Лабораторная работа №4 Релаксация напряжений при высоких температурах

4.1. Задачи работы

В процессе выполнения лабораторной работы изучить методы регулирования остаточных сварочных напряжений и деформаций, оценить эффективность термической для снятия остаточных напряжений.

4.2. Теоретическая часть

Наиболее распространенным методом снижения остаточных напряжений является высокий отпуск. Основное его преимущество заключается в том, что снятие напряжений происходит во всей сварной конструкции, независимо от сложности ее формы.

Степень снятия напряжений при отпуске может достигнуть 85-90% от исходного уровня. Высокий отпуск – практически единственный способ, когда одновременно с напряжениями первого рода снимается наклеп и напряжения второго и третьего родов.

Высокий отпуск по объему применения в машиностроении далеко превосходит все остальные способы борьбы с остаточными напряжениями, вместе взятые.

Высокий отпуск изделий из конструкционных сталей при температуре 600-800 °С предназначен в основном для устранения возможной деформации в процессе механической обработки и эксплуатации конструкции, а также для повышения сопротивляемости их хрупким разрушениям.

Повышение сопротивляемости сварных конструкций хрупким разрушениям в процессе высокого отпуска достигается в основном по двум причинам. Во-первых, восстанавливается пластичность металла в местах, где в значительной степени произошли подкалка, пластические деформации, старение, и были подготовлены условия для начала разрушения. После высокого отпуска для начала разрушения металл должен вновь претерпеть значительную пластическую деформацию, которую одними эксплуатационными нагрузками даже при наличии концентраторов вызвать в пластичном металле довольно трудно. Во-вторых, снижаются остаточные напряжения и запас накопленной потенциальной энергии, что приводит к устранению факторов, способствующих началу и распространению хрупких разрушений.

Восстановление пластичности металла при высоком отпуске происходит сравнительно быстро. Например, на образцах с надрезами из стали 3 прочность и пластичность восстанавливаются после полуторачасовой выдержки при температуре отпуска 800 °С.

Важным является вопрос о допустимом уровне остаточных напряжений после отпуска сварных конструкций. Если не касаться влияния остаточных напряжений на прочность при переменных нагрузках, то можно дать следующие рекомендации.

Так как в большинстве машиностроительных конструкций напряжения от рабочих нагрузок не превышают 2/3 σ_T, то остаточные напряжения могут составлять примерно 1/3 σ_T, если ставится условие отсутствия пластических деформаций в детали при ее нагружении.

Действительно, остаточные и рабочие напряжения составят в сумме величину, меньшую σ_T, и никаких пластических деформаций не произойдет.

При нормальном припуске на механическую обработку деформации от нее невелики и укладывается в допуски на точность, если даже обработку вести по металлу, в котором остаточные напряжения близки к σ_T. Это, разумеется, не относится к гибким и протяженным конструкциям.

Поэтому для большинства машиностроительных конструкций из тех, которые подвергаются отпуску и должны отвечать обычным требованиям по точности и жесткости, можно ставить условие, чтобы остаточные напряжения не превышали 0,3 σ_T.

Хрупкие разрушения при низких температурах в большинстве случаев начинаются от концентраторов и являются следствием не столько остаточных напряжений, сколько следствием пластических деформаций в надрезе и свойств металла, изменившихся под влиянием сварки. Путем восстановления пластичности при отпуске значительно повышают сопротивляемость хрупким разрушениям. Если, однако, предположить, что разрушение может начаться по каким-либо причинам, то возможность его распространения будет зависеть главным образом от уровня рабочих, а не остаточных напряжений. Известные в литературе данные о хрупких разрушениях связаны с напряжениями большими, чем 0,25 - 0,3 σ_T. Можно ориентироваться на уровень остаточных разрушающих напряжений по пробе Робертсона, который до Т > - 60 °С не превышает 0,15 - 0,25 σ_T.

Термический цикл отпуска состоит из четырех стадий: нагрева, выравнивания температур по сечению и по длине детали, выдержки и охлаждения.

