Применение мартенситностареющих сталей для повышения надежности высокопрочных крепежных элементов, работающих в морских условиях при низких климатических температурах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.01, кандидат технических наук Пескишев, Сергей Александрович

• Пескишев, Сергей Александрович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Пескишев, Сергей Александрович

Введение.

Глава 1. Состояние вопроса.

1.1 Анализ видов разрушения резьбовых крепежных элементов.

1.2 Требования к материалам для крепежных элементов работающих в морских условиях.

1.3 Сопоставление свойств сталей.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Применение мартенситностареющих сталей для повышения надежности высокопрочных крепежных элементов, работающих в морских условиях при низких климатических температурах»

Развитие морской техники выдвигает в число первостепенных вопросы надежности элементов конструкций и их материалов. Среди них важное место занимают резьбовые соединения крепежных деталей из высокопрочных сталей, обеспечивающие плотность, прочность и долговечность присоединения разъема отдельных узлов и конструкции в целом. Практически во всех случаях оценки напряженного состояния на первых, опорных витках резьбы концентрируется большая часть нагрузки (30-40%).Высокая концентрация напряжений приводит к тому, что даже при сравнительно небольшом напряжении затяжки а <0,3 ат во впадинах первых витков появляется пластическая деформация, которая после снятия или ослабления нагрузки приводит к потере затяжки. Повышение эксплуатационных нагрузок от давления, понижения температуры до климатического холода, воздействие коррозии при циклических нагрузках делают крепежные детали весьма нагруженными, особенно при нестационарных условиях.

Крепежные детали в сборе — сложный объект для наблюдения и регулярного контроля их технического состояния в процессе эксплуатации и плановых ревизий. Существующие методы расчета резьб не дают возможности точного прогнозирования долговечности крепеж- >Л. , ных материалов на стадии проекта. . ><Г>гЙ' -3 (¿я

В связи с этим особую актуальность приобретает комплексный^^ ^ подход к обеспечению надежности резьбовых соединений по оценке ' несущей способности высоконагруженных крепежных деталей, как с позиции материаловедения, так и конструктивной прочности по ха-. рактеристикам сопротивления усталостному и хрупкому разрушению, релаксационной способности, критической температуры хрупкости.

В свою очередь эти характеристики следует базировать на комплексе традиционных механических характеристик крепежных сталей при статическом разрыве, ударных испытаниях, которые определяются структурным их состоянием, зависящим от химического состава и режима термической обработки.

Наиболее распространенными материалами крепежных деталей являются углеродистые и низколегированные стали. Крепеж, изготовленный из этих сталей, характеризуется достаточным уровнем механических свойств, однако применение их в морской воде в услович, % 5

VI ях климатического холода затруднено из-за низкой коррозионной стойкости, снижающей их работоспособность. С целью защиты этих сталей от общей коррозии применяют смазки и покрытия различного вида.

Однако использование покрытий (например, фосфата с пропиткой лаком БФ-2 или смазок типа СТМ) малоэффективно, так как в местах контактных поверхностей материал защитных покрытий быстро истирается. Применение металлических защитных покрытий типа кадмиевого может привести к наводораживанию поверхностей и являться локальным концентратором напряжений.

Изготовление крепежных деталей из коррозионностойких сталей типа 09Х16Н4Б (ЭП56) ОХ20Н5АГ12МФ (ДИ8) более перспективно. Но и здесь имеется ряд трудностей: для коррозионностойкой стали мартенситного класса ЭП56 (а0,2>850 МПа, ав>1000 МПа) характерно развитие коррозии по механизмам МКК (межкристаллит-ной) и КРН (коррозионного растрескивания под напряжением). Сталь аустенитного класса с азотом — ДИ8 имеет значительно более высо- I | кую коррозионную стойкость к МКК и КРН, однако прочностные ха- <| рактеристики этой стали несколько ниже (а0,2<600 МПа, ав<800 ' ,„ | МПа), к тому же производство ее затруднено, потому что находится ^; \ - ¡| на территории Украины. . С'!)V?. ♦» *

Перспективным материалом для создания крепежных деталей к ;* ъ. являются коррозионностойкие мартенситностареющие стали,- однойч из таких сталей может являться сталь 03X11Н8М2Ф-ВД (ДИ52-ВД), ' которая обеспечивает механические свойств а0,2^850 МПа; а^ЮОО МПа; 65>12%; Ч? >55 %; КОТ>100 Дж/см2; КСУ>60 Дж/см2; является стойкой к МКК и КРН.

