uzluga.ru
добавить свой файл
1
В.Г. Дегтярь, А.А.Звонков, С.Т.Калашников,
Э.С.Горкунов, С.В.Смирнов

Исследование стабильности структуры и механических свойств материалов в обеспечение длительных сроков службы
высоконадежных конструкций


  1. Постановка задачи

Неотъемлемой частью работ по установлению, а затем и продлению назначенных сроков службы изделий является оценка прочности их конструкций. Для высоконадежных изделий, требующих исключения отказов по прочности, задача решается теоретико-экспериментальными методами. К числу важнейших вопросов задачи относятся определение соответствующих назначенному сроку и прогнозирование на продлеваемый период службы механических свойств материалов, а также конструкционной прочности этих материалов.

В качестве конструкционных материалов для изготовления изделий рассматриваемого класса применено большое количество различных высокопрочных и коррозионностойких металлических материалов. К ним относятся алюминиевые сплавы, стали, биметаллы и другие.

Диффузионные процессы, протекающие в металлах, в особенности имеющих неравновесную структуру, образующуюся при термической обработке и деформационном упрочнении, со временем могут привести к изменению структурного состояния и, следовательно, физико-механических свойств (значений механических характеристик, размеров деталей, коррозионных свойств). Поэтому для подтверждения назначенных сроков службы изделий и продления этих сроков проводился комплекс коррозионно-климатических и прочностных испытаний конструкций в целом и отдельных их элементов. После испытаний выполнялись металлографические исследования материала деталей, сварных соединений и определение механических характеристик с целью оценки стабильности структурного состояния и механических свойств.

  1. Алюминиево-магниевые сплавы АМг6

Основным конструкционным материалом корпусов изделий является алюминиево-магниевый сплав АМг6 в отожженном и нагартованном состояниях. Отжиг сплава АМг6 проводится для стабилизации структуры и повышения коррозионной стойкости. Стабильная структура обеспечивает сохранность физико-механических свойств материала корпусных деталей со временем.

Использование для изготовления корпусных деталей сплава АМг6 в нагартованном (упрочненном) состоянии приводит к повышению эффективности конструкций. В процессе нагартовки происходит увеличение количества дефектов кристаллической решетки, вследствие чего увеличивается сопротивление скольжению при деформации металла. После упрочнения нагартовкой сплав находится в неравновесном состоянии, термодинамически нестабилен, поэтому в нем самопроизвольно проходят процессы возврата (уже при комнатной температуре), изменяющие структуру в сторону более равновесного состояния. Изменения структуры приводят к снижению временного сопротивления и условного предела текучести сплава. Следовательно, при хранении и эксплуатации прочность конструкций, содержащих узлы из нагартованного сплава АМг6, снижается.

Исследования корпусных деталей из нагартованного сплава АМг6 в исходном состоянии и после длительной эксплуатации видимых изменений в структуре металла не выявили (рисунок 1).

Для оценки прочности корпусных деталей из нагартованного сплава АМг6 выполнены исследования механических свойств после различных сроков эксплуатации за многолетний период. Кроме того, совместно с ИМаш УрО РАН и ЮУрГУ проведены исследования моделей изменения физико-механических характеристик от температурно-временных воздействий [1-3].


а) б)

Рисунок 1 - Структура корпусных деталей из нагартованного сплава АМг6 в исходном состоянии (а) и после длительной эксплуатации (б)


Уравнение скорости возврата условного предела текучести при абсолютной температуре Т согласно теории Кульмана-Коттрелла-Эйтекина имеет вид:

,

где - исходное (после упрочнения) значение условного предела текучести, - энергия активации, R – универсальная газовая постоянная,
λ, β – константы.

Недостатком этого уравнения является то, что невозможно разделить его параметры и определить их значения по опытным данным о релаксации напряжений в процессе возврата. В результате совместной работы с
ЮУрГУ [3] выведено кинетическое уравнение, свободное от указанного недостатка:

,

где параметры модели a, b зависят от температуры и интервалов изменения
( ) и определяются по опытным данным о релаксации напряжений в процессе возврата.

