Изучение остаточных напряжений и текстуры в стенках стальных труб методом нейтронной стресс-дифрактометрии. I. пространственное распределение остаточных напряжений и микроискажений

Известия Тульского государственного университета Естественные науки. 2013. Вып. 2. Ч.1. С. 194-206

ФизикА

УДК 539.372:543.444:621.77

Изучение остаточных напряжений и текстуры в стенках стальных труб методом нейтронной стресс-дифрактометрии.

I. Пространственное распределение остаточных напряжений и микроискажений

Д. М. Левин, М. В. Булавин, С. А. Куликов

Аннотация. Представлены результаты измерения микроискажений и пространственного распределения радиальной, аксиальной и тангенциальной компонент тензора остаточных напряжений в стенках трубчатых деталей из стали 30ХН2МФА, изготовленных методом ротационной ковки, штамповки и волочения на оправке. Оценку микроискажений проводили по уширению дифракционных линий. Исследования проведены методом нейтронного анализа с помощью дифрактометра ФСД на импульсном реакторе ИБР-2 (Дубна, Россия).

Ключевые слова: остаточные напряжения, пластическая

деформация, нейтронная дифракция.

Введение

Дифракция нейтронов является мощным методом неразрушающего контроля, который позволяет экспериментально изучать микроструктуру, текстуру и внутренние напряжения в материалах. Важнейшей особенностью метода является возможность получения информации в объеме образца или изделия, так как нейтроны способны проникать в материал на большую глубину. Для наиболее эффективного определения остаточных напряжений целесообразно применять пучки монохроматических нейтронов, которые можно получать на импульсных реакторах, например, на высокопоточном импульсном реакторе ИБР-2, с использованием специального метода времени пролета (time of flight — метод) [1].

Для исследований остаточных напряжений на реакторе ИБР-2 создан нейтронный фурье-дифрактометр ФСД, который позволяет получать дифракционные спектры высокого разрешения A d/d 4  10-4 [2,3]. С

помощью стресс-дифрактометра ФСД были проведены разнообразные исследования остаточных напряжений в различных материалах и изделиях для решения как научных, так и прикладных задач [4-6]. Дополнительные возможности для получения точных данных о текстуре и остаточных напряжениях появились после создания на реакторе ИБР-2 нового криогенного замедлителя нейтронов, который обеспечивает получение высокоинтенсивного пучка холодных нейтронов [7]. Это заметно расширило возможности по исследованию материалов со сложными структурами, а также обеспечило существенное уменьшение времени экспозиции и снижение погрешности измерений.

Корректное определение остаточных напряжении в сильно текстурирован-ных поликристаллических материалах представляет собой сложную задачу. Однако ее решение стало возможным после разработки новых методов обработки дифракционных спектров, основанных на использовании модифицированной версии метода Ритвельда [8], реализованных в программных пакетах MRIA [9] и MAUD [10].

Повышение точности определения внутренних напряжений методом нейтронного структурного анализа имеет особое значение при решении ряда важнейших задач. Это важно, во-первых, когда для научных или научно-производственных целей необходимо установить пространственное распределение внутренних напряжений по объему исследуемого образца (изделия) и, во-вторых, если необходимо провести статистически достоверное сравнение значений внутренних напряжений в различных точках одного образца или в различных образцах.

В данной работе исследуются ответственные детали механизмов, работающих в сложных условиях нагружения, к которым предъявляются высокие требования по обеспечению их размерной стабильности и стабильности свойств в процессе эксплуатации. Выполнение подобных требований возможно за счет выбора материала, технологии получения этих деталей и тесно связано с наличием, уровнем и характером пространственного распределения внутренних напряжений во внутренних объемах деталей, что создает основу для обеспечения высокой эксплуатационной надежности и долговечности изделий.

В качестве объектов исследований были выбраны стальные детали в виде полых цилиндров (трубы) со сложным внутренним профилем и высокой чистотой внутренней поверхности. Условия работы предусматривают многократное циклическое нагружение труб внутренним давлением большой амплитуды (до 3 кбар) в динамическом режиме. Основные эксплуатационные требования — размерная стабильность и высокая конструкционная прочность и надежность труб.

