КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 17-79-10072

НазваниеРазработка нового способа определения и измерения остаточных напряжений в металлах

РуководительШимов Георгий Викторович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина", Свердловская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2017 - 06.2019 

Конкурс№23 - Конкурс 2017 года по мероприятию «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-102 - Механика технологических процессов

Ключевые словаОстаточные напряжения, коррозионная стойкость, физика и механика сплошных сред, упругость, пластичность, межкристаллитная коррозия, растрескивание металла, трубы для парогенераторов АЭС, трубы для ТВЭЛов АЭС

Код ГРНТИ53.01.81, 53.49.17


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Актуальность Повышение эксплуатационных характеристик металлов для конструирования машин и агрегатов ответственного назначения является актуальной научно-технической проблемой, связанной не столько с поиском альтернативных, сколько с дальнейшим совершенствованием конструкционных металлических материалов. Примером может быть нержавеющие хромо-никелевые стали для трубной арматуры АЭС (трубы ТВЭЛов, теплообменные трубы парогенераторов, трубы для сепараторов подогревателей, генераторов АЭС). Решение проблемы снижения рисков аварийности и увеличения сроков службы трубной арматуры АЭС можно искать в области замены коррозионностойких хромоникелевых сталей (типа 18-10 и др.) другими сталями или материалами, однако этот путь дорогостоящий и не решает главной проблемы – не исключает склонность металла труб к растрескиванию и межкристаллитной коррозии под действием остаточных напряжений. Кроме того, следует упомянуть, что остаточные напряжения могут играть и позитивную роль в вопросах повышения уровня свойств металла. Управление уровнем и характером распределения остаточных напряжений (например, намеренное создание поля сжимающих остаточных напряжений на поверхности металла) может позволить значительно повысить ряд эксплуатационных характеристик металлопродукции по сравнению со случаем отсутствия в ней таких остаточных напряжений. На сегодняшний день вопрос остаточных напряжений остро стоит не только в атомной энергетике, также он актуален в химической, космической отраслях, точном приборостроении. Поиск новых способов фиксации, измерения и снижения остаточных напряжений в металлах безусловно является актуальным в свете постоянного повышения требований к металлопродукции ответственного назначения. В дальнейшем необходимо научиться создавать предварительное остаточное напряженное состояние в металлопродукции, которое проявляло бы себя в процессе эксплуатации детали из такого металла (возможно при определенных условиях эксплуатации) и, к примеру, повышало ее свойства до требуемых в критический момент. Научная новизна Остаточные напряжения в металле (упругие микронапряжения) возникают всегда, при любом варианте производственного цикла какой-либо металлопродукции. Термическая обработка не снимает, как считалось ранее, а только перераспределяет напряжения в объеме изделия и даже может играть негативную роль в части влияния на эксплуатационные характеристики детали. Главной проблемой, не позволяющей науке двигаться в вышеуказанном направлении, является отсутствие научной базы, достоверных методик и способов измерения остаточных напряжений. Различные способы дают разный результат. Кроме того, известные методики, такие как рентгеновские или ультразвуковые, позволяют измерять лишь напряжения 1-го рода (микроуровень, напряжения между атомами решетки) и ничего не могут сказать о напряжениях на макроуровне (в объеме изделия). Помимо измерения остаточных напряжений и расчета их распределения в объеме детали безусловно более актуальным вопросом является разработка расчетных методик прогнозирования остаточных напряжений в металлопродукции при ее изготовлении. В силу особенностей процесса производства труб для АЭС из хромоникелевых сталей и закономерностей формирования в них остаточного напряженного состояния большой проблемой с точки зрения технологии производства и технических характеристик готовых труб является наличие значительных растягивающих напряжений на поверхности (как 1-го рода, так и 3-го). Эти напряжения на финишных этапах производства приводят к изгибу труб. Напряженно-деформированное состояние на поверхности трубы в очаге деформации провоцирует формирование растягивающих тангенциальных остаточных напряжений в поверхностном слое трубы, которые сильно снижают коррозионную стойкость поверхности. Новый способ измерения величины этих напряжений предполагается разработать на основе представлений теории упругости, механики твердого деформированного тела, механики ОМД (Теорема о разгрузке Колмогорова) взяв за основу метод «расчленения тел». Для фиксации продольного остаточного напряжения на поверхности будет применяться измерение геометрических размеров тела (в данном случае трубы) после снятия тонкого поверхностного слоя металла (имеется в виду фиксация напряжений на макро- и микроуровне). Снятие слоя предполагается вести методом электролитического стравливания. Расчет всего поля остаточных напряжений в объеме тела предполагается вести с использованием расчетного «метода расчленения» с некоторыми доработками. Критериями достоверности измерений могут служить данные измерений остаточных напряжений на микроуровне (рентгеновский метод) и макроуровне для тангенциальных остаточных напряжений (метод кольцевой пробы). Кроме того, с помощью МКЭ-моделирования технологических операций производства результаты измерений можно поставить в соответствие с представлениями о закономерностях формирования остаточного напряженного состояния и факторами, влияющими на их величину и распределение. При проведении литературного обзора и анализа мировых тенденций в таких расчетных методиках становится очевидно, что в случае остаточных напряжений недостаточно пользоваться традиционными представлениями теории пластичности и обработки металлов давлением, поскольку природа остаточных напряжений упругая, однако при превышении ими значения сопротивления деформации в металле происходит их релаксация и начинается пластическое течение в определенном объеме изделия. При разложении общего объема детали на элементы (либо слои) по методике «расчленения тел» необходимо учитывать, что в процессе деформирования либо термической обработки одни слои могут подвергаться упругой деформации, а другие – пластической. Кроме того, существующие модели расчета распределения остаточных напряжений в объеме детали, использующие послойное расчленение не учитывают совместности деформации слоев и влияния их свойств на соседние слои. Создание расчетных методик, также, как и методик измерения остаточных напряжений, предусматривает (помимо создания научной базы и физических экспериментов) компьютерное моделирование технологических процессов производства деталей. Создание компьютерной модели технологического процесса и методики измерения остаточных напряжений позволит разработать модели формирования, перераспределения и наследования остаточного напряженного состояния от операции к операции и прогнозировать их уровень и распределение в готовой металлопродукции.