Эта сталь широко применяется на предприятиях для изготовления тяжелонагруженных сварных и не сварных элементов конструкций с временным сопротивлением ств>1000 МПа. Выпуск металлургического полуфабриката, поковок, раскатных колец освоен отечественными производителями в течение последних 15-ти лет. От ОАО «Конструкторское бюро специального машиностроения» получено техническое задание на разработку директивной технологии изго- ' товления ответственных крепежных деталей из мартенситностарею-щих сталей для изделий, работающих в морских условиях.

Целью настоящей работы является повышение работоспособности материала крепежных деталей, работающих в морских условиях при температурах климатического холода.

Достижение поставленной задачи решалось следующими путями:

1. Исследование физико-механических и коррозионных свойств стали ДИ52-ВД стандартного состава.

2. Исследование влияния дополнительного легирования Т\ и В на физико-механические и коррозионные свойства стали ДИ52-ВД для крепежных деталей.

3. Разработка режима термической обработки сталей на основе этих схем легирования для крепежных деталей, обеспечивающих высокую надежность и работоспособность.

Заключение диссертации по теме «Металловедение и термическая обработка металлов», Пескишев, Сергей Александрович

Результаты исследования показывают перспективность мартен-ситностареющих сталей для изделий, длительно работающих в морских условиях.

5. Исследовано влияния циклического нагружения, характерного для резьбовых элементов.

Установлено, что сталь ДИ52-ВД, термически обработанная по штатному режиму, испытанная на циклическую релаксационную стойкость, согласно ГОСТ 26007-83, обладает способностью упрочняться примерно до 1% от напряжения релаксации, в режиме «нагрузка до 0,9о0,2 - полная разгрузка». По сравнению со сталью 36Х2Н2МА (широко используемой при переменных нагружениях), сталь ДИ52-ВД по времени эксперимента - 512 ч. показала наибольшую циклическую стойкость.

6. С целью увеличения сопротивления усталостному разрушению крепежа из стали ДИ52-ВД изучено влияния содержания в стали. промышленной выплавки титана (до 0,15%) и бора (до 0,002%)-, на механические, усталостные и коррозионные свойства. Проведено рентгеноструктурное исследование стали ДИ52-ВД, с содержанием 0,15% Л и 0,002% В на механические, усталостные и коррозионные свойства.

Показано положительное влияние бора, позволяющего стабилизировать субструктуру стали и повысить сопротивление малоцикловой усталости. Термообработка стали, содержащей бор по режиму с изотермическими выдержками позволяет повысить сопротивление усталостному разрушению при нагрузках близких к пределу текучести. Это позволяет использовать сталь в крепежных элементах с повышенной ресурсоспособностью.

7. Исследованы режим термической обработки стали ДИ52-ВД, содержащей титан и бор с предварительной ТЦО и изотермическими выдержками при нагреве под низкотемпературную закалку и окончательным старением и режим с промежуточным нагревом 660°С и последующей низкотемпературной закалкой и отпуском 350°С без окончательного старения.

Установлено, что первый режим эффективно влияет на более раннее развитие упруго-пластической деформации при близких значениях пределов текучести и временного сопротивления и при мелкозернистой структуре с равномерно фрагментированным мартенситом позволяет получить увеличение пластических свойств. Это способствует сохранению достаточной затяжки крепежного элемента, с другой стороны увеличивает его податливость при неравномерном распределении нагрузки по виткам резьбы. Напротив, режим с промежуточным нагревом 660°С позволяет получить достаточную разницу между значениями предела текучести и временного сопротивления, с обеспечением достаточных прочностных, пластических и вязких свойств.

8. Сталь ДИ52-ВД внедрена для изготовления различного хладостойкого крепежа ответственного назначения, работающего в морских условиях. Производственные испытания на предельную несущую способность болтов при внецентренном растяжении, корпусов, изготовленных из стали ДИ52-ВД, содержащей титан и бор гарантированно обеспечивают требования конструкторской документации по прочности.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Пескишев, Сергей Александрович, 2011 год

1. Ажогин Ф.Ф. Коррозионное растрескивание и защита высокопрочных сталей. М.: Металургия, 1974. 177— 179с.

2. Asayata Y. Delayed failure precipitation behaviour maraging steels // Trans. Jap. Inst. Metals. 1987. V.28. №> 4. P.281-290.

