Диссертация (1143872), страница 5
Текст из файла (страница 5)
В этой же монографии автор рекомендует для инженерныхприложений использовать простые расчеты, в частности, для прогнозированиямикроструктуры.Дляупрощениярешенийавторуказываетнаполезностьопределенных допущений, а именно: неограниченность деталей и отсутствие тепловыхпотоковпонекоторымнаправлениям,теплонепроницаемостьграницы,сосредоточенность источника теплоты, постоянство начальной температуры, скорости,направления движения и мощности источника теплоты, однородность свойствматериала деталей и некоторые другие.Исходя из этих рекомендаций для расчета максимальных температур Т max,длительностей пребывания металла выше температуры Т1, скоростей нагрева илиохлаждения ω=∂T/∂t или средних скоростей охлаждения в интервале температур Т2-Т3,связанных с пребыванием металла при охлаждении в течение ΔtТ2/Т3 зависимостьюωср=(∂T/∂t)ср= (Т2-Т3) / ΔtТ2/Т3, наиболее удобным для инженерных приложений,22вероятно, будет подход авторов работы[96] к математическому моделированиюраспространения теплоты в металле, применительно к рассматриваемым процессам вЗТВ сталей повышенной и высокой прочности, основанный на использованииуравнения нестационарной теплопроводности в квазистационарной постановке.
Дляверификации результатов расчетов, полученных в рамках такой модели (в принципе, этосправедливо относительно любой другой модели, направлнной на изучение свойствсталей в ЗТВ) целесообразно применять современные методики исследований металламодельных образцов на дилатометре [43,84], предусматривающих имитацию реальныхтермических циклов, действующих на исследуемых участках ЗТВ.Конечная оценка любой технологии определяется качеством детали или изделия.Качество изделия определяется не только суммой действующих производственнотехнологических факторов, но взаимосвязями между ними, которые не всегда очевидны.Среди публикаций на эту тему выделяется новый, но стремительно набирающийсегодня популярность подход к анализу изучаемых проблем на основе математическогомоделирования, именуемый когнитивное моделирование [80].Для изучения структуры металла в ЗТВ разработаны методы имитации тепловойобстановки в металле деталей, к одному из которых принадлежит методика имитацияфазовых и структурных превращенийвоздействиеммоделируемыхв специальныхтермическихцикловсобразцах металлапоследующимподанализомтермокинетических диаграмм (ТКД) и структур металла образцов.При построении ТКД для любого участка металла ЗТВ обязателен учетособенностей фактически действующего на данном участке термического цикла.
Нагревобразцов производится с более высокой скоростью, чем охлаждение, причем скоростиохлаждения в большей степени зависят от вида технологии. Максимальныетемпературынагрева,особеннодлярежимов,имитирующихсамыевысокотемпературные участки в ЗТВ, превышают используемые при общеизвестныхвидахтермообработки; выдержки при максимальных температурах варьируются отдесятых долей секунды до нескольких секунд.Имитация термического цикла в модельном образце производится с помощьюдилатометра, что позволяет с высокой точностью определять в процессе термическогоцикла изменение длины образца.
Эти данные используются для определения23температуры превращения аустенита и оценки доли превратившегося аустенита взависимости от времени в процессе воздействия термического цикла [43].Достоверность результатов имитации термического воздействия на модельныеобразцы подтверждается сравнением полученных структур в металле образцов соструктурой ЗТВ металла в реальных деталей, рис. 1.8 [43].х500х500б - Охлаждение со скоростью 15оС/с от1350оС (имитация)Рисунок 1.8 – Структура ЗТВ стали марки 10ХН3МД реальной детали (а) и послеа - Структура металла ЗТВ на 1 участкеимитации нагревов (б), х500 [43]Это позволяет осуществить прогнозирование структуры и свойств в ЗТВреальных деталей путем имитации термических воздействий на специальных малыхобразцах на дилатометре с последующим анализом структурно-фазового состоянияметалла [43] и оценкой его твердости, взаимосвязанной с остальными механическимисвойствами полученных структур [40].1.4.
