Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Материаловедение

Диссертационная работа:

Мышевский Игорь Сергеевич. Повышение долговечности тонкостенных сосудов давления с использованием материалов с эффектом памяти формы : диссертация ... кандидата технических наук : 05.02.01, 05.03.06 / Мышевский Игорь Сергеевич; [Место защиты: Дон. гос. техн. ун-т].- Краснодар, 2007.- 157 с.: ил. РГБ ОД, 61 07-5/5203

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

АНАЛИЗ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ С ЭПФ ДЛЯ

ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ СВАРНЫХ ТСД 15

I. 1 Некоторые конструктивно-технологические способы повышения долговечности сосудов давления 15

I. 2 Роль сплавов с ЭПФ в современном машиностроении 18

І. 3 Термомеханические характеристики легированных систем 26

I. 3. 1 Сплавы на основе NiTi 26

I. 3. 2 Влияние железа на функциональные свойства системы Fe-Nii 29

I. 4 Анализ механических свойств сплавов на основе NiTi 35

I. 4. 1 Диаграммы деформирования 35

I. 4. 2 Механическая усталость 39

II ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ N1 И ТІ НА ФАЗОВЫЙ СОСТАВ И НДС СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ 44

II. 1 Моделирование диаграмм состояния тройной системы Fe Nii 44

II. 1. 1 Модели расчета тройных диаграмм состояния 44

П. 1.2 Расчет изотермических сечений диаграммы Fe-Ni Ti 49

П. 2 Оценка НДС сварного соединения, легированного Ni и Ті 53

II. 2. 1 Постановка задачи и методы реализации 53

П. 2. 2 Влияние режимов обработки на НДС сварного шва 57

III МЕТОДИКА И СРЕДСТВА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ 63

III. 1 Материалы и образцы для проведения исследований 63

III. 2 Оборудование для аргонодуговой сварки 64

III. З Методика исследований механических свойств соединений 70

III. 3. 1 Статические испытания образцов материалов и их сварных соединений 70

III. 3. 2 Малоцикловые испытания образцов материалов и их сварных соединений 71

III. 4 Методика исследований коррозионной стойкости 72

III. 5 Способ неразъемного соединения деталей 73

ОТРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ ЛЕГИРОВАНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ СОЕДИНЕНИЙ 75

IV. 1 Методика разработки технологии аргонодуговой сварки 75

IV. 2 Оптимизация технологических режимов легирования и последующей обработки сварных соединений 78

IV. 3 Количественная параметризация и анализ структуры швов, легированных Ni и Ті 87

IV. 4 Механические свойства легированных соединений 96

IV. 4. 1 Статические испытания 96

IV. 4. 2 Малоцикловая механическая усталость 99

IV. 5 Коррозионные и коррозионно-усталостные испытания легированных соединений 104

ПРИМЕНЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ С ЭПФ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ТСД 111

V. 1 Способ упрочнения сварных ТСД с использованием материалов на основе NiTi 111

V. 1. 1 Некоторые аспекты применения и термомеханический цикл получения

упрочняющих элементов 1 1 1

V. 1. 2 Предварительная оценка НДС оболочек, усиленных материалами с ЭПФ 116

V. 1. 3 Конечно-элементный расчет сосуда давления 118

V. 2 Соединение цилиндрических деталей одного диаметра 124

V. 3 Способ соединения сопрягаемых деталей 127

Основные результаты и выводы 132

Список использованных источников 135

Приложение 1  

Введение к работе:

Актуальность проблемы. Тонкостенные сосуды давления (ТСД) широко используются в различных областях машиностроения в химическом, нефтяном, энергетическом, транспортном машиностроении, в пищевой промышленности, в авиастроении и космической технике Большая часть ТСД представляют собой сварные тонкостенные оболочки, работающие в условиях циклического нагружения и воздействия активных сред Повысить прочность и долговечность сосудов давления возможно за счет комплексного подхода, сочетающего в себе как конструктивные, так и технологические решения на основе использования новых материалов, в том числе материалов с эффектом памяти формы (ЭПФ) Сегодня эти материалы используются, в основном, для обеспечения различного рода функциональных свойств в конструкциях соединительных и установочных деталей, датчиков, исполнительных элементов, самоустанавливающихся конструкций и др Среди материалов с ЭПФ наиболее сбалансированным сочетанием функционально-механических и технологических свойств обладают сплавы на основе NiTi В этой связи актуальной задачей является теоретическое обоснование и экспериментальная оценка возможности легирования сварного соединения Ni и Ті для обеспечения релаксации напряжений в шве при циклическом нагружении за счет проявления свойств памяти формы

Уникальные возможности сплавов на основе NiTi, связанные с проявлением эффектов памяти, уже успешно реализованы при создании ряда устройств и техники нового поколения аэрокосмического и автомобильного комплекса, в приборо- и машиностроении Конструктивные элементы из сплавов NiTi могут также быть использованы для повышения долговечности ТСД в качестве упрочняющих и обеспечивающих, в случае необходимости, сборку-разборку конструкции

