Применение мартенситностареющих сталей для повышения надежности высокопрочных крепежных элементов, работающих в морских условиях при низких климатических температурах

Развитие морской техники выдвигает в число первостепенных вопросы надежности элементов конструкций и их материалов. Среди них важное место занимают резьбовые соединения крепежных деталей из высокопрочных сталей, обеспечивающие плотность, прочность и долговечность присоединения разъема отдельных узлов и конструкции в целом. Практически во всех случаях оценки напряженного состояния на первых, опорных витках резьбы концентрируется большая часть нагрузки (30−40%).Высокая концентрация напряжений приводит к тому, что даже при сравнительно небольшом напряжении затяжки, а <0,3 ат во впадинах первых витков появляется пластическая деформация, которая после снятия или ослабления нагрузки приводит к потере затяжки. Повышение эксплуатационных нагрузок от давления, понижения температуры до климатического холода, воздействие коррозии при циклических нагрузках делают крепежные детали весьма нагруженными, особенно при нестационарных условиях.

Крепежные детали в сборе — сложный объект для наблюдения и регулярного контроля их технического состояния в процессе эксплуатации и плановых ревизий. Существующие методы расчета резьб не дают возможности точного прогнозирования долговечности крепеж- >Л., ных материалов на стадии проекта.. ><�Г>гЙ' -3 (¿-я.

В связи с этим особую актуальность приобретает комплексный^^ ^ подход к обеспечению надежности резьбовых соединений по оценке ' несущей способности высоконагруженных крепежных деталей, как с позиции материаловедения, так и конструктивной прочности по ха-. рактеристикам сопротивления усталостному и хрупкому разрушению, релаксационной способности, критической температуры хрупкости.

В свою очередь эти характеристики следует базировать на комплексе традиционных механических характеристик крепежных сталей при статическом разрыве, ударных испытаниях, которые определяются структурным их состоянием, зависящим от химического состава и режима термической обработки.

Наиболее распространенными материалами крепежных деталей являются углеродистые и низколегированные стали. Крепеж, изготовленный из этих сталей, характеризуется достаточным уровнем механических свойств, однако применение их в морской воде в услович, % 5.

VI ях климатического холода затруднено из-за низкой коррозионной стойкости, снижающей их работоспособность. С целью защиты этих сталей от общей коррозии применяют смазки и покрытия различного вида.

Однако использование покрытий (например, фосфата с пропиткой лаком БФ-2 или смазок типа СТМ) малоэффективно, так как в местах контактных поверхностей материал защитных покрытий быстро истирается. Применение металлических защитных покрытий типа кадмиевого может привести к наводораживанию поверхностей и являться локальным концентратором напряжений.

Изготовление крепежных деталей из коррозионностойких сталей типа 09Х16Н4Б (ЭП56) ОХ20Н5АГ12МФ (ДИ8) более перспективно. Но и здесь имеется ряд трудностей: для коррозионностойкой стали мартенситного класса ЭП56 (а0,2>850 МПа, ав>1000 МПа) характерно развитие коррозии по механизмам МКК (межкристаллит-ной) и КРН (коррозионного растрескивания под напряжением). Сталь аустенитного класса с азотом — ДИ8 имеет значительно более высоI | кую коррозионную стойкость к МКК и КРН, однако прочностные ха- <| рактеристики этой стали несколько ниже (а0,2<600 МПа, ав<800 ' ," | МПа), к тому же производство ее затруднено, потому что находится^- - ?| на территории Украины.. С'!)V?. ¦" *.

Перспективным материалом для создания крепежных деталей к -* ъ. являются коррозионностойкие мартенситностареющие стали, — однойч из таких сталей может являться сталь 03X11Н8М2Ф-ВД (ДИ52-ВД), ' которая обеспечивает механические свойств а0,2⁸⁵⁰ МПаа^ЮОО МПа- 65>12%- Ч? >55%- КОТ>100 Дж/см2- КСУ>60 Дж/см2- является стойкой к МКК и КРН.