Особенности эксплуатации исследуемых трубчатых деталей как частей механических систем предъявляют высокие требования к точности изготовления труб как в части формирования внутреннего профиля, так и максимального снижения таких факторов, как непрямолинейность

труб (начальная и формируемая в ходе эксплуатации за счет развития релаксационных процессов различной природы), остаточные напряжения. В особенности это касается возможности появления остаточных напряжений растяжения на внутренней поверхности труб, и кристаллографической текстуры, создающей анизотропию механических свойств материала деталей.

Процесс изготовления исследуемых сложнопрофильных труб включает следующие операции: получение заготовки, термообработка, высверливание отверстия под внутреннюю полость - канал, формирование профиля на внутренней поверхности канала, финишная механическая обработка наружной поверхности. Основной, наиболее ответственный этап

изготовления труб - формирование сложного профиля на внутренней поверхности труб. Это производится с использованием обработки

материалов методами пластического формоизменения, в том числе за счет создания высокого гидростатического давления в очаге деформации. К ним относятся процессы волочения и различные виды прессования.

Наиболее широкое применение в массовом производстве трубчатых деталей данного вида получили процессы радиального обжатия

(ротационной ковки) путем дробной деформации на радиально-ковочных машинах, штамповки на горизонтально-ковочных машинах и волочения на специальных оправках.

Пластическое формоизменение (ковка, штамповка, волочение) является фактически конечной операцией, последующая термическая обработка трубчатых деталей после пластической деформации не проводится. В ходе этих операций в материале создаются внутренние напряжения и текстура деформации, которые сохраняются и в готовых изделиях. Распределение по сечению и взаимосвязь аксиальных, радиальных и тангенциальных напряжений создает условия для развития процессов релаксации напряжений в ходе эксплуатации труб, получающих развитие на фоне анизотропии механических свойств материала, обусловленных наличием текстуры деформации. Релаксация напряжений, естественно, существенно влияет как на размерную стабильность, так и на прочностные характеристики трубчатых деталей.

Уровень и характер пространственного распределения внутренних напряжений в трубчатых деталях, как и масштабы развития текстуры деформации, для одного и того же материала существенно зависят от выбора технологии пластического формоизменения (ковка, штамповка, волочение). При этом получение надежных количественных данных

об остаточных напряжениях и текстуре материала труб возможно только экспериментальным путем. Сравнение достоинств и возможностей различных методов анализа состояния материала показывает, что наиболее эффективным методом исследований является нейтронный структурный анализ с использованием мощных пучков холодных нейтронов. Поэтому целью данной работы было определение характеристик текстуры и

установление пространственного распределения главных компонент тензора внутренних напряжений и микроискажений по сечению труб, полученных по технологиям ковки, волочения и прессования, методом нейтронного анализа, и выявление на этой основе преимуществ одной из технологий.

1. Материалы и методики

Для изготовления трубчатых деталей была использована среднеуглеродистая легированная сталь 30ХН2МФА по ГОСТ 4543-71 и ТУ 14-136-367-2008. Исходное состояние стали: закалка от 860°С, отпуск при 590-620°С.

Исследуемые объекты — трубы были получены с использованием различных схем деформации, основанных на технологиях волочения на оправке, радиальной ковки и штамповки на горизонтально-штамповочных машинах. Так как стенка трубы имеет переменную толщину, то образцы для исследований вырезали из начального (индекс н) и более тонкостенного конечного (индекс к) участков труб, которые в процессе пластического формоизменения подвергались различным степеням пластической деформации (рис. 1).

образцы с индексом н образцы с индексом к

Рис. 1. Общий вид заготовки трубы и схема вырезки образцов для исследований

Все исследуемые образцы представляли собой отрезки труб различного диаметра в пределах от 7,5 до 13 мм и длиной 170-210 мм. Характеристики исследуемых объектов представлены в табл. 1.

Образец № 5, полученный методом штамповки на горизонтально-штампо-вочной машине, был вырезан из центральной части цилиндрической заготовки.

Для определения параметра решетки стали 30ХН2МФА, не содержащей остаточных напряжений, использовали эталонный образец (далее обозначаемый как ао-образец), изготовленный из стали 30ХН2МФА в исходном состоянии.

