ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 5, с. 3-14
УДК 539.171.4.3:621.77
ПРИМЕНЕНИЕ НЕЙТРОННОЙ СТРЕСС-ДИФРАКТОМЕТРИИ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ТЕКСТУРЫ В ПРОМЫШЛЕННЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЯХ, ОБРАБОТАННЫХ РАЗЛИЧНЫМИ СПОСОБАМИ © 2015 г. Г. Д. Бокучава*, Р. Н. Васин, И. В. Папушкин
Лаборатория нейтронной физики им. И.М. Франка, Объединенный институт ядерных исследований,
141980Дубна, Московская область, Россия *Е-таИ: gizo@nf.jinr.ru Поступила в редакцию 2.02.2014. г.
С помощью нейтронной дифракции высокого разрешения исследованы остаточные напряжения и текстура в промышленных металлических изделиях, обработанных различными способами. Образцы представляли собой отрезки труб из стали 30ХН2МФА, которые являются деталями прецизионных механизмов и эксплуатируются в сложных условиях нагружения. Изделия были изготовлены при помощи различных методов пластической деформации: ротационной ковки и волочения на оправе. Представлены результаты сравнительного анализа распределений остаточных напряжений и микродеформаций по толщине стенки для всех изученных образцов. Дополнительно проведены нейтронные текстурные эксперименты, по результатам которых рассчитаны полюсные фигуры и дана оценка характеристик кристаллографической текстуры.
Ключевые слова: остаточные напряжения, кристаллографическая текстура, микродеформация, дифракция нейтронов.
Б01: 10.7868/80207352815050030
ВВЕДЕНИЕ
Метод дифракции тепловых нейтронов является мощным инструментом неразрушающего контроля внутренних напряжений и текстуры в объемных промышленных изделиях и новых перспективных материалах (металлы, сплавы, композиты). Его уникальность во многом обусловлена его важнейшими особенностями: неразрушающий характер, большая глубина проникновения нейтронов в материал, возможность определять атомную структуру, фазовый состав, преимущественную ориентировку зерен (кристаллографическую текстуру), механические остаточные напряжения и особенности микроструктуры (микродеформации, форму и размер когерентно рассеивающих кристаллитов). Использование метода времени пролета (Тте-О!-или ТОБ-метод) на импульсном источнике нейтронов позволяет наблюдать множество брэг-говских рефлексов одновременно в широком диапазоне межплоскостных расстояний. Таким образом, возможно определять деформации вдоль различных направлений [НЩ в кристалле для изучения анизотропии механических напряжений, а также одновременно измерять весь набор полюсных фигур для кристаллографических плоскостей (НЫ). В связи с этим дифракция нейтронов по времени про-
лета все чаще применяется для решения различных практических задач материаловедения.
Суть дифракционного метода изучения механических напряжений состоит в измерении относительных смещений дифракционных пиков от положений, определяемых параметрами элементарной ячейки недеформированного материала [1, 2]. Внутренние напряжения, существующие в материале, вызывают соответствующую деформацию кристаллической решетки, что, в свою очередь, выражается в сдвиге брэгговских пиков в дифракционном спектре. Это дает прямую информацию об изменении межплоскостных расстояний в выделенном объеме, которую можно преобразовать в данные о внутренних напряжениях, используя известные упругие константы материала. Регистрация дифракционных спектров детекторами при углах рассеяния 29 = ±90° позволяет одновременно определять напряжения в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Принцип определения деформации кристаллической решетки основан на законе Брэгга:
2dhkl sin 0 = X, (1)
где X — длина волны нейтрона, dhkl — межплоскостное расстояние для плоскостей с индексами Миллера (hkl), 9 — угол Брэгга.
Деформация кристаллической решетки определяется как:
ени = (¿ни - 4и)/¿¡к1 = -A0ctg0 = А?Д, (2)
где и ¿{)ш — межплоскостные расстояния для деформированной и недеформированной решеток соответственно, ? — время пролета нейтрона. При использовании двухосного дифрактометра на источнике с непрерывным потоком нейтронов деформация определяется по изменению угла рассеяния -Д0 ^0, а в случае применения ТОБ-метода деформация определяется по относительному изменению времени пролета нейтронов А?/?. В зависимости от длины волны положение пиков на шкале времени определяется условием:
I = Ь/ V = \ шЦк = 2тЬёш5т$/Н, (3)
где Ь — полное пролетное расстояние от источника нейтронов до детектора, V — скорость нейтрона, X — длина волны нейтрона, т — масса нейтрона, к — постоянная Планка, йш — межплоскостное расстояние, 9 — угол Брэгга.
