Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 7
1.1 Анализ конструкции, технологии изготовления и ремонта судовых валов 7
1.2 Судовые валы и их циклическая прочность 24
1.3 Механизм протекания ползучести и релаксации напряжений в металлах 32
1.4 Цель и задачи исследования 40
2. Теоретические основы способа термомеханической правки с учетом явления ползучести 42
3. Разработка методики и результаты термомеханической правки экспериментальных образцов 49
3.1 Конструкция и требования к изготовлению экспериментальных образцов 49
3.2 Определение необходимого количества образцов для испытаний 51
3.3 Экспериментальное оборудование и оснастка для правки 53
3.4 Определение режимов и результаты экспериментальных исследований образцов, подвергнутых правке 57
3.4.1 Определение коэффициентов жаропрочности 59
3.4.2 Режимы и результаты правки экспериментальных образцов 63
3.4.3 Исследование микроструктуры образцов 67
3.5 Выводы 69
4. Исследование влияния термомеханической правки эксперимен тальных образцов на изгибную выносливость 71
4.1 Разработка методики исследования влияния термомеханической правки экспериментальных образцов на изгибную выносливость... 71
4.1.1 Построение кривой усталости 71
4.1.2 Экспериментальная установка для изгибных усталостных испытаний образцов 72
4.1.3 Статистическое определение предела выносливости методом «лестницы». База испытаний 15
4.1.4 Статистическая обработка результатов усталостных испытаний 77
4.2 Результаты исследования влияния термомеханической правки образцов на их изгибную выносливость 80
4.3 Упрочнение выправленных образцов поверхностным пластическим деформированием обкатывающим роликом 88
4.3.1 Выбор режимов упрочнения 88
4.3.2 Влияние поверхностного пластического деформирования выправленных образцов на изгибную выносливость 92
4.4 Выводы 93
5. Технология правки натурного вала на основе явления ползучести 95
5.1. Основные положения термомеханической правки на основе явления ползучести 95
5.2. Последовательность работ при правке 98
6. Определение экономического эффекта восстановления гребного вала правкой при ремонте 100
Выводы по работе 103
Список использованных источников
- Механизм протекания ползучести и релаксации напряжений в металлах
- Определение необходимого количества образцов для испытаний
- Экспериментальная установка для изгибных усталостных испытаний образцов
- Основные положения термомеханической правки на основе явления ползучести
Введение к работе
Судовые валы являются ответственными элементами судовой энергетической установки (СЭУ). К ним предъявляются высокие требования по надежности и долговечности как при изготовлении, так при эксплуатации и ремонте.
Во время эксплуатации судовые валы с прямолинейной осью в силу различных причин подвергаются различного рода нагрузкам и приобретают остаточные деформации в виде искривления оси. Как показывает опыт, величины деформаций часто превышают предельные нормы, при которых техническое использование их не допустимо. Высокая стоимость изготовления валов делает актуальной проблему восстановления их работоспособности.
В судоремонте устранение прогибов валов осуществляют правкой различными способами. Эти способы описаны в технической литературе и представляют собой многолетний практический опыт. Научного обоснования эти способы не имеют и во многом противоречивы. Поэтому рекомендуемые в литературе способы правки валов часто не обеспечивают требуемые нормативными документами надежность и долговечность валов в эксплуатации после правки. Следует отметить высокую трудоемкость рекомендуемых способов правки и нестабильность формы валов после правки по этим рекомендациям.
Наиболее универсальным способом правки валов ответственного назначения с точки зрения обеспечения надежности и долговечности после ремонта является термомеханическая правка методом релаксации напряжений. Этот способ описывает процесс правки на основе релаксационных характеристик материала валов. В основе метода лежат аналитические зависимости стрелки прогиба от усилия, создаваемого при правке, используемые в сопротивлении материалов. Эти зависимости являются приближенными и часто ориентировочными при выборе параметров правки, и не учитывают явления ползучести - пластической деформации во времени, являющейся первоосновой процесса выправления вала. В связи с этим в работе поставлена цель исследовать, разработать и научно обосновать технологию правки валов с учетом явления ползучести. Для этого в работе выполнен анализ существующих способов правки деталей класса валов с прямолинейной осью; обоснован выбор способа термомеханической правки с учетом явления ползучести; разработана технология правки на экспериментальных образцах из стали 35 по ГОСТ 1050 - 88 КМ 28; проведены сравнительные усталостные испытания экспериментальных образцов; изучено влияние нагрева при правке на микроструктуру материала образцов; разработана технология правки натурных судовых валов.