Эта сталь широко применяется на предприятиях для изготовления тяжелонагруженных сварных и не сварных элементов конструкций с временным сопротивлением ств>1000 МПа. Выпуск металлургического полуфабриката, поковок, раскатных колец освоен отечественными производителями в течение последних 15-ти лет. От ОАО «Конструкторское бюро специального машиностроения» получено техническое задание на разработку директивной технологии изго- ' товления ответственных крепежных деталей из мартенситностарею-щих сталей для изделий, работающих в морских условиях.

Целью настоящей работы является повышение работоспособности материала крепежных деталей, работающих в морских условиях при температурах климатического холода.

Достижение поставленной задачи решалось следующими путями:

1. Исследование физико-механических и коррозионных свойств стали ДИ52-ВД стандартного состава.

2. Исследование влияния дополнительного легирования Т и В на физико-механические и коррозионные свойства стали ДИ52-ВД для крепежных деталей.

3. Разработка режима термической обработки сталей на основе этих схем легирования для крепежных деталей, обеспечивающих высокую надежность и работоспособность.

Результаты исследования показывают перспективность мартен-ситностареющих сталей для изделий, длительно работающих в морских условиях.

5. Исследовано влияния циклического нагружения, характерного для резьбовых элементов.

Установлено, что сталь ДИ52-ВД, термически обработанная по штатному режиму, испытанная на циклическую релаксационную стойкость, согласно ГОСТ 26 007–83, обладает способностью упрочняться примерно до 1% от напряжения релаксации, в режиме «нагрузка до 0,9о0,2 — полная разгрузка». По сравнению со сталью 36Х2Н2МА (широко используемой при переменных нагружениях), сталь ДИ52-ВД по времени эксперимента — 512 ч. показала наибольшую циклическую стойкость.

6. С целью увеличения сопротивления усталостному разрушению крепежа из стали ДИ52-ВД изучено влияния содержания в стали. промышленной выплавки титана (до 0,15%) и бора (до 0,002%)-, на механические, усталостные и коррозионные свойства. Проведено рентгеноструктурное исследование стали ДИ52-ВД, с содержанием 0,15% Л и 0,002% В на механические, усталостные и коррозионные свойства.

Показано положительное влияние бора, позволяющего стабилизировать субструктуру стали и повысить сопротивление малоцикловой усталости. Термообработка стали, содержащей бор по режиму с изотермическими выдержками позволяет повысить сопротивление усталостному разрушению при нагрузках близких к пределу текучести. Это позволяет использовать сталь в крепежных элементах с повышенной ресурсоспособностью.

7. Исследованы режим термической обработки стали ДИ52-ВД, содержащей титан и бор с предварительной ТЦО и изотермическими выдержками при нагреве под низкотемпературную закалку и окончательным старением и режим с промежуточным нагревом 660 °C и последующей низкотемпературной закалкой и отпуском 350 °C без окончательного старения.

Установлено, что первый режим эффективно влияет на более раннее развитие упруго-пластической деформации при близких значениях пределов текучести и временного сопротивления и при мелкозернистой структуре с равномерно фрагментированным мартенситом позволяет получить увеличение пластических свойств. Это способствует сохранению достаточной затяжки крепежного элемента, с другой стороны увеличивает его податливость при неравномерном распределении нагрузки по виткам резьбы. Напротив, режим с промежуточным нагревом 660 °C позволяет получить достаточную разницу между значениями предела текучести и временного сопротивления, с обеспечением достаточных прочностных, пластических и вязких свойств.

8. Сталь ДИ52-ВД внедрена для изготовления различного хладостойкого крепежа ответственного назначения, работающего в морских условиях. Производственные испытания на предельную несущую способность болтов при внецентренном растяжении, корпусов, изготовленных из стали ДИ52-ВД, содержащей титан и бор гарантированно обеспечивают требования конструкторской документации по прочности.