СУДОСТРОЕНИЕ
ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ГОРЯЧЕЙ ГИБКИ БАЛОК ИЗ ПОЛОСОБУЛЬБОВОГО ПРОФИЛЯ
Н. Р. Варгасов, канд. техн. наук, Н. А. Пестов (Севмашвтуз),
В. Ф. Соколов, докт. техн. наук (СПбГМТУ) удк 621.778.23
^Д
Производственный опыт «Севмаш-предприятия» показывает, что механические свойства заготовок для кольцевых ребер жесткости из полособульбового профиля часто не соответствуют требованиям технических условий (ТУ). Например, в разные периоды более 30% заготовок имели ударную вязкость ниже требований ТУ. Кроме того, при холодной правке и «подгибке» иногда наблюдались случаи хрупкого разрушения заготовок.
Технологические операции по изготовлению заготовок из полособульбового профиля обычно осуществляются в такой последовательности: горячая прокатка профиля из слитков электрошлакового переплава; нормализация проката; горячая гибка-прокатка с нагревом токами высокой частоты; закалка заготовок; отпуск; правка и «подгибка» заготовок при комнатной температуре.
Известно, что возникающая при гибке пластическая деформация может приводить к структурным изменениям стали и, как следствие, к изменению комплекса механических свойств [1]. В этом случае проблему оптимизации технологических параметров гибки можно решать, используя в качестве критерия выбора конкретных тем-пературно-скоростных условий эффективность диссипации энергии [2].
Сущность данного подхода заключается в рассмотрении обрабатываемого материала как диссипатора (рассеивателя) энергии, подводимой к технологической системе. Диссипация энергии происходит по двум направлениям: при пластической деформации часть энергии превращается в тепло, а часть, благодаря физическим процессам, происходящим в металле при нагреве и деформации, рассеивается.
При заданных температурно-скорост-ных условиях деформирования энергию, затраченную на деформацию в единицу времени, можно записать как
е о о • е = 1о • dе + !е • d о ,
(1)
В выражении (1) первый интеграл представляет собой превращенную в теплоту энергию деформации, второй выражает диссипацию энергии через динамические изменения структуры материала.
Зависимость напряжения течения от скорости деформации можно выразить как о = А • вт (где т — показатель скоростной чувствительности материала; А — константа). Подставив это выражение во второй интеграл формулы (1), можно найти составляющую диссипации энергии которая учитывает динамические изменения структуры:
о
J = !ё • d о = оё • т/(т + 1) .
Показатель скоростной чувствительности т может принимать значения от 0 до 1, поэтому ] будет максимальной при т = 1, т. е. в том случае, когда материал ведет себя как идеально вязкое тело:
.тах о
ё /2 .
Если от абсолютного значения ] перейти к отношению ./.тах, то получим эффективность диссипации энергии (п):
П = ./.тах= 2т / (т + 1) .
(2)
где о — текущее значение напряжения в материале (напряжение течения); в — скорость деформации.
На основании проведенных исследований закономерности изменения эффективности диссипации энергии при изменении температуры и скорости деформирования судостроительной стали были разработаны рекомендации по оптимизации технологических параметров горячей гибки полособульбового профиля.
Лабораторные исследования. Образцы, вырезанные из полки полособульбового профиля, имели длину рабочей части 30 мм и диаметр 6 мм. Их подвергали испытаниям на растяжение при различных скоростях и температурах, которые проводились на установке 11ЕМ 30 (Sh¡mаdzy). Испытывались по три образца для каждого значения температуры и скорости деформации. На основании полученных диаграмм растяжения (сила — деформация) были построены диаграммы
СУДОСТРОЕНИЕ
ТЕХНОЛОГИЯ СУДОСТРОЕНИЯ И МАШИНОСТРОЕНИИ
Таблица 1
Эффективность диссипации энергии для деформации 0,05 при различных температурно-скоростных условиях деформирования
Температура деформации, Эффективность диссипации энергии при скорости деформации е, с-1
оС 10"4 10"3 10-2 10-1
720 760 800 840 880 920 960 1000 1040 0,18 0,24 0,21 0,136 0,114 0,109 0,097 0,091 0,076 0,125 0,26 0,217 0,146 0,118 0,116 0,102 0,097 0,106 0,176 0,2 0,19 0,176 0,141 0,146 0,149 0,16 0,17 0,136 0,149 0,154 0,16 0,167 0,196 0,198 0,206 0,198
Таблица 2
Показатели пластичности 8 и V при различных температурах и скорости деформации 10-3 (с-1)
Показа-
Температура деформации, оС
тель 720 760 800 840 880 920 960
п 0,185 0,26 0,217 0,146 0,118 0,116 0,102
8, % 50 56 40 22 18 20 23
V, % 52 60 30 18 16 20 30
истинных напряжений, определены напряжения течения при деформациях 0; 0,05; 0,1; 0,2 и рассчитана по формуле (2) эффективность диссипации энергии в зависимости от температуры и скорости деформации. Результаты расчета приведены в табл. 1.
