы. В технике достаточно примеров разрушений, вызванных большими технологическими напряжениями. Одни из наиболее частых со значительными экологическими последствиями — это разрушения трубопроводов, в которых образуются трещины длиной иногда до нескольких десятков километров. Например, на нефтепроводе Холмогоры-Клин в районе р. Чусовая была зафиксирована авария — утечка нефти через трещину в корпусе нефтеотсечки. Вырезанная из нефтепровода отсечка была доставлена на испытательный полигон ВНИИГАЗ. Сквозная трещина в угловом сварном соединении корпуса проходила по околошовной зоне вблизи линии сплавления. В предположении, что трещина инициирована сварочными остаточными напряжениями, было решено провести измерения в шве и околошовной зоне. Было установлено наличие растягивающих остаточных напряжений, направленных вдоль шва, порядка 200 МПа (что близко к пределу текучести материала — 250 МПа) на линии сплавления и спадающих при удалении от неё. Эти напряжения в совокупности с активными напряжениями, возникшими по условиям эксплуатации, явились причиной разрушения. Оказалось, что заводская термообработка если и проводилась, то не уменьшала уровень исходных сварочных напряжений [5].

По мнению авторов [44] одной из возможных причин аварии на Чернобыльской АЭС являются остаточные напряжения в твэльных трубках.

Кроме того, в настоящее время реализуются два крупнейших проекта по строительству трубопроводов для транзита нефти и газа в Европу: «Северный поток» и «Южный поток».

Северный поток" (англ. Nord Stream, ранее СевероЕвропейский газопровод (СЕГ)) — газопровод между Россией и Германией по дну Балтийского моря, соглашение о строительстве которого было подписано в начале сентября 2005 в ходе визита российского президента Владимира Путина в Германию. Трасса Nord Stream протяжённостью 1200 км пройдёт от Выборга (Ленинградская область) до Грайфсвальда (Германия). Согласно планам, первая нитка трубопровода должна вступить в строй в 2011 году.

Южный поток" (англ. South Stream) — российско-итальянский проект газопровода, который пройдёт по дну Чёрного моря из Новороссийска в болгарский порт Варну. Далее его две ветви пройдут через Балканский полуостров в Италию и Австрию, хотя их точные маршруты пока не утверждены. Согласно планам, проект должен вступить в строй к 2015 году.

Внезапные разрушения строительных конструкций, появление и развитие трещин на лобовых стеклах автомобилей, дорогостоящих заготовках крупногабаритных зеркал телескопов, хрустальной посуде, саморазрушение огнеупорных блоков для стенок стекловаренных печей, лежащих в спокойном состоянии на складе. В сущности, такие дорогостоящие разрушения и породили научное направление по изучению остаточных технологических напряжений и способов их регулирования.

В последнее время актуальной является разработка технологий изготовления оборудования для атомной промышленности. Наибольшее применение в ядерных реакторах имеют циркониевые сплавы, обладающие высокой коррозионной стойкостью, малым сечением захвата тепловых нейтронов, низким содержанием случайных примесей в сплаве и др. Из циркониевых сплавов в атомной промышленности изготовляются различные изделия, такие как тонкостенные трубки для оболочек твэлов, тонкостенные трубы для каналов водяных и кипящих реакторов, прутки для пробок-заглушек твэлов и др. Наиболее ответственными из этих изделий являются трубки для оболочек твэлов, так как выход твэлов из строя с разгерметизацией оболочек практически недопустим, поэтому необходимо исследовать все параметры, которые влияют на прочность, износостойкость и надежность таких изделий [8].

Изготовление оболочек твэлов осуществляется обычно на специализированных заводах, одним из которых является ОАО «Чепец-кий механический завод» (г. Глазов, Удмуртия). Это связано со специфическими условиями производства изделий из циркониевых сплавов: использование специальных вакуумных печей, плавильных машин, травильных установок и пр. Любая схема производства циркониевых труб включает в себя обработку пластическим деформированием. Известно, что практически все технологические процессы пластического деформирования связаны с появлением в готовых изделиях самоуравновешенной системы технологических остаточных напряжений.

