автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Формирование остаточных технологических напряжений и прочность анизотропных осесимметричных металлоизделий

005003003

Тиунов Валерий Викторович

ФОРМИРОВАНИЕ ОСТАТОЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ И ПРОЧНОСТЬ АНИЗОТРОПНЫХ ОСЕСИММЕТРИЧИЫХ МЕТАЛЛОИЗДЕЛИЙ

05.16.09 - Материаловедение (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

-1 ДЕК 2011

Пермь-2011 г.

005003003

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет».

Научный руководитель Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор КОЛМОГОРОВ Герман Леонидович

- доктор технических наук, профессор ЯСНИЦКИЙ Леонид Нахимович

- кандидат технических наук, старший научный сотрудник КОВРОВ Владимир Николаевич

Ведущее предприятие

- ОАО «Чепецкий механический завод»

Защита диссертации состоится 23 декабря 2011 года в 1230 на заседании диссертационного совета Д 212.188.02 при Пермском национальном исследовательском политехническом университете по адресу: 614990, г. Пермь, Комсомольский проспект, 29, ауд. 4236.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ПНИПУ. Автореферат разослан ^АЭ^А^Я- 2011 г

Ученый секретарь диссертационного Совета,

доктор технических наук, профессор " Е.А. Кривоносова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Строительство двух крупнейших в Европе трубопроводов «Северный поток» и «Южный поток», авария на Чернобыльской АЭС, все эти процессы нового времени предъявляют дополнительные требования к осесимметричной металлопродукции из анизотропных и изотропных материалов с целью создания надежных и долговечных изделий и конструкций, работающих в условиях высоких нагрузок, скоростей, агрессивных сред и значительных колебаний параметров внешней среды. При этом большую роль играет такой показатель качества, как уровень остаточных напряжений в деталях машин и конструкций.

Использование существующих теоретических методов определения остаточных напряжений в осесимметричных изделиях затруднено сложностью предлагаемых способов и необходимостью наличия банка данных о термомехьнических характеристиках различных материалов. Недостаточно обоснованные допущения при этом приводят к значительным погрешностям. Что касается экспериментальных методов определения остаточных напряжений, то для их применения необходима сложная и дорогостоящая измерительная аппаратура.

Актуальность диссертационной работы заключается в исследовании закономерностей формирования остаточных напряжений при холодном пластическом деформировании применительно к осесимметричным металлоизделиям. При этом рассмотрены вопросы формирования остаточных напряжений в процессах холодного деформирования волочением осесимметричных изделий. При исследовании остаточных напряжений предложены методики определения технологических остаточных напряжений на основе энергетического подхода. На кафедре Динамики и прочности машин Пермского Национального Исследовательского Политехнического Университета предложен и развивается энергетический подход к определению остаточных напряжений, однако в более ранних работах рассматриваются изотропные материалы. В диссертационной работе энергетический подход развит применительно к анизотропным материалам, в частности, к трансверсально-изотропным.

Цели и задачи работы.

Целью диссертационной работы является исследование технологических остаточных напряжений в осесимметричных изделиях из изотропных и анизотропных материалов, полученных пластическим деформированием; определение предельных технологических режимов пластического деформирования осесимметричных изделий из условия обеспечения прочности и точности, что позволяет соответствующим образом строить технологический процесс и предотвратить последеформационное разрушение металлоизделий от остаточных напряжений.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- для решения задачи определения остаточных напряжений в трубных и прутковых заготовках из анизотропного материала для различных технологических параметров процесса пластического деформирования применён энергетический подход;

- предложена методика оценки появления вторичных пластических деформаций от остаточных напряжений, возникающих при деформации осесимметричных трубных металлоизделий, которая позволяет определить количество переходов многократного деформирования;

- предложена методика, позволяющая определить предельные перемещения из условий сохранения сплошности осесимметричной прутковой и трубной заготовки при пластическом деформировании анизотропного материала, и позволяющая провести оптимизацию технологического процесса и предотвратить разрушение металлоизделий от остаточных напряжений.

Практическая значимость заключается в том, что на основе полученных результатов определены оптимальные соотношения технологических параметров пластического деформирования осесимметричных изделий из условий предотвращения последеформационно-го разрушения от остаточных напряжений, в сочетании с методами неразрушающего контро-

ля дефектов в готовых изделиях показана возможность прогнозирования прочности и долговечности элементоз конструкций в условиях эксплуатации; предложенные методики позволяют соответствующим образом строить технологический процесс, предотвратить последе-формационное разрушение металлоизделий от остаточных напряжений и обеспечить заданную точность металлоизделий.

Достоверность результатов и выводов обеспечивается корректным использованием моделей, применяемых в материаловедении, методов и подходов механики деформируемого твёрдого тела, подтверждается их удовлетворительным соответствием данным экспериментальных и теоретических исследований закономерностей распределения остаточных напряжений в осесимметричных изделиях, полученных другими авторами.

Личный вклад автора в получение результатов, изложенных в диссертации, заключается в следующем:

- проведены исследования, посвященные определению остаточных напряжений при пластической деформации анизотропных и изотропных осесимметричных металлоизделий;

- предложены методики определения остаточных напряжений для анизотропных прутков и труб, которые позволяют предсказать и предотвратить последеформационное разрушение металлоизделий от остаточных напряжений;

- предложены методики оценки точности изотропных и анизотропных металлоизделий после пластического деформирования;

- определены предельные режимы пластического деформирования из условий сохранения прочности при наличии остаточных напряжений.

Апробация работы.

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на семинарах кафедры «Динамика и прочность машин» (руководитель - доктор технических наук, профессор Г.Л. Колмогоров), всероссийской научно-технической конференции студентов и молодых учёных факультета прикладной математики и механики ПГТУ, 2009 г., XI Всероссийской конференции «Аэрокосмическая техника, высокие технологии и инновации - 2008», г. Пермь, I международная интернет конференция электротехнического факультета ПГТУ «ЬтоТЕСН 2009».

Результаты работы используются в учебном процессе кафедры «Динамика и прочность машин» при выполнении курсовых и дипломных работ, написании бакалаврских и магистерских работ.

Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 6 статьях и тезисах докладов, из них две статьи в изданиях, рекомендованных ВАК.

Обьем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения по результатам исследований. Работа изложена на 119 страницах и содержит 25 рисунков, 3 таблицы, список литературы из 100 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи работы, дано краткое изложение по главам.

В первой главе на основе литературного обзора выполнен анализ современного состояния и актуальности вопроса определения технологических остаточных напряжений в металлоизделиях, изготовленных методами пластического деформирования. Рассмотрены основные причины появления, а также механизмы формирования остаточных напряжений. На примере существующих теоретических и экспериментальных методов показана необходимость разработки новых подходов определения остаточных напряжений.

Приведены наиболее распространенные причины возникновения остаточных напряжений в металлоизделиях. Рассмотрены механизмы формирования остаточных напряжений, приведена классификация остаточных напряжений.

Начало изучения и первые попытки классификации и определения остаточных напряжений положили в середине XIX века В.И. Родман и И.А. Умов. Первые методики расчета появились у Н.В. Калакуцкого, а классификацию предложили Е. Орован и К.В. Мак-Грегор. Исследованию остаточных напряжений посвящены работы H.H. Давиденкова, Б.М. Ровинского, A.A. Ильюшина, И.А. Биргера, И.А. Соколова, В.И. Уральского, A.A. Поздеева, Ю.И. Няшина, П.В. Трусова, H.A. Труфанова.

Основная проблема, возникающая при изучении остаточных напряжений - это выбор наиболее точных методов определения. На сегодняшний день известно множество как теоретических, так и экспериментальных методов определения остаточных напряжений в элементах конструкций, но, к сожалению, почти все имеют ряд недостатков, либо трудны в реализации на практике. Поэтому для выбора и разработки оптимальных методов исследования остаточных напряжений необходимо изучать и анализировать существующие теории и экспериментальные методики по этой тематике.

Совместное действие разнообразных причин, вызывающих появление остаточных напряжений (тепловые напряжения, структурные превращения, ликвация, пластическая деформация и т.д.), создает чрезвычайно сложную картину распределения этих напряжений. Для большинства практических случаев она устанавливается не теоретическим, а опытным путем, что вызывает ряд трудностей. Эти обстоятельства заставляют уделять особое внимание проблеме разработки достаточно простых, аналитических методов определения остаточных напряжений.

