Как снять остаточное напряжение

Часто в металлической заготовке может иметься внутреннее напряжение, не имеющее внешних сил. Образуется оно при изготовлении заготовки из-за неравномерного охлаждения, например, при ковке, литье и в местах сварки. Остаточное напряжение может вызвать нарушение формы заготовки, из-за чего происходит быстрый износ или деформация детали. Во избежание подобного, в данной статье описаны способы устранения внутреннего напряжения.

Как правило, в заготовке, которая поступает на металлорежущий станок, обычно имеются внутренние напряжения, сохраняющиеся при отсутствии внешних сил, именно поэтому они называются – остаточными.

Остаточные напряжения различаются на:

напряжения первого рода, которые охватывают наибольшую часть заготовки;
напряжения второго рода, которые образуются в микроскопических объемах – кристаллах, зернах;
напряжения третьего рода, которые характерны для ячеек кристаллической решетки.

Во время механической обработки, когда в виде припуска с заготовки удаляется часть металла, совершается перераспределение внутренних остаточных напряжений и их временное равновесие нарушается. При этом основную роль здесь играют именно напряжения первого рода. Характер и величина распределения остаточных напряжений напрямую зависят от конфигурации заготовки, соотношения размеров отдельных элементов, ее габаритных размеров, способа получения исходной заготовки, а также других немаловажных факторов.

Большие остаточные напряжения появляются в исходных заготовках, которые получаются путем литья, ковки, штамповки, из-за неравномерного охлаждения различных элементов заготовки. В сварно-литых, сварно-штампованных или просто сварных конструкциях наибольшие внутренние напряжения зарождаются именно в местах сварки, где непосредственно из-за местного охлаждения и нагрева происходят неоднородные объемные изменения. При этом диффузионные процессы и структурные превращения металла при сварке также способствуют возникновению остаточных напряжений разного рода.

В особо неблагоприятных моментах остаточные напряжения способны вызвать не только существенные нарушения формы заготовки (например, коробление, изогнутость и др.), но и всевозможные трещины.

Срезание поверхностных слоев с металлической заготовки освобождает ранее уравновешенные силы, поэтому остаточные напряжения деформируют саму заготовку. Однако и сам процесс резания тоже служит источником остаточных напряжений, возникающих как результат пластической деформации верхнего слоя поверхности и нагрева зоны резания.

Обычно перераспределение внутренних напряжений совершается не сразу, а постепенно, также постепенно происходит и изменение формы заготовки или готовой детали. На самом деле в практике случаются моменты, когда исходная заготовка, которая получила большие остаточные напряжения, проходит непосредственно именно черновую обработку. Таким образом, деформация заготовки и внутренние напряжения перераспределяются частично. При этом получившиеся искажения формы устраняются, как правило, при чистовой обработке. Готовая деталь, (если конечно она годная) ставится на машину, а через кое-какое время уже при эксплуатации быстро изнашивается, причина этого одна — деформация данной детали, которая произошла после полной ее обработки.

Чтобы не случались такие казусы именно поэтому – устранению внутренних напряжений – необходимо уделять самое основательное внимание. Простейший путь устранения внутренних напряжений — это разделить обработку резанием на несколько этапов, то есть:

на первом этапе выполняется черновая обработка, путем удаления наибольшей части припуска с поверхностей заготовки;
на втором этапе заготовка передается на получистовую обработку;
на третьем этапе изготовление детали заканчивается путем чистовой обработки.

Так как зачастую заготовки обрабатывают партиями: черновая, получистовая и чистовая обработки производятся на разных станках, а в некоторых случаях и в разных цехах, поэтому между этими обработками проходит определенное время. В основном именно за это время и происходит перераспределение внутренних напряжений и соответственно деформация заготовок. Чем больше временной промежуток между обработками (черновой и чистовой), тем естественно и меньше опасность искажения форм готовых деталей.

Естественное старение

Длительное выдерживание заготовки для снятия остаточных напряжений называется – «естественным старением». Сам процесс естественного старения весьма и весьма медленный. Достаточно уточнить, что самая основная часть остаточных напряжений именно в сложных отливках при естественном старении снимается в течение 2-3х месяцев. Однако следует учесть, что даже после указанного срока еще в течение нескольких месяцев оставшиеся напряжения способны воздействовать на форму заготовки.

Многомесячное естественное старение крайне «не» экономично — потому как чрезвычайно затягивается весь производственный цикл, стремительно возрастает объем неготового производства, значительно снижаются оборотные средства предприятия, поэтому естественное старение главным образом применяют исключительно для особо ответственных и дорогостоящих отливок, к примеру, заготовок станин прецизионных станков.

