Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ эксплуатационных факторов определяющих работоспособность котельных труб 13
1.1. Влияние структурных термических превращений на эксплуатационные свойства котельных сталей 13
1.2. Прогнозирование работы труб в процессе длительной эксплуатации
1.3. Обоснование метода рентгенодиагностики 34
1.4. Цель и задачи исследования 37
Глава 2. Методические положения исследования структуры стенки трубы 39
2.1. Методика термических испытаний 39
2.2 Теоретические основы определения мгновенного коэффициента линейных термических расширений 46
2.3. Методика механических испытаний 49
2.4 Установление структурно-напряженного состояния образцов стали. Теоретические основы метода 54
2.4. Теоретическая оценка длины трещины 55
Глава 3. Экспериментальные результаты механоциклических и термических испытаний образцов трубной стали ДИ-82-Ш 56
3.1. Оценка погрешности определения периода кристаллической решетки методом наименьших квадратов для механических испытаний 56
3.2. Экспериментальные результаты механоциклических испытаний
3.3. Экспериментальные результаты измерений параметра элементарной ячейки в зависимости от температуры стали Ди-82-Ш 75
3.4. Оценка погрешности определения периода кристаллической решетки методом наименьших квадратов для температурных испытаний 81
3.5. Экспериментальные результаты измерения термических линейных расширений кристаллических решеток энергетической трубной стали Ди-82-ІІІ 86
3.6. Экспериментальные результаты измерений средних внутренних микронапряжений II рода Сц альфа-фазы 89
3.7. Экспериментальные результаты измерений внутренних зональных макронапряжений I рода af альфа-фазы 93
3.8. Аустенизация стали Ди-82-Ш 96
Глава 4. Анализ экпериментальных результатов 97
4.1. Анализ механических испытаний 97
4.2. Анализ изменений коэффициентов линейных термических расширений кристаллических решеток трубной стали Ди-82-Ш 99
4.3. Анализ внутриструктурные напряжения I рода и II рода альфа-фазы энергетической трубной стали Ди-82-Ш 103
4.4. Сравнение экспериментальных результатов по стали Ди-82-Ш с подобными исследованиями стали 12Х1МФ 107
Заключение 112
Литература 114
Приложение 1 121
Приложение 2 136
Приложение 3 157
Приложение 4 172
- Прогнозирование работы труб в процессе длительной эксплуатации
- Теоретические основы определения мгновенного коэффициента линейных термических расширений
- Экспериментальные результаты механоциклических испытаний
- Анализ изменений коэффициентов линейных термических расширений кристаллических решеток трубной стали Ди-82-Ш
Введение к работе
Состояние и перспективы развития энергетики любой страны непосредственно связаны с общим развитием ее экономики. Последствия экономического кризиса в России 90-х годов применительно к отечественному топливно-энергетическому комплексу подтверждают это еще раз: здесь кризис сопровождался существенным спадом производства и потребления электрической и тепловой энергии, деградацией основных производственных и прекращением строительства новых и даже модернизации существующих электростанций. Сказанное подтверждается основными показателями развития электроэнергетики России, приведенными в табл. 1, и свидетельствующими о том, что после 90-х годов энергетическая отрасль России практически не развивалась, а потребности в электрической и тепловой энергии обеспечивались благодаря эксплуатации того оборудования, которое было разработано и установлено еще в 60 - 80-е годы. При этом осуществлялся демонтаж полностью изношенного оборудования, а темпы ввода новых энергетических мощностей (в объеме всего 0,6 ... 1,0 млн кВт/год) лишь компенсировали вывод из эксплуатации демонтируемой техники [1].
В настоящее время нет каких-либо четких ориентиров для построения будущей энергетической стратегии. Более того, судя по прогнозам уже нескольких появившихся вариантов проектов энергетической стратегии России на период до 2020 г., эти темпы меняются в зависимости от даты разработки. Так, в оценках 2000 г. в период 2001 - 2005 гг. прогнозировался общий рост производства электроэнергии на 10,5 ... 16,2 % по сравнению с 2000 г. Однако уже в 2002г., когда стало ясно, что уровень фактического производства электроэнергии ниже этих оценок (сделанных два года назад), прогнозы были заметно изменены в меньшую сторону и составили всего 5,7 ... 6,8 % [1].