Во второй главе рассмотрена задача определения последеформационных остаточных напряжений в осесимметричных металлоизделиях на основе энергетического подхода

В соответствии с энергетическим подходом потенциальная энергия остаточных напряжений определяется как доля энергии пластического деформирования,

Uo=VUä, (1)

где у/ - коэффициент, определяющий долю потенциальной энергии остаточных напряжений; Uj - энергия пластического деформирования.

После пластического деформирования труб вследствие явления упругого последействия кольцевые слои профиля увеличиваются по диаметру, однако этому в какой-то мере противодействует соседний, обволакивающий слой. Поэтому в радиальном направлении все концентрические кольцевые слои, подобно трубам, нагруженным внутренним равномерным давлением, находятся под напряжениями сжатия, снижающимися до нуля у поверхностных

слоев стг = 0. Тогда можно задать радиальное напряжение в виде:

ат =-в0(Л1-г)(г-Л2)> (2)

где ао - параметр, характеризующий распределение остаточных напряжений, который определяется из энергетического условия (1); Ri, R2 - внешний и внутренний радиусы трубы соответственно.

Из решения осесимметричной задачи теории упругости компоненты тензора напряжений определены в следующем виде:

о, = "«о №-')('- Ä,):

ст. = а„А'[2(г - К, )(r -R2) + r(2r - Я, - Д2)]; (3)

о, =я0[('-^Х'-Я:) + К2г-Я1 -Я,)],

где fi - коэффициент Пуассона материала изделий.

При известных компонентах тензора напряжений аt с помощью закона Гука находятся компоненты тензора деформаций stJ, с учётом потенциальной энергии упругих остаточных напряжений рассчитывается потенциальная энергия упругих остаточных напряжений для единицы длины трубной заготовки

60Е > (4)

где 1 = И2/К1-,В = 7(1+й4) + 22Р -18Я(1 + Д2), Е - модуль упругости материала заготозки.

Энергия пластического деформирования определяется с учётом деформационного упрочнения в следующем виде

п+1 . (5)

После подстановки (4) и (5) в (1), и преобразований получим значение неизвестного параметра ао:

"я

где у/* = уЕ! о50- безразмерный параметр, характеризующий механические свойства обрабатываемого материала.

Таким образом, уравнения (3) и (6) позволяют определить компоненты тензора остаточных напряжений и прогнозировать поведение металлоизделия в процессе производства и эксплуатации.

В реальных условиях пластического деформирования волочением или прокаткой трубных изделий, возможно нарушение осевой симметрии распределения остаточных напряжений (3), главным образом осевых напряжений аг. Нарушение симметрии напряжений с. возможно из-за различия условий трения по периметру заготовки в зоне деформации, а также за счёт неудовлетворительного центрирования заготовки относительно оси деформирования. Нарушение симметрии распределения остаточных осевых напряжений можно учесть следующим образом

аг =//[2(г-1)(г-Л) + г(2г-1-й)](о1+Да,5Ш0) ^

^ _ ^

где г = —-, £ = -г-, а1 = Л2 • а0, Да, - разность напряжений, характеризующая асимметрию; в - окружное направление.

Последующий расчёт требует перехода от цилиндрической к декартовой системе координат с целью определения результирующего изгибающего момента.

После расчётов получим результирующий изгибающий момент от ассиметричных остаточных осевых напряжений

^20 12 1 2 20Д,2 12 Ъ) 1 * ^

Под действием изгибающего момента от остаточных напряжений трубная заготовка принимает криволинейную форму. С учётом соотношения (8) и уравнения изгиба стержней получим радиус кривизны стержневой заготовки:

1 ¿¿•А51-(З-5Д-ЗР+5Р)

где

Л,'

(9)

При известном Дв[ можно прогнозировать возможную криволинейность трубной заготовки после волочения.

Оценим возможность появления вторичных пластических деформаций за счет достижения уровня остаточных напряжений некоторого предельного состояния, соответствующего переходу изделий от упругого к пластическому состоянию. Так, для осесиммегричных

трубных металлоизделий распределение упругих остаточных напряжений определяется следующими соотношениями (3).

Напряженное состояние металлоизделий, находящихся под действием остаточных напряжений (3), характеризуется их интенсивностью:

а, ~<т«)2 + ~<ТгУ + (°> -°>)2■

(10)

После подстановки соотношений (3) в уравнение (10) и преобразований получим интенсивность остаточных напряжений в следующем виде:

Л (И)

где Рг = г(2г-Л,-Л,), =

Условием появления вторичных пластических деформаций является условие перехода в пластическое состояние:

<т,=ет, (12)

где - предел текучести материала заготовки.

Для трубных изделий характерными точками, в которых возможно появление вторичных пластических деформаций, являются точки, расположенные на внутренней и внешней поверхности. Таким образом, из условия пластичности (12) можно получить предельное значение параметра аа, соответствующего появлению вторичных пластических деформаций:

а р>У2

Рг.^+М)1' (13)

Параметр а0, определяется условиями осесимметричного деформирования в коническом технологическом инструменте и физико-механическими характеристиками обрабатываемого материала в следующем виде:

°6У* I 60

Л* (14)

где Я = Д2 /Л,;В = 7(1 ■+ Т') + 2211 - 18Я(1+12);

у/* = (у/ЕIат)1П - комплексный параметр, характеризующий физико-механические свойства материала деформируемой заготовки;

^ - коэффициент, определяющий долю энергии пластического деформирования, оставшуюся в деформируемой заготовке в виде упругих остаточных напряжений; £ - степень деформации, Е - модуль упругости материала.

Приравняв соотношения (13) и (14), найдем предельную степень деформации, в результате которой произойдет появление вторичных пластических деформаций:

,__Р-*'*«_, (15)

* 30(2 + (^-1)2)(^*)2

где к _ -постоянная, зависящая от геометрических размеров трубной заготовки. * Рг,2

В работе Колмогорова Г.Л. и Кузнецовой Е.В. для определения степени деформации трубных изделий при пластическом деформировании волочением предложена формула:

в которой з =а±.',а=^г-> ав " Угол наклона образующей волочильного инструмента к

я/ Л,

оси волочения.

В случае волочения за несколько переходов при определении суммарной степени деформации формула (16) примет следующий вид:

где ъ - суммарная вытяжка; п - количество переходов.

Из равенства (17) в соответствии с соотношением (16) можно определить количество переходов многократного волочения, соответствующих появлению вторичных пластических деформаций.

В третьей главе предложена методика, позволяющая определить предельные обжатия из условий сохранения сплошности прутковой и трубной заготовки при пластическом деформировании анизотропного материала, что позволяет соответствующим образом строить технологический процесс и предотвратить последеформационное разрушение металлоизделий от остаточных напряжений.

В современных конструкциях наряду с матери&чами, обычно при расчётах принимаемыми за однородные и изотропные, используются для изготовления деталей и анизотропные материалы, у которых наблюдается различие в упругих свойствах для различных направлений.

Из различных видов криволинейной анизотропии наибольший практический интерес представляют два вида, рассмотренные еще Сен-Венаном: 1) цилиндрическая анизотропия и 2) сферическая анизотропия.

Цилиндрическая анизотропия может появиться в металлических изделиях в результате соответствующих технологических процессов (например, при изготовлении труб, протяжке проволоки и др.).

В задачах обработки металлов пластическим деформированием, слои в радиальном направлении находятся под напряжениями сжатия, по этой причине в процессе вытяжки изменяется структура материала в радиальном направлении. В то время как в осевом направлении не происходит внешних воздействий на структуру материала. Вероятность изменения свойств и моделирования ситуации искусственной анизотропии наиболее велика в радиальном и окружном направлениях. При этом однородность свойств в окружном и радиальном направлении остаётся постоянной и отличается от свойств в осевом направлении, возникает искусственная анизотропия. Кроме того, ось изделия совпадает с осью плоскостей изотропии. Такие тела называются трансверсально-изотропными телами.

В общем случае цилиндрической анизотропии ортотропного тела уравнения обобщенного закона Гука выглядят следующим образом:

где , £7^ - компоненты тензоров деформаций и напряжений соответственно; Уу - коэффициенты Пуассона для соответствующих сочетаний осей; ЕГ,Е.,Е$- модули упругости в соответствующих направлениях.

