Целью исследований, являлось изучение при температурах до 900°С комплекса свойств, определяющих способность ВМ1 без разрушения подвергаться деформации, и разработка, на основе модели механики поврежденности, оптимальных режимов пластической и термической обработок при изготовлении тонкостенных труб

Материалы и методики исследований

Нашим производством проведены исследования сплава молибдена марки ВМ1, полученный по слитковой технологии с использованием вакуумно-дугового переплава. Образцы из молибдена ВМ1 изготавливали из прутков ø62 мм, полученных прессованием из слитков, и из прутков ø24 мм, полученных ковкой в вырезных штампах из прутков ø32 мм.

Экспертизе и оптимизации, на основании исследованных раннее деформационных свойств молибдена ВМ1, была подвергнута следующая технологическая схема изготовления труб:

• прессование слитка на пруток ø62 мм при температуре 1350°С;
• прессование прутка ø62 мм на размер ø32 мм при температуре 900°С;
• ковка прутка ø32 мм до ø24 мм при температуре 900°С;
• резка прутка ø24 мм на мерные длины;
• изготовление сверлением полой заготовки размером 21×4,5 мм;
• прессование на пуансоне за девять переходов до размера 18×1,6 мм при температуре 500°С;
• прокатка на стане ХПТР за три перехода до конечного размера 16×1,0 мм при температуре 500°С.

Уровень поврежденности, накопленный при прессовании на пуансоне труб из молибдена ВМ1 близок к 0,3, когда в металле возможно появление скрытых дефектов. Передельные трубы, изготовленные по данной технологии, имеют микротрещины. Остаточные напряжения при таком уровне поврежденности могут также привести к возникновению очагов микроразрушения.

Таким образом, результаты исследований показывают, что производство не может выполнить заказ определённый договором поставки продукции №27 от 21.06.11 г.

УДК 621.777: 669.275

В то же время, высокая стоимость этих материалов и особые требования к качеству изделий из них, делают актуальной задачу выбора таких режимов деформирования, которые бы обеспечивали получение изделий с заданным комплексом характеристик. Производство труб из тугоплавких металлов и сплавов на их основе характеризуется большой трудоемкостью и большим расходом дорогостоящих материалов [5,6].

Все это вызывает необходимость разработки таких технологических процессов обработки молибдена и его сплавов, которые бы обеспечивали отсутствие микродефектов в готовых изделиях.

Это связано с тем, что пластичность металла зависит от напряженного состояния, а эта связь может быть неоднозначной. Напряженное состояние при испытаниях механических свойств и в технологическом процессе, как правило, существенно различается. Поэтому ошибка в оценке деформируемости может быть не только количественной, но и качественной.

Создание экспериментальной техники высоких давлений позволило разработать методики, позволяющие осуществлять исследование и получать диаграммы пластичности металлов и при высоких температурах [12,13,14].

Целью исследований, являлось изучение при температурах до 900°С комплекса свойств, определяющих способность ВМ1 без разрушения подвергаться деформации, и разработка, на основе модели механики поврежденности, оптимальных режимов пластической и термической обработок при изготовлении тонкостенных труб.

Материалы и методики исследований

В данной случае исследовали сплав молибдена ВМ1, полученный по слитковой технологии с использованием вакуумно-дугового переплава. Образцы из молибдена ВМ1 изготавливали из прутков ø62 мм, полученных прессованием из слитков, и из прутков ø24 мм, полученных ковкой в вырезных штампах из прутков ø32 мм.

Деформационные свойства определяли испытанием цилиндрических и плоских образцов. Цилиндрические образцы имели следующие размеры рабочей части: диаметр 4,0±0,05 мм, длина 20,0±0,5 мм. На ряде образцов наносили кольцевые концентраторы в виде надрезов со скругленным основанием, характеризуемых значениями параметра d₀/R₀ равными 8,5 и 2,4. Плоские образцы имели размеры рабочей части: ширина 8,0±0,2 мм, толщина 0,50±0,05 мм, длина 25±1 мм.

