Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение

Сталь 25Г2С достаточно широко используется в длинномерных профилях сортового проката. Поскольку в процессе эксплуатации конструкции, изготавливаемые из профилей сортового проката, должны удовлетворять ряду требований по таким характеристикам, как пластичность и прочность, к ним предъявляются особые требования, которыми обладает арматурная сталь 25Г2С. Рассмотрен прокат по способу производства: горячая прокатка гладкого и периодического профиля с контролируемым охлаждением в потоке прокатного стана и изготовление анкерных головок на арматурных элементах, осуществляемое процессом высадки. Однако при соблюдении необходимых требований технологического процесса изготовления анкерных головок высадкой происходит их разрушение при испытании на растяжение. Для установления возможных причин разрушения в ходе испытаний были проведены исследования по определению химического состава стали арматуры, фрактрографический анализ поверхностей излома высаженных головок после разрушения, их металлографическое исследование с определением микротвердости, а также исходной структуры стержней и структуры высаженной арматуры. Представлены результаты макро- и микроструктурных исследований, а также механических характеристик стержней арматурного проката стали 25Г2С и высаженных головок. По результатам исследований установлено, что разные партии арматуры имеют разную микроструктуру и твердость. Арматура со структурой низкоотпущенного мартенсита в поверхностном слое и бейнита в середине имеет более высокую твердость - в среднем от 355 до 340 HV и склонна к хрупкому разрушению при повышенных напряжениях и наличии концентраторов напряжений на поверхности. Разрушение арматуры по границе высаженной части при нагружении идет по хрупкому механизму. Это связано с исходной структурой арматуры и с образованием в высаженной части хрупких закалочных структур с твердостью выше, чем стержень арматуры, обладающий повышенным уровнем внутренних напряжений и имеющий малый запас пластичности.

Электронно-лучевое аддитивное формообразование с использованием проволоки является одним из наиболее перспективных методов производства крупногабаритных изделий. Его основными преимуществами является наличие вакуумной защиты расплавленного и нагретого металла, а также высокая производительность. В настоящее время ЭЛАФ активно развивается, однако, несмотря на это, определению режимов и особенно исследованию влияния технологических разверток электронного луча на форму валиков и свойства металла не уделяется достаточного внимания. Представлены результаты исследования влияния основных параметров режима наплавки, а также формы и параметров развертки на форму валиков, стабильность и эффективность процесса наплавки титанового сплава СПТ-2 на подложку из сплава ВТ6. Было установлено, что увеличение скорости наплавки приводит к увеличению КПД процесса наплавки и увеличению проплавления подложки. Показано, что увеличение размера источника теплоты за счет увеличения диаметра развертки в форме концентрических окружностей позволяет регулировать ширину валика, однако в ограниченных пределах. При использовании проволоки диаметром 1,2 мм удалось увеличить ширину валика с 5,97 до 9,32 мм - в 1,5 раза. При наплавке с использованием развертки в форме зигзага на частотах от 3,5 до 100 Гц отмечено, что гарантированно стабильное формирование наблюдается при наиболее высоких частотах - 70 и 100 Гц, а в области низких частот стабильность формирования валиков зависит от частоты нелинейно - при 3,5 Гц формирование стабильное, а при 7 и 35 Гц - нет. Снижение мощности электронного луча приводит к росту высоты валика и снижению его ширины.