В случае цилиндрической анизотропии трансверсально-изотропного тела уравнения обобщённого закона Гука (18) принимают следующий вид:

(П)

(18)

где Е, Е' — модули упругости для растяжения — сжатия в направлении плоскости изотропии и нормальном к ней соответственно, V — коэффициент Пуассона, характеризующий поперечное сжатие в плоскости изотропии при растяжении в этой плоскости, V — то же при растяжении в направлении, нормальном к плоскости изотропии.

При изготовлении осесимметричных изделий большой длины принимают отсутствие деформаций в осевом направлении (е2 =0). Тогда последнее из уравнений (19) примет вид:

е. =~—(а, +а,)+—сг. =0,

• Е' * ' (20)

откуда следует:

о\ =у'(аг+ав),

Из решения осесимметричной задачи теории упругости компоненты тензора напряжений для прутковых и проволочных изделий определены в следующем виде:

аг 4.(2^-1)

(22)

— Ы1

где ах =—;- параметр, характеризующий распределение остаточных напряжений, Я

который определяется из энергетического условия (1); II- радиус пруткового изделия; г

г = — относительная радиальная координата. Л

По известным компонентам тензора напряжений находятся компоненты тензора упругих деформаций и рассчитывается потенциальная энергия упругих остаточных напряжений

иЛ\а^Г, (23)

где V - объём металлоизделия.

Величина энергии пластического деформирования при изготовлении металлоизделий определяется в свою очередь соотношением

(24)

о

где 8СеЧ - площадь сечения металлоизделия; - сопротивление деформации обрабатываемого материала; е - степень деформации.

При известных компонентах тензора напряжений а{] с помощью закона Гука находятся компоненты тензора деформаций е], с учётом выражения (23) рассчитывается потенциальная энергия упругих остаточных напряжений

и = гХСРа,\ (25)

где Ксй - коэффициент влияния анизотропных свойств материала и его геометрических характеристик:

к ш

а 24У'2ЕЕ' ' У '

При деформировании з конической матрице степень деформации определяется как сумма интенсивностей малых деформаций сдвига, которые претерпевает частица при прохождении через зону деформации. Усреднённая по сечению пруткового изделия степень деформации при волочении равна:

, =21п (27)

^ зТз'

где ¿в, диаметры заготовки до и после пластической деформации, ав - угол наклона образующей волоки.

Энергия пластического деформирования для усреднённого по зоне деформации О5 определяется соотношением (24) в следующем виде:

(28)

После подстановки и преобразований уравнений (25) и (28), с учётом уравнения (1), получим значение неизвестного параметра :

(29)

р2

где ^ - параметр, характеризующий геометрические и механические свойства

Кск

обрабатываемого материала.

Как правило, наибольшую опасность представляют растягивающие остаточные напряжения в поверхностных слоях металлоизделий. Из выражений (22) для поверхностного слоя (г =1) имеем „ =оИз соотношений (29) следует:

^-Н^Ь- (30)

где у- _ \vcsv - параметр, характеризующий механические свойства обрабатываемого V

материала.

С позиции разрушения наибольшую опасность представляют максимальные окружные напряжения &в, наиболее простая оценка прочности выглядит в соответствии с первой теорией прочности так:

аГ^ст,, (31)

где - предел прочности материала в окружном направлении.

Полагаем, что для металлических материалов а,ъст5. С помощью выражения (31) получим условие прочности в виде

(32)

где I = - вьгтяжка за проход.

Выполняя преобразования, найдём предельную из условий возможного последефор-мационного разрушения прутка от остаточных напряжений вытяжку:

(33)

.V Зл/з

Пользуясь формулой (33) построим график зависимости параметра Я - характеризующего вытяжку за проход, от параметра у/', характеризующего механические свойства материала.

В качестве примера возьмём значения коэффициента Пуассона для материала у = 0,35; и различных углов наклона волоки ав =6; 8; 10 градусов.

1,6 1.51,4 -

1,3' 1,2 -1.1 1

0,9

аБ =10° * ;

0.9

1,15

1,4

1,65 V

1,9

2,15

2,4

Рис 1. График зависимости параметра, характеризующего вытяжку за проход, от параметра, характеризующего механические свойства материала.

На рисунке 1 приведены расчётные зависимости X от технологических параметров процесса пластического деформирования. Из рисунка следует, что с увеличением параметра

^ предельная вытяжка уменьшается. С увеличением угла наклона образующей технологического инструмента ав предельная вытяжка также уменьшается.

В случае многопереходного деформирования условие прочности будет иметь следующий вид:

1 V зТз ) (34)

где ^ у - суммарная вытяжка; с1о и <3к - начальный и конечный диаметр прутка соответственно; п - количество переходов.

Производство осесимметричных изделий типа прутков, проволоки, труб проводится пластической деформацией волочением, прокаткой или прессованием. Прессование, ках правило, производится в горячем состоянии металла, поэтому формирование остаточных напряжений при прессовании не является предметом настоящей диссертации.

В данной работе рассматривается механика пластического деформирования в холодном состоянии волочением и прокаткой. Вышеприведённые соотношения относятся к процессу волочения. При прокатке с диаметра сЗо до диаметра с!) средняя степень деформации будет определяться первым слагаемым соотношения (27)

е = 21п— = 1пЛ ■ (35)

При этом для однопроходной прокатки соотношение (33) для предельной вытяжки из условия прочности заготовки от остаточных напряжений примет вид

1.9 -1.5 ■

1.2 ■ 1.1 -

Рис 2. График зависимости параметра, характеризующего вытяжку за проход, от параметра, характеризующего механические свойства материала при прокатке.

На рис. 2 приведены расчётные зависимости предельной за проход вытяжки при прокатке ^ от параметра V . Сопоставляя рис. 1 и рис. 2 видно, что предельные вытяжки при прокатке существенно выше. С позиции формирования остаточных напряжений процесс прокатки осесимметричных тел предпочтительней по сравнению с волочением.

Соответственно для многопереходной прокатки предельная суммарная вытяжка будет

равна

Л, 5 ехд —— к С

где х - А- <1о и (¡к - начальный и конечные диаметры соответственно.

1 л,'

(37)

(38)

Соотношение (37) позволяет строить технологию прокатки из условий прочности от остаточных напряжений и назначать в случае необходимости термическую обработку с целью снятия остаточных напряжений.

Для трубных изделий в общем случае цилиндрической анизотропии ортотропного тела сохраняются справедливыми соотношения (18-21). Из решения осесимметричной задачи теории упругости с учётом формул (1) и (19) компоненты тензора напряжений определены в следующем виде:

ст. ^а^Щг-Я^г-Я^ + г^г-Я, -Л,)]; • а, = 0о[(г-Я1)(Г-Я!) + Г(2Г-Л1 -йг)];

где - а0 параметр, характеризующий распределение остаточных напряжений, который определяется из энергетического условия; Яг - внешний и внутренний радиусы трубы соответственно;

Величина энергий пластического деформирования определяется соотношением (24). Для деформационного упрочнения, описываемого степенной функцией, имеем:

здесь сг50- исходное сопротивление деформации металла; т,п- эмпирические коэффициенты, характеризующие деформационное упрочнение.

При известных компонентах тензора напряжений с(; с помощью закона Гука находятся компоненты тензора деформаций ец, с учётом выражения (23) рассчитывается потенциальная энергия упругих остаточных напряжений:

II = лК.„ап

(40)

где Км - коэффициент влияния анизотропных свойств материала и его геометрических характеристик.

Коэффициент влияния анизотропных свойств материала равен

Км=4+а'3+а'2+а'1+а'0, (41)

где

Энергия пластического деформирования определяется соотношением (24) с учётом деформационного упрочнения в следующем виде:

После подстановки и преобразований уравнений (40) и (41), с учетом уравнения (1), получим значение неизвестного параметра д0:

1 I (43)

^ _ <ги(д,'-д,г) - параметр, характеризующий геометрические и механические свойст-

км

ва обрабатываемого материала.

В соответствии с приведённой методикой выполнены оценочные расчёты радиальных перемещений, связанных с наличием остаточных напряжений. В следующей главе показано, что остаточные напряжения способны привести к радиальным деформациям, соизмеримых с предельными отклонениями от номинальных размеров циркониевых труб для атомной промышленности.

В четвертой главе рассмотрена оценка уровня остаточных напряжений, возникающих в прутках и трубах из циркония для атомной промышленности после пластического деформирования, рассмотрены особенности физических и механических свойств циркония и циркониевых сплавов, деформационное поведение и влияние параметров в технологии производства прутковых и трубных изделий на качество, технологическую и конструкционную прочность, точность циркониевых прутков и труб.