Таблица Основные показатели развития электроэнергетики России [1] Показатель 1990 г. 1995 г. I 2000 г. млрд млрд Потребление электроэнергии, кВт-ч В том числе промышленностью Производство электроэнергии, кВтч В том числе тэс АЭС ГЭС Установленная мощность, млн кВт-ч В том числе ТЭС АЭС 1073,8 553,7 1082,1 797 118,3 166,8 213,3 149,7 20,2 840,4 381,7 860 583,4 99,3 177,3 215 149,7 21,3 863,71 396,04 877,8 583,4 129 165,4 212,8 147,2 21,3
С каждым годом идет нарастание объема генерирующих мощностей, выработавших свой расчетный ресурс в 100000 часов, в результате чего появляется необходимость продления срока их эксплуатации и перехода на так называемый парковый ресурс, значительно превышающий расчетный. При этом уже и парковый ресурс в 2000 г. оказался выработанным у 37 тыс. МВт (17,6 % общей установленной мощности), в том числе на тепловых электростанциях - 14,9 МВт (7 %). К 2015 г. по данным РАО "ЕЭС России", свой парковый ресурс выработает оборудование мощностью 112 млн кВт (из них 85,3 млн кВт на тепловых электростанциях). В виду сложившейся ситуации, намечаются следующие пути решения:
по атомным электростанциям: предусматривается осуществление мероприятий, направленных на продление срока их эксплуатации на 10 лет сверх расчетного срока;
по тепловым электростанциям: кроме вывода мощностей из эксплуатации по мере выработки их паркового ресурса предлагается:
• снижать мощность установок после продления на 10 лет срока эксплуатации электростанций, достигающих паркового ресурса в период до 2005 г.;
• модернизировать оборудование электростанций, достигающее паркового ресурса в период до 2005 г., и продлить срок их службы на 10 лет [1].
Данные по состоянию энергооборудования представлены в таблице 2.
Таблица 2 Возрастная структура Российского энергооборудования [2]
Возраст энергоустановки, лет Суммарная мощность, % Количество установок, % 0 ... 10 8,4 10,0 10...20 24,6 15,3 20...30 33,0 23,7 30...40 25,2 25,7 Более 40 8,8 25,3 Итого 100 100
При этом необходимо иметь в виду, что трубы и паропроводы, в том числе и поврежденные, выглядят внешне вполне благополучными, поскольку ряд весьма существенных факторов остается за пределами рассмотрения при проектировании и в процессе эксплуатации. К таким факторам можно отнести недооценку роли напряженно-деформированного состояния металла и внутренних структурных напряжений.
Кроме того, не разработаны методики, по которым можно было бы оценить прочность высоко- и низкотемпературных паропроводов, связанных совместными температурными расширениями. Также отсутствуют предпосылки для выполнения корректных прочностных расчетов высокотемпературных паропроводов.
Таким образом, проблема дальнейшего обоснованного продления срока эксплуатации паропроводов и других теплонапряженных элементов должна решаться путем совершенствования режимов эксплуатации с использованием полноценного контроля всех нагружающих факторов, совершенствования расчетных методов оценки напряженного состояния, а также анализа реальных особенностей эксплуатации на основе полноценной документации И.
Основную долю в изготовлении энергооборудования занимает сталь, что связано с рядом причин: малой стоимостью, наилучшими механическими свойствами и т.д. Стали и сплавы широко применяются в энергетике, в ответственных узлах и деталях, таких как барабаны, трубные пучки, коллекторы, паропроводы, трубопроводы, топочные экраны, пароперегреватели, экономайзеры, а также другие различные элементы. Все перечисленные элементы работают в условиях высоких температур, под знакопеременными термическими и механическими нагрузками в агрессивных средах.
С развитием промышленности требуется увеличение номинальной производительности электростанций. Для этого необходимо использовать более современные материалы с высокими ресурсными характеристиками, жаростойкие и жаропрочные. При этом планируется повышение параметров пара (температура, давление), в том числе до сверхкритических значений. Все это обязывает сталь, а в частности стальные трубы, отвечать более высоким требованиям, обеспечивающим надежную работу паропроводов, барабанов, пароперегревателей и других не менее важных элементов.
В настоящее время в условиях низкого капиталовложения в энергетику страны наиболее важным показателем является обеспечение длительного ресурса поверхностей нагрева при сохранении стабильных механических свойств. От надежности стали зависит надежность оборудования в целом и его безопасность в процессе эксплуатации. Наиболее частые отказы работы парогенераторов происходят из-за выхода из строя поверхностей нагрева.
Это проявляется не только из-за не соблюдения режима эксплуатации, но и в связи с коррозионными повреждениями, такими как межкристаллитная коррозия (МКК), коррозионное растрескивание под напряжением (КРН) с образованием магистральных трещин, ползучесть, графитизация.