Эксперименты по исследованию остаточных напряжений в изучаемых образцах были выполнены с помощью нейтронного фурье-дифрактометра высокого разрешения ФСД. В работе представлены результаты измерений остаточных деформаций в стенках труб при сканировании вдоль

Таблица 1

Характеристики исследуемых объектов и маркировка образцов

№ Толщина стенки, мм Способ получения

1к 7,55 ковка

1н 9,65 ковка

2к 7,80 волочение

2н 7,80 волочение

3к 4,69 волочение

3н 4,39 волочение

4к 4,69 ковка

4н 4,39 ковка

5 9,5 штамповка

радиуса в среднем сечении образцов при трех различных ориентациях вектора рассеяния нейтронов, что обеспечивает измерение радиальной, тангенциальной и аксиальной (вдоль оси трубы) компонент тензора деформаций.

Для измерения дифракционных спектров использовался детектор при угле рассеяния 29 = 90°, что позволило одновременно определять напряжения в двух взаимно перпендикулярных направлениях. При проведении измерения с помощью диафрагмы был сформирован падающий пучок нейтронов со следующими размерами: шириной 2 мм и высотой 20 мм для измерения радиальной и тангенциальной компонент; шириной 2 мм и высотой 5 мм для измерения аксиальной компоненты (рис. 2).

Профиль рассеянного пучка нейтронов определялся пространственным разрешением радиального коллиматора ~ 2 мм. При сканировании вдоль радиуса образца начало координат х = 0 располагалось на внешней поверхности осевого сечения трубы. Направление оси координат — вдоль радиуса от внешней поверхности цилиндра к внутренней. По высоте центр пучка располагался в среднем сечении образца.

Для определения структурных параметров использовали метод Ритвельда, реализованный в программе MRIA. Принцип определения деформации кристаллической решетки основан на применении закона Брэгга 2d sin 9 = Л, где Л — длина волны нейтрона, d — межплоскостное расстояние, 9 — угол Брэгга.

После обработки дифракционных спектров были получены значения параметров решетки а. Остаточные деформации в образце определяли как относительное изменение параметра решетки: е = (а — а0)/а0, где а0 =

= 2.86677 A — параметр решетки, измеренный для ао-образца.

Компоненты тензора остаточных напряжений были вычислены согласно закону Гука по формуле 7-23 = ^  (ei23 + -—и ' (ei + е2 + ез)), где 7-, 72,

73, е-, е2, ез - радиальная, тангенциальная и аксиальная компоненты тензора

Рис. 2. Прохождение нейтронного пучка в эксперименте по измерению остаточных напряжений в стенках труб. 3 — вектор рассеяния нейтронов

напряжений и тензора деформаций, записанные в матричной форме, Е -модуль Юнга, V - коэффициент Пуассона.

Оценку микродеформации и размера когерентно рассеивающих областей (кристаллитов) проводили по функциональной зависимости ширины дифракционных пиков от межплоскостного расстояния Д!2 = С1 + С2!2 + (е2)!2, где Д! — ширина дифракционного пика, С1 и С2 — константы, определяющие функцию разрешения дифрактометра и геометрические неопределенности процесса рассеяния нейтронов, л/(е2) = еср = (Да/а) — величина микродеформации. Параметры С1 и С2 являются инструментальными характеристиками метода и определяются из измерений стандартных образцов. В результате, имея два спектра от эталонного и исследуемого образцов можно построить две зависимости квадрата ширины дифракционных пиков от квадрата межплоскостного расстояния !. Легко видеть, что в данном случае разность этих прямолинейных зависимостей прямо пропорциональна !2, а коэффициент пропорциональности равен квадрату величины микродеформации. Таким образом после обработки всех дифракционных спектров были получены пространственные зависимости значений микродеформации еср вдоль радиуса трубы.

2. Результаты эксперимента и анализ полученных данных

Зарегистрированные дифракционные спектры от эталона и рабочих образцов были обработаны с использованием программы МША и получены распределения значений компонентов тензора остаточных напряжений и величин микроискажений по сечению стенок труб. Графики, характеризующие распределение компонент тензора остаточных напряжений вдоль координаты х для волоченных, кованных и штампованных образцов, представлены на рис. 3-5.