В настоящее время актуальной остаётся разработка и совершенствование технологий изготовления оборудования для атомной промышленности. Наибольшее применение в ядерных реакторах имеют циркониевые сплавы, обладающие высокой коррозионной стойкостью, малым сечением захвата тепловых нейтронов, низким содержанием случайных примесей в сплаве и др. Из циркониевых сплавов в атомной промышленности изготовляются различные изделия, такие как тонкостенные трубки для оболочек твэлов, тонкостенные трубы для каналов водяных и кипящих реакторов, прутки для пробок-заглушек твэлов и др. Наиболее ответственными из них изделий являются трубки для оболочек твэлов, так как выход твэлов из строя с разгерметизацией оболочек недопустим, поэтому необходимо исследовать параметры, которые влияют на прочность, износостойкость и надежность таких изделий.

Одним из основных этапов производства циркониевых труб является холодная прокатка. Прокатка труб неизбежно связана с неравномерностью деформации по сечению и длине трубы, которая является основной причиной появления остаточных напряжений. Неравномерность пластической деформации зависит в основном от степени пластической деформации за переход, формы (геометрии) калибров и величины подачи. Поэтому для обеспечения высокого качества и точности получения единообразной геометрии и текстуры по

сечению и в стенке трубы необходимо устанавливать режимы деформации при прокатке с учётом минимизации технологических остаточных напряжений, а также обеспечения после-деформационной прочности.

На основании формул третьей главы работы выполнены расчёты для радиальных перемещений, связанных с действием остаточных напряжений, для трубных и прутковых металлоизделий.

На рис. 3 и 4., приведены результаты расчета, для внешней и внутренней поверхностей для оболочечных холоднокатаных труб, возможных радиальных упругих перемещений при снятии остаточных напряжений в зависимости от анизотропных свойств материала (разница в значении модуля упругости в осевом и радиальном направлении), начиная с 0 (изотропный материал), 10,20 %.

Рис.3. Оценка радиальных перемещений от действия остаточных напряжений в трубных изделиях на внешней поверхности.

а»« 1 .1 4 -

-ФЯ5

«•»I

&мм

Рис.4. Оценка радиальных перемещений от действия остаточных напряжений в трубных изделиях на внутренней поверхности.

Знак минус в результатах расчётов на рис. 4 означает, что упругое перемещение вследствие снятия остаточных напряжений за счет релаксации напряжений или термической обработки приведет к уменьшению внутреннего радиуса трубы на величину Ид.

Как следует из рис. 3 и 4, радиальные перемещения от действия остаточных напряжений на внешней и внутренней поверхностях трубных изделий соизмеримы с предельными отклонениями от номинальных размеров обычной точности.

Из рисунков следует, что перемещения на внешней поверхности больше, чем изменения внутреннего радиуса. Для прецизионных деталей приведенные значения перемещений могут быть существенными, поэтому учет влияния технологических остаточных напряжений на точность прецизионных металлоизделий, к которым можно отнести трубные изделия для атомной промышленности, необходим.

При изготовлении и обработке осесимметричных циркониевых изделий с применением пластического деформирования возникают технологические остаточные напряжения, которые могут достигать значительных величии, как сжимающие, так и растягивающие.

Методики определения остаточных напряжений, приведенные во второй и третьей главе можно применить для конкретизации расчета технологических остаточных напряжений в прутках и трубах после пластической деформации. Для этого, применяя любые известные доступные экспериментальные методы необходимо определить одну из компонент тензора остаточных напряжений на поверхности изделия.

Если на поверхности готовой детали экспериментально определены значения осевых

(У2 или тангенциальных <5д остаточных напряжений, тогда можно найти соотношения для

определения параметров йх, а0.

В случае, когда определены осевые продольные остаточные напряжения на поверхности прутка ст^). 1 параметр а„ а0 будет определяться как:

в соответствии с формулами (22) распределение остаточных напряжений по сечению пруткового изделия будут иметь вид:

' Ту •1)

&а —-Г

аг =а'г -1)

(45)

При известных экспериментально-определенных тангенциальных напряжениях на поверхности прутка:

ау=2у'ав> (46)

и соответственно:

-1)

В работе показано, что аналогично получаются расчетные формулы для определения остаточных напряжений в трубах.

Таким образом, зная остаточные тангенциальные напряжения на поверхности, можно определять основные компоненты тензора остаточных технологических напряжений по всему объему металлоизделия.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Работа посвящается развитию энергетического подхода применительно к анизотропным материалам, в частности, к трансверсально-изотропным материалам. Предложенный подход позволяет оценить уровень остаточных напряжений, прочность и остаточный ресурс изделий.

2. Совместное действие разнообразных причин, вызывающих появление остаточных напряжений, создаёт сложную картину распределения этих напряжений. Для большинства практических случаев она устанавливается не теоретическим, а опытным путём, что вызывает ряд трудностей. Для анизотропных тел использование экспериментальных методов в большинстве случаев невозможно вследствие сложной структуры строения и свойств материала. В работе предложены методики определения остаточных напряжений, основанные на

энергетическом подходе, которые в сочетании с известными экспериментальными данными применены для расчёта технологических остаточных напряжений в прутках и трубах из циркониевых сплавов после пластической деформации.

3. Рассмотрена методика оценки возможного появления вторичных пластических деформаций от остаточных напряжений, возникающих при пластической деформации прутковых и трубных металлоизделий.

4. Предложены методики, которые позволяют определить допустимые деформации, уровни остаточных напряжений и степени деформации прутковых и трубных заготовок при пластическом деформировании трансверсально-изотропных материалов, оценить прочность.

5. Приведенные в работе подходы и методики позволяют оценить изменение размеров прутков и труб за счет упругой деформации от остаточных напряжений, сформированных в процессе пластического деформирования анизотропного материала. Изменение геометрических размеров за счет упругой деформации от действия остаточных напряжений может быть существенным, что должно учитываться при производстве прецизионных изделий, к которым можно отнести прутковые и трубные изделия из циркониевых сплавов для атомной промышленности.

6. Разработанные методики расчета и полученные результаты позволяют учитывать наличие и влияние технологических остаточных напряжений при последующем прочностном расчете прутковых и трубных изделий из изотропного и анизотропного материала. Суперпозиция остаточных напряжений и эксплуатационных нагрузок позволит прогнозировать прочность, долговечность и надежность конструкций.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Колмогоров Г.Л., Кузнецова Е.В., Тиунов В.В. Остаточные напряжения и вторичные пластические деформации при производстве трубных изделий // Известия высших учебных заведений. Чёрная металлургия.- 2008.- №4.- С. 30-31. (из перечня ВАК)

2. Колмогоров Г.Л., Кузнецова Е.В., Тиунов В.В. Остаточные напряжения в анизотропных осесимметричных изделиях // Мат. докладов XI Всероссийской НТК «Аэрокосмическая техника, высокие технологии и инновации - 2008»,- Пермь: Изд-во ПГТУ,- 2008.- С. 166-168.

3. Тиунов В.В., Кузнецова Е.В. Остаточные напряжения в циркониевых трубных изделиях // Прикладная математика и механика: тез. док. всерос. науч.-техн. конф. студентов и молодых учёных,- Пермь: Изд-во ПГТУ,- 2009.- С. 30-31.

4. Колмогоров Г.Л., Кузнецова Е.В., Тиунов В.В. Формирование остаточных технологических напряжений и прочность анизотропных осесимметричных прутковых металлоизделий // Механика композиционных материалов и конструкций.- 2009.-том 15, №3.- С. 395-400. (Из перечня ВАК)

5. Колмогоров Г.Л., Кузнецова Е.В., Тиунов В.В. Остаточные напряжения и прочность анизотропных осесимметричных металлоизделий // Инновационные технологии: теория, инструменты, практика (1ШОТЕСН 2009): тез. док. междунар. науч.-техн. конф. студентов и молодых учёных.- Пермь: Изд-во ПГТУ,- 2010.- С. 4854.

6. Тиунов В.В. Остаточные напряжения в прутковых металлоизделиях из циркониевых сплавов после пластического деформирования // Актуальные проблемы науки: сб. науч. тр. по мат. междунар. науч.-практ. конф.- Тамбов,- 2011.-Ч. 3.- С. 129.

Подписано в печать 17.11.2011. Формат 60x90/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 1959/2011.

