Диссертация (Расчетно-экспериментальные методы исследования технологических напряжений и деформаций в неразъемных трубных соединениях энергоустановок), страница 12

Усилие создавалось с помощью прибора измерениятвердости по Бринеллю типа ТБ, а измерения отпечатков осуществлялись70посредством универсального микроскопа УИМ-21. Результаты экспериментадля ряда марок сталей приведены на рис. 2.5 – кривые р (F).Рис. 2.5. Экспериментальныезависимости напряжений отусилия прижатия F и оттвердости металла НВ::I- p(HB); II- сталь 08Х18Н10Т,Ст. 3, 20; III- сталь 09Г2С.Анализ зависимостей р(F) показывает, что для них характернонекоторое повышение напряжения с ростом усилия.

Причем наклон линийр(F) мало отличается для разных материалов. Наложение на один графикзависимостей p(F) и p(HB) дало основание говорить о зависимостинапряжения под индентором от твердости материала. Примем, что этузависимость можно записать в форме p=C1FαHBβ.На основании изложенного, а также данных, приведенных в ГОСТ9012-59, были рассчитаны значения напряжений для сталей разной твердостиp(HB) и построен график, нанесенный на рис. 2.6 (I) [55].Используяприем,применяемыйвтеориирезания[19],прологарифмируем приведенное выражение, приняв НВ= const, аp = C1нFα: lgp= lgC1н + αlgF.Подставив сюда разные экспериментальные данные и вычитая одноуравнение из другого, получим α= (lg p2- lg p1)/(lg F2- lg F1)≈ 0,094.Выполнив подобную процедуру при F= const, HB= var, получимβ= (lg p2- lg p1)/ (lg HB2- lg HB1)= 0,99; C1= 4,64.В итоге, для напряжения под шариком, вдавливаемом в стальнуюдеталь усилием F, получим выражение [55], [144] p= 4,64F0,094HB0,99 .71Здесь сила подставляется в [Н], НВ в соответствии с ГОСТ 9012-59«Металлы.

Метод измерения твердости», в безразмерных единицах.Последующие исследования с использованием этой формулы дали сходимыерезультаты с опытными данными.При вдавливании под роликом, считая его цилиндром диаметром dpc,образуется площадка размерами Sк= bкlк, где bк ,lк – соответственно, ширина идлина отпечатка, – напряжения в которой уравновешивают внешнюю силу.Примем, учитывая изложенное, что характер изменения напряженияпод роликом приближенно можно описать функцией (2.8). Тогда площадьотпечатка под роликом вальцовки будет Sк= F/p= 0,216 F0,906HB-0,99 [мм2].Поскольку угол конусной образующей ролика мал, то можно оценитьего углубление h в поверхность трубы, используя формулу, выведенную дляцилиндрических тел со средним диаметром ролика dpс [12]:h=0,5dpс{1- [1-S2к/(lкdpс)2]0,5}.(2.9)Так, для НВ 111; dpс=4мм; lк=30мм; F=6900 H получим h≈ 3мкм.Такое усилие реализуется в случае развальцовки стальной трубы ∅16х1,5сталь 20 при крутящем моменте Мкр= 20 Нм.

Диаметральная раздача трубы вэтом случае составляет 0,3...0,9 мм, давление под роликом р= 1127МПа, аплощадь контакта Sк=6,1 мм2.Полученная величина углубления ролика h≈ 3 мкм близка вышерассмотренному углублению ролика за один оборот корпуса вальцовки, чтосвидетельствует о допустимости изложенного подхода в диссертации.2.4.Структурные изменения металла трубы в зоне контакта сроликомНа рис. 2.6 изображена схема качения ролика по внутреннейповерхности трубы. В процессе качения ролик вдавливает металл,расположенный впереди по ходу движения, а после прохождения точки А,мгновенного центра скоростей [164], происходит упругая отдача трубы.

При72этом в точке В вектор скорости движения точек ролика перпендикуляренрадиусу вектору rк. Этообстоятельствоиз-завозникшегоатомно-молекулярного взаимодействия ролика и трубы способствует отрыву частицметалла трубы. Кроме того, ролик силой Fм давит в точке В1, приводя купругопластической деформации прилегающего слоя металла трубы.Рис.2.6. Качение ролика повнутреннейповерхноститрубы (пунктир- мгновенноеположениекривой,покоторой катится ролик).Окружная сила на веретене Fmbz= Mкр0z/rвс (см.

раздел 3.4) на плече rм создаетреактивный момент Мм = Fмrм, преодолевающий сопротивление изгибаучастка трубы АВ1. В связи с тем, что сила, приложенная в точке В ипрепятствующая движению ролика, существенно меньше Fм, то Mм≈ Mкр0/z.Здесь Mкр0 – момент, затрачиваемый на деформацию трубы z роликамивальцовки. Этот же момент, как и окружной момент в косозубых колесах,создает осевое усилие на веретене.Таким образом, подводимая к вращающемуся веретену мощностьзатрачивается на осевое перемещение веретена и вращение роликов. Приэтом в каждое мгновение осевое перемещение веретена силой Frci совершаетработу по деформации трубы в направлении ОА, а ролики в это же мгновениекрутящим моментом Мм деформируют участок трубы АВ1.