Ожидаемые результаты
Если говорить о трубах для АЭС, которые будут являться объектом исследования, разработки методики и ее апробации, то механизмы зарождения и развития коррозионного растрескивания в нержавеющих трубах в условиях работы энергоблоков, атомных реакторов, парогенераторов АЭС достаточно обстоятельно изучены. Из этих исследований следует, что основной причиной повреждения труб является коррозионное растрескивание, которое есть следствие действия агрессивной среды и технологических остаточных напряжений в стенках труб. Растягивающие остаточные напряжения на поверхности труб способствуют раскрытию коррозионных язв и трещин, что приводит к быстрому выходу труб из строя и, следовательно, к аварийной (либо плановой) остановке агрегатов с целью замены теплообменных труб на новые. Такие остановки серьезно снижают общую энергоэффективность работы АЭС из-за простоя энергоблоков. Вопрос разработки новых технологий производства труб для АЭС с пониженным либо контролируемым уровнем остаточных напряжений предусматривает в первую очередь разработку методик их определения, измерения, расчета (прогнозирования), разработку методик контроля качества, введения новых требований в научно-техническую документацию на продукцию. На сегодняшний день нет научно обоснованных методик, позволяющих прогнозировать остаточные напряжения в трубах в зависимости от технологии ее производства. Создание такой методики также является одной из целей данного проекта. Результатами проекта будут являться: - методика экспериментального определения остаточных напряжений; - расчетная методика анализа распределения остаточных напряжений в объеме изделия; - установка по измерению остаточных напряжений в трубах прутках и профилях; - компьютерные модели финишных технологических процессов производства труб для АЭС; - результаты исследований остаточных напряжений в трубах для АЭС в зависимости от технологии их производства; Практическая значимость проекта (в его развитии) также заключается в том, что при наличии обоснованных методик расчета, измерения и регулирования остаточных напряжений в металле появляется возможность изготавливать металлопродукцию с повышенными эксплуатационными характеристиками (например, сроком службы) только за счет правильного распределения в ней остаточных напряжений (без дополнительного легирования, поверхностного упрочнения или модификации).