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, к.113 тел. (342) 219-80-33

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ПРИЧИНЫ ПОЯВЛЕНИЯ И МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ.

1.1. Механизм формирования остаточных напряжений.

1.2. Методы определения остаточных iiai 1ряжений.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.

ГЛАВА 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ МЕТОДОМ.

2.1. ol 1ределение oc i a точных напряжений в трубах при пластическом деформировании.

2.2. асимметрия остаточных напряжений и криволинейностб трубных изделий.

2.3. Остаточные напряжения и в торичные пластические деформации при производстве трубных изделий.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.

ГЛАВА 3. ФОРМИРОВАНИЕ ОСТАТОЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ И ПРОЧНОСТЬ АНИЗОТРОПНЫХ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ МЕТАЛЛОИЗДЕЛИЙ.

3.1. Остаточные напряжения в анизотропных прутковых изделиях.

3.2. Остаточные напряжения в анизотропных трубных изделиях.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.

ГЛАВА 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСТАТОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ И ИХ ВЛИЯНИЕ IIA ТОЧНОСТЬ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ЦИРКОНИЕВЫХ СПЛАВОВ

4.1. Свойства циркония.

4.2. Виды циркониевых изделий и области применения.

4.3. Остаточные напряжения в ме таллоизделиях из циркониевых сплавов после пластического деформирования.

4.4. Экспериментально теоретическая методика определения остаточных напряжений в металлоизделиях из циркониевых сплавов.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.

Напряжения, существующие в телах или конструкциях при отсутствии каких-либо внешних воздействий, например, силовых, а также тепловых и других, в технической литературе называют по-разному. Наиболее распространенное в мировой практике название -остаточные напряжения. Некоторые ученые называют эти напряжения собственными, внутренними, технологическими, сварочными, закалочными. В литературе на немецком языке принято название собственные - Eigenspannungen; в литературе на английском языке остаточные напряжения - residual stress. Такое разнообразие в названиях не вредит существу дела, а иногда даже более точно характеризует сущность рассматриваемого явления.

Основной причиной возникновения технологических остаточных напряжений является неоднородность пластической деформации материала, которая возникает вследствие неоднородного по сечению холодного деформирования, неравномерного распределения температур при нагреве или охлаждении, неравномерности фазовых превращений в изделии, и т.п.[1].

Все технологические процессы пластического деформирования металлов (ковка, штамповка, прокатка, волочение, прессование) сопровождаются неравномерной пластической деформацией но сечению. Одни слои металла растягиваются в большей степени, чем другие, и после разгрузки в них возникают остаточные напряжения ежатия, в других — менее деформируемых слоях - возникают растягивающие остаточные напряжения.

Дальнейшая интенсификация процессов производства прутков и труб, внедрение многопроходного волочения без промежуточных отжигов, сдача труб потребителю в наклепанном состоянии требуют детального изучения остаточных напряжений как одной из причин ускоренного разрушения, понижения усталостной прочности и коррозионной стойкости металлоизделий.

В большинстве известных работ по изучению остаточных напряжений упор делается на разработку либо нового экспериментального метода, либо на совершенствование уже известного, а определение остаточных напряжений является как бы иллюстрацией возможности его осуществления. Естественно, что в этом случае не рассматривается влияние параметров технологического процесса на остаточные напряжения. Изучению остаточных напряжений в осесимметрич-ных изделиях в зависимости от формы инструмента, смазки и прочих условий процесса пластического деформирования посвящено ограниченное число работ. Это исследования Г. И. Аксенова и Д. Г. Куриле-ха, И. А. Биргера, М. П. Желдака, И. А. Соколова, Г. JI. Колмогорова, Е. В, Кузнецовой, К. К. Годерзиан, В. И. Уральского, В. Даля и Г. Мюленвега, H.H. Ботроса, К. Като, Д. Мидоуза [1-7].

В государственных с тандартах качество продукции определено, как совокупность свойств продукции, обусловливающих ее пригодность удовлетворять потребности в соответствии с назначением. Из принципиального положения о зависимости качества продукции черной и цветной металлургии от уровня и стабильности технологии следует необходимость установления влияния отдельных параметров технологии на различные показатели качества. При этом во многих случаях, помимо управления процессом, может быть частично или полностью исключен контроль технологии производства и качества готовой продукции. В настоящее время накоплен определенный опыт прогнозирования ряда свойств в зависимости от исходной заготовки и параметров технологии с последующим исключением трудоемких, связанных с увеличением расходных коэффициентов, заключительных испытаний.

Для определенных видов изделий (прутков, проволоки, профилей, труб), получаемых методами холодной деформации, связь отдельных параметров технологии и показателей качества довольно стабильна.

Но достаточно точно можно прогнозировать только отдельные свойства: регулируя настройку стана можно получить требуемые отклонения по кривизне, но одновременно правка вызывает появление дополнительных внутренних напряжений и наклепа металла; дополнительной калибровкой можно повысить точность сечения и чистоту поверхности проката, но па наружных слоях появятся значительные остаточные напряжения.

О появлении остаточных напряжений в металле после различных процессов пластической или термической обработки известно давно, однако в показателях качества остаточные напряжения отражения не нашли. В последнее время в ряде зарубежных рекламных описаний и проспектов на фасонные профили высокой точности и другие изделия, получаемые методами холодной пластической деформации, содержатся указания о наличии «гарантированного уровня остаточных напряжений». Но в большинстве случаев при общей оценке качества отдельных видов металлопродукции или особенностей нового процесса ограничиваются общим указанием о «благоприятном» или «неблагоприятном» распределении или о наличии сжимающих или растягивающих остаточных напряжений. Причины кроются в отсутствии оперативных методов точного замера остаточных напряжений, количественной оценке их влияния на эксплуатационные свойства. Соответственно в металлургии практически отсутствуют данные о влиянии различных технологических параметров на величину остаточных напряжений. Из-за отсутствия четкой количественной оценки такого свойства металлопродукции, как наличия в ней определенных остаточных напряжений, до настоящего времени нет показателей качества по остаточным напряжениям. Эти напряжения нельзя отнести к таким простым единичным показателям качества, как пределы прочности и текучести, относительные удлинения и сужение, твердость, коррозионная стойкость и др. Под действием растягивающих напряжений микродефекты могут развиться в макротрещины.

Остаточные напряжения всегда взаимно уравновешены: в одних частях тела возникают растягивающие напряжения, в других - сжимающие.

Влияние остаточных напряжений на усталостную прочность зависит от размеров детали. С увеличением размеров деталей характер разрушения при всех видах нагружения переходит от вязкого к хрупкому. В связи с этим увеличивается и влияние остаточных напряжений.

Хрупкое разрушение металлов при взаимодействии коррозионной среды связывают с растягивающими остаточными напряжениями. Известны примеры коррозионного растрескивания латунных деталей под действием коррозии и растягивающих остаточных напряжении.

Совокупность действия остаточных макро- и микронапряжений и вызывает, совершенно неожиданные, самопроизвольные разрушения деталей и конструкций.

К сожалению, отрицательную роль остаточные напряжения играют чаще, чем хотелось бы. В технике достаточно примеров разрушений, вызванных большими технологическими напряжениями. Одни из наиболее частых со значительными экологическими последствиями — это разрушения трубопроводов, в которых образуются трещины длиной иногда до нескольких десятков километров. Например, на нефтепроводе Холмогоры-Клин в районе р. Чусовая была зафиксирована авария - утечка нефти через трещину в корпусе нефтеотсечки. Вырезанная из нефтепровода отсечка была доставлена на испытательный полигон ВНИИГАЗ. Сквозная трещина в угловом сварном соединении корпуса проходила по околошовной зоне вблизи линии сплавления. В предположении, что трещина инициирована сварочными остаточными напряжениями, было решено провести измерения в шве и околошовной зоне. Было установлено наличие растягивающих остаточных напряжений, направленных вдоль шва, порядка 200 МПа (что близко к пределу текучести материала - 250 МПа) на линии сплавления и спадающих при удалении от неё. Эти напряжения в совокупности с активными напряжениями, возникшими по условиям эксплуатации, явились причиной разрушения. Оказалось, что заводская термообработка если и проводилась, то не уменьшала уровень исходных сварочных напряжений [5].

По мнению авторов [44] одной из возможных причин аварии на Чернобыльской АЭС являются остаточные напряжения в твэльных трубках.