3. Алексеева JI.E., Перкас M.Д., Саррак В.И. Повышение механических свойств стали Н18К9М5Т воздействием внешнего напряжения при старении. Металловедение и термическая обработка ме-таллов,1978.17-19 с.

4. Бабаков A.A., Приданцев М.В. Коррозионностойкие стали и сплавы. М.: Металлургия, 1971. 330 с.

5. Банных O.A., Березовская В.В. Влияние режима термической обработки на структуру, физико-механические и химические свойства Ni-Cr-Cu-Ti- мартенситностареющей стали. Металлы. 2007.№3. 40-47с.

6. Bau В., Hansen., Huqes D. A.,Lulman-Wilseocf D. // Akta met. mater. 1992. Y.40.P.205-219.

7. Березовская B.B., Грачёв C.B., Ширихин В.Б. Исследование замедленного разрушения и начальных стадий распада пересыщенного твёрдого раствора мартенситностареющих сталей // Металлы. 2001. № 2. С.48-54. ' ' *

8. Березовская В.В. О природе высокой склонности Fe-Ni- и Fe-Ni-Со-мартенситностареющих сталей с титаном к замедленному разрушению // Металлы. 2003. №5. 42-53 с.

9. Биргер И.А., Иосилевич Г.Б. Резьбовые и фланцевые соединения. М.: Машиностроение, 1990. 16-34 с.

10. Бирман C.JI. Экономнолегированные мартенситностареющие стали. М.: Металлургиздат, 1974. 208 с.

11. Бобылев М.В., Королева Е.Г., Штанников П.А. Перспективные экономнолегированные борсодержащие стали для производства высокопрочных крепежных деталей. Металловедение и термическая обработка металлов, 2005. № 5. 51 с.

12. Бодяко М.Н.,Астапчик С.А., Ярошевия Г.Б. Мартенситностареющие стали. Минск: Наука и техника, 1976. 248 с.

13. Бокштейн С.Э. Диффузия и структура металла. М. Металлургия, 1973. 206 с.

14. Борзыка A.M., Гецов Л.Б. Релаксация напряжений в металлах и сплавах. М.: Металлургия, 1978 -256 с.

15. Бугров Ю.В., Быков A.M. и др. Влияние разупрочняющей термической обработки на механические характеристики мартенситно-стареющей высокопрочной коррозинно-стойкой стали. МиТОМ, 1995, №8. 29-31 с.

16. Блаер И.Л. Взаимодействие витков затянутой резьбы. Машиностроитель. 2005.№ 5. 33-39 с.

17. Викулин A.B. И др. Оценка склонности к хрупкому разрушению высокопрочных сталей// Зав. лаб. 1983. Т.49. № 10. 67-70 с.

18. Георгиев М.Н., Липчин H.H., Симонов Ю.Н. Связь структуры металла с фрактографическими особенностями поверхности усталостных изломов // ФММ. 1987. Т.63. № 3. С. 622 -624.

19. Гладштейн Л.И., Горицкий В.М. Роль легирования в сопротивлении коррозионному растрескиванию сталей для высокопрочных болтов. Физико-химическая механика материалов. 1971. №6. 100-103 с.

20. Горынин В.И. Предотвращение хрупких разрушений высокопрочных крепежных деталей энергетического оборудования. Л.: ЛДНТП, 1988.24 с.

21. Горицкий В.М. Вязко-хрупкий переход в сталях со структурами мартенсита и бейнита. Физико-химическая механика материалов. 1987. Т.63 Вып.4 801-810 с.

22. Гриднев В.Н., Черепин В.Т. Упрочнение аустенита при обратном мартенситном превращении. МиТОМ, 1957, №5. 7-12 с.

23. Горбач В.Г. Явление фазового наклепа при у—>а—> у превращениях. В сб., Металлофизика. Киев, Наукова думка, 1970, вып. 27-5с.

24. Гольдбухт Е.Е., Каплан A.B. // Прочность сталей, работающих в условиях низких температур: Сб. науч. трудов ЛТИХП. М.: Металлургия, 1988. С.10-12.

25. Гольдштейн М.И., Грачёв C.B., Векслер Ю.Г. Специальные стали. 2-е изд., перераб. и доп. М.:МИСиС, 1999. 408 с.

26. Гольдштейн М.И., Литвинов В. С., Бронфин Б. М. Металлофизика высокопрочных сплавов. М.: Металлургия, 1986. 312 с.27,28,29,30