Результаты измерения средних значений величины микроискажений в образцах № 1-4 представлены на рис. 6.

Рис. 3. Распределение радиальной компоненты остаточных напряжений в радиальном направлении аксиального сечения стенок труб

В связи с тем, что ширина нейтронного пучка имеет вполне определенные конечные размеры, измерения спектров в радиальном направлении были проведены в точках, отстоящих от внешней и внутренней поверхности труб не менее чем на 1,5 2 мм. Мы попытались провести измерения

1 к н 2к 2н

т

*

\

н ф

1— ф (0 г

<0 >3

- I X X ф „ о.

Ф X ей ' X £0

0 1 2 3 4 5 6 7

X, ММ

.200 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------

1 1,5 2 2,5 3 3.5

X. ММ

1-х-о разец 51

I т

А "К

а. ч 1- Ф

1— ф 2 / 1 \ с ^

^ т

т  т/ Ф

3 1 ф О.

ш 1

0 2 4 6 8 10

X, ММ

Рис. 4. Распределение тангенциальной компоненты остаточных напряжений в радиальном направлении аксиального сечения стенок труб

двух компонент (аксиальной и тангенциальной) тензора остаточных напряжений с помощью метода рентгеноструктурного анализа (метод ±45°), но вследствие кривизны поверхности исследуемых цилиндрических образцов и существенного размытия дифракционных линий полученные результаты характеризовались совершенно неприемлемой погрешностью и в данной работе не приведены.

Рассмотрим полученные результаты нейтронографического эксперимента (рис. 3-5), группируя его по технологиям получения образцов.

Технология получения — ковка

Образцы № 1к, 1н. Радиальные напряжения: в толще стенки — напряжения растяжения с величиной 100 200 МПа. По мере приближения к

внутренней поверхности напряжения преобразуются в напряжения сжатия с максимальными значениями около -200 МПа. Тангенциальные напряжения: по всей толще стенки зафиксировано достаточно однородное распределение

-1к -1н -2к

К

-2н

1— ф - 5 п >5 1

; I

X 3 Ф ч э-

X ш ? £

0 1 2 3 4 5 6 7

X. ММ

А —о— Зк —— Зн

£—- —4к —О—4н

О- ^ — —? О. Ф

ф (5 (0 ••2

X д X X Ф о.

ф X ш £ X т

1 1,5 2 2,5 3 3,5

X, ММ

-4 1 |—х—образец 51

—и  - Т ' "V

\ о.

о. н \ ф

сс Ч

ч X ф

3 ф (-

со

О 2 4 6 8 10

X, ММ

Рис. 5. Распределение тангенциальной компоненты остаточных напряжений в радиальном направлении аксиального сечения стенок труб

напряжений растяжения незначительной величины до 200 МПа. Аксиальные напряжения: в толще стенки зафиксированы незначительные напряжения сжатия до -200 МПа. По мере приближения к внутренней поверхности напряжения сжатия несколько возрастают до -300 МПа.

Образцы № 4к, 4н. Радиальные напряжения: распределение напряжений по толще стенки достаточно однородное, по величине — напряжения незначительные и не выходят за пределы ±100 МПа. Тангенциальные напряжения: в образце 4н во всех точках измерений обнаружены напряжения растяжения 100 ^ 200 МПа, в образце 4к — в толще стенки зафиксированы напряжения сжатия до -150 МПА, по мере приближения к внутренней поверхности напряжения изменяют знак и преобразуются в напряжения растяжения до 50 МПа. Аксиальные напряжения: в толще стенки

зафиксировано однородное распределение напряжений растяжения до 200 МПа.