Кроме того, в настоящее время реализуются два крупнейших проекта по строительству трубопроводов для транзита нефти и газа в Европу: «Северный поток» и «Южный поток».

Северный поток» (англ. Nord Stream, ранее СевероЕвропейский газопровод (СЕГ)) — газопровод между Россией и Германией по дну Балтийского моря, соглашение о строительстве которого было подписано в начале сентября 2005 в ходе визита российского президента Владимира Путина в Германию. Трасса Nord Stream протяжённостью 1200 км пройдёт от Выборга (Ленинградская область) до Грайфсвальда (Германия). Согласно планам, первая нитка трубопровода должна вступить в строй в 2011 году.

Южный поток» (англ. South Stream) — российско-итальянский проект газопровода, который пройдёт по дну Чёрного моря из Новороссийска в болгарский порт Варну. Далее его две ветви пройдут через Балканский полуостров в Италию и Австрию, хотя их точные маршруты пока не утверждены. Согласно планам, проект должен вступить в строй к 2015 году.

Внезапные разрушения строительных конструкций, появление и развитие трещин на лобовых стеклах автомобилей, дорогостоящих заготовках крупногабаритных зеркал телескопов, хрустальной посуде, саморазрушение огнеупорных блоков для стенок стекловаренных печей, лежащих в спокойном состоянии на складе. В сущности, такие дорогостоящие разрушения и породили научное направление по изучению остаточных технологических напряжений и способов их регулирования.

В последнее время актуальной является разработка технологий изготовления оборудования для атомной промышленности. Наибольшее применение в ядерных реакторах имеют циркониевые сплавы, обладающие высокой коррозионной стойкостью, малым сечением захвата тепловых нейтронов, низким содержанием случайных примесей в сплаве и др. Из циркониевых сплавов в атомной промышленности изготовляются различные изделия, такие как тонкостенные трубки для оболочек твэлов, тонкостенные трубы для каналов водяных и кипящих реакторов, прутки для пробок-заглушек твэлов и др. Наиболее ответственными из этих изделий являются трубки для оболочек твэлов, так как выход твэлов из строя с разгерметизацией оболочек практически недопустим, поэтому необходимо исследовать все параметры, которые влияют на прочность, износостойкость и надежность таких изделий [8].

Изготовление оболочек твэлов осуществляется обычно на специализированных заводах, одним из которых является ОАО «Чепец-кий механический завод» (г. Глазов, Удмуртия). Это связано со специфическими условиями производства изделий из циркониевых сплавов: использование специальных вакуумных печей, плавильных машин, травильных установок и пр. Любая схема производства циркониевых труб включает в себя обработку пластическим деформированием. Известно, что практически все технологические процессы пластического деформирования связаны с появлением в готовых изделиях самоуравновешенной системы технологических остаточных напряжений.

Диссертационная работа посвящена исследованию закономерностей формирования остаточных напряжений при холодном пластическом деформировании применительно к осесимметричным металлоизделиям. При этом рассмотрены вопросы формирования остаточных напряжений в процессах холодного деформирования волочением осесимметричных изделий. При исследовании остаточных напряжений предложены методики определения технологических остаточных напряжений на основе энергетического подхода. На кафедре Динамики и прочности машин Пермского национального исследовательского политехнического университета предложен и развивается энергетический подход к определению остаточных напряжений, однако в работах [3, 6, 8] рассматриваются изотропные материалы. В диссертационной работе энергетический подход развит применительно к анизотропным материалам, в частности, к трансверсально-изотропным.

• В диссертационной работе показано, что на величину и распределение остаточных напряжений по объему изделия влияют основные технологические параметры процесса обработки, физические свойства и механические характеристики материала. Также проводится оценка уровня остаточных напряжений, возникающих в трубах из циркониевых сплавов, после пластического деформирования. Рассмотрены особенности физических и механических свойств циркония и циркониевых сплавов, деформационное поведение и влияние параметров в технологии производства трубных изделий на качество, технологическую и конструкционную прочность и точность циркониевых труб.

Для определенных видов изделий (прутков, проволоки, труб), получаемых методами холодной пластической деформации, связь отдельных параметров технологии и показателей качества довольно стабильна. На основании методик, предложенных в диссертационной работе, можно достаточно точно прогнозировать некоторые свойства изделий по известным исходным данным свойств заготовки и технологическим параметрам изготовления.

Цели и задачи работы.

Целью диссертационной работы является исследование технологических остаточных напряжений в осесимметричных изделиях из изотропных и анизотропных материалов, полученных пластическим деформированием; определение предельных технологических режимов пластического деформирования осесимметричных изделий из условия обеспечения прочности и точности, что позволяет соответствующим образом строить технологический процесс и предотвратить последеформационное разрушение металлоизделий от остаточных напряжений.

Научная новизна работы.

Научная новизна работы состоит в следующем:

• На основе энергетического подхода решена задача определения остаточных напряжений в трубных и прутковых заготовках из анизотропного материала в зависимости от основных технологических параметров процесса пластического деформирования.

• Предложена методика оценки возможного появления вторичных пластических деформаций от остаточных напряжений, возникающих при пластической деформации осе-симметричных трубных металлоизделий.

• Методика позволяет определить количество переходов многократного деформирования, соответствующих появлению вторичных пластических деформаций от остаточных напряжений в трубных металлоизделиях.

• Предложена методика, позволяющая определить предельные обжатия из условий сохранения сплошности прутковой и трубной заготовки при пластическом деформировании анизотропного материала, что даёт возможность соответствующим образом строить технологический процесс и предотвратить последеформационное разрушение металлоизделий от остаточных напряжений.

• Для циркониевых сплавов предложены методики определения остаточных напряжений, основанные на энергетическом подходе, в сочетании с известными экспериментальными данными методики применены для расчета технологических остаточных напряжений в прутках и трубах после пластической деформации.

• Приведенные методики для циркониевых сплавов позволяют оценить отклонения от номинальных размеров металлоизделий за счет упругой деформации от действия остаточных напряжений, связанные с наличием остаточных напряжений и возможным последующим снятием их с помощью отжига.

Практическая значимость.

Практическая значимость заключается в том, что на основе полученных результатов: определены оптимальные соотношения технологических параметров пластического деформирования осесиммет-ричных изделий из условий предотвращения последеформационного разрушения от остаточных напряжений; в сочетании с методами не-разрушающего контроля дефектов в готовых изделиях показана возможность прогнозирования прочности и долговечности элементов конструкций в условиях эксплуатации; предложенные методики позволяют соответствующим образом строить технологический процесс: предотвратить последеформационное разрушение металлоизделий от остаточных напряжений и обеспечить заданную точность металлоизделий.

Достоверность результатов.

Достоверность полученных в работе результатов и выводов обеспечивается корректным использованием научных представлений и методов механики деформируемого твердого тела, подтверждается сравнением с известными данными экспериментальных и теоретических исследований других авторов закономерностей распределения остаточных напряжений в осесимметричных изделиях, полученных пластическим деформированием.

Личный вклад автора.

Проведён блок исследований, посвященных определению остаточных напряжений при пластической деформации анизотропных и изотропных осесимметричных металлоизделий. Предложены методики, которые позволяют предсказать и предотвратить последеформа-ционное разрушение металлоизделий от остаточных напряжений.

Апробация работы.

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на семинарах кафедры «Динамика и прочность машин» (руководитель - доктор технических наук, профессор Г.Л. Колмогоров), научно-технической конференции студентов и молодых учёных факультета прикладной математики и механики ПГТУ, 2009 г., XI Всероссийской конференции «Аэрокосмическая техника, высокие технологии и инновации - 2008», г. Пермь, I международная интернет конференции электротехнического факультета ПГТУ «1ппоТЕСН 2009», международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы науки», г. Тамбов, 2011 год.

Результаты работы используются в учебном процессе кафедры «Динамика и прочность машин» при выполнении курсовых и дипломных работ, написании бакалаврских и магистерских работ.

Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 6 статьях и тезисах докладов, из них две статьи в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения по работе, изложенных на 119 страницах.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

1. Выполнен литературный обзор физических и механических свойств циркония и циркониевых сплавов, применяемых в атомной промышленности. Основными технологическими процессами обработки давлением сплавов циркония являются прокатка и волочение, для которых характерным является неравномерность деформаций по сечению и возможное формирование технологических остаточных напряжений.