Механизм протекания ползучести и релаксации напряжений в металлах
Любой материал под действием постоянного напряжения может в определенных условиях деформироваться с течением времени. Явление непрерывной деформации под действием постоянного напряжения называется ползучестью.
Явления ползучести и релаксации напряжений протекают в большинстве деталей современных машин и аппаратов, работающих в условиях повышенных температур под действием постоянных и изменяющихся во времени нагрузок. К таким деталям относятся болты фланцевых соединений, шпильки, различные клиновые посадки, пружины, роторы и диски турбин, турбинные лопатки и другие детали, закрепленные с определенным натягом [3,14,16,19,24,43,68 и др.].
В зависимости от температуры и уровня приложенного напряжения ползучесть протекает по разным законам. Наиболее известны четыре вида ползучести [14, 21, 24, 36, 43, 52]. К ней относят неупругую обратимую, низкотемпературную, высокотемпературную и диффузионную ползучесть.
При напряжениях ниже критического напряжения сдвига t протекает неупругая обратимая ползучесть. Она не опасна для конструкций, и поэтому специальных испытаний на ползучесть при напряжениях ниже t не проводят. При напряжениях выше tKp в области относительно низких температур идет низкотемпературная (логарифмическая), а при высоких ( 0,4 - 0,6 Гпл) - так называемая высокотемпературная ползучесть. Следует подчеркнуть, что низко- и высокотемпературная ползучесть могут протекать при напряжениях, значительно меньших макроскопического предела текучести поликристаллического материала. Наконец, при высоких температурах ( 0,5 - 0,8 Тш) и низких напряжениях реализуется диффузионная ползучесть. Для практики наиболее важна высокотемпературная ползучесть. Стандартные испытания проводят именно в этой области.
Основным первичным результатом испытания на ползучесть при заданной температуре и постоянном напряжении t tKp является кривая ползучести в координатах «относительная деформация - время», которую строят по данным систематического измерения деформации (обычно относительного удлинения 6) образца в процессе испытания. Изменение характера кривых ползучести с повышением температуры испытания при постоянном напряжении показано на рис. 1.1. Кривая типа ОАВ получается при низкотемпературной ползучести, а кривые ОА BCD и ОА "С - при высокотемпературной.
Зависимость б от времени т при низкотемпературной ползучести хорошо аппроксимируется для многих металлов уравнением [14,43, 66]: Ь = аЩ\+ах) + Ь (1.1) где: 5 - деформация, вызванная ползучестью, a, a, b - коэффициенты, независящие от времени, т - время.
Именно поэтому низкотемпературная ползучесть получила название логарифмической. С течением времени логарифмическая ползучесть быстро затухает.
Считается, что при логарифмической ползучести достаточно полный термический возврат не успевает проходить. Тогда быстро прогрессирующее снижение скорости ползучести с увеличением т: vn = dbldx (1.2) можно объяснить моделью «истощения» дислокаций.
После приложения нагрузки и упругого удлинения (см. рис. 1.1, ОА) наиболее благоприятно ориентированные дислокации переместятся, и произойдет пластическая деформация. В условиях постоянства приложенного напряжения оставшиеся дислокации будут удерживаться препятствиями, но с течением времени флуктуации тепловой энергии вызовут движение большинства этих дислокационных отрезков (в основном за счет поперечного скольжения) и соответствующий прирост удлинения. Постепенно термически активируемое скольжение будет затухать (истощаться) из-за уменьшения числа дислокационных отрезков, способных перемещаться и вызывать деформацию. В результате затухает скорость прироста относительного удлинения.
Низкотемпературная ползучесть слабо зависит от температуры испытания и приложенного напряжения. Ее практическое значение мало, поскольку величина удлинения при реальных для конструкций напряжениях обычно мала. Поэтому низкотемпературная ползучесть быстро стабилизируется во времени, и не может существенно вырасти даже при очень длительных выдержках, а также является неустановившейся, т.к. ее скорость непрерывно изменяется (уменьшается) со временем.