01 23456789

X, ММ

-О-Зк —с>-3н

-•К- -й— 4к -0—4н р. н

о. г Ф 2 £— Ч' ГО с*

СГ •’5 1 I X

X —А— “4 й)

Э 0) X £0 1— X ю

1 1.5 2 2.5 3 3^

X, ММ

Рис. 6. Распределение значений микроискажений в радиальном направлении аксиального сечения стенок труб

Технология получения — волочение

Образцы № 2к, 2н. Радиальные напряжения: в образце 2к во внутренних частях стенки напряжения сжатия до -250 МПа, по мере приближения к внутренней поверхности сжимающие напряжения несколько уменьшаются до -100 МПа. В образце 2н во внутренних частях стенки обнаружены напряжения растяжения на уровне 150 МПа, по мере приближения к внутренней поверхности напряжения растяжения преобразуются в напряжения сжатия до -100 МПа. Тангенциальные и аксиальные напряжения: у внешней поверхности выявлены напряжения растяжения 400 500 МПа, по мере приближения к внутренней поверхности напряжения

резко, с большим градиентом -(200 ^ 250) МПа/мм, преобразуются в напряжения сжатия до -700 МПа. Характерно направление градиента от внешней стенки трубы к внутренней.

Образцы № 3к, 3н. По всей толще стенки наблюдается однородное распределение напряжений сжатия на уровне -(200 300) МПа (радиальные

напряжения) и -50 100 МПа (тангенциальные напряжении), Для

аксиальных напряжений по мере перемещения от наружной к внутренней поверхности наблюдается монотонный рост напряжений сжатия от -200 МПа до -500 МПа.

Технология получения — штамповка

Образец № 5. Все компоненты главного тензора напряжений в толще стенки образца № 5 являются напряжениями растяжения. Радиальные напряжения по мере приближения к внутренней поверхности трубы монотонно уменьшаются от 500 до 150 МПа. Тангенциальные напряжения распределены по толще стенки достаточно однородно в пределах 100 ^ 350 МПа. Аксиальные напряжения в толще стенки являются растягивающими 200 ^ 250 МПа с тенденцией к уменьшению до практически нулевого уровня у внутренней поверхности стенки.

Во всех случаях остаточные напряжения не превышают условный предел текучести §^о.2, который согласно [11] для стали 30ХН2МФА в исходном состоянии имеет значение 785 МПа.

Как видно из рис. 4, уровень микродеформаций в образцах, полученных ковкой и волочением, довольно высок. По всей видимости, это характерно для данных видов обработки материала. Кроме того, в среднем образцы, изготовленные методом волочения, имеют немного более высокий уровень остаточных микродеформаций по сравнению с образцами, изготовленными методом ковки: в среднем (7 ^ 7.5)  10-3 для волоченных образцов и (5 ^ 6)  10-3 для кованых образцов.

Необходимо отметить, что при выборе оптимальной технологии пластической деформации оптимизация ведется по уровню внутренних сжимающих напряжений — радиальных и тангенциальных, поскольку изучаемые стальные трубы подвергаются циклическому нагружению внутренним давлением с большой интенсивностью. Поэтому обязательными условиями для обеспечения работоспособности, надежности и долговечности изделий, получаемых из труб, являются, во-первых, наличие на внутренней поверхности и в толще стенки трубы остаточных напряжений сжатия, что, прежде всего, относится к аксиальным и тангенциальным напряжениям, и, во-вторых, отсутствие значимых градиентов остаточных напряжений и микроискажений в радиальном направлении.

На основании полученных результатов можно сделать следующие заключения.

1. В образце, полученном методом штамповки, вид (напряжения растяжения), уровень (до 500 МПа) и пространственное распределение остаточных напряжений является совершенно неудовлетворительным и не соответствующим требованиям, предъявляемым к исследуемым трубам. Поэтому схема формоизменения, включающая в себя технологию штамповки, не может быть рекомендована для получения стальных труб, работающих при постоянном импульсном нагружении, высоких внутренних давлениях и контактных нагрузках на внутреннюю поверхность.

2. С учетом рабочих нагрузок данных изделий картина распределения остаточных макро- и микронапряжений более благоприятна для образцов, изготовленных методом волочения, чем для кованых образцов. Однако

обоснованно сделать вывод о преимуществе той или иной технологии можно будет только после проведения дополнительного нейтронного текстурного анализа и определения степени анизотропии свойств образцов.

Авторы благодарят сотрудников лаборатории нейтронной физики им. И.М. Франка Объединенного института ядерных исследований Г.Д. Бокучаву, А.В. Тамонова и Н.Р. Шамсутдинова за помощь в проведении экспериментов и обсуждении полученных результатов.