В соответствии с последней моделью свойства и структура материала были исследованы в исходном состоянии, а затем после ряда вариантов провоцирующего термомеханического воздействия. Для сплава АМг6 со степенью упрочнения 40 % значения параметров модели возврата приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Значения параметров модели возврата с выдержкой образцов при комнатной и повышенных температурах

T, 0С

a105

b

20

0,8110-16

2,8

100

0,16

2,8

130

1,82

2,8

Затем методом температурно-временной аналогии были сделаны оценки времени достижения 0,1% отклонения напряжения 0,2 от значения 0 при комнатной температуре. Прогнозируемое уменьшение условного предела текучести 0,2 сплава АМг6 за счет возврата при предельных сроках эксплуатации составило не более 0,3%.

В итоге получена зависимость условного предела текучести сплава АМг6 в нагартованном состоянии от времени возврата:

0,2(τ) = 0 + 14,32 – 7,54 ln τ, (1)

где 0,2(τ) – условный предел текучести после возврата, МПа; τ – длительность возврата, час; 0 - условный предел текучести в исходном упрочненном состоянии, МПа.

Исходный предел текучести 0 определяли на основе массива экспериментальных данных для двух серий образцов с разной степенью упрочнения (30% и 40%), вырезанных из изделий. Эти серии условно обозначили А и Б. Согласно уравнению (1), проведен прогноз на 20 лет вылеживания при постоянной комнатной температуре в форме двух прямых, ограничивающих полосу разброса. Результаты прогноза изменения предела текучести представлены в таблице 2 и на рисунке 2.

Таблица 2 - Прогнозируемые значения предела текучести сплава АМг6
в процессе длительной выдержки при комнатной температуре (220С)
в изотермических условиях

Длительность возврата, лет

Условный предел текучести, МПа

Степень упрочнения 30%

Степень упрочнения 40%

Минимум

Максимум

Минимум

Максимум

0

381,5

391,6

390,9

403,7

0,1

344,7

354,8

354,1

366,9

1

327,4

337,5

336,8

349,6

2

322,1

332,2

331,5

344,3

3

319,1

329,2

328,5

341,3

4

316,9

327,0

326,3

339,1

5

315,2

325,3

324,6

337,4

6

313,9

324,0

323,3

336,1

7

312,7

322,8

322,1

334,9

8

311,7

321,8

321,1

333,9

9

310,8

320,9

320,2

333,0

10

310,0

320,1

319,4

332,2

12

308,6

318,7

318,0

330,8

15

306,9

317,0

316,3

329,1

18

305,6

315,7

315,0

327,8

20

304,8

314,9

314,2

327,0




Условный предел текучести, МПа



Рисунок 2 - Результаты прогноза предела текучести сплава АМг6
при длительной выдержке в изотермических условиях в сравнении с экспериментальными данными для образцов А() и Б()


Установлена также линейная зависимость между временным сопротивлением разрыву и условным пределом текучести, позволяющая делать прогноз для временного сопротивления разрыву:

в = 0,7540,2 + 167,2. (2)

Использование зависимостей (1), (2) дает возможность определить период эксплуатации изделий из нагартованного сплава АМг6 с допустимыми значениями характеристик временного сопротивления разрыву и условного предела текучести.

  1. Стали

Кроме того, для изготовления силовых деталей конструкций изделий применены:

-высокопрочные коррозионностойкие стали марок 09Х16Н4Б, 03Х11Н10М2Т-ВД, 25Х12Н2В2М2Ф, 20Х13, 95Х18Ш, 10Х17Н8М2-ВД, термообработанные на категории прочности от 1000 МПа до 1800 МПа;

- коррозионностойкие, высокотехнологичные, не требующие термообработки после сварки стали 12Х18Н10Т, 12Х21Н5Т, 15Х18Н12С4ТЮ, 03Х11Н8М2Ф-ВД.

