ИССЛЕДОВАНИЕ  РЕЛАКСАЦИИ  НАПРЯЖЕНИЙ  В  НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ  СТАЛЯХ

Бурлакова  Марина  Олеговна

магистр, 
ВолгГТУ, 
РФ,  г.  Волгоград

E-mail:  marina.225@mail.ru

Гевлич  Сергей  Олегович

ООО  «Экспертиза», 
РФ,  г.  Волгоград

STUDY  OF  THE  STRESS  RELAXATION  IN  THE  LOW  ALLOYED  STEELS

Marina  Burlakova

masters, 
VSTU, 
Russia,  Volgograd

Sergey  Gevlich

OOO  "Expertise", 
Russia,  Volgograd

Аннотация

Научно-исследовательская  работа  посвящена  исследованию  релаксационной  стойкости  низколегированных  свариваемых  сталей.  В  данной  работе  исследована  кинетика  релаксации  напряжений  первого  рода  в  ряде  материалов,  типичных  для  химического  и  нефтяного  машиностроения,  в  условиях,  моделирующих  режимы  послесварочной  термообработки  для  снижения  напряжений.  Настоящее  исследование  показало,  что  наибольшее  снижение  напряжений  в  малоуглеродистых  низколегированных  свариваемых  сталях  происходит  на  стадии  неустановившейся  релаксации,  продолжительность  которой  уменьшается  с  увеличением  температуры  нагрева.

ABSTRACT

The  research  work  devoted  to  the  study  of  the  relaxation  resistance  of  low-alloy  weld  steels.  In  this  work  the  kinetics  of  stress  relaxation  of  the  first  kind  in  a  number  of  materials  typical  chemical  and  petroleum  engineering,  under  conditions  simulating  modes  postweld  heat  treatment  to  reduce  stress.  The  present  study  showed  that  the  greatest  decrease  in  stress  in  low-carbon  low-alloy  welded  steels  occurs  at  the  stage  of  transient  relaxation,  the  duration  of  which  decreases  with  increasing  temperature.

Ключевые  слова:  упругопластическая  релаксация;  сварочные  напряжения;  разупрочнение;  энергия  активации;  термообработка;  сталь;  дислокации.

Keywords:  elastoplastic  relaxation;  welding  voltage;  softening;  activation  energy;  heat  treatment;  steel;  dislocation.

Исследование  релаксационной  стойкости  низколегированных  свариваемых  сталей  представляет  важную  научную  и  практическую  задачу,  поскольку  большинство  сварных  конструкций,  например,  в  химическом  и  нефтяном  машиностроении  подвергают  термообработке  для  снижения  остаточных  сварочных  напряжений.  Согласно  данным  работы  [2],  снижение  напряжений  протекает  в  условиях  простой  упругопластической  релаксации  [1].

В  большинстве  случаев,  исследования  в  области  релаксации  напряжений,  направлены  на  повышение  сопротивления  релаксации  в  конструкционных  материалах  путем  легирования  или  специальной  термообработки  [1;  3].  Применительно  к  условиям  послесварочной  термообработки,  решается  обратная  задача:  при  минимальных  энергозатратах  обеспечить  максимальное  снижение  остаточных  напряжений.  В  данной  работе  исследована  кинетика  релаксации  напряжений  первого  рода  в  ряде  материалов,  типичных  для  химического  и  нефтяного  машиностроения,  в  условиях,  моделирующих  режимы  послесварочной  термообработки  для  снижения  напряжений.

Для  проведения  исследований  использовали  низколегированную  (09Г2С)  и  малоуглеродистую  (20ЮЧ)  стали,  химический  состав  и  некоторые  свойства  которых  приведены  в  таблице  1.  Из  листового  проката  в  направлении  проката  вырезали  пластины  размером  200х30х3  мм.  После  механической  резки  и  шлифования  полученные  заготовки  изгибали  до  получения  подковообразного  профиля,  после  чего  проводили  нормализационный  отжиг  при  930—950  ºС.  Термообработанные  образцы  очищали  от  окалины  и  зачищали  обезуглероженный  слой  в  зоне  максимальной  кривизны.  На  обезжиренную  поверхность  наклеивали  тензорезистор.  После  просушки,  используя  стандартную  мостовую  схему,  снимали  «нулевой»  отсчет.

