Автореферат (Разработка модели деформирования материала для совершенствования процесса изготовления деталей гидравлических турбин)

На правах рукописиКолебина Наталья ВладимировнаРАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ МАТЕРИАЛАДЛЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОЦЕССАИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ТУРБИН01.02.04 – Механика деформируемого твердого тела05.16.09 – Материаловедение (машиностроение)Авторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2016Работа выполнена в Московском Государственном Техническом Университетеим. Н.Э. БауманаНаучный руководитель:доктортехническихнаук,Данилов Владимир ЛьвовичпрофессорОфициальные оппоненты:Мовчан Андрей Александрович, докторфизико-математическихнаук,профессор,заведующий отделом механики адаптивныхкомпозиционных материалов и систем,Институт прикладной механики (ИПРИМРАН)Столин Александр Моисеевич, докторфизико-математическихнаук,профессор,заведующий лабораторией пластическогодеформированияматериалов,Институтструктурной макрокинетики и проблемматериаловедения (ИСМАН РАН)Ведущая организация:Московский государственный университетим.

М.В. Ломоносова (НИИ механики МГУ)Защита диссертации состоится 21 декабря 2016 г. в 10.00 на заседаниидиссертационного совета Д 212.141.03 при Московском государственном техническомуниверситете им. Н.Э. Баумана по адресу: 105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д.5, стр.1.Ваш отзыв в двух экземплярах, заверенных печатью, просьба направлять по адресу:105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д.5, стр.1 МГТУ им.

Н.Э. Баумана, ученому секретарюдиссертационного совета Д 212.141.03С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э. Баумана и на сайтеwww.bmstu.ruТелефон для справок: +7(499)263-66-39Автореферат разослан «__» _____ 2016г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 212.141.03,доктор технических наукКарпачев А.ЮОбщая характеристика работыАктуальность темы. На сегодняшний день гидроэлектроэнергетикаявляется одним из наиболее эффективных направлений энергетическойотрасли. Определяющим компонентом ГЭС является гидротурбина. Внезависимости от принципа работы и устройства гидротурбин, их основнойдеталью является рабочее колесо с лопастями.Производство крупногабаритных деталей гидротурбины, диаметр которыхварьируется от 2 до 10 метров, является сложным, металлоемким, энергоемкими дорогостоящим процессом. Точность формы лопаток турбины определяетвозможность получения заданной производительности турбины в целом.Выделяют два основных способа изготовления лопаток: литье и горячаяформовка.

Литье - менее металлоемкий процесс, требующий значительныхтрудозатрат при последующей обработке и ручной полировке поверхности, длятого чтобы исправить отклонения толщины и формы. Горячая формовкапозволяет получить очень высокую точность формы и толщины, и, тем самым,исключить ручную обработку поверхности. Однако оба процесса производствадеталей гидравлических турбин включают в себя множество сварочныхопераций, что обеспечивает получение сложных форм, но требуетиспользования дополнительного количества сплава и большего объѐмапоследующей обработки.

Все это влияет на время изготовления, расходы икачество деталей.Одним из прогрессивных способов изготовления таких деталей являетсяформообразование заготовки методом пластического (или сверхпластического)деформирования. Данный метод обладает рядом преимуществ, таких какповышенная размерная и геометрическая точность изготовления, отсутствиеперехода в жидкое состояние материала, снижение металлоемкости и временипроизводства.Материал, используемый для изготовления лопаток, оказывает большоевлияние на выбор технологии производства.

Основные требования,предъявляемые к материалу, прежде всего связаны с эксплуатационнымисвойствами, такими как устойчивость к коррозии, прочность и свариваемость.Мартенситные, аустенитные, а также дуплексные стали используются вкачестве материалов для изготовления колес гидротурбин, в зависимости оттипов и размеров турбины. Наиболее распространенные стали – этолегированные стали типа 16Cr5Ni, 13Cr4Ni, 13Cr1Ni и т.п.Низкоуглеродистые мартенситные легированные стали имеют рядпреимуществ над другими видами сталей, таких как: более высокаякоррозионная стойкость по сравнению с недорогими углеродистыми сталями(ферритными сталями); более высокая свариваемость, чем у аустенитныхсталей; повышенная пластичность и прочность на разрыв, а также экономичноелегирование (на 25% дешевле) по сравнению с дуплексными нержавеющимисталями. Такое сочетание факторов делает эти стали экономически выгоднымидля гидроэлектроэнергетики.1Для нахождения рациональных режимов деформирования, а именноскоростей деформации, температуры нагрева заготовки и усилиядеформирования, необходимо математическое моделирование поведенияматериала в процессе изготовления деталей.Таким образом, актуальность диссертационной работы определяетсянеобходимостью разработки модели деформирования низкоуглеродистоймартенситной стали с целью определения возможности ее использования впроизводстве крупногабаритных деталей гидравлических турбин методамипластического или сверхпластического деформирования.Степень разработанности темы.