Для того чтобы ускорить процесс перераспределения, а также снятия остаточных напряжений, очень часто старение происходит на открытом воздухе (то есть, резкая смена температуры «дня и ночи» существенно способствует интенсификации процесса старения).

Снятие остаточного напряжения

Для средних или достаточно мелких отливок самым эффективным способом снятия непосредственно внутренних напряжений является так сказать искусственное старение, то есть специальный процесс термической обработки. Отливка помещается в печь доведенную до температуры в 500-600оС, и выдерживается в ней в течение 1-6 часов (чем крупнее отливка, тем соответственно и больше выдержка). Далее печь вместе с отливкой медленно охлаждают таким образом, чтобы абсолютно все части отливки (толстые и тонкие) охлаждались – равномерно. При этом скорость охлаждения должна составлять 25-75 градусов в час. Когда температура отливки снизится примерно до 200-250оС, она вынимается из печи и на воздухе окончательно охлаждается.

Для снятия напряжений, которые были получены при ковке, литье и штамповке, также применяют и отжиг, то есть нагрев до температуры в 400-600оС с выдержкой в 2,5 минуты на 1 мм толщины сечения заготовки, для сварных же заготовок высокотемпературный отпуск выполняется при нагреве до 600—650оС. Также отжигают и заготовки, получаемые из проката стали.

Вследствие значительных пластических деформаций при прокатке непосредственно в поверхностных слоях заготовок формируются существенные растягивающие, а вот во внутренних слоях наоборот сжимающие напряжения. Если же с такой заготовки снимается неравномерный припуск, то, безусловно, из-за перераспределения внутренних напряжений ее форма может измениться. Именно поэтому, к примеру, после фрезерования на валах длинных шпоночных канавок, изготовляемых из проката, могут случаться искривления валов. Для исправления этой кривизны заготовок валов, стержней, длинных планок, осей и прочих подобных элементов правят их исключительно в холодном состоянии. В таком процессе правки происходит упругая, и затем пластическая деформация материала.

Тщательная правка позволяет практически полностью устранить кривизну заготовки, которая вызвана непосредственно действием остаточных напряжений. Однако во время правки в заготовках появляются новые напряжения, что при дальнейшей чистовой обработке (хуже — в работающей машине) данные остаточные напряжения способны достаточно легко вызвать новые искажения формы. Именно поэтому для ответственных деталей применять правку крайне – нежелательно.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Для снятия остаточных напряжений после изготовления сварного промышленного оборудования может применяться термообработка в специальных крупногабаритных печах. Режим термообработки выбирается в зависимости от конструкции изделия и толщины его стенок. [4]

Для снятия остаточных напряжений в соответствии с требованиями ст. 4.4.4 настоящих Правил допускается вместо термической обработки применять другие методы, предусмотренные в нормативно-технической документации, согласованной с Госгортехнадзором России. [5]

Поэтому снятие остаточного напряжения на кабеле после каждой проверки изоляции должно быть обязательным правилом при производстве ПВР на скважинах. [6]

Для снятия остаточных напряжений в конструкциях, в которых не предусмотрено термическое их снятие, остаточные напряжения около сварных швов уменьшаются посредством создания локального поля противонапряжений при гидравлическом испытании. В результате уменьшения остаточных напряжений риск разрушения при определенном уровне действующего внешнего напряжения также уменьшается. [7]

Для снятия остаточных напряжений , предохранения от образования флокенов и размельчения зерна применяют отжиг, а для выравнивания структуры по сечению применяют гомогенизационный отжиг. [9]

Для снятия остаточных напряжений наибольшее распространение имеет последующая термическая обработка ( для сталей при 600 — 680 С), хотя возможно снятие напряжений пробной нагрузкой и другими способами. [13]

Для снятия остаточных напряжений после гибки трубы отжигают при 680 — 700 С. [14]

Для снятия остаточных напряжений образцы после изготовления подвергались дополнительной термической обработке: нагрев в масле в течение двух часов до температуры 310 С, вы держка при этой температуре в течение трех часов, затем охлаждение вместе с маслом. [15]

1.2 Снятие остаточных напряжений

Если остаточные внутренние напряжения рассматривать как нереализованную энергию, введенную в металл за счет внешних механических факторов, а также объемных изменений внутри металла, обусловленных тепловым расширением и развивающимися структурными превращениями, то становится ясным, что снятие остаточных напряжений достигается в результате создания необходимых условий для самопроизвольного использования запасенной упругой энергии на развитие релаксационных явлений. Для этого следует “растормозить” закрепленные дислокации либо придать им дополнительный импульс, позволяющий преодолеть закрепления в плоскостях скольжения. Реализация избыточной упругой энергии принципиально возможна в двух режимах: динамическом либо статическом.

