Способ стабилизации свойств металлических конструкций Советский патент 1993 года по МПК C21D1/30 

Изобретение относится к способам обработки металлов, в частности к совмещению вибрационной и термической обработки, приводящей к стабилизации и улучшению свойств металлов, и может быть использовано при изготовлении сварных металлоконструкций, применяемых в машиностроении, где требуется стаби-ль- ность геометрических размеров и формы металлоконструкций при эксплуатации в сложных условиях.

Известен способ последовательного применения вибронагружения и термического воздействия, Однако, он преследует иную цель - улучшение качества изделий путем предотвращения образования холодных трещин. Применяемый при этом порядок воздействия, а также и интервал времени специфичен только для достижения этой цели,

Известен способ, рассматриваемый как прототип, который предусматривает снятие

внутренних напряжений и включает этапы вибронагружения и последующего термического стабилизирующего воздействия.

Недостатком этого способа являются:

отсутствие контроля достигаемой степени стабилизации. Критерии стабильности не задаются и не отслеживаются;

не обеспечивается должная степень стабильности, т.к. устранение обусловлен ной отпуском структурной нестабильности не предусмотрено.

Предлагаемый в прототипе технологический процесс предусматривает проведение однократно вибронагружения металлоконструкции и последующего термического воздействия - отпуска при 200- 300° С

Цель изобретения - повышение качества металлических конструкций за счет стабилизации и улучшения свойств металла и обеспечение возможности контроля степени стабильности.

шИ

XI

.-

к

Поставленная цель достигается тем, что, с целью улучшения качества стабилизации свойств металлических материалов и контроля процесса, производят вибронагружение и термическое воздействие много- кратно при этом измеряют остаточную пластическую деформацию на базе не более 10 мм на каждом Этапе воздействия, сравнивают получаемые деформации, а завершают обработку, когда деформация от предыдущего термического воздействия станет меньше или равной деформации от последующего вибронагружения.

Сущность изобретения заключается в том, что сварные металлоконструкции под- вергаются последовательно серий вибронагружения и термического воздействия, при этом для определения степени стабилизации свойств материала производится контроль остаточной пластической дефор- мации как критерия, характеризующего степень стабильности. По результатам и определяется момент окончания процесса.

В отличие от способа, рассматриваемого в прототипе, достигается степень стабилизации свойств металлических материалов, которая обеспечивает стабильность формы и размеров металлоконструкций благодаря:

введению контроля получаемой после каждого этапа обработки степени стабильности одним из способов, например, замером остаточной пластической деформации;

завершению процесса обработки конструкции нетермостабилизирующим воз- действием, как в прототипе, а вибронаг- ружением, обеспечивающим стабилизацию соединения микроструктуры материала;

многократному чередованию этапов вибронагружения и термостабилизирующе- го воздействия до получения результатов, когда величина остаточной пластической деформации, замеряемой после термоста- билизирующего воздействия будет меньше или равной величине деформации, получен- ной при последующем вибронагружении.

Измерение пластической деформации образцов производится одним из известных способов, например методом делительных сеток, как одним из простых по исполнению. Характер и величина деформации в зоне сварного соединения определяется после каждого вида обработки.

Необходимость завершения цикла виб- ронагружения-термообработка процессом вибронагружения обуславливается результатами металлографических исследований сварных образцов, подтверждающих, что для полной стабилизации структуры и фазового состояния после термостабилизации необходимо вибронагружение.

Анализ известных технических решений в данной области техники не позволил выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию существенные отличия.

Способ реализуют следующим образом.

На металлоконструкцию в зоне нестабильного состояния материала (например, околошовная зона сварного соединения) или концентратора внутренних напряжений наносят мерительную базу (2 метки) величиной не более 10 мм (например, 4 мм). Измеряют ее величину с точностью до микрон, например, оптиметром. Производят вибронагружение по рекомендуемым известным методиками режимам. Повторяют измерение базы и вычисляют деформацию. Величина отн осительной деформации соста вл яет, например, минус 0,02 мм. Металлоконструкцию подвергают термическую стабилизирующему воздействию (например, отжиг при 650°С для снятия напряжений 1-го рода). Вновь измеряют базу и вычисляют деформацию. Деформация после термостабилизации составляет уже плюс 0,018. Проводят вибронагружение металлоконструкции повторно и измеряют базу. В результате повторного вибронагружения получена деформация минус 0,010. Поскольку деформация от повторного вибронагружения меньше по абсолютной величине деформации от предыдущей термостабилизации, проводят еще один этап термостабилизации (отжиг). После чего измеряют базу и вычисляют деформацию, которая составила плюс 0,002. Затем металлоконструкцию подвергают вибронагружению и определяют деформацию базы, которая составляет минус 0,003. Поскольку это больше по абсолютной величине деформации от предыдущей термостабилизации, обработку заканчивают. Свойства материала и саму металлоконструкцию считают стабилизированными.