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Повышение эксплуатационных характеристик металлов для конструирования машин и агрегатов ответственного назначения является актуальной научно-технической проблемой, связанной не столько с поиском альтернативных, сколько с дальнейшим совершенствованием конструкционных металлических материалов. Примером могут быть нержавеющие хромоникелевые стали для трубной арматуры АЭС (трубы ТВЭЛов, теплообменные трубы парогенераторов, трубы для сепараторов подогревателей, генераторов АЭС), основной причиной выхода из строя которых является протекание коррозионных процессов под действием остаточных напряжений. Вместе с тем, следует упомянуть, что остаточные напряжения могут играть и позитивную роль в вопросах повышения уровня свойств металла. Так формирование сжимающих остаточных напряжений па поверхности труб повышают стойкость против межкристаллитной коррозии (МКК) и коррозионного растрескивания под напряжением (КРН). Главной проблемой, не позволяющей науке двигаться в вышеуказанном направлении, является отсутствие научной базы, достоверных методик и способов измерения остаточных напряжений. Различные способы дают разный результат. К тому же измерению напряжений 2-го и 3-го рода, реально влияющих на важные эксплуатационные характеристики металлоконструкций, уделяется слишком мало внимания. В рамках выполнения первого этапа по проекту при расчете остаточных напряжений в соответствии с «энергетическим подходом» обоснована необходимость использования в качестве эмпирических данных результатов альтернативных методов измерений остаточных напряжений (например, измерения продольных макронапряжений). Разработана методика расчета распределения остаточных напряжений в стенке труб и в прутках. Методика предполагает возможность определения тензора остаточного напряженного состояния в каждой точке сечения трубы на основе данных о поверхностных остаточных напряжениях. Также разработана методика измерения продольного остаточного напряжения в поверхностных слоях образцов, предусматривающая применение способа травления, который ранее не получил должного распространения в данной области. Разработана и сконструирована лабораторная установка для определения остаточных напряжений на поверхности труб прутков и профилей. Проведены пробные испытания установки и найдены оптимальные режимы ее работы. На следующем этапе будут проведены эксперименты на партиях образцов и в комплексе отработана методика измерения и расчета остаточных напряжений по методике измерения поверхностного остаточного напряжения с применением нового метода и сконструированной установки.

 

Публикации

1. Шимов Г.В. Rapid Method for Determining the Distribution of Residual Stresses in Pipes Materials Performance and Characterization, Materials Performance and Characterization. Volume 7, Issue 4 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.120/MPC20170050

2. Шимов Г.В., Завалин А.А., Богатов А.А. Исследование влияния параметров технологического процесса на распределение остаточных напряжений в стенке труб при безоправочном волочении Материалы XVIII Международной научно-технической Уральской школы-семинара металловедов - молодых ученых. Издательство: Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина (Екатеринбург)., Материалы XVIII Международной научно-технической Уральской школы-семинара металловедов - молодых ученых. С. 604-609 (год публикации - 2017)

3. Шимов Г.В., Шимов В.В., Завалин А.А. A Study of the Influence of the Manufacturing Process Parameters on the Distribution of Residual Stresses in Pipe Walls During Sink Drawing Solid State Phenomena, - (год публикации - 2018)

4. - Одиннадцать проектов вуза выиграли конкурс Российского научного фонда Сайт Уральского федерального университета, "Поддержку получили такие проекты, как ..., ..., «Разработка нового способа определения и измерения остаточных напряжений в металлах» и другие." (год публикации - )


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Повышение эксплуатационных характеристик металлов для конструирования машин и агрегатов ответственного назначения является актуальной научно-технической проблемой, связанной не столько с поиском альтернативных, сколько с дальнейшим совершенствованием конструкционных металлических материалов. Примером могут быть нержавеющие хромоникелевые стали для трубной арматуры АЭС (трубы ТВЭЛов, теплообменные трубы парогенераторов, трубы для сепараторов подогревателей, генераторов АЭС), основной причиной выхода из строя которых является протекание коррозионных процессов под действием остаточных напряжений. Вместе с тем, следует упомянуть, что остаточные напряжения могут играть и позитивную роль в вопросах повышения уровня свойств металла. Так формирование сжимающих остаточных напряжений па поверхности труб повышают стойкость против межкристаллитной коррозии (МКК) и коррозионного растрескивания под напряжением (КРН). Главной проблемой, не позволяющей науке двигаться в вышеуказанном направлении, является отсутствие научной базы, достоверных методик и способов измерения остаточных напряжений. Различные способы дают разный результат. К тому же измерению напряжений 2-го и 3-го рода, реально влияющих на важные эксплуатационные характеристики металлоконструкций, уделяется слишком мало внимания. В рамках выполнения второго этапа по проекту проведены доработки и корректировки разработанной методики и конструкции установки, проведена апробация способа, оформлен патент на разработанный способ. Сконструирована, установка снятия поверхностного слоя металла с трубы для определения остаточных напряжений. Опробован способ оценки продольных остаточных напряжений в поверхностном слое трубы. Проведено исследование остаточных напряжений в трубах для АЭС. Взяты образцы труб после различных технологических операций и установлены закономерности эволюции остаточного напряженного состояния на протяжении технологического процесса. Направлена в Роспатент заявка на изобретение «Способ определения распределения остаточных напряжений по сечению стенки трубы». Регистрационный № 2019112714. В заявке описан способ определения остаточных напряжений в трубах, включающий определение осевого остаточного напряжения в поверхностном слое на внутренней и/или наружной поверхности образца трубы методом травления (с применением оригинальной установки) и последующее определение распределения осевых, тангенциальных и радиальных остаточных напряжений сечению стенки трубы. Проведено измерение остаточных напряжений разработанным способом на пробной партии труб производства ОАО «ПНТЗ». Проведено компьютерное моделирование финишных операций производства труб для АЭС. Установлен характер распределения остаточных напряжений по сечению стенки трубы и сформулированы рекомендации по применению волочения раздачей на финишных операциях производственного процесса с целью снижения уровня остаточных напряжений и повышения стойкости и долговечности труб. Разработана новая теоретическая методика предварительного прогнозирования остаточных напряжений в трубах, основанная на методе расчленения тел. Методика предполагает при помощи компьютерного моделирования (либо с использованием теоретических сведений) оценить характер и величину остаточных напряжений еще на стадии планирования и проектирования технологии производства металлопродукции. Результаты проделанной работы были представлены на конференциях в Екатеринбурге, Челябинске, Магнитогорске и Москве.