Несмотря на значительные успехи, достигнутые российскими (А Е. Волков, С В. Добаткин, Ю Н Коваль, В Г Курдюмов, В А Лихачев,

НА Махутов, А И. Разов, С В Шишкин и др) и зарубежными (СМ Вейман, Я Ван-Хамбек, ДИ Ли, С Миязаки, К Ооцука, Э Хорнбоген и др) учеными при исследовании структуры, свойств и применений никелида титана, вопросы, касающиеся получения качественных соединений с использованием NiTi, остаются малоизученными

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ в соответствии с НИР «Повышение долговечности деталей машин с помощью создания поверхностных самоорганизованных структур с памятью формы» по подпрограмме Министерства образования Российской Федерации "Производственные технологии" (код проекта 2010101115) 2001-2002 гг, в соответствии с координационным планом НИР в рамках программы РНП 2 1 2 4958 (2 14 080) на 2006-2008 гг «Повышение функционально-механических свойств сталей путем создания поверхностных слоев с ЭПФ», а также по госбюджетной теме 6.5 2 01-05 кафедры «Динамика и прочность машин» КубГТУ «Конструктивно-технологические методы повышения долговечности деталей машин и элементов конструкций, работающих в сложных условиях нагружения»

Цель работы - разработка конструктивно-технологических методов повышения циклической долговечности тонкостенных сосудов давления путем формирования структуры и функционально-механических свойств сварного шва на стали 12Х18Н10Т с использованием материалов с ЭПФ на основе NiTi

Задачи исследования:

определить количественный и фазовый состав материала сварного шва, легированного никелем и титаном, с целью обеспечения в нем эффекта памяти формы,

выполнить анализ деформационных процессов, происходящих в легированном шве при его обработке, и определить их влияние на проявление эффекта памяти и упрочнение соединения,

разработать технологию легирования сварных швов на стали 12Х18Н10Т никелем и титаном для обеспечения функционально-механических свойств соединений,

провести экспериментальную оценку механических свойств образцов, содержащих легированный сварной шов,

разработать конструктивно-технологические способы повышения долговечности ТСД

Методы исследования базировались на основных положениях металловедения, термодинамики, механики разрушения, метода конечных элементов (МКЭ), математических методов планирования экспериментов

Научная новизна:

получено численное решение контактной задачи процесса деформирования сварного соединения из стали 12Х18Н10Т толщиной 1 мм, легированного никелем и титаном, что позволило определить степень проявления эффекта памяти формы материалом сварного шва на уровне 0,8-1,0 %, достаточного для компенсации напряжений, возникающих как в процессе сварки, так и при эксплуатации тонкостенных сосудов давления Теоретически установлено и экспериментально подтверждено, что получение однородной структуры, заданных функциональных свойств и максимальных значений расчетного предела текучести обеспечивается массовой долей легирующих компонентов в сварном шве на уровне 45% Ni и 41% Ті при усилии обкатки 13-16 кН и изотермическом отжиге при 500 С,

термодинамическое моделирование изотермических сечений тройной диаграммы состояния Fe-Ni-Ti при температурах от 300 до 1100 К позволило определить количественное соотношение Ni, Ті и Fe в сварном шве и его фазовый состав, необходимый для проявления эффекта памяти формы Установлено, что выбранный сплав находится в трехфазной области диаграммы состояния и содержит следующие фазы NiTi, Laves С14, Ni3Ti, образующие непрерывный ряд твердых растворов, фаза NiTi обеспечивает проявление эффекта памяти формы, а фазы Лавеса на основе железа и Ni3Ti уп-

рочняют металл сварного шва Установлено, что хром, попадающий в сварной шов из свариваемой стали 12X18Н1 ОТ, входит в состав твердых растворов и в количестве до 5 % не оказывает влияния на проявление легированным металлом сварного соединения эффекта памяти формы,

проведены комплексные металлофизические исследования легированного никелем и титаном сварного шва, в том числе с использованием мультифрактального анализа, которые позволили выявить статистические закономерности эволюции структуры легированного сварного шва, ее основные количественные параметры и степень адаптации к внешним воздействиям на всех этапах технологического процесса изготовления сварного соединения Установлено, что максимальная степень упрочнения легированного сварного шва и максимальная адаптивность достигается после проведения полного цикла обработки сварного шва, заключающейся в обкатке и изотермическом отжиге,

с использованием методов планирования эксперимента получена регрессионная модель, связывающая критерии работоспособности легированного никелем и титаном сварного шва с основными параметрами процесса сварки и последующих операций обкатки и отжига Установлено, что оптимальными являются следующие технологические режимы 1д=65 А, UCB=30 В, VOB=90 мм/мин, с!эл=3 мм, усилие обкатки 13-16 кН, температура отжига 500 С, массовая доля легирующего компонента 75-80 % В результате обеспечивается проявление эффекта памяти формы материалом сварного шва 0,8-1,0 %, предел прочности 565-580 МПа, относительное удлинение после разрыва 37-40 %, относительная прочность сварного соединения 95-99 %