В нейтронографическом текстурном эксперименте измеряются значения полюсной плотности Рш на полюсных фигурах, представляющие собой плотность вероятности совпадения направления нормали к семейству плоскостей [кЩ с различными направлениями в образце. Полюсные фигуры являются специфическими плоскими проекциями трехмерной функции распределения зерен по ориентациям /(§), которая полностью описывает кристаллографическую текстуру материала [3]:
/ШЕ = ¿У/У, (4)
где g — комбинация из трех углов Эйлера, описывающих ориентацию, V — полный объем поликристаллического материала, ¿V — объем материала, имеющий ориентацию от g до g + dg. Интегральная интенсивность дифракционных пиков прямо пропорциональна значениям Рш. То есть, измеряя интегральную интенсивность различных дифракционных пиков при различных направлениях вектора рассеяния нейтронов относительно образца, оказывается возможным построить экспериментальные полюсные фигуры и рассчитать функцию распределения зерен по ориентациям.
В данной работе приводится пример использования дифракции тепловых нейтронов для определения остаточных напряжений и кристаллографической текстуры в промышленных изделиях — толстостенных стальных трубах со сложным внутренним профилем и высокой чистотой внутренней поверхности. Данные изделия являются ответственными деталями прецизионных механизмов и эксплуатируются в сложных условиях нагружения (высокие внутренние давления и температуры, импульсные контактные нагруз-
ки на внутреннюю поверхность). Кроме того, предъявляются повышенные требования к их высокой конструкционной прочности и надежности, а также к сохранению стабильности геометрических размеров детали и свойств материала в процессе эксплуатации.
Выполнение данных требований возможно за счет правильного выбора материала и технологии изготовления таких изделий, которые играют определяющую роль в формировании пространственного распределения внутренних напряжений и текстуры в объеме детали. Наиболее распространенными технологиями, используемыми для изготовления таких изделий, являются различные виды обработки металлов давлением (ковка, волочение, штамповка), при которых материал подвергается пластической деформации. Важным фактором для обеспечения эксплуатационной надежности и долговечности изделия является характер распределения внутренних напряжений, микродеформаций и текстуры в объеме материала. Так, растягивающие остаточные напряжения на внутренней поверхности труб способствуют развитию процессов разрушения при эксплуатации изделия. И напротив, формирование в процессе металлообработки остаточных напряжений сжатия на внутренней поверхности трубы является благоприятным с точки зрения эксплуатационной надежности изделия. При этом градиент распределения напряжений по сечению стенки трубы должен быть небольшим. Азимутальные неоднородности кристаллографической текстуры и, соответственно, упругих свойств, возникающие в процессе пластической деформации при изготовлении изделий, могут привести к изменению их формы в процессе эксплуатации. Поэтому свойства материала изделия должны быть как пространственно однородными, так и достаточно изотропными в различных направлениях. Степень анизотропии материала достаточно хорошо характеризуется остротой его кристаллографической текстуры, которая может быть рассчитана по данным дифракционных измерений.
Поскольку с практической точки зрения интерес представляют распределение остаточных напряжений по всему сечению изделия и преимущественная ориентировка зерен во всем объеме изделия, то для проведения подобного рода исследований необходимо использовать неразрушаю-щий метод контроля остаточных напряжений, обеспечивающий достаточную глубину проникновения в изучаемый материал. Как указывалось ранее, таким методом является нейтронная дифракция, которая имеет существенное преимущество перед традиционными методами из-за большой глубины проникновения в материал (например, до 2—3 см для стали и до 10 см для алюминия).
Таблица 1. Маркировка образцов. Место вырезки: н/ч — начальная часть, к/ч — конечная часть
№ образца Внутренний диаметр, мм Наружный диаметр, мм Толщина стенки, мм Способ обработки Место вырезки
1 13.00 28.10 7.55 Ковка н/ч
2 13.00 32.30 9.65 Ковка к/ч
3 13.00 28.60 7.80 Волочение н/ч
4 13.00 28.60 7.80 Волочение к/ч
5 7.50 16.28 4.39 Волочение н/ч
6 7.50 16.88 4.69 Волочение к/ч
7 7.50 16.28 4.39 Ковка н/ч
8 7.50 16.88 4.69 Ковка к/ч
Таким образом, целью данной работы было изучение текстуры материала и пространственного распределения остаточных напряжений по сечению стенок сложнопрофильных стальных труб, изготовленных различными методами пластической деформации, что в дальнейшем может служить основой для выработки конкретных рекомендаций по оптимизации технологии изготовления данных изделий.
ЭКСПЕРИМЕНТ ПО ИЗУЧЕНИЮ ВНУТРЕННИХ НАПРЯЖЕНИЙ И ИССЛЕДУЕМЫЕ ОБРАЗЦЫ
Эксперименты по изучению внутренних напряжений в исследуемых образцах проводились на нейтронном фурье-дифрактометре ФСД на импульсном быстром реакторе ИБР-2 в ЛНФ ОИЯИ (Дубна, Россия) [4, 5], который был создан для исследования внутренних механических напряжений в промышленных изделиях и новых перспективных материалах с применением корреляционной фурье-техники в дифракции нейтронов.
Объектом исследования являлись отрезки готовых изделий (труб) из среднеуглеродистой легированной стали 30ХН2МФА, изготовленные различными методами пластического деформирования материала (волочение, ковка). Так как стенки труб имели переменную толщину, то исследуемые образцы вырезали из начального (то
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.