Динамический режим релаксации предусматривает наложение дополнительных импульсных нагружений на упругую систему с помощью вибрации, знакопеременных ударных нагрузок, ультразвуковых колебаний либо путем циклических тепловых воздействий, в том числе с охлаждением до температур ниже 0 С. Импульсные и знакопеременные нагружения способствуют отрыву дислокаций от закрепляющих их атомов примесей, а также к возможному переходу линий дислокаций в другие плоскости скольжения, в связи с чем достигается использование части запасенной упругой энергии на осуществление сдвига дислокаций, что снижает уровень остаточных внутренних напряжений. Однако наиболее эффективным и надежным режимом снятия остаточных напряжений является статический режим, для реализации которого следует понизить величину сопротивления перемещению дислокаций ниже уровня действующих в металле остаточных напряжений. Это достигается в результате нагрева упругодеформированного материала до температур, определяемых составом сплава и его структурным состоянием. Снятие остаточных напряжений может происходить по двум механизмам: сдвиговому и диффузионному.

При реализациисдвигового механизма снятия остаточных внутренних напряжений они начинают снижаться в тот момент, когда при нагреве уровень критического напряжения сдвига, уменьшаясь с ростом температуры, станет меньше величины исходных остаточных внутренних напряжений. Разница значений действующих в металле упругих напряжений и значений критического напряжения сдвига становится движущим фактором релаксации напряжений.

Чем больше эта разница, тем в большей степени снимаются внутренние напряжения, тем больше эффективность процесса отжига, уменьшающего напряжения. При этом реализуется консервативное перемещение дислокаций в своих плоскостях скольжения после исчезновения части закреплений дислокаций узлами дислокационных сеток и различными физико-химическими неоднородностями. Учитывая, что скорость перемещения дислокаций в своих плоскостях скольжения несоизмеримо больше, чем скорость исчезновения закреплений в структуре упругодеформированного материала, кинетика снятия напряжений будет контролироваться скоростью последних. Кривые, отражающие кинетику снятия внутренних напряжений, приведены на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 Кинетика снятия остаточных внутренних напряжений при отжиге, реализующем сдвиговый механизм релаксации при температурах Т₁< T₂ < T₃ и диффузионный при температуре отжига Т₄ < T₁.

Сдвиговая кинетика снятия напряжений характеризуется быстрым уменьшением остаточных напряжений до уровня, близкого к значению критического напряжения сдвига, соответствующего температуре отжига, с последующим очень слабым уменьшением напряжений, уровень которых асимптотически приближается к величине критического напряжения.

При этом, чем выше температура отжига, тем ниже значение критического напряжения и больше эффект снятия напряжений. Характер же кинетики в данном случае не зависит от температуры. В любом случае наблюдается быстрое уменьшение напряжений в начальный момент и дальнейшее очень слабое их уменьшение до уровня критического напряжения сдвига. При этом кинетика снятия и уровень остаточных напряжений после отжига определяются не его длительностью, а температурой нагрева.

Совершенно иной характер кинетики снятия напряжений при температуре отжига Т₄ (рисунок1.1, кривая Т₄), не обеспечивающей уменьшения критического напряжения сдвига ниже уровня исходных остаточных внутренних напряжений.

При этом сдвиговые перемещения закрепленных в своих плоскостях скольжения дислокаций оказываются невозможными, поэтому единственным механизмом релаксации упругих напряжений становится диффузионный механизм, заключающийся в диффузионном переползании дислокаций в поперечном направлении при их взаимодействии с мигрирующими вакансиями. Это диффузионное переползание дислокаций и возможное их частичное сдвиговое перемещение в новых плоскостях скольжения и составляет сущность релаксационных процессов, обеспечивающих уменьшение упругой энергии отжигаемого материала. Поскольку скорость процесса определяется диффузионными явлениями при относительно низких температурах, кинетика снятия напряжений принципиально отличается от кинетики релаксации при сдвиговом механизме. При диффузионном механизме релаксации кинетика снятия напряжений определяется не температурой, а длительностью выдержки (кривая Т₄ на рисунке 1.1), которая достигает на практике нескольких десятков часов, тогда как отжиг, реализующий сдвиговый механизм релаксации напряжений завершается за несколько минут в зависимости от формы изделия и его размеров.