На практике в большинстве случаев продолжительность периода выдержки, так же как и периодов нагрева и выравнивания температуры, назначают пропорционально сечению детали, то есть без учета тех физических процессов, которые на самом деле определяют необходимую продолжительность выдержки при отпуске.

Отпуск является процессом изменения собственных напряжений, протекающим в соответствии с законами теории ползучести. Это означает, что к нему могут быть применены известные положения теории ползучести с учетом тех особенностей, которые присущи отпуску. Основная особенность процесса изменения напряжений при отпуске заключается в том, что отпуск на первой стадии протекает при переменной температуре, в то время как гипотезы ползучести в основном занимаются явлениями, происходящими при постоянной температуре. Вторая особенность состоит в том, что изменение напряжений при отпуске весьма близко к процессу простой релаксации. Под простой релаксацией понимается самопроизвольное изменение напряжений при постоянных полных деформациях:

,

где  - полные деформации;

   - упругая составляющая полной деформации;

    - пластическая деформация;

    - напряжения, которые снижаются при отпуске.

 

Работами Винокурова В.А. было показано, что изучение и расчет релаксации напряжений при отпуске возможно и целесообразно проводить не по кривым ползучести, а по кривым простой релаксации. На рисунке 5.1 показаны релаксационные кривые для стали 30.

Процесс релаксации напряжении при отпуске можно формально представить как два одновременно протекающих процесса:

а) изменение напряжений при постоянных полных деформациях, то есть - процесса простой релаксации;

б) перераспределение напряжений, вызванное нарушением постоянства деформаций.

Особенностью релаксации напряжений при отпуске является то, что влияние второго процесса, как правило, мало и напряжение изменяется в основном за счет простой релаксации.

Таким образом, снижение остаточных напряжений во время отпуска можно определять, используя кривые простой релаксации. Определение релаксации напряжений для различных случаев позволило установить следующие закономерности:

а) характер снижения остаточных напряжений во времени зависит от схемы напряженного состояния. Схема напряженного состояния оказывает влияние лишь на величину остаточных напряжений после релаксации. Это означает, что замедление снижения напряжений, обнаруживаемое на кривых простой релаксации, совпадает по времени с замедлением процесса снижения напряжений во всей сварной конструкции. После стабилизации напряжений дальнейшая выдержка сварных конструкций в печи, как правило, теряет смысл, так как к этому времени пластичность уже восстановлена, а снижение напряжений происходит чрезвычайно медленно;

б) в массивных конструкциях, например, с электрошлаковыми соединениями толщиной более 250 мм, где имеют место трехосные растягивающие остаточные напряжения, снижение этих напряжений происходит по характеру так же, как и одноосных, однако величина максимальных объемных напряжений остается: в 2 - 2,5 раза выше, чем соответствующих одноосных или двухосных напряжений;

в) для каждой скорости роста температуры в процессе нагрева не обязательно определять кривые простой релаксации. Уровень напряжений к моменту достижения постоянной (максимальной) температуры отпуска меньше в случае малых скоростей нагрева по сравнению с большими скоростями или оказывается тем же самым;

г) толщина металла или размер сечения детали сами по себе не влияют на необходимую продолжительность выдержки при отпуске. Характер снижения остаточных напряжений во времени зависит от релаксационных свойств металла, а уровень их после отпуска - от схемы напряженного состояния. В теплоустойчивых сталях напряжения снижаются медленнее, а уровень их после одинакового режима отпуска выше, чем у сталей, менее теплостойких;

д) в зависимости от сечения детали или толщины металла назначают, продолжительность нагрева и выравнивания температуры по сечению детали. Продолжительность же выдержки следует назначать по релаксационным кривым конкретного металла в зависимости от необходимой степени снижения остаточных напряжений. Ввиду того, что продолжительность выдержки для массивных конструкций, с различными сечениями оказывается одинаковой, предоставляется возможность, назначаемую обычно в зависимости от толщины металла продолжительность выдержки в печи уменьшить. Этим самым можно получить ощутимую экономию стоимости производства толстостенных сварных конструкций.