Разработка конструкционных сталей проводилась одновременно с проектированием изделий, изготовлением и испытаниями экспериментальных сборочных единиц. С целью повышения качества металла и получения свойств, сочетающих высокие прочностные характеристики с удовлетворительной пластичностью, проводилась оптимизация марочного состава высокопрочных сталей. Режимы упрочняющей термообработки выбирались с целью достижения высокой конструкционной прочности материала и обеспечения стойкости к коррозионным повреждениям при эксплуатации в агрессивных средах.
С этой же целью было улучшено качество внутренней поверхности высокопрочных труб из стали 03Х11Н10М2Т-ВД.

Работы проводились совместно с отраслевыми институтами при участии ЦЗЛ металлургических заводов.

Структурное состояние коррозионностойких сталей мартенситного и мартенситностареющего класса (09Х16Н4Б, 03Х11Н10М2Т-ВД) изучалось на материале разрывных шпилек, примененных в конструкции в термообработанном состоянии с заданными значениями усилий разрушения. Технология изготовления обеспечивает получение усилий разрушения
в узком интервале, например, для шпилек из стали 09Х16Н4Б усилие
разрыва равно 1600 ± 100 кгс, а для шпилек из стали 03Х11Н10М2Т-ВД оно
равно 9100 ± 100 кгс. После длительной эксплуатации значения прочностных характеристик деталей сохранились, характер разрушения шпилек, строение изломов не отличаются от исходных.

Структурное состояние материала деталей, изготовленных из стали 03Х11Н8М2Ф-ВД мартенситного класса и стали 10Х17Н8М2-ВД со структурой мартенсита деформации, полученной деформированием материала со структурой аустенита в жидком азоте, изучалось на материале нагруженных силовых деталей, эксплуатируемых в агрессивной среде. Изменения микроструктуры материала деталей и коррозионные повреждения в процессе эксплуатации не наблюдались. Характеристики механических свойств материала деталей, микротвердость соответствовали исходным значениям.

  1. Биметаллические материалы

Применением биметаллических переходников удалось решить проблему прочно-плотного соединения деталей из алюминиевых сплавов с деталями из коррозионностойких сталей. Была разработана технология изготовления биметаллических листов и плит композиции, включающей сталь 12Х18Н10Т и сплав АМг6, различного сортамента по толщине, габаритам и соотношению толщин слоев, созданы различные типы конструкций переходников, представляющие собой платы, кольца, телескопические детали, изготавливаемые штамповкой вытяжкой из листов.

Методы контроля прочности и сплошности сцепления слоев биметалла в исходных листах и плитах, а также вакуумной герметичности биметаллических деталей, изготовленных из них, позволили исключить допуск деталей с микронесплошностями по зонам сцепления компонентов биметалла в сборочные единицы. При эксплуатации изделий неисправности по биметаллическим переходникам не наблюдались. Однако после длительного перерыва в изготовлении биметаллических переходников методом многопереходной штамповки, был отмечен повышенный процент брака. Основная причина брака – недостаточная пластичность отдельных партий стали 12Х18Н10Т. Поэтому были проведены работы по повышению пластичности стального компонента биметалла за счет доработки химического состава в части ограничения содержания марганца и никеля и введения вакуумно-дугового переплава и вакуумно-индукционной выплавки. Сталь 12Х18Н10Т заменена на сталь 12Х18Н10Тселект. Для штампованных биметаллических переходников применили сталь 03Х18Н10Т-ИД (вакуумно-индукционная выплавка с последующим вакуумно-дуговым переплавом).

К биметаллическим переходникам сталь 12Х18Н10Т
(03Х18Н10Т-ИД) – сплав АМг6 предъявляются жесткие требования по вакуумной плотности (герметичности) и прочности сцепления компонентов биметалла (прочность на отрыв и срез слоев), которые обеспечиваются разработанной технологией изготовления полуфабрикатов и деталей. Отработаны температурно-деформационные режимы при изготовлении металлических листов и плит, исключающие образование по зонам сцепления хрупких интерметаллидных соединений типа FeAl3, Fe2Al5.

Металлографические исследования материала биметаллических деталей в виде плат, вваренных в корпуса изделий, и штампованных телескопических переходников пневмогидроарматуры изделий показали, что в зонах сцепления заметного образования интерметаллидных соединений, влияющих на прочность и герметичность деталей при эксплуатации, не происходит. Микротвердость компонентов биметалла и значения характеристик прочности сцепления слоев находятся в интервале, полученном в исходных листах, плитах и штампованных деталях.