Кроме этого выяснение причин внезапного разрушения металла (растрескивания), которое может происходить и в ненагруженном состоянии даже при комнатной температуре (25 °С), также является важной и актуальной задачей. В этой связи структура материалов котельных труб широко исследуется и ищется взаимосвязь между структурой и механическими свойствами, что открывает возможности прогнозирования свойств металлов и сплавов, разработки технологических процессов термической обработки металлов для достижения наилучших свойств металла.
В современной российской энергетике растет количество объектов, исчерпавших свой проектный ресурс работы [3]. Считается, что используемые стали, такие как 12Х18Н10Т, 12Х1МФ, 15ХМ и т.д., плохо зарекомендовали себя в процессе эксплуатации [4]. Эти стали обладают низкой прокаливаемостью по глубине, подвержены межкристаллитной и язвенно-питтинговой коррозии, графитизации, ползучести и внезапным хрупким разрушениям. Поэтому при техническом перевооружении отечественной энергетики предполагается эти стали заменить на более перспективные стали, такие как Ди-59 и Ди-82-Ш (10Х9МФБ-Ш), которые в настоящее время проходят массовые испытания на различных электростанциях России и стран СНГ (Запорожская, Беловская, Назаровская и т.д.) [3]. Помимо внедрения новых материалов также актуальна проблема продления срока службы уже эксплуатирующегося оборудования в связи с его прогрессирующим износом, а также проблема прогнозирования длительного и остаточного ресурса.
В этой связи чрезвычайно важной является задача по исследованию трубных элементов котлов с учетом факторов эксплуатационного термоциклического, а также механоциклического воздействия.
При длительной эксплуатации в условиях температурных воздействий на микроструктуру металла труб они упрочняются и утрачивают пластичность. В высоколегированных аустенитных сталях отмечается выделение карбидов, в нелегированных сталях происходит процесс графитизации, а в низколегированных сталях наблюдается распад перлита, сорбита или бейнита. Такое влияние на изменения микроструктуры сталей происходит в областях сварных соединений. При повышенных температурах и давлениях эксплуатация оборудования сопровождается ползучестью, вследствие чего в микроструктуре металла появляются микротрещины, которые впоследствии могут развиться в магистральные трещины. Эти процессы ухудшают прочностные свойства металла и могут привести к внезапным хрупким аварийным разрушениям. Исходя из вышеизложенного, дальнейшая эксплуатация энергооборудования возможна только при жесткой технической диагностике, непременной составляющей которой является контроль микроструктуры.
В настоящее время многие особенности разрушения до конца не выяснены, о чем свидетельствует большое количество аварий на магистральных трубопроводах, летательных аппаратах, резервуарах, стальных конструкциях и т.п. Известные на данный момент методики обследования труб энерготехнологического оборудования, не располагающие количественными показателями структурной прочности, не отличаются надежностью и достоверностью. Сегодня у конструкторов и производителей металлоизделий нет достаточной научной базы для оценки факторов, вызывающих разрушение, вследствие этого многие специалисты по разному определяют влияние того или иного фактора, вызывающего аварийную ситуацию [5]. Имеющиеся недостатки в определении текущего состояния металла энергооборудования дают, как следствие, ошибочные оценки остаточного ресурса. Применение известных методов диагностики и прогнозирования в решении проблемы надежности не привело к успеху, поэтому в Министерстве науки и технической политики Российской Федерации было проведено совещание, посвященное вопросу разрушения металлоконструкций и в очередной раз вопросы разрушения и предупреждения аварий были подняты А.П. Гуляевым. Он показал, что проблемы надежности не решены известными путями в России и за рубежом, и призвал научную общественность к поиску иных путей к решению этой проблемы [5].
Требования к надежности работы энергооборудования, к достоверности прогнозов по оценке текущего состояния и остаточного ресурса поверхностей нагрева вынуждают проводить дальнейшие исследования по выявлению влияния термических и механических факторов эксплуатационного воздействия на структуру и свойства трубных поверхностей нагрева с разработкой и применением иных техники и методики эксперимента, введение иных критериев оценки состояния материалов ответственных конструкций и узлов, одним из которых могут выступать внутренние структурные напряжения. Наличие таких критериев, анализ их функциональных зависимостей от условий эксплуатации отдельных элементов и узлов оборудования представляется оперативным методом повышения надежности тепломеханического оборудования в целом.
В этой связи целевым направлением настоящей работы является установление характера изменения структурно-напряженного состояния стенки котельной трубы, выполненной из новой, перспективной стали Ди-82-Ш (10Х9МФБ-Ш) под влиянием механических и термических циклических нагрузок для оценки ее работоспособности в пароперегревателях котлоагрегатов.
Прогнозирование работы труб в процессе длительной эксплуатации
В современных энергетических котлах основными элементами являются тонкостенные трубы. Повышение параметров пара увеличивает требования, предъявляемые к надежности труб.
