Co je stres z tepelného zpracování
Napětí při tepelném zpracování je vnitřní napětí, které zůstává v ocelové součásti po dokončení cyklu ohřevu a chlazení. Generuje se vždy, když různé části stejné sekce procházejí tepelným cyklem různými rychlostmi nebo se transformují v různých časech, a jakmile se součást ochladí na pokojovou teplotu, je uzamčena v materiálu.
Stres není automaticky škodlivý. Když je řízena a uspořádána tak, že povrchová vrstva přenáší tlak, zvyšuje odolnost proti únavě a životnost. Když je nekontrolovaný, přidává se k napětí vytvářenému tlakem, ohybem a tepelným cyklem a může tlačit součást za její mez kluzu nebo v nejhorším případě za její pevnost v tahu.
Tepelný stres a transformační stres
Během ohřevu a chlazení nemění povrch a jádro trubky stejnou rychlost. Výsledný teplotní rozdíl způsobuje nestejnou expanzi a kontrakci, a tedy napětí. Zatímco se trubka ochlazuje, povrch je zpočátku chladnější než jádro a snaží se smršťovat více, než jádro umožňuje, takže jádro je taženo do tahu a povrch je tlačeno do stlačení. Když je chlazení téměř dokončeno, situace se obrátí, protože jádro se nakonec musí stáhnout proti povrchu, který již ztuhl, takže jádro skončí v tahu a povrch v tlaku. Tato složka se nazývá tepelné namáhání.
Druhou složkou je transformační napětí, které se objevuje pouze u ocelí, které se vytvrzují. Když se povrchová vrstva přemění na martenzit dříve než jádro, povrch se roztáhne, zatímco jádro je stále austenitické a relativně měkké, a jádro je plasticky nataženo v tahu. Poté, co se jádro přemění, nemůže se volně roztahovat, protože povrch je již tvrdý, takže zůstává samo{2}}vyrovnávací vzorec napětí: tvrdý povrch v tlaku, jádro v tahu.
Velikost obou složek roste s rychlostí ochlazování, s obsahem uhlíku a s obsahem slitin. Rychlejší ochlazování, vyšší prokalitelnost a těžší části stěny zvyšují plastickou deformaci produkovanou během cyklu, a proto zvyšují zbytkové pnutí v hotové trubce.
Důsledky pro potrubí, potrubí a armatury
Deformace: když zbytkové napětí lokálně překročí mez kluzu, trubka se ohne, oválí nebo ztratí přímost a nelze ji vrátit zpět do tolerance normálním narovnáním.
Praskání: když kombinované zbytkové a aplikované napětí překročí pevnost v tahu nebo když je tvrdá struktura vystavena vodíku, praskání začíná na povrchu nebo při koncentraci napětí, jako je špička svaru.
Ztráta rozměrové stability po obrábění: vnitřní napětí se redistribuuje, když je materiál odebírán během závitování nebo obrábění, takže součást se po konečném řezu pohybuje.
Snížená odolnost proti únavě a napěťové korozi: tahové zbytkové napětí na povrchu zkracuje únavovou životnost a snižuje práh pro vznik korozního praskání pod napětím, zatímco tlakové napětí má opačný účinek.
Rozptyl ve výsledcích mechanických zkoušek: délka s nerovnoměrným stavem napětí může vykazovat nekonzistentní mez kluzu a tvrdost podél své délky.
Snížení a uvolnění stresu
Prvním opatřením je spíše návrh procesu než korekce. Rovnoměrný ohřev v dobře-kontrolované peci, řízené kalení s rovnoměrnou distribucí spreje a definovaná prodleva mezi kalením a popouštěním, to vše snižuje špičkové napětí, se kterým je třeba se později vypořádat. Pomalé, symetrické ochlazování po temperování zabraňuje přidávání nového vzoru tepelného namáhání navrch stávajícího.