Деформационное упрочнение изучали при растяжении цилиндрических образцов на испытательной универсальной машине УМЭ-10ТМ, снабженной модулем для нагрева образцов. После обработки результатов экспериментов их аппроксимировали степенной зависимостью

Исследования пластичности сплавов, устанавливающие связь между пластичностью металла и показателями напряженного состояния, строили по результатам механических испытаний образцов на специализированной установке снабженной испытательной камерой.

Величина давления в экспериментах варьировалась от атмосферного до 1 ГПа, а температура испытаний была 20, 400, 750 и 900°С. Размеры образцов измеряли на инструментальном микроскопе с точностью ± 0,01 мм.

Под пластичностью понимали способность материала деформироваться при заданных постоянных условиях монотонного нагружения, а в качестве параметра, характеризующего величину пластичности, принимали степень накопленной деформации сдвига в момент разрушения.

Современные технологические схемы производства труб из тугоплавких металлов отличаются многообразием применяемых способов обработки и большой цикличностью. Для производства труб из тугоплавких металлов, в том числе и молибдена, как в нашей стране, так и за рубежом [6,9] используют преимущественно слитки, получаемые различными методами плавления [17]. Зерна в металле при этом могут достигать очень значительных размеров. При больших размерах зерен сильно возрастает концентрация примесей внедрения по границам зерен; в металле могут образовываться карбиды, нитриды, оксиды и другие соединения, вызывающие значительное понижение пластичности [3]. Для проработки неоднородной крупнозернистой структуры тугоплавких металлов применяют первичную обработку: прессование исходных заготовок – слитков [3,6,9] с последующей термической обработкой.

С технологической точки зрения под трубными заготовками понимают полые толстостенные заготовки, имеющие определенную структуру и механические свойства

Такие заготовки используются для получения тонкостенных труб методами теплой (300 – 500°С) или холодной пластической деформации (прокаткой, волочением и др.). В работе [6] отмечается перспективность прессования труб при нагреве заготовки до 500 - 600°С. Вследствие высокого теплового эффекта фактическая температура в толще стенки трубы составляет 700–800°С. Поверхность заготовки, контактирующая с инструментом, разогревается меньше, что способствует улучшению поверхности труб и повышению стойкости инструмента.

Тонкостенные трубы изготавливают различными методами: прокаткой трубных заготовок, прокаткой с последующим волочением и непосредственно волочением трубной заготовки на длинных оправках. Температура прокатки и волочения труб составляет 350 – 500°С [6].

Экспертизе и оптимизации, на основании исследованных деформационных свойств молибдена МЧВП, была подвергнута следующая технологическая схема изготовления труб из молибдена и его сплавов:

• прессование слитка на пруток ø62 мм при температуре 1350°С;
• прессование прутка ø62 мм на размер ø32 мм при температуре 900°С;
• ковка прутка ø32 мм до ø24 мм при температуре 900°С;
• резка прутка ø24 мм на мерные длины;
• изготовление сверлением полой заготовки размером 21×4,5 мм;
• прессование на пуансоне за девять переходов до размера 15×1,6 мм при температуре 500°С;
• прокатка на стане ХПТР за семь переходов до конечного размера 8×1 мм при температуре 500°С.

Для расчета поврежденности металла при прессовании труб на пуансоне использовали известный программный комплекс QForm для конечно-элементного моделирования процессов ковки и штамповки [19]. В качестве исходной служила информация о свойствах деформируемого металла, размеры инструмента, размеры трубы до и после деформации. Для тестового примера был проведен расчет поврежденности для нескольких, предварительно выбранных, точек, характеризующихся различным расположением по расстоянию до оси трубы. Расчеты показали, что максимальную поврежденность приобретает микрообъемы металла, лежащие на внутренней поверхности трубы.