Трубы пароперегревателя работают при температуре, близкой к предельной для выбранной марки стали. Поэтому, даже сравнительно небольшое повышение температуры металла вызывает значительное снижение величины допустимых напряжений. Так, например, повышение допустимой температуры металла всего на 10 С приводит к снижению допустимого напряжения для стали 12Х1МФ в 1,4 раза. При дальнейшем повышении температуры стенки трубы прочностные характеристики металла падают еще быстрее, поэтому расчет температурного режима для труб пароперегревателей нужно вести максимально точно.
Как уже отмечалось ранее, трубы пароперегревателей работают в тяжелых условиях, поэтому для их изготовления обычно используются бесшовные трубы. Такие трубы получают прокаткой.
Литую, катаную или кованую трубную заготовку прошивают в гильзу на стане косой прокатки. На рис. 1.1 показана схема прошивки гильзы (вид сверху). Круглая заготовка подается в промежуток между двумя валками, рабочая часть каждого из которых состоит из двух конусов, сложенных большими основаниями. Оси валков расположены в параллельных вертикальных плоскостях. В боковой проекции оси валков пересекаются под углом 10 ... 14. Оба конических валка вращаются в одном направлении. Заготовка 1 подается в суживающийся зазор между коническими валками и начинает ввинчиваться в него, так как оси валков расположены под углом (косо). Чтобы заготовка удерживалась в конических валках, она поддерживается снизу и сверху вспомогательными валками или линейками [40]. В суживающемся зазоре между валками заготовка скручивается, а ее осевая зона разрыхляется. В самом узком месте между валками в центре сечения заготовки образуется полость. Для придания полости правильной цилиндрической формы заданного диаметра и получения гладкой поверхности устанавливается оправка 2. Правильная форма и диаметр наружной поверхности гильзы обеспечивается цилиндрическими хвостовыми частями конических валков. Пройдя через косые валки, гильза повисает на оправке.
Короткая гильза, имеющая толстые стенки и неправильную цилиндрическую форму, прокатывается в трубу, при этом уменьшается толщина стенок, увеличивается длина, и гильзе придаются необходимая точная форма и размеры. Для раскатки гильзы применяются пилигримовые станы.
Значения механических свойств для сталей, используемых в котлостроении, приведены в справочниках. Эти нормативные данные получены при многочисленных испытаниях специально подготовленных образцов (отливок). Структура стальных отливок наиболее близка к идеальной - сплошной, однородной и изотропной. Это означает, что свойства стальных отливок должны быть практически одинаковы в любой точке отливки и в любом направлении.
Как известно, наблюдаются различия в структуре металла слитков и собственно труб. В процессе прошивки трубной заготовки последняя подвергается деформации, что приводит к появлению неоднородности структуры, возникновению наклепа, слоистости стенки трубы и внутренних напряжений. Поэтому возникают основания полагать, что стальные трубы отличаются по своим физическим свойствам и структуре от отливок из той же стали. Исчерпание проектного ресурса энергооборудования, износ труб, разрушение гибов, отсутствие четких критериев оценки состояния труб вызвали в последние годы появление ряда работ, где предлагаются различные параметры оценки повреждаемости. На связи долговечности с уровнем повреждаемости микропорами и на основании физических представлений о разрушении металла при повышенных температурах под напряжением разработан новый подход к проблемам прогнозирования. Как было установлено, процесс микроповреждаемости идет в течение всех этапов ползучести. В I - II стадии ползучести повреждаемость невысокая (отдельные микропоры размером до 0,5 мкм). В III стадии на границах зерен уже присутствуют микропоры размером 1 -f 3 мкм. По мере развития процесса ползучести по границам зерен увеличивается число единичных микропор, происходит образование цепочек микропор, а затем и их слияние в микротрещины. Объединение микротрещин по границам зерен приводит к образованию магистральных трещин и, как следствие, к разрушению труб [19].
Приняв к сведению факт порообразования как причины разрушения, были предложены методы оценки: электронная микроскопия (электронно-микроскопическое исследование металла на просвет), гидростатическое взвешивание, растровая световая микроскопия [19].
С помощью электронно-микроскопических исследований можно оценить степень разрушения стальных труб при ползучести. В проведенных исследованиях труб из стали 20 [19] было показано, что ее структура в исходном состоянии представляет собой феррит и пластинчатый перлит. Отдельные дислокации наблюдаются как в перлитных, так и в ферритных зернах. Концентрация их по длине труб различна и мала. При бездеформационном (хрупком) разрушении структура труб состоит из зернистого перлита и феррита, тогда как при деформации 15% структура состоит уже из карбидов и феррита. Дислокации в основном концентрируются по границам зерен, при этом могут наблюдаться дислокационные сетки. На определенную подвижность дислокаций указывает размытость границ. С помощью электронно-микроскопического метода исследования можно достаточно точно судить о процессах повреждения труб как при бездеформационном, так и при деформационном разрушениях. Наглядно процесс порообразования показан на фольгах, где видно, что в I стадии ползучести обнаруживаются отдельные поры, затем происходит их укрупнение. Далее на границах зерен образуются цепочки пор, в итоге они сливаются в трещины и происходит разрушение [19].
