СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ Российский патент 1996 года по МПК C21D8/00 

Изобретение относится к термообработке, а более конкретно к термомеханической обработке, и может быть использовано для повышения работоспособности любых изделий из металлов или сплавов (далее материалов).

Известен способ термомеханической обработки для получения высокопрочных материалов и, следовательно, для повышения работоспособности изделий из них (см. а.с. N 212309, С 21D 8/00, 1968).

Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ, включающий создание напряжений, противоположных по знаку эксплуатационным, путем приложения нагрузки заданной величины (Э.Гудремон "Специальные стали", т.1, 1959, стр.35).

Согласно настоящему изобретению предлагается "приспособить" материал изделия к наиболее тяжелым условиям и особенностям его дальнейшей эксплуатации. Для осуществления такой приспособляемости программно изменяют структуру материала, повышают его прочность и пластичность, а также дополнительно к этому аккумулируют в новой структуре запас энергии в виде размещенных внутренних стабилизированных напряжений для наиболее эффективного противодействия тому спектру статических, динамических силовых (например, механических, магнитных, электростатических) и не силовых эксплуатационных воздействий (например, химических, электрических, акустических, рентгеновских и других видов излучений), которые оказывают наибольшее большее влияние на повышение и длительность работоспособности изделия, путем изменения, например, структуры его материала.

Практически указанная цель достигается тем, что исходную изотропную структуру материала изделия, находящуюся без внутренних для хаотично направленных напряжений, преобразовывают в анизотропную предварительно напряженную структуру с программно размещенными ориентированными и стабилизированными как структурой с ее особенностями (размером, формой, направлением зерен), так и внутренними напряжениями, которые по месту приложения, форме, величине скорости их изменения и иных показателей (конструкции изделия, его геометрии, размеров) должны быть полной и/или частичной имитацией тех наиболее опасных эксплуатационных напряжений и/или других изменений, которые будут возникать при последующей работе конкретного изделия, его транспортировке и хранении.

Осуществляется это тем, что исходную изотропную структуру изделия подвергают согласно выбранной или разработанной термо или термомеханической обработке для конкретного материала нагреванию с программным влиянием на его объем статических, динамических сил и/или других не силовых воздействий, которым будет нагружаться изделие в последующей эксплуатации. Эти воздействия также должны полностью или частично имитировать подобные наиболее опасные эксплуатационные силы и другие не силовые воздействия с последующей их стабилизацией или изменением по заданной программе. В конце таких технологических операций в отличие от известных программно созданные в материале внутренние напряжения не снимают, так как конкретную конструкцию изделия, изготовленную из конкретного материала, "приспосабливают" для работы в условиях конкретной эксплуатации. Однако в зависимости от особых требований к изделиям иногда целесообразен отпуск.

Согласно предлагаемому способу можно осуществить поставленную цель и, следовательно, в разной степени повысить работоспособность изделий в течение как полного технологического цикла, состоящего из двух и более стадий (нагревания, охлаждения, отпуска, химического воздействия и т.д.), так и его части (например, охлаждения или охлаждения с последующими процессами).

На стадии нагревания с одновременным влиянием на исходный изотропный материал статическими и/или динамическими силовыми и/или другими видами воздействий изменяется его структура разрез, форма, ориентация зерен в пространстве и другие показатели в соответствии с величиной, направлением и особенностью указанных воздействий, т.е. образуется анизотропная программно расположенная структура. Помимо этой новой структуры происходит в материале аккумуляция энергии, т. е. создаются еще внутренние напряжения, которые по величине и характеру изменения соответствуют при отсутствии у изделия кассеты величине прочностных показателей материала во время его нагрева. Анизотропная предварительно напряженная структура, созданная в соответствии с величиной и характером наиболее опасных эксплуатационных воздействий, должна быть застабилизирована на стадии охлаждения (закалки) до завершения термообработки.