Поврежденность определяли в каждой операции пластической деформации, а суммирование осуществляли с учетом возможности термического воздействия в паузах между деформациями.

Видно, что наиболее интенсивное исчерпание ресурса пластичности наблюдается при прессовании труб на пуансоне. Это связано с тем, что при прессовании на пуансоне реализуется менее благоприятная схема напряженного состояния, чем при прессовании прутка и прокатке труб на ХПТР.

Уровень поврежденности, накопленный при прессовании на пуансоне труб из молибдена МЧВП близок к 0,3, когда в металле возможно появление скрытых дефектов. Передельные трубы, изготовленные по такой технологии, могут иметь микротрещины на характеристик. Остаточные напряжения при таком уровне поврежденности могут также привести к возникновению очагов микроразрушения.

Таким образом, результаты исследований показывают, что уровень поврежденности труб при существующей технологии в основном регламентируется процессом прессования на пуансоне. Поэтому совершенствование технологии изготовления труб размером ø8,0×1,0 мм было направлено на изменение маршрута прессования на пуансоне. Технология прокатки на станах ХПТР близка к оптимальной и рекомендации по ее изменению не разрабатывались.

Накопленная поврежденность при этом составляет 0,59, а с учетом частичного залечивания поврежденности при часовом отжиге при температуре 800°С будет равна 0,24 перед циклом прокаток на стане ХПТР 8-15. Этот достаточно высокий уровень поврежденности позволяет предположить высокую вероятность образования скрытых дефектов на внутренней поверхности труб, что может привести к повышенному количеству брака на последующих переделах и низкой трещиностойкости труб на конечном размере. Данные расчетов поврежденности позволяют рекомендовать ввести промежуточный отжиг при температуре 800°С после 7-го перехода прессования на размере 18×3,1. Рекомендованный технологический маршрут будет выглядеть следующим образом (размеры наружного диаметра и толщины стенки трубы в миллиметрах):

21,0 × 4,5 → 20,5 × 4,35 → 20,0 × 4,1 → 19,5 × 3,85 → 19,0 × 3,6 → 18,5 × 3,35 → 18,0 × 3,1(ω=0,24) → отжиг 800°С, 1 ч (ω_ост=0,07)→ 17,0 × 2,4 → 16,0 × 2,1 → 15,0 × 1,6 (ω=0,22) → отжиг 800°С, (ω_ост=0,1).

При такой схеме прессования поврежденность перед отжигом не превышает величины критерия микроповрежденности ω=0,3 и в трубах, как на промежуточных, так и на готовых размерах, должны отсутствовать микродефекты, являющиеся концентраторами разрушения при производстве труб и при их эксплуатации.

ВЫВОДЫ. 1.Для технически чистого молибдена марки МЧВП построены диаграммы пластичности, связывающие предельную деформацию до разрушения с показателями напряженного состояния. Исследована пластичность материала в условиях знакопеременного деформирования. Установлено, что на пластичность исследованного материала существенное влияние оказывает вид напряженного состояния, характеризуемый параметром Лоде. Повышение температуры испытания с 500°С до 900°С практически не влияет на пластичность молибдена МЧВП при μ_σ= -1. В то же время, уменьшение показателя Лоде от 0 до –1 вызывает рост пластичности больший, чем увеличение температуры испытания от 500° до 900°С.

2. В рамках теории поврежденности исследовано залечивание деформационной поврежденности при отжиге, построены диаграммы залечивания и определены условия, при которых возникает необратимая поврежденность, не залечиваемая при термической обработке.

3. На основании результатов моделирования накопления поврежденности проведена экспертиза технологии изготовления тонкостенных труб. Установлено, что наиболее интенсивное исчерпание ресурса пластичности происходит при прессовании труб на недеформируемой оправке. По результатам расчетов поврежденности рекомендовано ввести промежуточный отжиг при температуре 800°С на размере 18×3,1 мм.