С неустановившейся стадии начинается и высокотемпературная ползучесть (рис. 1.1, отрезок А В на кривой OA BCD). Затем начинается стадия установившейся ползучести ВС, при которой скорость ползучести vn является постоянной. Заканчивается кривая высокотемпературной ползучести участком разрушения CD. Кривые ползучести, подобные OABCD, типичны для условий стандартных испытаний на ползучесть [14, 43, 74].
Основное отличие высокотемпературной ползучести от низкотемпературной заключается в более полном протекании возврата, который обеспечивается здесь не столько поперечным скольжением, сколько переползанием дислокаций. При высокотемпературной ползучести возможны также некоторые рекристаллизационные процессы. Изменение скорости высокотемпературной ползучести на неустановившейся стадии подчиняется уравнению [14, 24,43]: vn = =Ax-n (1.3) где: показатель степени п в большинстве случаев близок к 2/3 вместо 1 при логарифмической ползучести, А - константа, независящая от времени. Если n = 2/3, то: 6 = рт1/3 (1.4) где: 6 - деформация, вызванная ползучестью, х - время, р - коэффициент, независящий от времени.
Уменьшение п при переходе от низкотемпературной к неустановившейся высокотемпературной ползучести можно понять с позиций модели истощения. Если процессы возврата успевают проходить более полно, то, по крайней мере, часть дислокационных отрезков после первой активации может стать способной к повторному перемещению, что вызовет дополнительную деформацию и прирост vn.
Одна из дислокационных моделей, дающих кубический закон ползучести, сводится к следующему. Рассмотрим небольшую область кристалла. Уровень напряжений в этой области определяется наличием дислокаций в соседних участках. Переход одной дислокации в более удаленные области (любым способом) уменьшает уровень напряжения в рассматриваемом объеме на какую-то величину AS/. Наоборот, если подобная же дислокация приходит в соседнюю область и остается там (закрепляется упругим полем скопления у какого-либо барьера), то уровень напряжения в интересующей нас области повысится на AS/.
Определение необходимого количества образцов для испытаний
Конструкция и форма образцов, на которых проведено изучение и отработка технологии термомеханической правки на основе ползучести, разработана с учётом следующих соображений.
Гребной вал в условиях эксплуатации испытывает сложное напряженное состояние в результате воздействия переменных напряжений от кручения, растяжения-сжатия и изгиба.
Как известно, основной характеристикой, обеспечивающей надежность валов при эксплуатации, является изгибная усталостная прочность. В связи с программой исследования предусмотрено определение усталостные характеристики образцов после правки. Схема нагружения образцов выбрана такой, чтобы воспроизвести напряженное состояние, характерное для эксплуатационных условий вала, а также воспроизвести в образце излом эксплуатационного вида. Схемой нагружения, адекватной условиям нагружения вала, является поперечный изгиб при вращении образца. Конструкция и размеры образцов (рис. З.1.), исходя из схемы нагружения, выбраны по рекомендациям ГОСТ 25.502 - 79. Образцы имеют цилиндрическую форму, а рабочая часть -круглое сечение. Для локализации места излома использована полукруглая выточка.
Задняя часть образца представляет собой конусный хвостовик, который предназначен для установки образца в конусный захват испытательной машины для усталостных испытаний. В передней части образца имеется шейка для установки и фиксации подшипникового узла, который связан с нагрузочным устройством экспериментальной установки, служащего для создания заданной нагрузки.
Исходными заготовками для образцов является прокат круглый из ста ли 35 по ГОСТ 1050-88. Поковки изготовлены в соответствии с ГОСТ 8536-79. Механические свойства поковок соответствуют КМ 28, IV группа. Химический состав и механические свойства стали 35 приведены на рис. 3.1.
После ковки заготовки образцов подвергались нормализации по режиму: нагрев до температуры 850 С, выдержка при этой температуре в течение 40 минут и последующее медленное охлаждение на спокойном воздухе.
Обработку выточек проводили на станке с числовым программным управлением 16К20ФЗС32 с одного установа за два хода (рис. 3.2.).
Токарная обработка осуществлялась в центрах. Обработка выточки проводилась токарным резьбовым резцом с пластинкой из твердого сплава Т15К6. При точении заготовка и резец обильно охлаждались эмульсией.
