Способ упрочнения труб и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК C21D7/02 

Изобретение относится к металлургии, a именно к обработке металлов давлением, и может быть использовано при упрочнении и изготовлении труб, преимущественно холоднодеформирован-; ных.

Цель изобретения - повышение Э(|)фектионости упрочнения материала трубы путем одновременного увеличения ripe- . дела прочности и предела текучести при сохранении или увеличении ее предельных деформаций.

На фиг. 1 представлена диаграмма нагружения трУбы растягивающими усилиями в осевом (z) и окружном (М) направлениях; на фиг,2 - диаграмма испытаний неупрочненной (кривая l) и упрочненной (кривая 2) труб при повторном нагружении; на фиг.З - - предельная область допускаемых повторных нагружении трубы в координат х б ; на фиг.4 - устройство для осуществления предлагаемого спосба по одной из возможных схем нагружения. Диаграммы на фиг.1-3 поясняют одну из возможных схем реализации пред лагаемого способа упрочнения, осу- . ществляемого в следующей последовательности. Tpytiy нагружают осевой нагрузкой до поя1вления и развития пластических сдвигов на площадках б б«&z-ff Т,а« - J-- и V -2 (на фиг.1 прямая ЬЛ). Дальнейшее нагружение трубы осуще ствляют за счет внутреннего избыточ ного давления в успобиях двухосного растяжения (7,бЧ О,Д6«f 2ftб ) (на фиг.1 прямая АВ). Эти нагружения приводят к частичной разгрузке с упрочнением материала на площадках скольжения Т42 дальнейшим пластиче ским деформациям на площадках скольжения TI и появлению и развитию пластических.деформаций на площадках скольжения ,. 61,-бг. . Тв:5 ,.;--., . . После такого нагружения трубу пол ностью разгружают. Эффект упрочнения заключается в том, что догружение трубы с частично рззгрузкой в направлении Т42вызывает восстановление упругой зависимости второго главного напряжения от соответствукйЦей деформации ку , Уве личениё (вплоть бр упругого) касательного модуля (угла наклона) кривой 6|()благодаря чему кривая 2 располагается выше кривой 1 (фиг.2 Такое сложное нагружение приводит к увеличению .Предела текуЧести 6 и предела прочности 6 материала тру бы при сохранении и увеличении предельных деформаций () Повышение величины 6V, Э в имеет ме сто в области (1), ограничен2(fif ной абсиИссой 6|( и прямой 9г (фиг.З). Упрочнение материала осущеСтвляется за счет того что на одной из систем площадок скольжения создается частичная разгрузка с упрочнением в одном из направлен1 й предвармтеЛьного пластического деформирова ния (эта система площадок не вносит в слайа в дальнейшее пластическое де124 формирование), а на другой - дальнейшее активное догружение. Эти догружения приводят к появлению и развитию пластических сдвигов на третьей системе площадок скольжения. После такого последовательного наложения пластических сдвигов на всех трех системах площадок скольжения материал трубы разбивают площадками скольжения на блоки, имеющие форму неправильных октаэдров/ грани которых ориентированы вдоль главных направлений тензора напряжений. При повторных нагружениях упрочненной трубы со-противление пластическим сдвигом ни площадках скольжения становится различным по величине. Т.е. при последовательных нагружениях и разгружеПИЯХ по, отмеченным площадкам скольжения изотропный мatepиaл трубы превращается в анизотропный. Желательная для конкретных условий работы трубы анизотропия прочностных свойств ее материала (ffIf , вг и т.д.) достигается за счет изменения последовательности нагружений по площадкам скольжения. Устройство для осуществления спо-г соба в ключает в себя цилинд) 1с Крышками 2и 3, герметично закрывающими цилиндр 1. с обоих концов с помощью манжет (и 5. В крышках 2 и 3 размещены уплотнения 6 и 7 подвижной оправки 8, пропущенной через цилиндр 1. Одинконёц упрочняемой трубы 9 предварительно обжат на оправке 8, пропущен через уплотнение 6 и воАоку 10, размещенную в цилиндре Л, coepit He с оправ.кой В с помощью гайки 11. Другой конец трубы 9 герметично манжеты 12 соединен с Поршнем 13, герметично и скользяще через манжеты 1 и/соеди 1ен с оправкой 8. Для нагнетания жидкости в цилиндре 1 выполнены каналы 13. Полости А и Б цилиндра 1 сообщены между собой каг налами 1б. В процессе волочения устройство размещается на опоре 17, способной воспринимать усилие. Устройство работает следующим образом. Через каналы 15 в цилиндр 1 нагне-, Тается жидкость. Нанжеты b и 7 и крьяики 2 И- 3 обеспечивают герметичность цилиндра, а манжеты 12 и 14 герметичность соединения оправки 8 с трубой 9 и поршнем 13. Через канал 16 полости А и Б цилиндра 1 еоо&щаются и давления в них уравновешиваются. За счет избыточного давления жидкости в полости Л труба 9 испытывает сжимающие окружные и oteвые напряжения, а в полости 5 - ради альные. Величина давления подбираетс такой, чтобы материал трубы 9 полностью перешел в пластическое состояни При осевом перемещении оправки 8 за счет усилия Q труба 9 пропускается через волоку 10, где она калибруется по внутреннему и внешнему диаметрам. После труба 9 в полости Б дав лением жидкости прижимается к оправк и вместе с ней пропускается через ма жеты и крышку 2. Для получения чисто поверхности трубы и наибольшего эффекта упрочнения ее материала угол наклона конусной поверхности волоки принимается в пределах . При этом цилиндр 1 опирается на опору 17 Пример, Инструментально реги стрируют величины Hiaгрузок и напряже ний в осевом (Р, кг, кг/мм) и в окружном tQ, кг/см, , кг/мм) направлениях и соответствующие деформации трубы f ги (осевое удли нение и изменение диаметра;, напряжения на площадках скольжения рассчи тывают по формулам: . 