Причем перваяработа из-за незначительной радиальной деформации существенно меньшевторой.Изложенное подтверждается экспериментом (рис. 2.7) по вальцеваниютрубы ∅25х1,6 сталь 08Х18Н10Т инструментом, у которого рабочие участкиверетена и роликов были цилиндрическими, а входные конусными. Здесь73видно, что после ввода вальцовки на разглаживание трубы затрачиваетсязначительный крутящий момент. При этом радиальные усилия от веретена полинии ОА (см. рис. 2.6) равны нулю.Рис.2.7. Вальцевание настенде (рис. 1.18) трубы∅25х1,6 вальцовкой сцилиндрическимироликами. (Осциллограммупредоставил Гунин А.В.).Вопросыфрикционногоконтактавсталях,подобныхсталямтеплообменных труб, исследованы в работе [82], где говорится: «…Величинасжимающих контактных напряжений приближенно соответствует значенияммикротвердости на поверхности трения. Эти напряжения инициируютпротеканиепревращенийγ→ε,характеризующихсяотрицательнымобъемным эффектом, но в аустенитных сталях тормозят превращения ε→α иγ→α, происходящих с увеличением объема.Смена знака напряжения приводит к активизации в поверхностномслое мартенситных ε→γ и γ→α превращений, к развитию процессовразрушения поверхности и отделению частиц изнашивания.Образование нанокристаллических структур ε- мартенсита снижаеткоэффициент трения (µ< 0,3) и повышает сопротивление адгезионномуизнашиванию.Сжимающиеирастягивающиенапряжения,последовательнодействующие в зоне фрикционного контакта, препятствуют возникновению иразвитию микротрещин и создают условия для реализации большихпластических деформаций и формирования нанокристаллических структур втонком слое толщиной до 10 мкм.Уобладающихмалойстабильностьюкмартенситномуγ→αпревращению стали 12Х18Н9Т, γ→α мартенситное превращение происходитуже в начальный момент трения, распространяясь на глубину в десятки и74сотни мкм от поверхности.

Последующее разрушение поверхности иобразование частиц изнашивания локализовано в слое, претерпевшемпрактически полное γ→α превращение.Смена знака напряжения приводит к активизации в поверхностномслое мартенситных ε→ γ и γ→ α превращений, к развитию процессовразрушения поверхности и отделению частиц изнашивания».Во время проведения электронной микроскопии разрушения стали08Х18Н10Т вследствие многоциклового воздействия, возникающего приобкатывании со скольжением роликами, авторами [31] установлено, что встали, многофазном поликристаллический материал, всегда отделяютсячастицы карбидной фазы. Обработка таких участков лазером, электроннымипучками и т.п.

позволит повысить усталостную долговечность.В некоторых условиях отмеченные частицы становятся достаточнобольшими (толщина чешуек может быть до 1 мкм, а длина до 5 мм) и тогдаговорят, что произошло «шелушение». ОСТ 26-17-01-83 считает такоеявление дефектом [52].Таблица 2.3Некоторые примеры возникновения «шелушения» труб1Характеристикатрубы∅16х2,5; сталь 20Режимы вальцеванияОписание дефектаFrci= 5620Н; dpс= 3,64 мм;lкрв = 35мм;n= 370 об/минПосле 2-х- 3-х кратноговальцеваниясильноешелушениеПосле2-хкратноговальцевания небольшоешелушениеРазрывы труб в видеотслоений по дуге после1-го вальцевания.

Послеотжига разрывы исчезли.Сильноешелушениепосле 1-й подвальцовки.2∅16х2;08Х14МФсталь Frci= 8870Н; dpс= 3,64 мм;lкрв = 37мм;n= 370 об/мин3∅20х1;МНЖ5-1состояниипоставки∅16х3;10Х2Мсплав Frci= 1860Н; dpс= 5,2 мм;в lкрв =22мм;n= 370 об/мин4сталь Frci= 1740; dpс= 3,3 мм;lкрв =6мм;n= 370 об/минВ то же время из выше изложенного следует, что отделение частицизнашивания происходит практически всегда, однако в ряде случаев75«чешуйки» оказываются весьма заметными. В таблице 2.3 приведенынекоторые случаи возникновения «шелушения».Микроструктура сталей труб в результате роликового вальцеваниязаметно не изменяется, только в зоне контакта с роликами в ряде случаевнаблюдается уплотнение.2.5.

Деформация свободной трубы от воздействия роликовДо исследовательских работ диссертанта вопросы изгиба профилястенки трубы, имеющее место при создании соединения с натягом междутрубой и поверхностью отверстия при роликовом вальцевании, нерассматривались. Здесь следует выделить контактное взаимодействиеинструмента с внутренней поверхностью трубы, последующий переход ее впластическое состояние и условия прижатия внешней поверхности трубы кстенке отверстия. В связи с этим появляется необходимость исследоватьвоздействие роликов на внутреннюю поверхность трубы и взаимодействие еенаружной поверхности со стенкой отверстия. Сформулируем постановкуданной задачи.Подводимая к вращающемуся веретену мощность затрачивается наосевое перемещение веретена, вращение роликов, перемещение участкатрубы в осевом, радиальном и окружном направлениях.