Таким образом, установившееся правило назначать массивным деталям выдержку при отпуске пропорционально толщине (например, 1 час на 25 мм) необоснованно. Продолжительность выдержки может меняться в зависимости от марки стали и предыдущей термической обработки, которая влияет на релаксационные свойства металла.

Так как снятие напряжений при высоком отпуске происходит как в области растягивающих, так и в области сжимающих напряжений, то отпуск практически не устраняет коробление сварной конструкции, а в ряде случаев в зависимости от геометрии изделия коробление может возрасти. В некоторых случаях, когда другие способы устранения деформаций являются неэффективными, применяют отпуск в зажимных приспособлениях, с помощью которых конструкции придают требуемую форму. Поскольку требуемая форма придается путем упругого деформирования, то в конструкции возникают дополнительные напряжения, которые также релаксируют при отпуске. Таким образом, после отпуска в конструкции исчезает силовой фактор, способный деформировать конструкцию.

4.3. Оборудование, материалы и оснастка

o Оборудование. Печь лабораторная.

o Оснастка. Термофиксирующая и мерительная оснастка.

o Инструмент. Индикаторная головка часового типа, штангенциркуль, инструмент слесарный, спецодежда.

o Расходные материалы. Две шпильки из малоугледодистой стали длиной 100, диаметром 5 на цикл лабораторных работ.

4.4. Порядок выполнения работы

Вставить стержень 2 (рисунок 5.2) в рамку 3 и навинтить гайки 1,4 без натяга.

Зафиксировать в приспособлении (рисунок 5.3) исходную относительную длину стержня 2, сняв наименьшее показание индикатора при вращении стержня вокруг своей оси. Отметить верхний конец стержня.

Подсчитать величину деформации стержня, соответствующую σ = 210 МПа. Материал стержня Ст.З.

Натяжением гаек 1,4 вызвать в стержне 2напряжение, равное σ = 210 МПа. Величину напряжений контролировать по мере натяжения, измеряя стержень в мерительном приспособлении.

Замерить в четырех углах величину выхода на плоскости 2-х свободно лежащих сварных пластин.

Зажать в зажимном приспособлении одну пластину.

Загрузить в печь следующие образцы: пластину в зажимном приспособлении 3,пластину в свободном состоянии 1 и стержень в рамке 4 (рисунок 5.4).

После достижения в печи Т = 800 °С выдержать образцы в течение 1 часа.

Выключить печь и выгрузить все образцы на металлический стол. Выдержать до полного остывания.

Не вынимая стержень из рамки, замерить его в мерительном приспособлении.

Отпустить гайки и измерить стержень вторично.

По деформации стержня определить величину напряжений, релаксировавших в результате отпуска.

Вынуть пластину из приспособления, вторично замерить выход из плоскости свободной пластины и пластаны, нагреваемой в приспособлении.

Рис. 10 – Релаксационные кривые стали 30 во время отпуска.

Рис. 11 – Рамка 3 со стержнем 2/ 1, 4 – гайки, 2 – стержень, 3 рама	Рис. 12 – Приспособление для замера деформаций: 1 – индикаторная головка, 2 – стойка, 3 – подставка, 4 – фиксатор

4.5. Требования к отчету

Отчет по лабораторной работе должен включать цель работы, краткие теоретические сведения, расчетную часть и выводы.

Расчетная часть отчета по лабораторной работе должна содержать описание проведенного эксперимента с расчетом величины напряжений, созданных в шпильках при затяжке, и величины напряжений в шпильках после высокого отпуска.

Выводы по лабораторной работе должны содержать заключение об эффективности высокого отпуска как средства борьбы с остаточными напряжениями.

Контрольные вопросы

1. Поясните физический смысл процесса релаксации напряжений.

2. Как релаксация напряжений может повлиять на работоспособность конструкций?

3. Как изменяются механические характеристики стали с повышением температуры

Список литературы

 

1. ПБ 10-573-03. Правила устройства и безопасной эксплуатации трубопроводов пара и горячей воды.

2. РД 153-34.1-003-01. Сварка, термообработка и контроль трубных систем котлов и трубопроводов.

3. ГОСТ 6996. Сварные соединения. Методы определения механических свойств.