Список литературы

1. Aksenov V.L., Balagurov A.M. Neutron Time-of-Flight Diffractomerty // Physics-Uspekhi. 1996. Т. 39. № 9. С. 897-924.

2. Neutron RTOF diffractometer FSD for residual stress investigation / A.M. Balagurov [et al.] // Zeit. fur Kristallographie. Supplement / 2006. V. 1. № 23. P. 210-222.

3. Нейтронный Фурье-дифрактометр ФСД для исследования остаточных напряжений в материалах и промышленных изделиях / Г.Д. Бокучава [и др.] // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2010. № 11. С. 9-21.

4. Residual stress studies in graded W/CU materials by neutron diffraction method / G.D. Bokuchava [et al.] // Physica B: Condensed Matter. 2000. V. 276-278. P. 884-885.

5. Bokuchava G.D., Tamonov A.V., Shamsutdinov N.R., Balagurov A.M., Levin D.M. Reverse Time-of-flight Neutron Diffraction Study of Residual Stresses in Perforator’s Striker / G.D. Bokuchava [et al.] // J. of Neutron Research. 2001. V. 9. № 2-4. P. 255-261.

6. Tamonov A.V., Sumin V.V., Stuhr U. Neutron Diffraction Investigation of the Residual Stress Gradient near Stainlell Steel-Zirconium Alloy Interface // Zeit. fur Kristallographie. Supplement. 2007. V. 2. № 26. P. 361-366.

7. Current status of development advanced pelletized cold moderators for the IBR-2M research reactor / S. Kilikov [et al.] // Письма в ЭЧАЯ. 2013. Т. 10. № 2(179). С. 230-235.

8. Rietveld H.M. A profile refinement method for nuclear and magnetic structures // J. Appl. Cryst. 1969. V. 2. № 2. P. 65-71.

9. Zlokazov V.B., Chernyshev V.V. MRIA — a program for a full profile analysis of powder multiphase neutron-diffraction time-of-flight (direct and Fourier) spectra // J. of Applied Crystallography. 1992. V. 25. № 3. P. 447-451.

10. Lutterotti L., Matthies S., Wenk Y.-R. MAUD: a friendly Java program for material analysis using diffraction // IUCr: Newsletter of the CPD. 1999. V. 21. P. 14-15.

11. Марочник сталей и сплавов / под ред. В.Г. Сорокина. М.:Машиностроение, 1989. 640 с.

Левин Даниил Михайлович (levin@physics.tsu.tula.ru), д.ф.-м.н., профессор, заведующий кафедрой, кафедра физики, Тульский государственный университет.

Булавин Максим Викторович (bulavin85@inbox.ru), начальник группы, лаборатория нейтронной физики им. И. М. Франка, Объединенный институт ядерных исследований, Дубна.

Куликов Сергей Александрович (ksa@nf.jinr.ru), к.ф.-м.н., начальник отдела, лаборатория нейтронной физики им. И.М.Франка, Объединенный институт ядерных исследований, Дубна.

Study of residual stresses and texture in the walls of steel tubes by neutron stress-diffractometer. I. The spatial distribution of the residual stresses and microdeformations

D.M. Levin, M.V. Bulavin, S. A. Kulikov

Abstract. In this paper we present the results of measurements of microdeformation and radial, axial and tangential components of the residual stress tensor in the walls of steel tubes fabricated by rotary forging, stamping and drawing on the arbor. The microstrain level was estimated from diffraction peak broadening. The experiments were carried out in the FSD diffractometer at the pulsed reactor IBR-2 (Dubna, Russia).

Keywords: residual stresses, plastic deformation, neutron diffraction.

Levin Daniil (levin@physics.tsu.tula.ru), doctor of physical and mathematical sciences, professor, head of the department, department of physics, Tula State University.

Bulavin Maxim (bulavin85@inbox.ru), group leader, Frank laboratory of neutron physics, Joint Institute for Nuclear Research, Dubna.

Kulikov Sergey (ksa@nf.jinr.ru), candidate of physical and mathematical sciences, head of department, Frank laboratory of neutron physics, Joint Institute for Nuclear Research, Dubna.

Поступила 23.05.2013