Оценку повреждаемости металла труб можно осуществлять по изменению плотности, так как в процессе ползучести увеличивается микропористость металла, а, следовательно, изменяется и его макроплотность. Плотность металла труб определяется обычно методом гидростатического взвешивания на воздухе и в тетрабромэтане [41]. В.И. Куманин с сотрудниками [41] показали на примере паропроводных труб из стали 12Х1МФ возможность оценки повреждаемости металла. Метод отрабатывался на большом количестве труб. При этом повреждаемость одновременно оценивалась двумя методами: по изменению плотности и микроструктурным анализом. В результате было установлено, плотность металла труб зависит от структуры (структура 3-го балла - 7,837г/см3, 7-го балла 7,828г/см3): - на первой стадии ползучести, в результате перераспределения легирующих элементов между твердым раствором и карбидами плотность металла возрастает; - на второй стадии происходит появление пор, в результате чего плотность металла несколько снижается; - на третьей стадии (разрушение) наблюдается резкое снижение плотности.
Для достоверности результатов в эксперименте [41] использовались трубы различного срока эксплуатации и после испытания на ползучесть, а также проводилось сравнение результатов измерений плотности и металлографического анализа. При определении степени повреждаемости от плотности выяснилось, что при большой степени поврежденности металла труб скорость ползучести в 2,5 раза выше, чем в неповрежденном. Проверка состояния труб на разных стадиях ползучести, проведенная с помощью металлографического анализа, подтвердила правомерность использования метода гидростатического взвешивания. Так, для труб, имеющих по металлографическому анализу концентрацию микропор 1500 пор/мм, повреждаемость по макроплотности составляет 0,72%; 700 пор/мм - 0,58%; 50 пор/мм2-0,2% [19].
Теоретические основы определения мгновенного коэффициента линейных термических расширений
Тепловой деформацией некоторой системы называют изменение ее формы и размера при изменении температуры. Большинство тел при нагревании расширяются, поэтому часто для обозначения этого процесса используют термин тепловое или термическое расширение. Термин этот уместен для обозначения той части тепловой деформации, которая связана с изменением размера системы [60].
Для понимания причин терморасширения кристаллов необходимо вспомнить характер сил кристаллообразования. Между атомами могут действовать гравитационные, магнитные и электрические силы. Первые ничтожно малы, вторые, хотя и больше, но практически редко ощутимы, третьи - электрические силы - связывают атомы в кристаллы. Связь эта осуществляется периферическими - валентными - электронами [60].
При значительном сближении атомов между ними начинают действовать силы отталкивания. Сумма энергий притяжения и отталкивания и определяет энергию взаимодействия между атомами (рис. 2.6). Ход кривой объясняют следующим образом. При больших межатомных расстояниях энергия взаимодействия между атомами равна нулю. По мере сближения атомов выделяется потенциальная энергия их взаимодействия. В результате суммарная энергия атомов уменьшается до некоторого минимума, после чего резко возрастает. Положение минимума кривой определяет равновесное состояние атомов, а глубина минимума равна энергии связи между атомами. Асимметричность кривой вполне естественна, поскольку плотность вещества конечна [60].
График потенциальной энергии взаимодействия атомов Интенсивность теплового расширения тел пропорциональна степени асимметричности кривой потенциальной энергии взаимодействия атомов. Вблизи абсолютного нуля кривая лишь незначительно отличается от симметричной, поэтому тепловое расширение тел здесь близко к нулевому. По мере повышения температуры увеличивается асимметричность кривой потенциальной энергии и растет интенсивность теплового расширения тела [60].
По характеру деформации кристаллы делят на изотропные и анизотропные. Если шар, вырезанный (реально или мысленно) из системы, при изменении температуры остается шаром, то расширение одинаково по всем направлениям, и система термически изотропна. Такими системами являются газы, жидкости, твердые аморфные тела, кубические кристаллы и агрегаты некубических кристаллов при их хаотическом расположении. Термическое расширение таких тел характеризуют одним параметром [60].