Специальные защитные покрытия на сегодняшний день обеспечивают наиболее высокие эксплуатационные свойства кварцевых волокон. Одно из лучших покрытий - это полиимид, сочетающий высокие механические характеристики и термостойкость (до 350 °С). При температуре эксплуатации 350 °С и выше используют волокна с металлическими покрытиями, которые позволяют увеличить температурный диапазон вплоть до 600 °С. Объектом исследования являлись оптические волокна без покрытий, с полиимидными и с медными покрытиями. Целью работы являлось определение прочности, твердости и трещиностойкости оптических волокон без покрытий, с полиимидными и с медными покрытиями. Значения трещиностойкости и твердости кварцевых волокон измерены методом индентирования. Трещиностойкость K 1с оптических волокон была определена с помощью полуэмпирической зависимости А. Ниихары, размер трещины - с использованием сканирующей электронной микроскопии. Методом осевого растяжения и методом двухточечного изгиба определен предел прочности волокон, при постоянной скорости нагружения 100 мм/мин. Построен график зависимости предела прочности от трещиностойкости, на котором показано сравнение методов двухточечного изгиба и осевого растяжения. Метод двухточечного изгиба дает завышенные результаты по сравнению с эталонным методом. Мы полагаем, это связано с распределением дефектов по длине оптического волокна. Наиболее высокая прочность наблюдалась у оптического волокна с медным покрытием от 6,7 до 9,0 ГПа. Низкая прочность, как и ожидалось, была получена у оптического волокна без покрытия от 0,3 до 2,3 ГПа. Рост прочности и трещиностойкости у волокон с покрытиями определяют сжимающими напряжениями на поверхности при нанесении меди и полиимида на кварцевые волокна.

Физика пластичности и прочности во многом основана на дислокационной физике. Изучение дефектной субструктуры после пластической деформации проводилось с применением электронного микроскопа. Для исследования использовались поликристаллы ГЦК-сплавов на основе меди. Содержание Mn изменялось от 0,4 до 25 ат. %. Средний размер зерен в образцах равен 100 мкм. Образцы сплавов для исследования подвергались растяжению при комнатной температуре. Установлена последовательность изменения типов дислокационных субструктур в сплавах. В сплаве Cu + 0,4 aт. % Mn наблюдается следующая последовательность дислокационных субструктур (ДСС): клубки из дислокаций, ячеистая без разориентировки, ячеистая с разориентировками, в которых разориентировки между ячейками составляют больше 0,5°, микрополосовая. В сплавах с содержанием Mn более 6 ат. % наблюдается другая последовательность превращения ДСС: дислокационный хаос, дислокационные скопления, неразориентированная сетчатая, неразориентированная ячеисто-сетчатая, разориентированная ячеисто-сетчатая, микрополосовая. Тип ДСС, формирующийся при определенной степени деформации, характеризуется своими количественными параметрами и распределением дислокаций. Проведено количественное измерение параметров каждого типа субструктур. Присутствие одновременно при данной степени деформации не менее двух типов ДСС говорит о наличии двухфазности в материале. Рост степени деформации способствует увеличению плотности дислокаций в материале. При этом объем субструктуры, которая сформировалась при небольших степенях деформации, уменьшается, а вновь образовавшаяся субструктура занимает в материале больший объем, чем предыдущая ДСС. Вновь сформированная ДСС продолжает развиваться с ростом деформации. При этом величина плотности дислокаций принимает критические значения. Накопление дислокаций в каждой сформированной субструктуре ρсост гораздо выше, чем в предыдущих. Выявлена взаимосвязь параметров ДСС со средней скалярной плотностью дислокаций. Установлено, что большинство параметров ДСС могут являться параметрами фазовых превращений. Наблюдаемые зависимости характерны для превращений «порядок-беспорядок». При этом фаза представляет собой определенную организацию дислокаций в дислокационном ансамбле.