Таблица  1.

Химический  состав  исследуемых  сталей

Во  всех  испытаниях  начальное  напряжение  составляло  0,9  предела  текучести  исследуемой  стали  в  состоянии  поставки.  Нагруженный  образец  помещали  в  печь  с  заданной  температурой  и  после  термообработки  охлаждали  на  воздухе.  Дополнительно  учитывали  неодинаковое  температурное  расширение  образца  и  струбцины,  догружая  его  на  величину  ∆σ₀,  пропорциональную  величине  термического  расширения. 

Микроструктура  образца  из  стали  09Г2С  до  термообработки  представлена  на  рисунке  1.

Рисунок  1.  Микроструктура  основного  металла  низколегированной  стали  типа  09Г2С  до  термообработки,  увеличение  100

Полученные  релаксационные  кривые  (первичные)  для  исследуемых  сталей  приведены  на  рис.  2.  По  внешнему  виду  они  идентичны  кривым  упругопластической  релаксации  для  материалов,  не  претерпевающих  структурных  изменений  в  исследуемом  интервале  температур  [1].  Кинетические  зависимости  подобного  вида  удовлетворительно  описываются  экспонентой  Максвелла  и  в  двойных  логарифмических  координатах  линеаризуются.  Справедливость  сказанного  подтверждается  данными  рис.  3,  на  котором  представлены  первичные  релаксационные  кривые  в  системе  координат  x  –  ln  τ_в,  y  –  ln  |  -  ln  σ_τ/  σ₀|,  где  τ_в  —  время  выдержки  при  температуре  термообработки. 

Рисунок  2.  Кинетические  релаксационные  кривые  для  сталей  09Г2С  (а)  и  20ЮЧ  (б):  1—4  —  температура  отжига  300,  400,  500  и  650  ºС  соответственно

Характерной  особенностью  полученных  кривых  (см.  рис.  3)  является  наличие  перегиба,  что  свидетельствует  о  двустадийности  процесса  релаксации  в  данных  условиях.  Согласно  данным  работы  [1],  первая  кратковременная  стадия  —  это  неустановившаяся  релаксация,  вторая,  более  продолжительная  —  установившаяся.  Для  этого  периода  характерно  незначительное  изменение  напряжений  во  времени. 

Рисунок  3.  Линеаризованные  кинетические  релаксационные  кривые  (обозначения  —  см.  рис.  2)

Выводы

Таким  образом,  сопоставляя  перечисленные  данные,  отметим,  что  наиболее  эффективное  снижение  напряжений  первого  рода  в  ферритно-перлитных  сталях  09Г2С  и  20ЮЧ  наблюдается  в  области  температур  вблизи  0,5  T_пл  в  течение  1,5—3  ч.  Дальнейшее  увеличение  времени  выдержки  не  приводит  к  заметному  снижению  напряжений.  Более  легированная  марганцево-кремнистая  сталь  09Г2С  оказывается  и  более  релаксационно-стойкой,  что  согласуется  с  выводами,  сделанными  в  работе  [1].  На  основании  результатов  исследований  можно  определить  остаточные  напряжения  после  термообработки  в  интервале  300—700  ºС.  Для  этого  следует  воспользоваться  графиками,  приведенными  на  рис.  3.

Список  литературы:

1. Борздыка  А.М.,  Гецов  Л.Б.  Релаксация  напряжений  в  металлах  и  сплавах.  М.:  Металлургия,  1978.  —  256  с.
2. Винокуров  В.А.  Отпуск  сварных  конструкций  для  снятия  остаточных  напряжений.  М.:  Машиностроение,  1973.  —  213  с.
3. Механизмы  релаксации  в  твердых  телах.  Каунас:  Каунасский  политехнический  институт,  1974  —  364  с.