Читать:

Сколько заряжать крону 9 вольт по времени

Снятие остаточных напряжений низкочастотной виброобработкой

В статье описана технология низкочастотной виброобработки, предназначенной для снижения уровня остаточных напряжений в различных конструкциях, позволяющая в ряде случаев отказаться от классической термической обработки. Эффективность метода подтверждена изучением распределения полей остаточных напряжений в различных конструкциях как до применения виброобработки, так и после ее применения.

А.П. Летуновский, генеральный директор ООО «МАГНИТ плюс», г. Санкт-Петербург
А.А. Антонов, д.т.н., профессор кафедры сварки и мониторинга нефтегазовых сооружений РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина, г Москва
О.И. Стеклов, д.т.н., профессор кафедры сварки и мониторинга нефтегазовых сооружений РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина, г Москва

Значительная часть металлоконструкций эксплуатируется в условиях сложного напряженно-деформированного состояния и воздействия природных и технологических сред, вызывающих необратимые физико-химические изменения в металле, снижающие эксплуатационную надежность конструкции.

Рис. 1. Пример дефектов металла, возникающих при содействии остаточных напряжений в металле

Суммарные напряжения от рабочих нагрузок и остаточные технологические в условиях воздействия коррозийно-активных сред в связи с механохимическим эффектом могут повышать скорость общей коррозии и вызывать наиболее опасные виды разрушения – коррозионное растрескивание под напряжением (КРП) и коррозийную усталость (рис.1). Например, около 70 % аварийных отказов магистральных газопроводов России вызваны КРН [1, 2].

По данным Международной ассоциации инженеров — коррозиционистов NACE ущерб от коррозии и затраты на борьбу с ней в США составили 3,1 % от ВВП (276 млрд дол. США). По оценкам специалистов различных стран, эти потери в промышленно развитых странах составляют от 2 до 4 % валового национального продукта. При этом потери металла, включающие массу вышедших из строя металлических конструкций, изделий, оборудования, составляют от 10 до 20 % годового производства стали [3].

Для предотвращения аварийных отказов важными являются оценки уровня остаточных напряжений и разработка технологических методов их устранения.

Для каждого металла и сплава существуют предельные (критические) напряжения, а также ряд других параметров, которые определяют стойкость материала к коррозии. Проблема возникновения остаточных механических напряжений в металле известна достаточно продолжительное время и возникает на каждой стадии изготовления металлоконструкции: проката, резки, рубки, мехобработки, штамповки, вальцовки, сварки, а также раскрое заготовительных и сборочных процессов (Рис.2).

Рис. 2. Пример увеличения внутренних напряжений
в металле на примере создания магистрального трубопровода

В связи с этим возникает необходимость в изучении и применении технологий, способных снизить остаточные напряжения в металле, уменьшая вероятность развития коррозии, предотвращая будущие разрушения еще на этапе строительства или проведения ремонтных работ. Одним из таких методов является низкочастотная виброобработка (НВО).

Сущность способа заключается в создании в сварных конструкциях после сварки переменных напряжений определенной величины с помощью механических вибраторов. Виброобработка осуществляется, как правило, на резонансных или близких к резонансным частотах в течение определенного промежутка времени. В ряде случаев виброобработку применяют взамен термической обработки, что экономичнее примерно в 10 раз, так как она имеет следующие преимущества [4]:

Необходимое для виброобработки оборудование является универсальным для различных конструкций, компактным и мобильным.
Стоимость этого оборудования, а также затраты на его обслуживание и уход за ним относительно невелики.
Процесс снятия напряжений, в том числе сварочных, протекает быстро (максимальное время обработки 50 тонной детали составляет 30 мин.).
Металл и поверхность деталей после обработки не претерпевает заметных физико-механических повреждений (нет окалины, шлака, цветов побежалости и т.п.).

Понижение остаточных напряжений в процессе вибрации достигается в результате сочетания напряжений (вибрационных и остаточных), при определенных значениях которых материал становится пластичным.

Необходимым условием, при котором наблюдается снижение остаточных напряжений, является достижение предела текучести при вибрации сочетанием остаточных и вибрационных напряжений. Предел текучести при циклическом нагружении для некоторых материалов может быть снижен в 2 раза по сравнению с пределом текучести при статическим нагружении, в связи с чем при пульсирующих напряжениях небольшого уровня наблюдается снижение остаточных напряжений. Наибольшее уменьшение остаточных напряжений происходит уже при первом цикле, последующее снижение напряжений происходит менее интенсивно на отрезке до 100 циклов с постепенным затуханием этого процесса при дальнейшем циклическом нагружении.

