Введение к работе
Методы и средства оценки надежности играют немаловажную роль, поскольку, являясь одной из составляющих качества, она характеризует способность изделий выполнять заданные функции в условиях эксплуатации в течение заданного времени с сохранением определенных свойств Одним из путей повышения надежности является изучение свойств материала и деформационных процессов, происходящих в нем во время эксплуатации и приводящих к разрушению вследствие появления и развития макротрещин
Актуальность проблемы Основным технологическим процессом, применяющимся при изготовлении продукции, в том числе инструмента, является сварка, от которой во многом зависит качество и надежность сварного изделия Несмотря на прогресс в развитии сварочной техники и технологии, в сварных соединениях по ряду причин возникают дефекты различного вида и размеров, приводящие к снижению их работоспособности и долговечности
С одной стороны, оценка градиентных структурно-фазовых состояний, возникающих при различных воздействиях на материал, позволяет определить пути управления структурными и фазовыми превращениями, например, посредством регулирования параметров сварочного процесса, режимов термической обработки и использованием новых ее технологий с целью получения изделий с заданными эксплуатационными свойствами, не содержащих дефектов.
С другой стороны, контроль качества становится все более самостоятельной технологической операцией. Наряду с методами разрушающего контроля использование неразрушающих методов, контролирующих, как правило, всю продукцию, резко повышает ее эксплуатационную надежность, что особенно важно для изделий, работающих в условиях циклических нагрузок и подверженных усталостному разрушению. Исходя из концепции живучести материала, срок службы которого определяется ростом дефектов до критических размеров, можно достичь большого технико-экономического эффекта, используя методы и средства обнаружения усталостных трацин на ранних стадиях их раз-
вития Особенно широкое практическое применение получил акустико-эмиссионный метод. Это связано с тем, что, во-первых, в данном методе используются физические процессы, сопровождающие развитие усталостной трещины и несущие информацию об источнике (трещине), что может быть зафиксировано специальной аппаратурой. Во-вторых, акустическая эмиссия может успешно применяться для обнаружения и оценки параметров усталостных трещин в объектах сложной геометрической формы И, в-третьих, возможность дистанционного обнаружения усталостных трещин, так как генерируемые ими волны напряжений распространяются на значительные расстояния
Цель работы.
1 Повышение качества сварного соединения быстрорежущих сталей путем изменения градиентных структурно-фазовых состояний.
2. Оценка надежности и долговечности стыкового сварного инструмента методом неразрушающего контроля с применением акустической эмиссии
Для реализации сформулированных целей в диссертации поставлены и решаются следующие задачи*
-
Отработать методику и исследовать трещиностойкость стыковых сварных соединений разнородных сталей на основе быстрорежущих.
-
Построить кинетические диаграммы усталостного разрушения и определить критические коэффициенты интенсивности напряжений сталей.
-
Исследовать влияние изменения градиентного структурно-фазового состояния на трещиностойкость и свойства сталей (температурное воздействие, химико-термическая и высокоэнергетическая обработки).
-
Исследовать влияние миграции химических элементов в околошовной зоне сварных соединений.
-
Исследовать возможность применения методов неразрушающего контроля в процессе производства сварного инструмента.
Научная новизна.
1 Исследована трещиностойкость сварных соединений на основе быст-
рорежущих сталей Р6М5 и Р6М5К5. В качестве объекта исследования выбраны заготовки для стыковог^сварного инструмента (причем быстрорежущая сталь являлась его рабочей частью, а стали 45 или У7 - хвостовой) после изотермического отжига:
построены кинетические диаграммы усталостного разрушения и определены критические коэффициенты интенсивности напряжений Кс (Кіс), К„их ;
исследовано влияние миграции химических элементов в околошовной зоне (вследствие диффузионных процессов при сварке) на сопротивление разрушению материала сварного соединения и установлены границы зоны термического влияния с применением метода рентгеноспектрального микроанализа.
2. Изучено влияние изменения градиентного структурно - фазового со
стояния инструментальных сталей на трещиностойкость посредством:
изменения температуры предварительного нагрева (вылеживания) перед закалкой и отпуском быстрорежущих сталей Р6М5, Р6М5К5;
применения химико-термической обработки: азотирования, эпиламиро-вания, нитроцементации (сталей Р6М5, Р6М5К5, 20Х),
химико-термической обработки с применением лазерного излучения (ЛХТО), а также совместно ЛХТО и азотирования (сталь 20),
- лазерной поверхностной обработки стали У10.
3. Исследована трещиностойкость и свойства стали 20X13 и покрытий
систем Fe-Cr-Mn-V-C-B-Si и Ni-Ti после электронно-лучевой обработки.
3. Исследована возможность применения неразрушающего метода контроля с использованием акустической эмиссии в процессе рихтовки заготовок и их сварки.
Практическая значимость.