Диссертационная работа посвящена исследованию закономерностей формирования остаточных напряжений при холодном пластическом деформировании применительно к осесимметричным металлоизделиям. При этом рассмотрены вопросы формирования остаточных напряжений в процессах холодного деформирования волочением осесимметричных изделий. При исследовании остаточных напряжений предложены методики определения технологических остаточных напряжений на основе энергетического подхода. На кафедре Динамики и прочности машин Пермского национального исследовательского политехнического университета предложен и развивается энергетический подход к определению остаточных напряжений, однако в работах [3, 6, 8] рассматриваются изотропные материалы. В диссертационной работе энергетический подход развит применительно к анизотропным материалам, в частности, к трансверсально-изотропным.

• В диссертационной работе показано, что на величину и распределение остаточных напряжений по объему изделия влияют основные технологические параметры процесса обработки, физические свойства и механические характеристики материала. Также проводится оценка уровня остаточных напряжений, возникающих в трубах из циркониевых сплавов, после пластического деформирования. Рассмотрены особенности физических и механических свойств циркония и циркониевых сплавов, деформационное поведение и влияние параметров в технологии производства трубных изделий на качество, технологическую и конструкционную прочность и точность циркониевых труб.

Для определенных видов изделий (прутков, проволоки, труб), получаемых методами холодной пластической деформации, связь отдельных параметров технологии и показателей качества довольно стабильна. На основании методик, предложенных в диссертационной работе, можно достаточно точно прогнозировать некоторые свойства изделий по известным исходным данным свойств заготовки и технологическим параметрам изготовления.

Цели и задачи работы.

Целью диссертационной работы является исследование технологических остаточных напряжений в осесимметричных изделиях из изотропных и анизотропных материалов, полученных пластическим деформированиемопределение предельных технологических режимов пластического деформирования осесимметричных изделий из условия обеспечения прочности и точности, что позволяет соответствующим образом строить технологический процесс и предотвратить последеформационное разрушение металлоизделий от остаточных напряжений.

Научная новизна работы.

Научная новизна работы состоит в следующем:

• На основе энергетического подхода решена задача определения остаточных напряжений в трубных и прутковых заготовках из анизотропного материала в зависимости от основных технологических параметров процесса пластического деформирования.

• Предложена методика оценки возможного появления вторичных пластических деформаций от остаточных напряжений, возникающих при пластической деформации осе-симметричных трубных металлоизделий.

• Методика позволяет определить количество переходов многократного деформирования, соответствующих появлению вторичных пластических деформаций от остаточных напряжений в трубных металлоизделиях.

• Предложена методика, позволяющая определить предельные обжатия из условий сохранения сплошности прутковой и трубной заготовки при пластическом деформировании анизотропного материала, что даёт возможность соответствующим образом строить технологический процесс и предотвратить последеформационное разрушение металлоизделий от остаточных напряжений.

• Для циркониевых сплавов предложены методики определения остаточных напряжений, основанные на энергетическом подходе, в сочетании с известными экспериментальными данными методики применены для расчета технологических остаточных напряжений в прутках и трубах после пластической деформации.

• Приведенные методики для циркониевых сплавов позволяют оценить отклонения от номинальных размеров металлоизделий за счет упругой деформации от действия остаточных напряжений, связанные с наличием остаточных напряжений и возможным последующим снятием их с помощью отжига.

Практическая значимость.

Практическая значимость заключается в том, что на основе полученных результатов: определены оптимальные соотношения технологических параметров пластического деформирования осесиммет-ричных изделий из условий предотвращения последеформационного разрушения от остаточных напряженийв сочетании с методами не-разрушающего контроля дефектов в готовых изделиях показана возможность прогнозирования прочности и долговечности элементов конструкций в условиях эксплуатациипредложенные методики позволяют соответствующим образом строить технологический процесс: предотвратить последеформационное разрушение металлоизделий от остаточных напряжений и обеспечить заданную точность металлоизделий.

Достоверность результатов.

Достоверность полученных в работе результатов и выводов обеспечивается корректным использованием научных представлений и методов механики деформируемого твердого тела, подтверждается сравнением с известными данными экспериментальных и теоретических исследований других авторов закономерностей распределения остаточных напряжений в осесимметричных изделиях, полученных пластическим деформированием.