Технологические проблемы применения в машиностроении современныххладостойких низколегированных сталейНаиболеепредставительнымиявляютсятехнологическиепроблемы,возникающие после кратковременных термических воздействий на конструкционныенизколегированные хладостойкие стали в процессе изготовления машиностроительныхдеталей и изделий с помощью сварки. Они проявляются после сварки на большихпогонных энергиях (автоматическая сварка под флюсом), в тоже время они имеют местои при малых погонных энергиях, когда в нагретом металле рядом со швом скорости24охлаждения весьма высоки (электронно-лучевая и лазерная сварка, что, например,ограничивает их применение на больших толщинах стальных корпусных конструкций всудостроении).
По данным анализа причин разрушений сварных конструкций,проведенного Международным институтом сварки, 20% разрушений происходит из-занизкой ударной вязкости металла сварных соединений. В первую очередь снижениевязкости имеет место в ЗТВ, где под воздействиям термических циклов происходятизменения в структуре металла, что приводит к его деградации и при определенныхусловиях может привести к разрушениям деталей (рис.1.9 - фотографии любезнопредоставлены лабораторией прочности ЦНИИ КМ "Прометей").Рис. 1.9. Разрушение детали трубопровода от поперечной трещины в ЗТВ сварного швана судне при эксплуатации в северных широтахКонструкционные хладостойкие низколегированные сталивысокойпрочности,какматериалыдляответственныхповышенной идеталейиизделийпривлекательны для различных отраслей машиностроения в связи со своими высокимипрочностными характеристиками, включая ударную вязкость, сохраняемыми приотрицательных температурах.Значительный опыт использования таких материалов имеется в судовоммашиностроении, в изготовлении деталей и узловмагистральных трубопроводов,деталей и элементов нефтегазодобывающих и буровых платформ, деталей и узловмостовых конструкций, изготавливаемых применительно к различным видам техники иобъектам, эксплуатируемым в регионах с суровым климатом, на шельфе северныхморей.25Буровые и добывающие углеводородное сырье платформы, трубопроводы длятранспортировки нефти и газа и пр.
это крупные экологически потенциально опасныесооружения. Для их строительства применяются материалы, обеспечивающие приэксплуатации высокую работоспособность деталей и узлов различных машин имеханизмов, изделий и конструкций, используемых как самостоятельные единицы, илив составетехнических сооружений и объектов, к которым предъявляются самыевысокие требования надежности и безопасности их функционирования [41-42].Применяемые для этих целей стали в процессе реализации технологииподвергаются многократным локальным термическим воздействиям, т.к. заводскоепроизводство, в первую очередь, крупных машиностроительных изделий экономическивыгоднее (с учетом затрат на транспортировку к месту монтажа).