Практическая значимость:

определены оптимальные режимы получения неразъемных соединений стали 12Х18Н10Т с относительной прочностью сварного соединения 95-99%,

проведена оценка влияния термической обработки (ТО) и пластического деформирования (ПД) на характеристики прочности и пластичности соединений, выполненных с использованием сплавов NiTi,

разработан способ упрочнения тонкостенных цилиндрических сосудов давления с использованием кольцевых элементов из материала с ЭПФ, аналитически и численными методами решена задача оптимизации шага установки упрочняющих кольцевых элементов,

разработан способ соединения цилиндрических деталей одного диаметра, включающий нанесение покрытия из сплава с ЭПФ на соединяемые детали, и произведен расчет НДС в соединении;

разработан способ соединения сопрягаемых деталей с использованием материалов на основе NiTi

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на первой межвузовской научно-методической конференции «Электромеханические преобразователи энергии», КВАИ, Краснодар 20-21 марта 2002, 4-ой южнороссийской научной конференции «Энерго- и ресурсосберегающие технологии и установки», КВАИ, Краснодар, 7-8 апреля 2005, 4-ой Московской Международной конференции «Теория и практика технологии производства изделий из композиционных материалов и новых металлических сплавов Корпоративные, нано- и CALS-технологии в наукоемких отраслях промышленности» (ТПКММ), МГУ, Москва, 26-29 апреля 2005, 4-ом Международном междисциплинарном симпозиуме «Фракталы и прикладная синергетика», ИМЕТ РАН, Москва (Россия), 14-17 ноября 2005, международной конференции по теории механизмов и механике машин, КубГТУ Краснодар (Россия), 9-16 октября 2006

На защиту выносятся:

результаты моделирования изотермических сечений тройной диаграммы состояния Fe-Ni-Ti,

конечно-элементное решение задачи, описывающей деформационные процессы при обработке сварных соединений из стали 12Х18Н10Т, выполненных с использованием сплавов на основе NiTi,

технология получения сварных соединений стали 12Х18Н10Т с использованием сплавов NiTi, включающая ПД и ТО соединения,

результаты экспериментальных исследований механических свойств образцов, содержащих легированный сварной шов,

способ упрочнения ТСД, имеющих цилиндрическую часть, с использованием кольцевых элементов из материала с ЭПФ (патент РФ № 2286507), аналитическое решение в случае установки одного кольцевого элемента и численное - в случае установки нескольких элементов с рассчитываемым шагом,

инженерные решения с использованием сплавов с ЭПФ (соединение цилиндрических деталей одного диаметра, патент РФ № 55904, способ соединения сопрягаемых, деталей патент РФ № 2249731), для которых определены оптимальные конструктивные и технологические параметры

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, из них 2 в рецензируемых изданиях Получено 3 патента РФ, 1 решение на выдачу патент РФ, подана 1 заявка на патент РФ (№ 2007104444 приоритет 05 02 07)

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из 5 глав, перечня основных результатов и выводов, приложения Диссертация содержит 149 страниц, 66 рисунков, 10 таблиц и список литературы из 147 наименований

Подобные работы
Будревич Дмитрий Геннадьевич
Повышение долговечности деталей машин поверхностным модифицированием сплавами с эффектом памяти формы
Степаненко Майя Александровна
Структура и свойства поверхностно-модифицированных слоев из сплава с памятью формы на основе никелида титана
Денисов Павел Юрьевич
Взаимодействие сплавов алюминия с материалами пресс-форм и повышение их стойкости функциональными покрытиями
Платицин Александр Владимирович
Применение химико-термической обработки с последующим облучением электронами для повышения стойкости пресс-форм
Чурилова Татьяна Валерьевна
Повышение долговечности изделий с гибкими металлическими оболочками из хромоникелевых сталей типа 18-10
Терехин Андрей Михайлович
Повышение долговечности лопаток турбин газотурбинных двигателей нанесением модифицированных комбинированных покрытий системы Ni-Al-Cr
Прохоров Николай Анатольевич
Повышение долговечности поршневых и уплотнительных колец термодиффузионным упрочнением с термоциклированием
Симин Андрей Петрович
Повышение долговечности вкладышей подшипников скольжения, изготавливаемых из композиционных материалов на основе растительных полимеров
Соколова Елена Ивановна
Исследование свойств текстильных шнуров для мягких сальниковых уплотнительных элементов и разработка способа повышения их долговечности
Морозов Сергей Владимирович
Повышение износостойкости и долговечности литых деталей и инструмента за счет использования новых легированных Fe - C сплавов

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net