Характеристики сопротивления усталости материалов имеют статистическую природу, носят случайный характер и могут принимать различные значения при повторении испытаний с возможно полным соблюдением их условий. Величина возможной ошибки зависит от объема испытаний (числа образцов), условий испытаний и методики обработки их результатов. Обоснование необходимого объема испытаний и выбор оптимальных режимов с целью определения характеристик механических свойств материала с наперед заданной степенью точности и статистической надежности является основной задачей планирования испытаний. Вопросы планирования механических испытаний и статистической обработки их результатов имеют первостепенное значение.
При определении минимально необходимого объема выборки следует исходить из целей предстоящих испытаний.
В результате испытаний планируется одновременная оценка среднего значения и среднеквадратического отклонения предела выносливости путем проведения сравнительных усталостных испытаний на консольный изгиб круглых образцов, подвергнутых термомеханической правке, с разной начальной стрелкой прогиба. Минимально-необходимое количество образцов п в данном случае определяют как наибольшее из двух значений, найденных по следующим формулам [106,107]: Y2 г п ІЇ -/і (ЗЛ) (НА)2 =- , (3-2) Хо,5 где: у - коэффициент вариации определяемой характеристики механических свойств; Аа - максимальная относительная ошибка (допуск) при оценке среднего значения в долях среднего значения определяемой характеристики; z / - квантиль уровня Р = 1 - % нормированной нормально распреде 1/2 /1 ленной случайной величины; Р = \-а/у - статистическая надежность, представляющая собой вероятность непревышения фактической ошибкой при оценке среднего значения характеристики максимальных ошибок Аа по модулю; а - вероятность первого рода; ACT - максимальная относительная ошибка (допуск) при оценке среднеквадратического отклонения случайной величины при нормальном или логарифмически нормальном законе распределения;
Экспериментальная установка для изгибных усталостных испытаний образцов
Кривые усталости могут быть представлены в графическом или аналитическом виде. Графические кривые усталости изображают в полулогарифмических или логарифмических координатах, испытывая не менее 10... 15 одинаковых образцов из деформируемых сплавов.
База испытаний для определения пределов выносливости принимается равной 107 циклов для металлов и сплавов имеющих практически горизонтальный участок на кривой усталости, а для сравнительных испытаний - 5-Ю6 циклов [22, 31,113, 117].
Кривые усталости по результатам испытаний образцов строятся путем графического интерполирования экспериментальных результатов или по способу наименьших квадратов.
Для ускоренного получения кривой усталости напряжение на первый образец создается для сталей с ав 800 МПа из расчета СУi=1,1 2 J.I=1,12-0, 5ае.
Напряжение на второй образец назначается в зависимости от числа циклов до поломки первого образца N\: при N\ 2-Ю5 циклов G2=G\-20 МПа, при N\ 2-Ю5 циклов а2=Сі+20 МПа. Таким образом, испытание первых двух образцов определяет положение наклонной ветви кривой усталости.
Напряжение на третий образец выбирают в зависимости от числа циклов, вызвавшего поломку первых образцов: при N\ (или 7V2) = (1,0...3,5) -105 циклов тз=0,8с і (или а2), приiVi (илиЛУ = 3,5-105...106 циклов а3=0,88аі (или а2). Напряжение на четвертый образец назначается: 1) если третий образец не сломался при N$ = 10 циклов, то а4 = случае ai Ог или ст4 = — , если Ті а2; л п 2) если третий образец сломался при Л 10 циклов, то Ст4= 3з-(20...30) МПа. Поскольку напряжение с выбирают из расчета числа циклов 10 #3 10 , то оно должно быть близким к пределу выносливости для базы N$ = 10 циклов. Уточнение предела выносливости производится на пятом образце, напря жение на котором назначается равным а5 = — , причем необходимо, что бы при одном из суммируемых напряжений образец сломался, а при другом не сломался после 107 циклов. Разность между напряжениями циклов для послед них двух ступеней нагружения обычно не превышает 10 МПа. На уровне пре дела выносливости должно быть испытано не менее двух образцов.
Учитывая статистическую природу предела выносливости, который в данном случае определяется с 50%-ной вероятностью, предлагается изменение указанного порядка испытаний образцов на уровне предела выносливости. При напряжениях около предела выносливости следует испытывать не менее трех образцов, причем половина из них не должна разрушаться до базового числа циклов.