Если шар при изменении температуры меняет форму, следовательно, расширение не во всех направлениях одинаково и система термически анизотропна. Шар, вырезанный из тетрагональных или гексагональных кристаллов, деформируется в эллипсоид вращения с осью вращения вдоль оси с. Термическое расширение таких кристаллов характеризуется двумя параметрами [60].
Шар из низкосимметричного кристалла деформируется в трехосный эллипсоид. В ромбических кристаллах оси эллипсоида термического расширения совпадают с кристаллографическими осями. В моноклинных кристаллах ось эллипсоида совпадает с осью Ь, а две другие взаимно перпендикулярны и лежат в плоскости (010) под произвольным углом, который является четвертым параметром термического расширения. В структуре триклинных кристаллов оси эллипсоида расположены произвольно и меняют ориентировку при изменении температуры. Термическое расширение в них характеризуется шестью параметрами: тремя углами, определяющими ориентировку в структуре главных направлений расширения, и величиной расширения по ним.
Рентгенодиагностика проводилась на установке ДРОН-3 (рис.2.7.), в которой обычно используется монохроматическое излучение, источником которого является рентгеновская трубка. Питание трубки осуществляется от источника рентгеновского излучения ИРИС-6. Измерение углового положения дифракционных отражений осуществляется гониометрическим устройством ГУР-8, которое устанавливается на жесткой плите. На этой же плите расположен узел рентгеновской трубки с необходимыми юстировочными подвижками (рис. 2.8).
Дифрагированное излучение от исследуемого образца через систему щелей Соллера, аналитическую щель, находящуюся на фокусирующей окружности, и ограничивающую пучок в вертикальном направлении щель, попадает в детектор (рис. 2.8, поз. 7), в котором кванты рентгеновского излучения преобразуются в электрические импульсы. Импульсы поступают в устройство электронно-вычислительное унифицированное УЭВУ-М1-2, усиливаются и подаются в одноканальныи дискриминатор, который может ограничивать импульсы как по нижнему, так и по верхнему и нижнему уровням, т.е. пропускает лишь импульсы, соответствующие энергии квантов характеристического излучения.
После дискриминатора импульсы могут быть направлены в интенсиметр, где измеряется скорость счета, и в пересчетное устройство, в котором производится счет импульсов за выбранный промежуток времени (метод таймера) или считывается время, за которое набрано определенное количество импульсов (метод набора постоянного числа импульсов). В первом случае регистрация производится прямопоказывающим прибором интенсиметра и самописцем, во втором - световым табло пересчетного устройства, цифропечатающей машинкой и (или) перфоратором.
Защита от рентгеновского излучения представляет собой устройство, закрывающее собой тракт рентгеновского излучения (рентгеновскую трубку, гониометр, блок детектирования) со всех сторон (рис. 2.7.). Защита может подниматься, обеспечивая доступ к гониометру, при этом происходит автоматическое перекрывание рентгеновского пучка.
Вывод результатов измерения скорости счета осуществляется на прямопоказывающей прибор интенсиметра и самопишущий потенциометр КСП-4.
В блоке автоматического управления производится счет текущего угла по сигналам из гониометра ГУР-8. Информация о величине угла подается в электронно-вычислительное устройство УЭВУ-М1-2.
Блок автоматического управления предназначен для задания режимов работы, управления электронно-вычислительным устройством и гониометром. Блок автоматического управления работает в четырех режимах: запись диаграммы, регистрация по точкам, интегральный, измерение фона. Рис. 2.7. Общий вид экспериментальной установки ДРОН-3.0
Для проведения механических испытаний из трубы 017,2x3,1 мм вырезался кусок длиной 23,5 мм. Затем из этой части трубы выпиливалась четвертинка, после чего последнюю медленно стачивали напильником для создания плоскости с обеих сторон, так как по условиям рентгеносъемки требуется, чтобы образец имел плоскость, параллельную плоскости гониометра.
Экспериментальные результаты механоциклических испытаний
Для создания плосконапряженного состояния образец подвергался холодному циклическому деформированию с применением гидравлического пресса при фиксированном значении внешнего давления. После каждого цикла нагружения производилось рентгенографирование наружной и внутренней поверхностей исследуемого образца на рентгеновском аппарате ДРОН-3.0 (рис.2.7) с использованием медного излучения трубки. Так как на аппарате стоит монохроматор, то рентгенограмма имеет дифракционные линии только от одного излучения с длиной волны Хкр = 1,39217(А).
Для установления зависимости внутренних микронапряжений в исследуемых образцах от плотности дислокаций выбирались две рентгеновские аналитические линии с индексами Миллера (110) и (211).
Для вычисления расчетных значений написана прикладная программа для персонального компьютера на языке Pascal, которая представлена в приложении 2.