В условиях завода дляповышения производительности применяется процессы, обеспечивающие высокуюпроизводительность. Обычно при использовании полуфабрикатов повышенных ибольших толщин это сварка под флюсом: однодуговая на больших токах и высокихпогонных энергиях, как в производстве деталей и узлов мостовых конструкций [44,45]или многодуговая (от 2 до 5 электродов) на очень высоких погонных энергиях - свыше 5кДж/мм, как в производстве деталей и узлов для магистральных трубопроводов [57,59].Поэтому основные проблемы, обусловленные кратковременными термическимивоздействиями на низколегированные стали, относительно недавно привлекшие особоевнимание исследователей [79], проявились на хладостойких высокопрочных сталях призаводском изготовлении деталей и узлов для трубопроводов, где применяютсявысокопроизводительные технологии для обеспечения массового производства.В ЦНИИ КМ «Прометей» разработан ряд хладостойких низколегированныхсталей различных классов прочности (последние разработки выполнены совместно сЦНИИ Чермет и ЧерМК ОАО «Северсталь»), успешное применение которых в деталяхи изделиях машиностроения может быть осуществлено только после глубокогоизучения их чувствительности к локальным термическим воздействиям.Актуальность проблемы проявилась по мере накопления результатов испытанияна ударный изгиб в диапазоне температур -30°С…-60°С образцов Шарпи, вырезанныхиз сварных соединений новой высокопрочной стали Х80 с надрезом по ЗТВ, средикоторых систематически встречались отдельные значения, не соответствующиедействующим требованиям нормативной документации [57].26В связи с изложенным значительный научный и практический интереспредставляет изучение влияния термических циклов на структуру и свойства металла, втом числе путем моделировании тепловых процессов сварки применительно к ЗТВновых низколегированных хладостойких высокопрочных сталей, перспективных дляразличных отраслей машиностроения.Исследования тепловых процессов на толстостенных деталях (20-40мм) [53,54]показали, что максимальный Δmax (на расстоянии 1/2 глубины проплавления отповерхности) и минимальный (в корне шва) Δmin (мм) размерыЗТВ находятся вследующей зависимости от погонной энергии Qп (кДж/мм) при оптимальнойтехнологии:Δmax = 0,79Qп + 0,9(1.1)Δmin = 0,15Qп + 1,1(1.2)В абсолютных величинах максимальный размер δmax колеблется в пределах от 3,0мм до 7,5 мм, а минимальный от 1,5 мм до 2,5 мм.Скорость охлаждения ω8/5 (oC/c) определяется также еще и толщиной детали δ(мм), которая при начальной температуре заготовок Т0 (oC) равна:ω8/5 = 2,1۰10-11[(800 - Т0)4 – (500 - Т0)4] Qп- 2 δ(1.3)Согласно авторам [54], при снижении скоростей охлаждения до 5 oC/c (надополагать, это справедливо и при более низких скоростях охлаждения) достижениенорматива ОАО «Газпром» (70 Дж/см2 при минус 40 oC [62]) не реально.
Рекомендацииавторов [54] сводятся к повышению скорости охлаждения ω8/5 до 20 oC/c путемприменения гибридной технологии (лазер + дуга). На преимущества этой технологии нахладостойких высокопрочных сталях типа 07Г2НДМФБТ указывают и авторы работы[81], так как по их данным при электродуговом процессе с Qп=5,73кДж/мм нормативГазпрома на образцах с надрезом по зоне сплавления недостижим даже при минус 20 oC.И только уменьшение погонной энергии в полтора раза до 4,5кДж/мм снижаеттемпературу вязко-хрупкого перехода до минус 35oC и практически на пределе беззапаса по работе удара обеспечивает нормативные требования при минус40oC.Причины такого снижения вязкости в работе [81] объяснятся (со ссылкой наисследования [57], выполненные автором диссертации в составе творческогоколлектива) особенностями изменений структуры при повторных нагревах. Следуетотметить, что в литературе не обнаружено исследований преимуществ таких лучевых27технологий, как электронно-лучевые при изготовлении деталей из хладостойкихвысокопрочных сталях типа 07Г2НДМФБТ.Лучевые источники энергии (электронный луч, пучок лазерного излучения) впроизводственных технологиях уверенно занимают и расширяют свою нишу, в первуюочередь, в машиностроении в связи с наличием многих преимуществ по сравнению сэлектродуговыми [85-88].
Основной сдерживающий фактор развития этих технологий высокая стоимость оборудования, которая растет в степенной зависимости с ростоммощности. Электронно-лучевых установок высокой мощности в России можнопересчитать по пальцам, и все они, как правило, изготовлены были в прошлом веке.Однако динамика развития лазерной техники такова, что можно прогнозироватьпоявления лазеров мощностью 30 кВт и более (при снижении их стоимости) вмашиностроительных отраслях в ближайшее десятилетие.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