6 4-СГа - Т ° -2 (Уа-вэ . при упрочнении в окружном направлении ( 6ij бг ) . Sz -б-г Тч. - Тез -.--. при упрочнении в осевом направлении (z ® ) «f-5г SZ-GV -J--, е бг Упрочнение осуществляют в следующей последовательности. Трубу нагружают только осевой рас тягивающей силой PJ пока напряжения -бг не превышают предел текучести на 10-15%. (б-г 28,07 кг/мм). Пласти2ческие деформации возникают на площадках и При постоянных осевых напряжениях (бГ const) трубу нагружают внутренним избыточным давлением Q, пока окружное напряжение « не превышает осевое z. и Становится равным, 0,8-0,5 б (где №0 - предел прочности), Sz 28,07 кг/мм ,if « t8,00 кг/мм. Пластические деформации продолжают развиваться на площадке , на площадке Тез возникают и развиваются, а на площадке Т4г. происходит разгрузка. , Пои постоянных осевых напряжениях ( conBt) трубу разгружают от внут- реннего давления (Q « 0). Пластические деформации имеются на площадках Трубу снова нагружают внутренним давлением так, чтобы приращение напряжения в окружном направлении было / в 2 раза больше, чем в осевом 2Авт.).. Нагружение прекращают в момент -достижения предела прочности ма териала трубы. Трубу разгружают от избыточного давления, а затем - от осевой растягивающей силы. Положительный эффект упрочнения оценивают по результатам сравнительных испытаний упрочненных и неупрочненных (в состоянии поставки) труб при осевом растяхсении и при сложном нагру-.. жении осевой силой и внутренним давлением (-г.- , условия чистого сдвига). При волочении труб .(известный способ) их материал подвергают пластическому деформированию непосредственно в волоке в окружном, радиальном и осевом направлениях, а сразу после волоки - осевому растяжению в преде ах упругости. Простое наГружение, которое реализуется в трубе при волочении по указанному способу, может приводить к повышению предела текуести материала при сохранении преде- а прочности и уменьшении предельных еформаций (явление наклепа) Упрочнению подвергают стальные, едные, циркониевые трубы, постав- яемые заводами-изготовителями и выолненные по стандартной технологии. Получены, следующие результаты. 1. Стальные трубы. Сталь 12ХНЗА. Прочностные характеристики неупрочненных труб: предел текучести (бт) 370 НПа7 предел прочности (ve) 522 МПа; предельная деформация (е) 8,5%, Программа нагружения: осевое напряжение () 20 НПа ( 1,13&т ) окружное напряжение (%) 443 МПа (e-i/ 0,8550в). Прочностные характеристики упрочненных труб предел текучести (бт) ;МПа, предел прочности (50) 67 МПа, предельная деформация (в) 17,2%. . Достигнутое упрочнение труб харак теризуётся увеличением предела текучести (&г) на 29,, предела прочности (о) - на 29 1%, предельных дефо маций (её) - на 102%. Сталь ХВГ. . ПррчнЬстные характеристики неуп-. рочненных труб: предел текучести , (т) 373 НПа; предел прочности () 6Э7 МПа, Предельная деформация (р) Л,7%. / Пpoгpa Aмa нагружения: осевое напряжение (g) 17 МПа (. в 1,12&7К окружное напряжение (} 592 МПа ($-1 1,856-е). Прочностные характеристики упрочненных труб: предел текучести () 677 МПа, предел прочности () (820890) МПа; предельная деформация (0) 5-6%. Достигнуто увеличениеО т на 8|,5%; 0 - на 2f,8%: 5в- на 23%. 2. из цветных металлов; Титановый Сплав 38. Прочностные характеристики неупрочненных труб; предел текучести (бу) 620 НПаi предел, прочности () 720 НП предельная деформация (в) . Программа нагружения: осевое напряжение (бг) 682 НПа, (Si 1,1%); окрукжоё напряжение (е)б12 НПа .(« о,85е-б). Прочностные характеристики упроч.ненных труб: предел текучести (&г) 680 НПа J предел прочности (в) 860 НПа, предельная деформация (р) 7-9%. Достигнуто увеличение ffr на 9,6%j - на 19,А%; е-- на 77,7%. Циркониевый сплав Zr - 1% Nb. Прочностные характеристики неупрочненных труб: предел текучести () 243, МПа, предел прочности 2 533 МПа; предельная деформация (g) 5,53%. Программа.нагружений осевое напря)хение (в- 280 fiha (2- 1,), окружное напряжение ( НПа. ( 0,96-. Прочностные характеристики упрочненных труб: предел текучести (бч) 502 МПа; предел прочности (5fi) 589 НПа, предельная деформация (g) 8,91%. Достигнуто увеличение бт на 10б%, бв - на 10,5%; 9- на б1,1%. Таким образом, предварительный перевод материала трубы в пластическое состояние при сжатии в окружном и осевом направлениях внешним : избыточным давлением, волочение на подвижной оправке, а затем внбвь радиальное нагруженйе внешним избыточным давлением и серое растяжение трубы позволяют повысить пределы текучести и прочности ее материала : с сохранением или повышением величины предельных деформации, ф о р мул а и 3 обретен и я, 1.Способ упрочнения труб, вклю-| чающий нагруженйе трубы в осевом, , окружном и радиальных направлениях с переходом ее материала в пластиче- , ское состояние и последующее разгружение, отличающийся тем, что,, t целью увеличения предела текучести и предела прочности, трубу вначале нагружают в одном из направлений, пока напряжение 4, в этом направл(ении на 10-15% не превысит предел текучести (бт), а затем трубу погружают в перпендикулярном направ лении, пока напряжение не достигнет значений, равных 0,8-0,9бе где &в предел прочности, при этом напряжение. 4 поддерживают на постоянном уровне или изменяют его так, чтобы приращения и 6.(, после чего трубу разгружают вначале от напряжения 0, а затем от напряжения & . 2.Способ по П.1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что последовательность нагружёний трубы выбирают в зависимости от необходимого направления упрочнения и принимают соотношения между главными напряжения 2 , if и б при упрочнении. в осевом направлении в окружном направлении ffj. радиальном направлении .