На стадии охлаждения (закалки) с целью дальнейшего увеличения уровня аккумулированной энергии в виде внутренних напряжений, созданных на стадии нагревания, т.е. на базе новой анизотропной структуры, силовые и другие воздействия продолжаются до конца термообработки с величиной, также соответствующей при отсутствии у изделия кассеты прочностным показателям материала во время его охлаждения до конца термообработки.

На остальных стадиях термообработки для дальнейшего повышения уровня стабилизации анизотропной предварительной напряженной структуры силовые и другие воздействия продолжаются с величиной прочностных показателей материала на этих стадиях.

На всех указанных стадиях возможно превышение величин воздействий на материал до получения пластической деформации, например, 1% Возможно также создание комбинированных анизотропных и/или изотропных показателей.

Таким образом, на стадии нагревания с силовыми и другими воздействиями создают в основном анизотропную структуру и первый этап внутренних напряжений, а на второй стадии (стадии охлаждения) создают уже в новой анизотропной структуре основную величину анизотропных внутренних напряжений.

Возможно упрочнение материала без первого этапа, т.е. на стадии охлаждения и других остальных, однако достигнутый при этом уровень прочностных воздействий будет существенно ниже.

Особенность достижения высокой работоспособности изделия по предлагаемому способу состоит в создании в объеме его материала двойного противодействия внешним силовым воздействиям: во-первых, противодействия благодаря созданию в изделии предварительных внутренних напряжений, направленных в процессе работы изделия противоположно внешним воздействиям, удельная величина которых σ_прикл на площади изделия S равна , где R_прикл силовые воздействия, прилагаемые к изделию в процессе его термосиловой обработки, во-вторых, противодействия благодаря сопротивляемости анизотропного материала, определяемой его прочностью, т.е. пределом прочности. Таким образом, общий показатель прочности или сопротивляемости предварительно напряженного материала σ_o будет слагаться из двух составляющих:
σ_o= σ_прикл+σ_в. (1)
В таком материале при работе изделия энергия внешних силовых воздействий будет расходоваться прежде всего на преодоление предварительных внутренних напряжений и после их обнуления на преодоление сопротивляемости материала, т.е. его прочности. При отсутствии у изделия кассеты σ_прикл должна находиться в пределах σ_в при температуре Т (σ_прикл≅σ_в). Поэтому предлагаемый способ позволяет теоретически получить почти двукратное увеличение предела прочности материала без кассеты и более при наличии кассеты.

Аккумулирование энергии, т. е. создание стабилизированных внутренних напряжений, происходит, естественно, с потерями μ. Величина этих потерь зависит от состава материала, его структуры, совершенства термосиловой обработки, импульса силы и других причин.

Для создания внутренних напряжений, соответствующих эксплуатационному уровню, величины силовых и других воздействий в процессе термосиловой обработки должны быть увеличены на величину по сравнению к эксплуатационными R_э, т.е.

Вторая особенность повышения работоспособности изделия состоит в создании программного сочетания высокой прочности и пластичности материала. Достигается это тем, что высокая прочность создается не равномерно по всему объему изделия, а только в тех зонах, которые в дальнейшем будут подвергаться силовым и/или другим воздействиям в соответствии с эксплуатационными. Причем уровень упрочнения материала зависит от особенностей этих воздействий от их величины, формы, скорости изменения, места приложения и т.д. Чем выше величины силовых и других воздействий, тем прочнее и более стойкое будет в этом локальном объеме изделие и наоборот. Все остальные, т.е. ненагруженные (ненапряженные) или малонагруженные (малонапряженные), зоны изделий останутся пластичными или более пластичными, чем нагруженные примерно в обратно пропорциональном соотношении.

Для повышения работоспособности изделий в случае воздействия на них статических или медленно меняющихся эксплуатационных нагрузок вполне достаточным является выполнение условия превышения или равенства потенциальных силовых или других возможностей материала R_пот.м противостоять эксплуатационным воздействиям R_э, т. е. когда R_пот.м ≥ R_э или для единичной площади σ_в≥ R_уд.э (σ_в предел прочности материала, R_уд.э удельная эксплуатационная нагрузка).