Методика обработки экспериментальных данных является эталонной. В качестве эталона дифракционной линии выбран порошковый, отожженный при 1250С оксид цинка (ZnO), дифракционные линии которого близки к экспериментальным аналитическим дифракционным линиям. Эталонный образец специально подбирался из разных материалов: Ni, Al, SiO, Zr02, Си, NiO. Самая узкая спектральная ЛИНИЯ была получена для оксида цинка, для которого также проводилась рентгеносъемка двух дифракционных линий в тех же режимах, что и для исследуемых образцов стали, Для эталона определялись значения b, b0,5, Ьк, Ьг, принятые за инструментальные уширения, по отношению к которым и определялось истинное физическое уширение анализируемых дифракционных линий Д - для линии (110) и Д -для линии (211).
Для вычисления истинного физического уширения дифракционных линий написана прикладная программа для персонального компьютера на языке Pascal, представленная в приложении 2.
Для вычисления размеров кристаллитов, внутренних напряжений и плотности дислокаций написана прикладная программа для персонального компьютера на языке Pascal, представленная в приложении 2.
Остаточными напряжениями называются напряжения, уравновешивающиеся внутри тела без приложения к нему внешних сил. Они существуют в теле и после удаления вызвавших их внешних причин. По мнению Н.Н. Давиденкова, следует различать три вида остаточных напряжений.
1. Напряжения первого рода или макронапряжения, уравновешивающиеся в объемах, соответствующих размерам изделия. Эти напряжения возникают вследствие неоднородности силового (неоднородная пластическая деформация), температурного (неравномерное охлаждение или нагрев) или материального (например, неравномерность концентрации) поля внутри тела. Они определяются рентгеновским методом (по смещению интерференционных линий на рентгенограмме).
2. Напряжения второго рода - иначе кристаллитные, или микронапряжения, уравновешивающиеся в объемах, соответствующих размерам кристаллов. Эти напряжения определяются только рентгеновским методом по размытию (уширению) интерференционных линий на рентгенограмме.
3. Напряжения третьего рода, иначе искажения кристаллических решеток, уравновешивающиеся в объемах, соизмеримых с размерами элементарной ячейки. Эти искажения определяются также только рентгеновским методом - по ослаблению интенсивности линий высшего порядка отражений и по усилению диффузионного фона.
В данной работе определялись внутренние структурные напряжения I и II рода [57, 59, 61]. Методика и алгоритм обработки экспериментальных данных представлены в приложениях 1 и 2. 2.5. Теоретическая оценка длины трещины
Для оценки разрушения зерна в ходе холодного деформирования образца используется методика, приведенная в [30, 46, 48, 62], где сказано, что длина эллиптической трещины 1кр зависит от напряжения т , коэффициента формы трещины С и от значения критического коэффициента интенсивности напряжения Kic. Для обработки экспериментальных результатов, таких как определение внутренних напряжений необходимо знать величину модуля нормальной упругости Е, а сведения о физических свойствах стали Ди-82-Ш отсутствуют, то был выбран аналог - сталь 15Х12ВНМФ (ЭИ-802) мартенсито-ферритного класса [56]. Химический состав стали 15Х12ВНМФ по ГОСТ 5632-72 (по массе) [56]: 0,12 0,18% С, 0,4 0,8% Ni, 11 13% Cr, 0,5 0,7% Mo, 0,7 1,1% W, 0,15 0,30% V, 0,5 0,9% Mn, 0,4% Si, 0,025% S, 0,03% P, остальное железо. Модуль нормальной упругости стали 15Х12ВНМФ равен Е=216000 МПа при температуре измерения t=20C [56].
Анализ изменений коэффициентов линейных термических расширений кристаллических решеток трубной стали Ди-82-Ш
Сталь Ди-82-Ш мартенситно-ферритного класса; это видно на рентгенограмме исходного образца (рис. 2.4.). В процессе эксперимента уже при 400 С происходит фазовая перестройка образца рис. 4.1. и табл. 3.12. В третьем термоцикле незначительный нагрев -100 С вызывал распад мартенсита. Рис. 4.1. Фрагмент рентгенограммы «горячего» образца в первом термоцикле при t=400 С
В экспериментальном исследовании структурных термических превращений стали Ди-82-Ш получены зависимости коэффициентов линейных термических расширений кристаллических решеток от температуры для трех термоциклов (рис. 3.12). При этом для первого термоцикла отмечаются следующие особенности. 1. Коэффициенты линейных термических расширений в интервале от 48 до 200С не находятся в диапазоне справочных значений а для сталей, составляющих (10-=- 20) 10"f , 1/град [56]. 2. Средний коэффициент линейных термических расширений при температуре 48С имеет отрицательное значение. 3. При температуре 65С а равно нулю. 4. При температуре 150С коэффициент линейных термических расширений существенно превосходит справочное значение и составляет а = 35 10"6,1 / град. 5. При температуре 250С достигает значения а = 20-10"6,1/град. 6. До температуры 300...350С наблюдается аномальный характер зависимости a = f(t), заключающейся в нелинейности и немонотонности экспериментальной кривой. 7. После температуры 300...350С коэффициенты линейных термических расширений достигают уровня справочных значений и составляют (11-П 5)-1 (Г6,1/град (с колебаниями а, превосходящими погрешность измерения).