Druhým opatřením je uvolnění stresu. Popouštění při vhodné teplotě pod nižší kritickou teplotou umožňuje oceli uvolnit zbytkové napětí a zároveň upravit pevnost na požadovanou úroveň; tam, kde je kritická rozměrová stabilita, se používá speciální žíhání pro odlehčení napětí-. Odlehčení pnutí je standardním krokem pro svařované trubky a tvarovky a jeho teplota a čas musí být zvoleny pro aktuální jakost v souladu s platnými stavebními předpisy, jako je ASME B31.3.
Tam, kde je tlakové povrchové napětí výhodné, může být zavedeno záměrně. K umístění vnější vrstvy součásti do tlaku se používá brokování, řízené válcování povrchu a v některých případech povrchové kalení, což je důvod, proč vliv dobře-navržené tlakové povrchové vrstvy na únavovou životnost přitahuje tolik pozornosti při výrobě trubek a tvarovek.
Měřicí a kontrolní body
| Metoda | Účel |
|---|---|
| X-difrakce záření | Přímé měření povrchového zbytkového napětí; seřízení přístroje je ověřeno v souladu s ASTM E915 |
| Tenzometr-pro vrtání děr | Měření rozložení napětí s hloubkou v souladu s ASTM E837 |
| Průzkum tvrdosti | Nepřímá kontrola odezvy chlazení a temperování po délce a po obvodu |
| Rozměrová kontrola po opracování | Potvrzuje, že napětí bylo dostatečně uvolněno, aby součást zůstala stabilní |
| Kontrola magnetických částic a ultrazvuk | Detekce trhlin po kalení a praskání způsobeného vodíkem- ve svarech a při změnách průřezu |
Protože zbytkové napětí není vidět, praktickým regulačním okruhem je dokumentace procesu plus periodické ověřování. Záznam diagramů pece, parametrů kalení, popouštěcích cyklů a záznamů rovnání s tepelným číslem umožňuje vysledovat odchylku dříve, než se stane vyřazenou dávkou.
FAQ
Otázka: Je zbytkový stres vždy škodlivý?
Ne. Zbytkové napětí v tlaku na povrchu zlepšuje únavovou pevnost a odolnost proti praskání korozí pod napětím. Problémem je nekontrolované napětí v tahu nebo vzor napětí, který zvyšuje provozní zatížení.
Otázka: Jaký je rozdíl mezi tepelným napětím a transformačním napětím?
Tepelné napětí pochází z teplotních rozdílů mezi povrchem a jádrem, které způsobují nerovnoměrné smrštění. Transformační napětí pochází ze změny objemu, kdy se austenit mění v martenzit nebo bainit v různých časech v různých částech řezu.
Otázka: Které druhy trubek jsou nejvíce ohroženy praskáním při kalení?
Vyšší -uhlíkové a vyšší{1}}třídy slitin s dobrou prokalitelností, zejména v případě silných stěn, protože mohou vytvářet tvrdý martenzit s vysokým zbytkovým napětím a jsou citlivější na vodík.
Otázka: Jak se snižuje stres při tepelném zpracování ve výrobě?
Rovnoměrným ohřevem, rovnoměrným a kontrolovaným kalením, okamžitým temperováním, řízeným chlazením po temperování a v případě potřeby speciálním-žíháním pro odlehčení pnutí. Rovnání se provádí spíše po temperování než před ním.
Otázka: Lze měřit zbytkové napětí na hotové trubce?
Ano. X-difrakce záření a metoda tenzometrického-vrtání díry jsou obvyklé techniky a obě se provádějí v souladu s publikovanými testovacími metodami, takže výsledky jsou srovnatelné mezi dodavateli a laboratořemi.
Otázka: Proč se trubka po závitování někdy ohne?
Protože obrábění odstraňuje materiál a umožňuje přerozdělení vzoru vnitřního napětí, takže délka, která se zdála rovná, se může vychýlit. Standardním řešením je adekvátní uvolnění napětí před obráběním.