При реализации способа рекомендуемая контроль деформаций производить по нескольким базам в различных зонах металлоконструкции, характеризуемых явно нестабильным состоянием материала или концентраторами напряжений (околошовная зона сварного соединения и т.п.). Это повысит надежность замеров и качество контроля процесса обработки (стабилизации). При этом следует учитывать, что срав- нительная оценка деформации после каждого этапа чередования термического и вибрационного воздействия по каждой контролируемой базе отдельно, а не по усредненной деформации нескольких баз.

Смысл многократного чередующегося термического и вибрационного воздействия на нестабильный материал металлоконструкций заключается в том, что внутренние процессы стабилизации состояния металлов термическим воздействием и виб- ронагружением имеют существенные отличительные особенности по физической сущности процессов, обусловленных различными внешними условиями. Термическим воздействием (отжиг, отпуск, искусственное старение и др.) достигается преимущественно фазовая стабилизация сплавов, сопровождаемая улучшением таких свойств, как снижение твердости, повышение пластичности, снятие остаточных напряжений 1-го рода и т.п). При этом в большинстве случаев структурная нестабильность, включающая нестабильности на микроуровне (границ раздела, дефектной структуры, дислокационно-примесного взаимодействия, а также степени упрочнения на микроуровне) не устраняется термическими видами воздействия (отпуск, отжиг и др.), а зачастую и усиливается. Поэтому термостабилизирующее воздействие само по себе не обеспечивает высокого качества стабилизации свойств. Термическое воздействие в предложенном способе обеспечивает улучшение свойств металлических сплавов и их стабилизацию по отношению к термическому или ему подобному возмущению, вызывающему нагрев, например, мощному радиационному излучению, электромагнитному возмущению. Это объясняется процессами фазовых превращений и полнотой перехода метастабильных фаз и промежуточных фазовых включений в более устойчивые фазовые структуры, величина свободной энергий которых значительно меньше, т.е. улучшением качественного состава сплава.

Остаточная деформация измеряется на этапах термического воздействия и является фазоструктурной деформацией. Кинетика ее изменений при многократном термическим воздействии отражает полноту фазовых превращений, т.е. степень стабильности свойств сплава по отношению к термическому возмущению.

Использование вибронагружения после каждого этапа термостабилизации диктуется необходимостью устранения, обусловленной термическим воздействием нестабильности на микроуровне. Вибро- нагружение, воздействуя на дефектную структуру металла, границы раздела, количественное соотношение фаз и фазовых включений без изменения качественного состава сплава, стабилизирует состояние металла и снижает внутреннюю микронам 5 ряжения в значительно большей степени, чем только термостабилизация.

Разница в сущности термического и вибрационного воздействия на стабилизацию фазоструктурных составляющих спла0 BOB выражается противоположным по знаку значением деформации в локальной отдельно взятой зоне металлоконструкции после каждого вида воздействия. Поэтому измерение деформации после каждого вида воз5 действия контролирует процесс устранения фазовой и структурной нестабильности, снижение остаточных макронапряжений и процесс разупрочнения на микроуровне (снятие микронапряжений).

0 Предлагаемый способ позволяет комплексно влиять на стабильность металлических сплавов, что обеспечит конструкции успешно противостоять внешним термодеформационным возмущениям.

5 Таким образом, в предлагаемом способе улучшаются свойства сплавов с помощью термического воздействия, достигается стабилизация по отношению к термическому возмущению и механическому возмуще0 нию. Кроме того обеспечивается работоспособность прецизионных сварных конструкций в сложных внешних условиях, когда помимо механической нагрузки конструкция подвержена воздействию радиации,

5 термоконтрастных температур и др.

Существенным в предлагаемом способе является возможность контроля степени стабилизации материала по абсолютной величине остаточной деформации при каждом

0 из видов воздействия, исходя из требований, определяемых условиями эксплуатации.

Фор мула изобретения Способ стабилизации свойств металли5 ческих конструкций, включающий вибронаг- ружение и термическую обработку, о т л и - чающийся тем, что, с целью улучшения качества стабилизации свойств металлических материалов и контроля процесса, виб0 ронагружение и термическую обработку осуществляют многократно, при этом изме1 ряют остаточную пластическую деформацию на базе не более 10 мм на каждом этапе воздействия, сравнивают получаемые де5 формации и при достижении величины деформации от предыдущей термической обработки, меньшей или равной величине . деформации от последующего вибронагружения, заканчивают циклы.

Использование: при обработке метэч лов. Осуществляют многократное чередование циклов вибро- и термообработки и завершают процесс виброобработкой. Сравнивают результаты каждого вида воз действия по измеряемой любым способом, например методом делительных сеток, остаточной пластической деформации. Завер шают процесс, когда остаточна. пластическая деформация после предыдущего термического воздействия станет рае ной или меньше, чем при последующем вибрационном воздействии, или когда эта величина станет равной заданной.