Аддитивные процессы - это инновационные технологические процессы, применение которых значительно сокращает количество этапов современного производства. В настоящее время учеными активно изучаются вопросы создания изделий с использованием различных технологий наплавки, вопросы структурообразования наплавленных слоев и зависимости состава наплавленного материала от режимов наплавки. Несмотря на активное развитие методов аддитивного послойного формирования заготовок и изделий из металлических материалов, до настоящего времени полностью не решены вопросы снижения тепловложения в изделие при формировании слоев, возможности обработки материалов разных классов, снижения дефектности наплавленного материала, обеспечения требуемых свойств. Структура и свойства слоистых материалов во многом определяются особенностями теплопередачи в изделие при наплавке, в том числе при работе с активными материалами, к которым относится титан и его сплавы. Титановые сплавы обладают рядом структурных особенностей, в частности формированием вытянутых крупных зерен бета-фазы, которые могут образовываться вследствие длительного нахождения металла в области повышенных температур, и появлением крупных мартенситных фаз, образованию которых способствует высокая скорость охлаждения. Особенности структуры титановых сплавов необходимо учитывать в технологиях наплавки при формировании физико-механических свойств. Рассмотрено влияние различных способов плазменной наплавки на структуру и свойства двухфазного титанового сплава при аддитивном формировании заготовок. Наращивание заготовок осуществлялось плазменной наплавкой в камере с контролируемой атмосферой по однодуговой и двухдуговой схемам. Качественное формирование заготовок из титанового сплава с получением стабильных геометрических характеристик возможно при плазменной наплавке проволочного материала дугой прямого действия прямой полярности. Использование технологической камеры, заполненной инертным газом, позволяет обеспечивать наиболее эффективную защиту расплавленного и нагретого титанового сплава от воздействия окружающей среды. Результаты исследований показали, что применение двухдуговой схемы плазменной наплавки в контролируемой атмосфере позволяет снизить суммарное тепловложение по сравнению с однодуговой схемой при обеспечении аналогичной производительности и стабильности процесса.

Рассмотрен комплексный подход к повышению надежности нефтепромыслового и бурового оборудования путем применения технологических и конструктивных решений при механической обработке резьбы и последующей управляемой сборке соединений. В современном производственном процессе добычи углеводородов широко используется метод наклонно-направленного и горизонтального бурения нефтяных и газовых скважин. При этом наблюдается повышенное пластовое давление в скважине, воздействие высоких температур на оборудование и другие осложняющие факторы, влияющие на стабильную работу изделий. В связи с этим конструкция и технология изготовления ответственных деталей нефтепромыслового и бурового оборудования требует применения более прочных и надежных, с высокими техническими характеристиками изделий. Построены причинно-следственные связи, влияющие на надежность резьбы и резьбового соединения. Раскрыты причины и показаны эффективные решения проблемы низкой долговечности резьбовых соединений. Рассмотрены различные методы упрочнения поверхностей. Предложены наиболее перспективные методы поверхностной пластической деформации на основе обкатывания резьбы специальным профильным роликом. Отмечено, что качество поверхностного слоя в основном характеризует ресурсные показатели наземного и подземного оборудования, применяемого в нефтегазовой отрасли. Выявлены ключевые операции технологического процесса изготовления детали, на которых формируются ее геометрические и физико-механические свойства. Повышение долговечности изделий с резьбой является одной из основных задач современного машиностроения. В качестве высокоэффективного метода, повышающего износостойкость резьбы, рассмотрена электромеханическая обработка. Выполнены экспериментальные исследования для повышения надежности резьбовых соединений, рассмотрены сравнительные усталостные испытания образцов бурильных труб с упрочнением резьбы и без упрочнения. Исследования выполнены на специальном стенде и по новой методике. Необходимо отметить, что для технологического процесса лезвийной обработки, последующего упрочнения впадин резьбы и сборки соединений важной является разработка методологических основ и практических рекомендаций. Проведенный анализ ранних исследований научных школ и производственного опыта предприятий нефтяного машиностроения показал, что при комплексной оценке надежности следует учесть эффективность процесса резьботочения и сборки резьбовых соединений с оптимальным моментом. При изготовлении специальных бурильных, обсадных и насосно-компрессорных труб, а также других высоконагруженных деталей нефтепромыслового и бурового оборудования, важным является выполнение технологических требований и прогнозирование выходных параметров процесса резьботочения. Таким образом, создание теоретических основ конструкторско-технологического обеспечения надежности резьбовых соединений является актуальной научной задачей при изготовлении бурильных труб и имеет важную практическую значимость для народного хозяйства Российской Федерации.