  1. Неразрушающий контроль

Объективная оценка деградации механических свойств требует создания методик и аппаратуры неразрушающего контроля конструкций в условиях эксплуатации и образцов материалов в условиях провоцирующих температурно-временных воздействий. Такая задача была поставлена перед ИМаш УрО РАН. В результате проведения многолетних совместных исследований ИМаш УрО РАН созданы портативные автоматизированные испытательно-вычислительные комплексы (ИВК) неразрушающего контроля методом кинетического индентирования. Одна из последних модификаций ИВК «Индентор» с максимальным усилием нагружения 250 Н изображена на рисунке 3.




Рисунок 3 - ИВК «Индентор»

1 – электронно-вычислительный блок, 2 – зонд-преобразователь
с пневматическим креплением к поверхности объекта контроля

Прибор позволяет осуществлять программируемое вдавливание алмазных инденторов разной формы, запись диаграмм нагружения, обработку результатов испытаний для получения значений прочностных свойств и функции сопротивления деформации.


Для определения сдвиговой прочности сцепления коррозионностойкой стали и алюминиевого сплава с промежуточным плакирующим слоем в биметаллических соединениях была разработана оригинальная методика, основанная на анализе процесса вдавливания индентора в мягкий плакирующий слой. На рисунке 4 показана топография сдвига на границе соединения слоев биметалла.



Рисунок 4 - Топография сдвига на границе соединения слоев биметалла

В отличие от традиционных, эта методика позволяет изучать малогабаритные объекты, из которых невозможно вырезать образцы для традиционных испытаний. В настоящее время решается задача создания теоретической модели поврежденности таких соединений при упруго-пластическом воздействии.

  1. Конструкционная прочность

Существенно, что конструкционная прочность материалов, под которой понимаются свойства материала в изготовленной в некоторых производственно-технологических условиях конструкции, характеризующие его способность работать при действии определенного комплекса нагрузок и воздействий, не полностью определяется стандартными физико-механическими характеристиками и теми или иными теориями прочности. Для выявления и учета факторов длительной эксплуатации, влияющих на конструкционную прочность, были проведены вибрационные, ударные и статические испытания конструкций, прошедших длительную эксплуатацию. При испытаниях ставилась также, насколько это возможно, цель прямой проверки прочности для условий, отвечающих продлению срока службы изделий.

Расчетный анализ результатов проведенных исследований показал возможность увеличения срока службы, что затем было подтверждено безотказной эксплуатацией и хранением конструкций.

Выводы

  1. Проведенные в обеспечение длительных сроков службы высоконадежных конструкций теоретико-экспериментальные исследования показали в основном высокую стабильность структуры и механических свойств примененных металлических материалов.

  2. Для нагартованного алюминиево-магниевого сплава АМг6, отличающегося нестабильностью механических свойств, получены зависимости, позволяющие прогнозировать изменение прочностных характеристик на длительный период хранения и эксплуатации.

  3. Испытания и расчеты конструкций на прочность, а затем их безотказная служба в течение продленных сроков подтвердили результаты материаловедческих исследований.



Литература


1. Мирзаев Д.А., Корягин Ю.Д., Добрынина Я.С., Звонков А.А. Изучение и моделирование возврата в сплаве АМг6 с целью прогнозирования ресурса эксплуатации деталей авиакосмической техники // Физика металлов и металловедение, 2004, том 98, №2, с. 11-18.

2. Научно-технический отчет. Проведение исследований изменения свойств деформационно-упрочненного сплава АМг6, сталей и биметаллических переходников для подтверждения методик и прогноза деградации механических свойств при длительных сроках эксплуатации и хранения / ФГБОУ ВПО ЮУрГУ, 2009.

3. Научно-технический отчет. Разработка моделей изменения физико-механических характеристик металлических материалов элементов конструкций от воздействия температурно-временных параметров при предельных сроках эксплуатации / ФГБОУ ВПО ЮУрГУ, 2011.