Личный вклад автора.

Проведён блок исследований, посвященных определению остаточных напряжений при пластической деформации анизотропных и изотропных осесимметричных металлоизделий. Предложены методики, которые позволяют предсказать и предотвратить последеформа-ционное разрушение металлоизделий от остаточных напряжений.

Апробация работы.

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на семинарах кафедры «Динамика и прочность машин» (руководитель — доктор технических наук, профессор Г. Л. Колмогоров), научно-технической конференции студентов и молодых учёных факультета прикладной математики и механики ПГТУ, 2009 г., XI Всероссийской конференции «Аэрокосмическая техника, высокие технологии и инновации — 2008», г. Пермь, I международная интернет конференции электротехнического факультета ПГТУ «1ппоТЕСН 2009», международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы науки», г. Тамбов, 2011 год.

Результаты работы используются в учебном процессе кафедры «Динамика и прочность машин» при выполнении курсовых и дипломных работ, написании бакалаврских и магистерских работ.

Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 6 статьях и тезисах докладов, из них две статьи в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения по работе, изложенных на 119 страницах.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.

1. Выполнен литературный обзор физических и механических свойств циркония и циркониевых сплавов, применяемых в атомной промышленности. Основными технологическими процессами обработки давлением сплавов циркония являются прокатка и волочение, для которых характерным является неравномерность деформаций по сечению и возможное формирование технологических остаточных напряжений.

2. Циркониевые изделия (трубы, прутки) применяются в атомной энергетике, где предъявляются высокие требования по качеству металлоизделий. Качество металлоизделий зависит от наличия остаточных напряжений, возникших в процессе изготовления.

3. Определены возможные изменения геометрических размеров прутков и труб, за счет упругих деформаций от действия остаточных напряжений, что может существенно влиять на точность производимых прутков и труб из циркониевых сплавов.

4. Предложена методика определения остаточных напряжений. Методика, основанная на энергетическом подходе, в сочетании с известными экспериментальными данными, может применяться для расчета технологических остаточных напряжений в прутках и трубах после пластической деформации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ПО РАБОТЕ.

1. Работа посвящается дальнейшему развитию энергетического подхода применительно к анизотропным материалам, в частности, к трансверсально-изотропным материалам. Предложенный подход позволяет оценить уровень остаточных напряжений, прочность и возможную криволинейность трубных изделий.

2. Совместное действие разнообразных причин, вызывающих появление остаточных напряжений, создаёт чрезвычайно сложную картину распределения этих напряжений. Для большинства практических случаев устанавливается не теоретическим, а опытным путём, что вызывает ряд трудностей, а для анизотропных тел использование экспериментальных методов в большинстве случаев невозможно, вследствие сложной структуры строения и свойств материала. В работе предложены методики определения остаточных напряжений, основанные на энергетическом подходе, которые в сочетании с известными экспериментальными данными, могут применять для расчёта технологических остаточных напряжений в прутках и трубах после пластической деформации.

3. Рассмотрена методика оценки возможного появления вторичных пластических деформаций от остаточных напряжений, возникающих при пластической деформации анизотропных прутковых и трубных металлоизделий.

4. Предложены методики, которые позволяют определить допустимые деформации, уровни остаточных напряжений и степени деформации прутковых и трубных заготовок при пластическом деформировании трансверсально-изотропных материалов.

5. Приведенные в работе подходы и методики позволяют оценить изменение размеров прутков и труб за счет упругой деформации от остаточных напряжений, сформированных в процессе пластического деформирования анизотропного материала. Изменение геометрических размеров за счет упругой деформации от действия остаточных напряжений может быть существенным, что неприемлемо при производстве прецизионных изделий, к которым можно отнести прутковые и трубные изделия для атомной промышленности.

6. Разработанные методики расчета и полученные результаты позволяют учитывать наличие и влияние технологических остаточных напряжений при последующем прочностном расчете прутковых и трубных изделий из изотропного и анизотропного материала. Суперпозиция остаточных напряжений и эксплуатационных нагрузок позволит прогнозировать прочность, долговечность и надежность конструкций.