2. Циркониевые изделия (трубы, прутки) применяются в атомной энергетике, где предъявляются высокие требования по качеству металлоизделий. Качество металлоизделий зависит от наличия остаточных напряжений, возникших в процессе изготовления.

3. Определены возможные изменения геометрических размеров прутков и труб, за счет упругих деформаций от действия остаточных напряжений, что может существенно влиять на точность производимых прутков и труб из циркониевых сплавов.

4. Предложена методика определения остаточных напряжений. Методика, основанная на энергетическом подходе, в сочетании с известными экспериментальными данными, может применяться для расчета технологических остаточных напряжений в прутках и трубах после пластической деформации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО РАБОТЕ

1. Работа посвящается дальнейшему развитию энергетического подхода применительно к анизотропным материалам, в частности, к трансверсально-изотропным материалам. Предложенный подход позволяет оценить уровень остаточных напряжений, прочность и возможную криволинейность трубных изделий.

2. Совместное действие разнообразных причин, вызывающих появление остаточных напряжений, создаёт чрезвычайно сложную картину распределения этих напряжений. Для большинства практических случаев устанавливается не теоретическим, а опытным путём, что вызывает ряд трудностей, а для анизотропных тел использование экспериментальных методов в большинстве случаев невозможно, вследствие сложной структуры строения и свойств материала. В работе предложены методики определения остаточных напряжений, основанные на энергетическом подходе, которые в сочетании с известными экспериментальными данными, могут применять для расчёта технологических остаточных напряжений в прутках и трубах после пластической деформации.

3. Рассмотрена методика оценки возможного появления вторичных пластических деформаций от остаточных напряжений, возникающих при пластической деформации анизотропных прутковых и трубных металлоизделий.

4. Предложены методики, которые позволяют определить допустимые деформации, уровни остаточных напряжений и степени деформации прутковых и трубных заготовок при пластическом деформировании трансверсально-изотропных материалов.

5. Приведенные в работе подходы и методики позволяют оценить изменение размеров прутков и труб за счет упругой деформации от остаточных напряжений, сформированных в процессе пластического деформирования анизотропного материала. Изменение геометрических размеров за счет упругой деформации от действия остаточных напряжений может быть существенным, что неприемлемо при производстве прецизионных изделий, к которым можно отнести прутковые и трубные изделия для атомной промышленности.

6. Разработанные методики расчета и полученные результаты позволяют учитывать наличие и влияние технологических остаточных напряжений при последующем прочностном расчете прутковых и трубных изделий из изотропного и анизотропного материала. Суперпозиция остаточных напряжений и эксплуатационных нагрузок позволит прогнозировать прочность, долговечность и надежность конструкций.

1. Биргер И.А. Остаточные напряжения. М.: МАШГИЗ,- 1963.

2. Соколов И.А., Уральский В.И. Остаточные напряжения и качество металлопродукции. М.: Металлургия,- 1981. - 96 с.

3. Колмогоров Г.Л., Курапова Н.А., Каменев С.И. Остаточные напряжения и предельная деформируемость при волочении осесим-метричных изделий // Известия вузов. Чёрная металлургия. 1996. - №5.-С. 31-34.

4. Курилех Д.Г., Сиротенко Д.Л. // Заводская лаборатория.- 1952.-№12.- С.1497-1499.

5. Чернышев Г.Н., Попов А.Л., Козинцев В.М., Пономарев И.И. Остаточные напряжения в деформируемых твердых телах. -М.: Наука. Физматлит,- 1996.- 240с.

6. Колмогоров Г.Л., Кузнецова Е.В. О степени деформации при осе-симметричном деформировании // Известия вузов. Чёрная металлургия.- 2000.-№11.-С.31-33.

7. Аксенов Г.И. ЖТФ. 1939. - № Т. 6, вып. 2. - С. 210-230.

8. Kolmogorov G., Kuznetcova Е, Filippov V. Residual stresses and accuracy of pipe preparations by manufacture zirconium tubes for the nuclear industry // Materials Science Forum Vols. 524-525 (2006) pp. 703-708, Trans Tech Publications, Switzerland.

9. Макаревич С.С. Остаточные напряжения. УП Технопринт, 2003г.

10. Orowan Е.О. Fundamentals of brittle behavior of metals.- In: Fatigue and Fracture of Metals/Ed. by W.M. Murray. New York: Willey, 1950, p.139-167.

11. Остаточные напряжения. // Сборник статей под ред. Осгуда В.Р.- М.: Изд-во ИЛ,- 1957.- 395с.

12. Ровинский Б.М. //ЖТФ, 1948.- вып. 10.- С. 1273-1281.

13. Давиденков H.H., Шевандин Е.М. Исследование остаточных напряжений, создаваемых изгибом // ЖТФ,- 1939.- T. IX. вып. 12.

14. Sachs G.- Zeitschrift fur Metallkurde, 1927, Bd 9, №9, S 352-359.

15. Г.Н. Чернышев, A.Jl. Попов, В.M. Козинцев «Полезные и опасные остаточные напряжения» // Природа №10,- 2002г.

16. Гинье А. Рентгенография кристаллов.- М.: ГИФМП,- 1961.- 604 с.

17. Пай Дж. Физические свойства кристаллов.- М.: Мир,- 1967.385 с.

18. Русаков А. А. Рентгенография металлов.- М.: Атомиздат,-1977.- 480 с.

19. Перлин И.Л. Теория волочения. М.: Металлургия,- 1971,- 448 с.

20. Римм Э.Р. Определение остаточных напряжений при пластическом деформировании // Учебное пособие.- Пермь: Изд-во ПГТУ,- 1993г.

21. Вишняков Я. Д., Пискарев В. Д. Управление остаточными напряжениями в металлах и сплавах. М: Наука,- 1989. - 321 с.

22. Колмогоров Г. Л., Кузнецова Е.В. Остаточные напряжения и потенциальная энергия при изготовлении трубных заготовок // Известия вузов. Черная металлургия. 2001.- № 2.- С. 19-21.

23. Тепловые процессы при обработке металлов и сплавов давлением / Под ред. Н.И. Яловой, М. А. Тылкина, П. И. Полухина, Д. И. Васильева. М.: Высшая школа,- 1973. - 631 с.

24. Saint-Venant В., Memoire sur les divers genres d'homoge-neite des corps solides. Journal de math, pures et appl. (Liouville) 10, 1865,297—349.

25. Лехницкий С.Г., Теория упругости анизотропного тела.- M.: Наука,-1977.

26. Амбарцумян С. А. Общая теория анизотропных оболочек. М.: Наука,- 1974.

27. Свойства циркония // Онлайн энциклопедия Кирилла и Мефо-дия URL: http://www.megabook.ru/Article.asp?АП>=685994 (дата обращения: 19.03.2008).

28. Займовский A.C. Циркониевые сплавы в атомной энергетике.-М.: Наука,- 1981.

29. Блюменталь, Уоррен Б. Химия циркония. М.: Изд-во иностр. лит.,- 1963.

30. Меерсона Г.А. Металлургия циркония. М.: Изд-во иностр. лит.,- 1959.

31. Перлин И.Л. Обработка металлов давлением. М.: Металлургия,- 1974.

32. Колмогоров Г. Л., Кузнецова Е. В., О потенциальной энергии остаточных напряжений при осесимметричном деформировании

33. Вестник ПГТУ. Прикладная математика и механика.- Пермь: Изд-во ПГТУ,- 2000.- С.92-98.

34. Ривкин Е.Ю. Прочность сплавов циркония. М.: Наука, - 1974.

35. Вишняков -Я.Д., Пискарев В.Д. Управление остаточными напряжениями в металлах и сплавах.- М.: Наука,- 1989.,- 254 с.

36. Поздеев A.A. Няшин Ю.И., Трусов П.В. Остаточные напряжения: теория и приложение.- М.: Наука,- 1982.

37. Поздей A.B. Технологические остаточные напряжения.- М.: Наука,- 1973.

38. Symposium on Internal Stresses in Metals and alloys. Institute of Metals, London, 1948, p.40.

39. Седов JI.И. Механика сплошной среды.- М.: Наука,- Т. 1,2,1976.

40. Ильюшин A.A. Механика сплошной среды.- М.: Изд-во МГУ,-1978.- 287с.

41. Сборник трудов конференции «Трубы России 2004». Достижения в теории и практике трубного производства. Материалы 1ой Российской конференции по трубному производству,- Екатеринбург: ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ»,- 2004,- 523 с.