Для случая ударных и быстро изменяющихся нагрузок выполнение такого условия является необходимым, но не достаточным фактором. Объясняется это тем, что прочностные возможности материала σ_o противостоять эксплуатационных силовым воздействиям R_уд.э появляются не мгновенно, а спустя некоторое время τ, в течение которого они возрастают до минимальной величины. Длительность этого времени зависит от состава материала, его структуры, величины эксплуатационного воздействия, быстроты его изменения и ряда других причин.

В этом случае весьма важно, чтобы быстрота изменения R_пот.м, т.е. его потенциально возможный импульс силы R_пот.мdτ, превышал или был равен импульсу силы R_э, т.е. R_пот.мdτ ≥ R_эdτ.. Для единичной площади с учетом (1)
σ_odτ ≥ R_уд.эdτ.
Приведенное выражение является вторым непременным условием повышения и достижения длительной работоспособности изделия, включая случаи быстропротекающих процессов.

Таким образом, универсальность предлагаемого способа состоит в том, что он пригоден практически для всех материалов и изделий, а также для всех видов технологических обработок и нагрузок.

Пример. Пластины размером 100х100х1,5 из сплава Х14Н14СВ2М перед высокотемпературной термомеханической обработкой (Т>Ас₃) и в ее процессе подвергались серии ударных воздействий конусом массой 0,01 кг, скорость в момент удара 300 м/сек. В зависимости от изменения температуры нагрева пластин изменилась и R_прикл в виде импульса силы, оставаясь в пределах прочностных показателей сплава. В используемом технологическом устройстве (электронагрев, закалка пластин в масле) коэффициент μ составлял 0,28. Поэтому R_прикл по сравнению с R_э в соответствии с формулой (1) была увеличена в 1,4 раза с последующим фиксированием максимальной величины до конца закалки.

Технологическая обработка пластин по предлагаемому способу позволила увеличить долговечность, т.е. количество ударов по ним, в 8-10 раз, до появления трещин.

Изобретение относится к технологической обработке, а более конкретно к термомеханической, и может быть использовано для повышения долговечности любых изделий из металлов или сплавов (даже материалов). Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ, включающий создание напряжений, противоположных по знаку эксплуатационным, путем приложения нагрузки заданной величины (см. Э.Гудремон "Специальные стали", т.1, 1959 г., стр.351). Недостатком указанного способа является отсутствие универсального подхода для определения величины прикладываемой к изделию нагрузки. Указанная цель достигается тем, что в технологический процесс вводится понятие коэффициента потерь энергии (т. е. учет его величины) в процессе преобразования прикладываемой к пластине нагрузки в стабилизированные внутренние напряжения, в деформацию изделия либо в изменение структуры материала. Предлагается силовую (механическую, магнитную, электростатическую) и/или не силовую (химическую, электрическую, акустическую, рентгеновскую, радиоактивную) нагрузку прикладывать величиной больше рабочей в соответствии с формулой , где R_прикл - прикладываемая нагрузка, μ - коэффициент потерь прикладываемой энергии; R_э - эксплуатационная или заданная нагрузка. 4 з.п. ф-лы.

1. Способ повышения долговечности изделий, включающий создание напряжений, противоположных по знаку, эксплуатационным путем приложения нагрузки заданной величины, отличающийся тем, что нагрузку прикладывают величиной больше рабочей в соответствии с формулой

где R_{п р и к л} прикладываемая нагрузка;
μ коэффициент потерь прикладываемой энергии;
R_э эксплуатационная или заданная нагрузка. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрузку прокладывают в процессе термомеханической обработки. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрузку прикладывают в процессе термической обработки. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что прикладывают механическую, магнитную или электростатическую нагрузку. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрузку прикладывают путем воздействия химических, электрических, акустических, рентгеновских или других видов излучения.