1 Оценить сопротивление разрушению материала сварного соединения, в том числе сварного инструмента, возможно с помощью кинетических и критических параметров трещиностойкости Результаты проведенных исследований по повышения качества сварных соединений могут быть использованы
при разработке режимов термической обработки;
при отработке параметров сварочного процесса;
при применении новых технологий упрочнения поверхности;
- использование материалов с учетом их трещиностойкости и
трещиноустойчивости.
-
Для расчета параметров трещиностойкости и вывода зависимости Пэ-риса разработана программа на языке TURBO PASCAL V 6.0 с применением корреляционного анализа.
-
Дефекты сварного соединения, являющиеся источником акустической эмиссии, могут быть обнаружены уже в период сварки, что создало возможность внедрения непрерывного контроля продукции в процессе производства, позволяющего корректировать параметры сварки
Реализация результатов. Внедрен неразрушающий контроль стыкового сварного инструмента, основанный на регистрации волн напряжений, создаваемых дефектами сварки Отбраковка заготовок осуществлялась по принципу "годен - негоден" в процессе сварки Ежегодный экономический эффект в связи с экономией быстрорежущей стали составил 15000 руб. (цена до 1991 г)
Исследована треіпиностойкость поверхностно упрочненных углеродистых и легированных сталей и покрытий двух систем с целью повышения работоспособности комбинированного инструмента, а также изыскания возможности применения сталей, альтернативных высокопрочным с точки зрения повышения сопротивления усталостному разрушению
Предмет защиты и личный вклад автора. На защиту выносятся'
-
Результаты исследования влияния режимов термической обработки быстрорежущих сталей сварного инструмента на твердость, трещиностойкость,
-
Результаты исследования влияния химического состава сталей на трещиностойкость сварного соединения;
3. Результаты исследования влияния на трещиностойкость различных видов химико-термической обработки, упрочняющих обработок посредством ла-
зерного и электронно-лучевого воздействия и покрытий разных систем,
4 Результаты исследования, разработка методики и аппаратурное обеспечение экспресс - метода на основе регистрации сигналов акустической эмиссии для определения дефектности заготовок составного инструмента при рихтовке; 5 Результаты исследования, разработка методики, составление технической документации, изготовление и внедрение системы неразрушающего контроля на основе метода акустической эмиссии по определению дефектности сварных швов в процессе сварки.
Апробация работы Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих конференциях, симпозиумах и семинарах: Научно-техническая конференция "Использование современных физических методов в неразрушающих исследованиях и контроле" (г Хабаровск, 1987 г.), Всесоюзный семинар "Пластическая деформация материалов в условиях внешних энергетических воздействий" (г. Новокузнецк, 1988 г ; 1991 г.); Ш зональная научно-техническая конференция "Пути повышения качества и надежности инструмента" (г Барнаул, 1989 г.); Научно-техническая конференция "Ресурсосберегающие методы и средства экспресс-контроля структурно-механического состояния материалов" (г. Пенза, 1990 г.); III и IV Международная конференция "Прочность и пластичность материалов в условиях внешних энергетических воздействий" (г. Новокузнецк, 1993 г.; 1995 г.); II Российско-китайский симпозиум "Актуальные проблемы современного материаловедения" (г. Калуга, 1995 г.); IV Всероссийская конференция "Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц" (г. Томск, 1996 г); Межгосударственная научно-техническая конференция "Развитие теории, технологии и совершенствование оборудования процессов ОМД" (г. Магнитогорск, 1996 г ); Международная конференция "Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений" (г Тамбов, 1996 г); Международная научно-техническая конференция "Структурная перестройка металлургии, экономика, экология, управление, технология" (г Новокузнецк, 1996 г), V
Международная конференция "Актуальные проблемы материаловедения в металлургии" (г. Новокузнецк, 1997 г.); Международная научно-техническая конференция "Проблемы железнодорожного транспорта и транспортного строительства Сибири" (г. Новосибирск, 1997 г.); XIV Уральская школа металловедов-термистов "Фундаментальные проблемы физического металловедения перспективных материалов" (г.г. Ижевск - Екатеринбург, 1998 г); Всероссийская научно-практическая конференция "Металлургия на пороге XXI века' достижения и прогнозы" (г. Новокузнецк, 2000 г, 2005); Международная конференция "Физико-химические процессы в неорганических материалах" (г.Кемерово, 2001 г.), Международная научно-практическая конференция "Проблемы и перспективы развития транспортных систем и строительного комплекса" (г Витебск, 2003 г.); Дальневосточный инновационный форум с международным участием "Роль науки, новой техники и технологий в экономическом развитии регионов" (г. Хабаровск, 2003 г ); П-я Евразийская научно-практическая конференция "Прочность неоднородных структур" (г Москва, 2004 г.); Научно-практическая конференция " Электрификация металлургических предприятий Сибири" (г. Новокузнецк, 2004 г.)
Публикации Результаты, изложенные в диссертации, опубликованы в 52 печатных работах в центральных журналах и сборниках, из них 13 статей.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, выводов и приложений. Изложена на 187 страницах, содержит 51 рисунок, 11 таблиц, список литературы из 132 наименований.