Оставшиеся образцы испытывают для уточнения наклонной ветви кривой усталости. Экспериментальная установка для усталостных испытаний на консольный изгиб круглых образцов диаметром 20 мм представлена на рис. 4.1. Установка монтируется на фундаментной раме 1. Фундаментная рама изготовлена из профильного проката в два яруса, и представляет собой жесткую сварную конструкцию. Для предотвращения влияния инерционных сил на результаты эксперимента фундаментная рама установлена на резинометалличе-ские амортизаторы.
Установка изготовлена двухсекционной с самостоятельным раздельным управлением каждой секции с созданием независимых условий нагружения и испытания образца.
На нижнем ярусе фундаментной рамы расположен асинхронный электродвигатель 9, на валу которого установлен шкив клиноременнои передачи, а также магнитный пускатель электродвигателя.
На верхнем ярусе фундаментной рамы расположен исполнительный узел состоящий из: вала 8, смонтированного на двух шарикоподшипниках и установленного в опоры 7; патрона с коническим отверстием 6 и ведомого шкива 3 клиноременнои передачи установленных на валу.
Образец 5 закрепляется с помощью конусного хвостовика в патроне с ко ническим отверстием корончатой гайкой и консольно нагружается с помощью подшипникового узла 4 и нагружающего устройства. Нагружающее устройство состоит из пружинного демпфера 11, рычага 10 и подвески 13. Изменение на грузки осуществляется путем изменения массы грузов, устанавливаемых на к подвеску. Нагрузку и разгрузку образца осуществляют плавно с помощью вра щения маховика 2, связанного с ходовым винтом.
Электродвигатель через клиноременную передачу приводит во вращение вал с патроном исполнительного узла, вращая консольно-нагруженный образец, При поломке образца концевой выключатель 12 обесточивает установку. Для определения числа циклов до разрушения установлены счетчики циклов.
Для обеспечения безопасности проведения испытаний вращающиеся части установки и испытуемые образцы закрываются съемными кожухами. Образцы нагружаются консольным изгибом в одной плоскости. Напряже ния, действующие в опасном сечении круглого образца, изменяются по сим метричному циклу. Для симметричного цикла amax = - а т а коэффициент і асимметрии цикла /2 = -1. Симметричный цикл является наиболее опасным. Расчетная схема для определения максимальных напряжений изгиба для круглого образца представляет собой балку, жестко заделанную с одного конца и нагруженную силой Р, на другом конце [33]. Изгибные напряжения в опасном сечении ст, определяются по формуле: где: / - расстояние от опасного сечения до точки приложения силы Р; W- момент сопротивления опасного сечения. Момент сопротивления опасного сечения определяется по формуле: где: d - диаметр опасного сечения круглого образца.
Предел выносливости определяют при некотором ограниченном, достаточно большом, числе циклов, чтобы выявился горизонтальный характер течения правой ветви кривой усталости. Это число циклов задается предварительно и называется базой испытаний (Л ). Образцы испытывают на усталость до достижения Ng.
Для сравнительных испытаний рекомендуется базовое число циклов не ниже 5-Ю6. В настоящем исследовании с точки зрения надежности экспериментальных значений изгибной выносливости образцов базовое число циклов принято выше рекомендуемых, т.е. 107 циклов.
Определение предела выносливости образцов проводится методом «лестницы». Выбор этого трудоемкого метода обусловлен необходимостью более точного определения среднего значения предела выносливости, а также средне-квадратического отклонения предела выносливости.
По методу «лестницы» образцы испытывают на усталость последователь но один за другим. Первый образец испытывают при напряжении, близкому к пределу выносливости. Если первый образец разрушится до отработки базового числа циклов, то следующий испытывается при более низком напряжении, меньшем предыдущего на величину ступеньки d. Величина ступеньки по рекомендации [107, 117] должна иметь значение, близкое к стандартному отклоне нию предела выносливости S- и допускается в пределах 0,5 — 2,0 . Для образцов ступенька принята равной 0,5 Мпа. Если первый образец не разрушится, то следующий испытывается при напряжении, которое больше исходного на величину d. Для каждого последующего образца напряжение увеличивается или уменьшается на величину d в зависимости от результата испытания предыдущего образца.