При проведении работ по снятию остаточных напряжений и изменению напряженно-деформированного состояния требуется обязательных приборных контроль полей остаточных напряжений, картины их распределения в сварных соединениях. Учитывая, что уровень механических напряжений в реальной конструкции может значительно отличаться даже в двух незначительно удаленных друг от друга точках, важно видеть картину напряженного состояния элемента конструкции в целом до и после проведения работ. Своевременный контроль позволяет подбирать требуемые режимы и контролировать качество проведенных работ.

Под термином «разрушение» подразумевают несколько разномасштабных явлений. Это и разделение куска вещества (на два или несколько), и образование и рост трещины в пределах одного элемента микроструктуры (например, в масштабах зерна 10. 100 мкм), и разрыв атомарных связей с образованием новой поверхности в масштабах кристаллической решетки металла. Разрушение – это факт образования микро- или макротрещины. Для зарождения трещины необходим соответствующий концентратор напряжений. Исследование примерно 150 тыс. сварных соединений на 1500 паропроводах ТЭС с макс. наработкой до 200…300 тыс. ч., показало, что в 1103 случаев повреждения отмечаются в сварных соединениях с повышенной концентрацией напряжений.

Для визуализации полей напряженного состояния исследуемой области металлоконструкции нами использовался аппаратно-программный комплекс «Сканер механических напряжений «Комплекс-2.05», основанный на магнитоанизотропии металла.

Данный прибор позволяет получить картограммы распределения параметров напряженного состояния исследуемой области конструкции – в основном металле, сварном шве и околошовной зоне – с представлением информации о наличии напряженных состояний в исследуемой зоне. Результаты документируются в виде картограмм разности главных механических напряжений (РГМН) и коэффициентов концентрации механических напряжений (КМН).

Рис. 3. Внешний вид диагностируемых труб (слева)
и сканера-дефектоскопа «Комплекс 2.05» (справа)

В качестве примера оценки напряженного состояния металла рассмотрим состояние участка трубы заводского изготовления (K65 Ø 1420 с толщиной стенки 40 мм., рис. 3).

На рис. 3 мы показана труба без изоляции с координатной сеткой, подготовленной для дефектоскопии. Проведя замеры, мы получили два вида карт: разности главных механических напряжений (РГМН, цветная градиентная) и концентраторов механических напряжений (КМН, черно-белая).

На карте РГМН (рис. 4) вдоль проекции сварного шва в области линии 9 линии по вертикали наблюдаются неоднородное распределение областей разности главных механических напряжений, которые варьируются от +40 до +30. В зонах от 7 до 9 и от 9 до 12 наблюдается резкое изменение напряженного состояния металла: знак РГМН меняется на противоположный с высоким градиентом перехода до -20 через нулевое значение. На карте КМН (см. рис. 4) в точках <5:8>, <7:4>, а также вдоль горизонтальной линии 9 присутствуют зоны концентраторов напряжений, что в сочетании с высоким градиентом является одним из основных факторов зарождения дефектов.

Рис. 4. Карты РГМН – разности главных механических напряжений
и КМН – концентраторов механических напряжений

В обе стороны сварного шва в зоне изгиба трубы на карте РГМН наблюдаются гармонические повторения напряженности металла, возникновение которых обусловлено деформацией металла во время пошаговой формовки.

На основании выявленных диагностических признаков можно сделать вывод о целесообразности применения способов обработки металла с целью снятия остаточных механических напряжений. При этом главной целью мероприятия должно быть снижение коэффициентов концентрации напряжений, что исключает вероятность возникновения трещин.

Однако, только контроля за распределением параметров напряженного состояния недостаточно, поэтому для получения достоверных данных о величине и направлении главных компонент напряженного состояния был применен метод физического измерения напряжений. В соответствии с ГОСТ Р 52891-2007 он называется методом лазерной интерферометрии.

Метод основан на упругой нагрузке, возникающей в локальной области исследуемого изделия, путем засверловки несквозного отверстия малого диаметра и глубины (2…5 и 1…2,5 мм соответственно). Регистрация возникающих деформаций в области засверленного отверстия проводится бесконтактным методом – с применение спекл-интерферометра. Точность определения деформации таким методом достигает ± 130 нм, что позволяет определить деформации, вызываемые наличием невысоких остаточных напряжений (5% от предела текучести).

В отличие от классического метода трепанации с фиксацией результатов с применением тензодатчиков метод лазерной интерферометрии позволяет получить точные данные по величине, знаку и направлению главных осей напряжений за 10…15 мин (в отличие от нескольких недель для метода трепанации) (рис. 5).