Анализ полученных результатов позволяет выделить следующие особенности эффективности диссипации энергии:
в интервале температур фазового превращения (720...840 оС) с увеличением скорости деформации эффективность падает. Это свидетельствует о том, что основным механизмом диссипации энергии является ферритно-аустенитное превращение, т. е. диффузионный процесс, требующий длительного времени;
в интервале температур аусте-нитного состояния (880...1040 оС) с увеличением скорости деформации эффективность диссипации энергии увеличивается, т. е. в данном температурном интервале она происходит за счет динамической рекристаллизации аустенита;
максимальное значение эффективности диссипации энергии наблюдается при температуре 760 оС и е = 10"4...10"3 с-1;
наблюдается устойчивая корреляция между уровнем диссипации энергии и показателями пластичности (табл. 2).
Натурные испытания. Для проверки предположения о связи между конечными механическими свойствами стали и уровнем эффективности диссипации энергии во время горячей деформации были проведены исследования влияния температуры гибки на механические свойства балок после гибки и термообработки. Для повышения достоверности результатов гибке подвергали балки из стали различных плавок. Испытания на растяжение и ударную вязкость проводили на шести разрывных и двенадцати ударных образцах. Гибку осуществляли по принятой на «Севмаш-предприятии» технологии при температурах 760, 960 и 1060оС.
Результаты механических испытаний балок из полособульбово-го профиля после гибки при различных температурах и после термообработки представлены в табл. 3.
Анализ влияния температуры гибки на механические свойства ба-
лок с низкой пластичностью показал, что прочностные характеристики и От балок, согнутых при температуре 760 оС, на 3...5% выше, чем при 960 оС. Несмотря на это они находятся в пределах требований ТУ. После гибки при 1050 оС прочностные характеристики повысились по сравнению с согнутыми при 760 оС на 20...25%. После гибки при 760 и 960 оС пластические характеристики стали не только не имели существенных различий, но и процент брака был приблизительно одинаковым (около 6%). При 1050 оС более половины испытанных образцов не удовлетворяли требованиям ТУ по пластичности (8 и V).
Наиболее чувствительной к температуре гибки оказалась удар-
ная вязкость стали: при 760 оС был получен наименьший процент брака по ударной вязкости (15%), при 960 оС - 27%, а при 1060 оС -78%. Средние значения ударной вязкости материала балок, согнутых при 760 оС, в 1,3...1,5 раза превышали ударную вязкость при 960 оС и в 1,8...2 раза - при 1050 оС. Кроме того, после гибки при 960 оС наблюдался большой разброс значений ударной вязкости по сечению балки с уменьшением ее в центре сечения.
Результаты зависимости ударной вязкости от температуры деформации схожи с данными, приведенными в работах [3, 4], в которых, в частности, отмечено, что у стали марок 12МХ, 10, Ст3, а так-
Таблица 3 Влияние температуры гибки на механические свойства судостроительной стали после гибки и термообработки на категорию прочности
Температура гибки, оС Образцы, соответствующие требованиям ТУ по следующим свойствам, %
Ов От 8 V Ян
760 960 1050 Примечание. нателе — для высь 100/100 100/90 100/— В числителе ией. 100/100 100/90 100/— риведены значе 100/100 100/100 42/— ния для низшей 94/100 94/100 67/— категории про 85/100 73/90 22/— чности, в знаме-
6 Судостроение № 3, 1999 г.
ТЕХНОЛОГИЯ СУДОСТРОЕНИЯ И МАШИНОСТРОЕНИЯ
СУДОСТРОЕНИЕ 3'1WV
же у чистого железа наибольшие значения ударной вязкости наблюдались после деформации при 720...770 оС.
На основании проведенных исследований можно сделать следующие заключения:
1. Снижение температуры гибки до 740...760 оС улучшает пластические характеристики стали, не снижая при этом прочностные характеристики; повышает ударную вязкость спецстали в 1,3...1,5 раза по сравнению с ее значениями, полученными после гибки при 960 оС; обеспечивает получение
требуемой ударной вязкости по всему сечению профиля, в то время как при 960 оС наблюдались провалы ударной вязкости в центре сечения.
2. Повышение температуры гибки до 1050 оС отрицательно сказывается на пластических и ударных свойствах материала.
3. Эффективность диссипации энергии может быть использована в качестве критерия оптимизации температурно-скоростных параметров технологического процесса гибки кольцевых ребер жесткости.
Литература
1. Влияние пластической деформации на структуру и механические свойства стали 15Х2НМФА/ Т. В. Охрименко, А. Л. Чупра-ков, П. С. Рябов, В. В. Бобков//Металловеде-ние и термическая обработка металлов. 1988. № 6.
2. Venugopal S., Mannan S. L. and Prasad Y. U. R. K. Optimization of Hot Workability in Stainless Steel Type AISI304L Using Processing Maps// Met. Trans. 1992. Vol. 23A. P. 3092-3102.
3. Суровцев А. П., Суханов В. Е. Деформируемость стали 12МХ в интервале температур полиморфных превращений//Металловеде-ние и термическая обработка металлов. 1987. № 1.
4. Суровцев А. П., Суханов В. Е., Бакланова О. Н. Структура и свойства низкоуглеродистых сталей и железа после деформации в условиях сверхпластичности//Металловедение и термическая обработка металлов. 1987.
СНИЖЕНИЕ ВИБРАЦИОННОЙ ОПАСНОСТИ ПНЕВМАТИЧЕСКИХ РУБИЛЬНЫХ МОЛОТКОВ
С. В. Горин, канд. техн. наук (ПО «Северное машиностроительное предприятие»)
На судо
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.