Основные положения термомеханической правки на основе явления ползучести
Правка на основе ползучести заключается в том, что вал на участке его максимального искривления подвергается нагреву по всей окружности до температуры 600...650С с последующим прогибом его при помощи нажимного приспособления в сторону, противоположную имеющемуся искривлению.
В нагретом и напряженном состоянии вал выдерживается в течении некоторого времени в зависимости от прочности стали, значения искривления и выбранной температуры правки. Под действием нагрузки и повышенной температуры упругая деформация переходит в пластическую, одновременно снижаются внутренние напряжения (явление релаксации).
Нагрев вала может производиться различными способами: электропечами сопротивления, автогенными горелками в кожухе, а также с помощью индукторов токами промышленной частоты.
В процессе термомеханической правки на основе ползучести, проводимом всегда при напряжениях значительно ниже предела текучести не возникает опасных внутренних напряжений, а после правки остаточные напряжения отсутствуют, что обеспечивает последующую стабильность формы вала.
Исследования показали, что после правки по настоящей технологии происходит незначительное снижение изгибной усталостной прочности вала, которая может быть повышена обкатыванием роликом участка правки вала по ОСТ 5.9049-78.
Настоящая технология рекомендуется для судовых валов любой конструкции и размеров, изготовленных из сталей типа 35 ГОСТ 1050-88. Если конструкцией вала предусмотрены облицовки, а изгиб находится в районе облицовок, последние необходимо снимать, с последующим изготовлением и установкой новых.
До правки вал подвергается дефектации на предмет обнаружения трещин с помощью магнитно-порошкового и ультразвукового контроля, а также цветной дефектоскопии.
Правка на основе ползучести технически пригодна для любого случая искривления вала, но наиболее целесообразна при больших прогибах.
Внешняя нагрузка, которая создает изгиб вала в сторону, обратную имеющемуся прогибу, определяется искривлением вала, температурой нагрева, релаксационной характеристикой стали и временем выдержки в напряженном состоянии. Допустимое напряжение при прогибе для правки в один прием ограничивается опасностью концентрации напряжений в месте приложения нагрузки для выправления и опасностью образования трещин на растягиваемых волокнах металла. Исходя из этих соображений необходимо давать такие напряжения в металле, которые не превосходили бы половины предела прочности для данных сталей при температуре правки. В тех случаях, когда нет данных о пределе прочности при растяжении, можно принимать максимальное допустимое напряжение, равным 50 МПа. Контроль нагружения следует осуществлять по усилию динамометром и по прогибу - индикатором. Их значения в первом приближении для сплошного вала, имеющего на всем протяжении одинаковый диаметр, без учета массы вала могут быть определены по следующим уравнениям. Усилие, приложенное к валу, (в Н), вычисляется по формуле: р _ max I ГС Q sr іч 32-fl-(/-z) где: z - расстояние от левой опоры до места прогиба вала; d - диаметр сечения; а - расстояние от левой опоры до точки приложения нагрузки; / - расстояние между опорами; max = 0.5ав, МПа - максимальное напряжение при Г=650 С, при котором вал упруго деформируется. Прогиб вала под действием этого усилия (в м): (5.2) г/ Л. P-b-z ( 2 ,2 ,2\ P-{z-af f(z,0) = \zl -Г +b і L J 6-E-J-l V ; 6-EJ где: P - усилие, создаваемое при правке; b - расстояние от правой опоры до точки приложения нагрузки; Е- модуль упругости материала вала при температуре правки; J- момент инерции сечения вала в месте максимального прогиба; z - расстояние от правой опоры до места максимального прогиба вала; / - расстояние между опорами. Величина остаточного прогиба от усилия Р, вызванного ползучестью материала определяется по формуле: I 1 + / 13 т -0.96 0.17 Я . /„ =9.35-10-./-., (l-zf96-z-b-96-(a2+b2) (5.3) 4/+2.77-10-12.Jn/096 017./ l J где : = 4. Jx 2.04. J 2) -Xі -dx- «обобщенный» момент инерции поперечного сечения вала, d - диаметр вала, t - время выдержки под нагрузкой в процессе правки. После снятия нагрузки по индикатору следует определить величину остаточной деформации вала. При необходимости повторные нажатия с тепловой выдержкой проводить так же, как и первое, без промежуточного охлаждения.