42. Сопротивление материалов: Учебник для вузов / Под общ. ред. акад. АН УССР Г.С. Писаренко 4-е изд., перераб. и доп. - Киев: Вища школа. Головное изд-во,- 1979. - 696 с.

43. Колмогоров Г.Л. Отчёт о научно-исследовательской работе по теме 2006/14 «Определение технологических остаточных напряжений и оценка их влияния на точность изделий из циконие-вых сплавов». -Пермь: Изд-во ПГТУ,- 2006.

44. Пат. 2366912 РФ, МПК 2006 G01L1/00 Способ определения остаточных напряжений / Колмогоров Г. Л., Кузнецова Е.В.; ПГТУ-РФ. -№2008111436/28; Заяв.(24.03.2008); Опубл. (10.09.2009), Бюл. №25. 6 с.

45. Прутки электронный ресурс. / Продукция Чепецкого механического завода (ЧМЗ) Электрон, дан. - Режим доступа: http://www.chmz.net/product/zr/prutki/свободный. — Загл. с экрана

46. Трубы электронный ресурс. / Продукция Чепецкого механического завода (ЧМЗ) Электрон, дан. - Режим доступа: http://www.chmz.net/product/zr/truba/ свободный. — Загл. с экрана

47. Остаточные напряжения в заготовках и деталях крупных машин. // Михайлов О.Н., Свердловск: НИИТЯЖМАШ Уралмаш-завод,- 1971г.

48. Дехтярь Л.И. Определение остаточных напряжений в покрытиях и биметаллах.- Кишинев: 1968г.

49. Козлов М.Л. // Проблемы прочности,- 1982 г.- № 3,- С.31-35.

50. Шур Д.М. // Заводская лаборатория,- 1959 г.- № 5,- С.583-591.

51. Шур Д.М. // Заводская лаборатория,- 1960 г.- № 2,- С. 205-208.

52. Дехтярь Л.И. Новые технологические процессы восстановления деталей машин.- Кишинев: 1985г.- С.85-96.

53. Heyn Е., Bauer О. Internat. Zeitschrift für Mettallcograt, 1911, №1, S.16.

54. Туленков К.И., Гайдученко Б.И., Гельфанд И.М. // Метизное производство, Инф.6, ЦНИИ 4M,- 1961г.- 9с.

55. Зубов В.Я., Красильников П.А., Красавина Т.П. // Изв. ВУЗов. Черная металлургия,- 1965г.- № 2.- С. 125-130.

56. Красильников П.А. // Сталь,- 1966 г.- №6,- С. 562-565.

57. Годерзлан К.К. Внутренние напряжения в металлах и сплавах, методы их измерения и устранения.- М.: изд. ЦИИН ЦМ,-1962г. -95с.

58. Котов В.В. В кн.: Труды Государственного научно-исследовательского проектного института сплавов и обработки цветных металлов.- М.: Металлургия,- 1965 г.- вып. 74,- С. 236241.

59. Anderson R., Fahlman Е.-Journal Institute of Metals, 1924 p.20-24.

60. Maherauch E., Muller R. Zeitschrift fiir Metallkunede, 1960, 51, H.9, S.514-522.

61. Саверин M.M., Заварцева B.M. // Труды ЦНИИТ маш. кн.40.-М.: Машгиз,- 1951г.- С. 60-93.

62. Перри К., Лисснер Т. Основы тензометрирования.- М.: ИЛ,-1957г.,- 324с.

63. Финк К., Рорбах X. Измерение напряжений и деформаций.-М.: Машгиз,- 1961г.- 535с.

64. Гликман Л.А. // Заводская лаборатория.- 1965.- №7,- С.811-814.

65. Lecloux R. Rtv. frnz.mec. 1965, N13, S. 15-81.

66. Кампю Ф. Влияние остаточных напряжений на работу конструкций. // В кн. Остаточные напряжения. Сб. ст. под ред. Осгу-да В.Р.- М.: Изд. ИЛ,- 1957,- С.9-33.

67. Семавина А.И., Коковихин Ю.И., Поляков М.Г., Иванов Ю.В. Влияние протяжки в роликовых волокнах на распределение остаточных напряжений в проволоке. Сталь,- 1976г,- №5,- С.447-448.

68. Потак Я.М. Хрупкие разрушения стали и стальных деталей.-М.: Оборонгиз,- 1955,- 390с.

69. Шураков С.С. Металловедение.- М.: Судпромгиз,- 1957,-С.100-126.

70. Давиденков H.H., Шевандин Е.М. Исследование остаточных напряжений, создаваемых изгибом. // ЖТФ,- 1939,- т. IX. вып. 12.

71. Товпенец Е.С., Сахаров П.С. Остаточные напряжения в стальных полых цилиндрах, холоднонаклепанных изнутри.- М.: Металлургия,- 1936.-№12.

72. Абрамов В.В. Напряжения и деформации при термической обработке стали.- Киев; Донецк,- 1985 г.

73. Кенис М.С., Муратов B.C., Трошина JI.B. // Проблемы прочности.- 1988,- № 10,- С. 98-103.

74. Морганюк B.C. / Проблемы прочности.- 1982,- № 6,- С. 80-85.

75. Морганюк B.C., Кобаско Н.И., Харченко В.К. / Проблемы прочности.- 1982,- № 9,- С. 63-68.

76. Erikson Т. Adv. Surface Treat. 1987, Vol. 4, P. 87-113.

77. Павлина B.C. / ФХММ.,-1979,- № 5,- С.39-45.

78. Васильев Д.М., Трофимов В.В. / Заводская лаборатория,-1984,-№7,- С. 20-29.

79. Гузь А.Н., Махорт Ф.Г., Гуща О.И. Введение в акустоупру-гость.-Киев: 1977.

80. Подстигач Я.С., Бурак Я.К., Кондрат A.B. Магнито-термоупругость электропроводных тел.- Киев: 1982.

81. Москвитин В.В. Пластичность при переменных нагружениях.-М.: Изд. МГУ,- 1965,- 265 с.

82. Селиванов В.В., Зарубин B.C., Ионов В.Н. Аналитические методы механики сплошной Среды.- М.: Изд. МГТУ им. И.Э. Баумана,- 1994,- 381 с.

83. Смирнов B.C. Теория обработки металлов давлением.- М.: 1973,- 496 с.

84. Квактун В.Б. Механика процесса формоизменения материала при осесимметричном волочении: Автореферат дис. канд. техн. наук,- Магнитогорск,- 1974.

85. Пальмов Е.В. Температурный режим волоки при скоростном волочении. // Сталь,- 1951,- №5,- С.443-450.

86. Голубев Т.М. Теория и практика металлургии.- 1937,- №1.

87. Губкин С.И. Теория обработки металлов давлением.- М.: Ме-таллургиздат,- 1948.

88. Дзугутов М.Я. Внутренние разрывы при обработке металлов давлением,- Свердловск: Металлургиздат,- 1958.

89. Анциферов В.Н., Масленников H.H., Шацов A.A., Конструктивная прочность концентрационно-неоднородных порошковых сталей.- Пермь,- 1996,- 206 с.

90. Губкин С.И. Пластическая деформация металлов.- М.: Метал-лургиздат,- 1960г,-Т2.

91. Большанина М.А., Панин В.Е. Скрытая энергия деформации. // Исследования по физике твердого тела: Изд-во АН СССР,- 1965.

92. Бегишев В.П., Сметанников О.Ю., Труфанов H.A., Шардаков И.Н. Экспериментально-теоретическое исследование остаточных технологических напряжений в эпоксидных цилиндрах. // Пермь: Вестник ПГТУ. Технологическая механика №2,- 1996г,-С52-60.

93. Гольденблат И.И., Копнов В.А. Критерии прочности и пластичности конструкционных материалов.- М.: Машиностроение,- 1968, 190 с.

94. Фещенко В.Н., Махмутов Р.Х. Токарная обработка.- М.: Выс.шк., Изд. Центр «Академия»,- 2000.- 303 с.

95. Гуляев Ю.Г., Володарский М.З., Лев О.И., Михеев С.А., Кост-рижев Г.П., Чукмасов С.А. Повышение точности и качества труб.- М.: Металлургия,- 1992.- 238с.

96. Савин Г.А. Волочение труб.- М.: Металлургия,- 1993.- 336с.

97. Декан факультета Прикладной математики и механики, докт. техн. наук, професор1. А.И. Цаплин