3. Устройство для упрочнения труб, включающее цилиндр высокого давления с поршнем, подвижную оправку, пропущенную через волоку, крышки цилиндра с уплотнениями, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что поршень скользяще и герметично соединен с подвижной оправкой, а полости цилиндра до и после волоки сообщены между собой каналами.

Изобретение может быть использовано при обработке металлов давлением, a именно при упрочнений и изготовлении холоднодеформированных труб. Цель изобретения - повьшение эффективности упрочнения материала трубы путем одновременного увеличения предела прочности и; предела текучести при сохранении или увеличении ее предельных деформаций. Трубы изстали 12ХНЗА в>&холодном состоянии ; погружают осевой растягивающей силой^ пока напряжение не превышает предел-; текучести на 10-15%. Затем трубы j погружают (в растянутом состоянии) ;• внутренним избыточным давлением» пока окружное напряжение становится равным 80^90% предела прочности материала труб* Далее трубу разгружают от внутреннего давления, a затем' опять повторяют донное погружею^е до достижения предела прочности материала трубы. Предел текучести увеличивается на 29,4%, предел прочности - на 29%, предельная деформация - с 8,5 до 17,2%. Устройство для осуществления погружения cbCTCjHT из цй- цилиндра еысокого давления, подвижной оправки, пропущенной через волоку и крыш ку цили ндpa вместе с обжатой и закрепленной на одном ее крнце трубой. Участок трубы размещён в цилиндре со смазкой, a торец трубы rep-f метично закреплен в подаче. 2 с.^и 1 з.п.ф-лы, 4 ил.'

б-у

Фи1.1

in

X

Фиг. 2