Во втором термоцикле аномальный характер поведения коэффициента линейных термических расширений наблюдается от 48 до 200С (рис. 3.12). 1. При температуре 100С а = 29-1(Г6,1/град, т.е. значение коэффициента линейных термических расширений превосходит справочное значение. 2. После температуры 200С коэффициенты линейных термических расширений достигают уровня справочных значений и составляют (11-И8)- 1(Г6,1/град (с колебаниями а, превосходящими погрешность измерения). В третьем термоцикле также присутствует аномальность поведения коэффициентов линейных термических расширений в диапазоне температур 80...150С (рис. 3.4), где а превосходит значения справочного интервала и составляет 30 10"61 / град. Подобные кривые ot = f(t) с аномальными расширениями кристаллических решеток при определенных температурах были обнаружены ранее для многих сверхчистых металлов. В частности, аномальные термические расширения установлены, например, для никеля, для которого максимум пика термического скачка наблюдается при температуре 370С при a = 26-10-6,1/град ,что также превосходит справочное значение при данной температуре (асправ =14,98-10-61/град). Температура
Что касается стали, то макродилатометрическими исследованиями образцов закаленной стали также установлено аномальное поведение - это уменьшение длины при 70 - 150С, увеличение при 150 - 300С и уменьшение при 300 - 400С. Эти изменения в удлинении образца приписываются уже структурным превращениям, называемым первым, вторым и третьим - это так называемая отпускная хрупкость. Первое и третье связываются с превращениями мартенсита при отпуске закаленной стали, второе с изменением состояния аустенита.
Таким образом, установленные аномалии термических линейных расширений кристаллических решеток для стали Ди-82-Ш и наблюдаемая немонотонность таких свойств, как твердость, прочность (о-в,а02), пластичность, распухаемость в зависимости от температуры связаны едиными температурными точками, а скачки термических деформаций реально существуют как для сложнолегированных сталей, так и для сверхчистых металлов. Их нельзя связывать только с наличием легирующих примесей, их перераспределением, выпадением или растворением карбидных, нитридных или карбонитридных и прочих избыточных фаз или только с магнитными переходами.
Экспериментальные результаты для трех термоциклов испытаний представлены на рис. 3.13, 3.15. Отметим основные черты полученных зависимостей.
1. В процессе нагрева исследуемого образца собственные внутренние напряжения претерпевают существенные перераспределения.
2. Перераспределение внутренних напряжений от растягивающих (+) до сжимающих (-) происходит через полную разрядку напряжений (релаксацию), когда упругие свойства образца становятся равными нулю и сталь обладает максимальной пластичностью, не сопротивляясь изменению объема или формы, т.е. в этих точках предел текучести стали, характеризующий сопротивление пластическому деформированию, резко снижается.
3. Каждый переход кривой через нуль при дальнейшем повышении температуры испытаний приводит к тому, что вследствие микропластических деформаций, происходит упрочнение, увеличение упругой части общих деформаций, пластические свойства при этом минимальны, значит, максимально сопротивление пластическому деформированию.
4. Максимальная сопротивляемость пластическому деформированию наблюдается при температуре 400С и в диапазоне температур (590...610...650) С, рис.3.13, в особенности при 400С, когда предел упругости достигает 800 МПа.
5. Хрупкие разрушения в перечисленных температурных точках касаются внутризеренного межкристаллитного растрескивания, не столь опасного для эксплуатационной прочности металла, как зональные напряжения I рода, т.к. микротрещины, возникающие в пределах кристаллитов и имеющие нанометрические размеры, способны тормозиться на всевозможных барьерах, одним из которых является граница, например, граница другого кристаллита или граница зерна, двойниковая граница или перлитная зона в ферритно-перлитной матрице [66].
6. Межкристаллитное растрескивание может стать весьма опасным в зависимости от имеющихся в образце текстур, когда возникшая трещина начнет развиваться в пределах нескольких благоприятно ориентированных зерен по отношению к внешнему напряжению, т.е. длина трещины будет зависеть от распределения зерен по ориентировкам [56].