 

Публикации

1. Г. В. Шимов Эксперимент по определению остаточных напряжений в трубах УРАЛЬСКАЯ ШКОЛА МОЛОДЫХ МЕТАЛЛОВЕДОВ. Сборник материалов и докладов XIX Международной научно-технической Уральской школы-семинара металловедов – молодых ученых, стр. 424-433 (год публикации - 2018)

2. Розенбаум М.А., Серебряков Ан.В., Бажуков И.Н., Шимов Г.В. The Study of Residual Stresses and Surface Hardening in Tubes After Finishing Processes Progress in Materials Science and Engineering, Springer International Publishing AG, part of Springer Nature 2018 C. Brebbia, J. J. Connor (eds.), Progress in Materials Science and Engineering, Innovation and Discovery in Russian Science and Engineering, https://doi.org/10.1007/978-3-319-75340-9_25 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1007/978-3-319-75340-9_25

3. Шимов Г.В. Methodology and Installation of the Etching of the Surface Layer from Pipes, Rods and Profiles for the Aim of the Analysis of Residual Stresses Materials Science Forum, - (год публикации - 2019)

4. Шимов Г.В., Завалин А.А. Конструкция установки травления поверхностного слоя трубы для определения остаточных напряжений Magnitogorsk Rolling Practice 2018. Материалы III международной молодежной научно-практической конференции, стр. 71-74 (год публикации - 2018)

5. Экспериментальное исследование по измерению остаточных напряжений в трубах Experiment for Determination of Residual Stresses in Pipes KnE Engineering. XIX International scientific-technical conference “The Ural school-seminar of metal scientists-young researchers, Volume 2019, pages 135–144 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.18502/keg.v1i1.4401

6. Богатов А.А., Павлов Д.А., Ерпалов М.В., Салихянов Д.Р., Нухов Д.Ш., Шимов Г.В. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ. Издательство Уральского университета. Екатеринбург, 224-238 (год публикации - 2018)

7. Шимов Георгий Викторович СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПО СЕЧЕНИЮ СТЕНКИ ТРУБЫ -, 2019112714 (год публикации - )


Возможность практического использования результатов
На сегодняшний день производство металлопродукции ответственного назначения все чаще обращает внимание на вопросы остаточного напряженного состояния. Только последние несколько лет появляются новые ГОСТы, новые аккредитованные приборы и лицензированные лаборатории по измерению остаточных напряжений. Вопрос действительно актуален, поскольку управляя остаточным напряженным состоянием можно решить целый ряд проблем качества металлоизделий, которые не удается решить иным способом. Научной проблемой, решение которой сейчас получило развитие в мировой науке, является проблема изготовления металлопродукции с повышенными эксплуатационными характеристиками (например, сроком службы) только за счет правильного распределения в ней остаточных напряжений (без дополнительного легирования, поверхностного упрочнения или модификации). Поиск новых способов фиксации, измерения и снижения остаточных напряжений в металлах безусловно является актуальным в свете постоянного повышения требований к металлопродукции ответственного назначения. В данной работе на примере труб для атомной энергетики разработан новый способ определения остаточных напряжений в металлопродукции, основанный на способе стравливания слоя металла с объекта. Результаты, полученные в проекте, могут быть использованы для анализа технологий производства металлопродукции (например, труб) с точки зрения остаточных напряжений, корректировке операций технологического цикла и повышения их эксплуатационных характеристик. В дальнейшем необходимо научиться создавать предварительное остаточное напряженное состояние в металлопродукции, которое проявляло бы себя в процессе эксплуатации детали из такого металла (возможно при определенных условиях эксплуатации) и, к примеру, повышало ее свойства до требуемых в критический момент. В продолжении выполненного проекта планируется проведение исследований, связанных с прогнозированием и формированием заданного остаточного напряженного состояния в металлопродукции с целью повышения ее свойств (создание материалов «с памятью напряженного состояния»).