В связи с широким применениемданных сталей в сварных конструкциях множество работ Клейнера Л.М.Шацовой А.А., Мельниковой Н.П., Sandvik B.H., Leem D.S. и другихпосвящено исследованию микроструктуры и ее влиянию на свойствасвариваемости и прочности низкоуглеродистых мартенситных сталей прикомнатных температурах. В работах Carroug D., Kapoor R., Wang P., Park E.S.,Зельдовича В.И., Дьяченко С.С. и других приведены результаты исследованийфазовых переходов и их влияния на микроструктуру и механические свойствапри комнатных температурах.

Однако мало внимания уделено исследованиюдеформирования таких сталей при высоких температурах, несмотря на ихширокое применение при изготовлении методами горячей формовки.Исследованиями деформирования данных сталей при высоких температурахзанимались Богачев И.И., Ряпсов И.В., Tong W. и некоторые другие.Опубликованные работы посвящены исследованию влияния отдельныхпараметров на свойства пластичности, но не приведен закон деформированияданного класса сталей при высоких температурах с учетом влияния структуры.Целью диссертационной работы является разработка математическоймодели деформирования низкоуглеродистой мартенситной стали при высокихтемпературах для подбора рациональных параметров процесса производствадеталей гидротурбин методом пластического деформирования.Для достижения цели поставлены следующие задачи:1.

Провести экспериментальное исследование упругопластических свойствнизкоуглеродистой мартенситной стали класса 1.4313 при температурах от650°С до 950°С;2. Установить влияние параметров структуры (размер зерна, фазовыйсостав, морфология) на процесс деформирования низкоуглеродистоймартенситной стали при температурах от 650°С до 950°С;3. Разработатьматематическуюмодельдеформированиянизкоуглеродистой мартенситной стали, учитывающую морфологию и фазовыйсостав стали и описывающую его свойства в указанном диапазоне температур;4. Разработать численную модель процесса формообразования заготовкидля деталей гидравлических турбин с целью установления рациональныхтехнологических параметров таких, как время, сила и скоростьдеформирования;25.

Выработать рекомендации по выбору параметров для процесса горячегодеформирования деталей из исследуемой стали при условии снижениятемпературы горячей формовки.Научная новизна работы заключается в:1. Планировании и проведении исследований и получении новыхэкспериментальныхданныходеформированиинизкоуглеродистоймартенситной стали класса 1.4313 при повышенных температурах (650°С 950°С);2.

Определении функциональной зависимости напряжений от деформаций,учитывающей влияние морфологии и фазового состава стали и позволяющейописать поведение низкоуглеродистой мартенситной стали в широкомдиапазоне температур;3. Разработке математической модели горячей формовки заготовкилопатки гидравлической турбины, учитывающей морфологию и фазовый составнизкоуглеродистоймартенситнойстали,позволяющейопределятьрациональные параметры процесса без проведения натурных испытаний;4. Установлении рациональных значений параметров процесса горячейформовки, а именно температуры, скорости и силы деформирования, заготовокиз низкоуглеродистой мартенситной стали в широком диапазоне температур.Достоверность результатов подтверждается применением комплексасовременной экспериментальной техники и измерительных приборов;использованиемкомплексасовременныхметодовисследования;воспроизводимостью и непротиворечивостью результатов, полученныхразличными методами; применением классических положений механикидеформируемого твердого тела.На защиту выносятся следующие положения диссертации:1.

Методика проведения и анализ результатов экспериментальныхисследований деформирования низкоуглеродистой мартенситной стали приповышенных температурах;2. Экспериментальные результаты, устанавливающие влияние различныхструктурных параметров на механические свойства низкоуглеродистоймартенситной стали в широком диапазоне температур;3. Полученная функциональная зависимость напряжений от деформаций сучетом скорости деформирования и температурного режима длянизкоуглеродистой мартенситной стали;4. Математическая модель горячей формовки заготовки лопаткигидравлической турбины, учитывающая морфологию и фазовый составнизкоуглеродистой мартенситной стали.Практическаязначимостьзаключаетсявполученииновыхэкспериментальных данных о механических свойствах низкоуглеродистоймартенситной стали класса 1.4313 для рационализации производства деталейгидравлическихтурбин,определениифункциональнойзависимостинапряжений от деформаций с учетом скорости деформирования и3температурного режима обработки, разработке методики расчета процессаформообразования детали, учитывающей структуру низкоуглеродистоймартенситной стали, выдаче рекомендаций по совершенствованию процессаизготовления деталей гидравлических турбин.Методы исследования.