Физика в инженерной практике Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 669.713.7

И. Краус, Г. Госманова, М. Колега ФИЗИКА В ИНЖЕНЕРНОЙ ПРАКТИКЕ

Приводятся принципы рентгеновского дифракционного метода измерения остаточных макроскопических напряжений. На проблематике, решаемой в рентгенографической лаборатории Чешского технического университета, иллюстрируются возможности применения этой неразрушающей диагностики в машиностроении.

Остаточные напряжения и особенности их дифракционного анализа. Эксплуатационная надежность изделий зависит не только от качества исходных материалов, но и от вида их обработки. После любого вида обработки: механической, термической или термической, комбинированной с химической, - тела приобретают новое свойство - состояние остаточной напряженности. Его анализ является такой же важной составной частью технической диагностики, как и определение прочности, твердости, сопротивляемости истиранию или коррозии.

Остаточные напряжения могут быть как полезными, так и вредными [1]. К первым принадлежат, например, напряжения сжатия, действующие в поверхностных слоях металлов и сплавов, где они повышают предел усталости и коррозионную стойкость. Отрицательное действие остаточных напряжений (как правило, растяжения) проявится в возникновении трещин, коррозии под напряжением, понижении предела выносливости. Если остаточные напряжения полезны, то технологии стремятся к их стабилизации. Постоянство же растяжений во времени неблагоприятно, поэтому скрытую в них опасность следует ограничить, т. е. уменьшить их величину таким образом, чтобы даже после суперпозиции с приложенными извне напряжениями не было достигнуто некоторого критического значения.

Напряжения являются производной величиной и определяются поэтому не прямо, а по измеренной деформации с помощью закона Гука или по известной зависимости подходящей магнитной, электрической, акустической или оптической величины от напряжений. Но ни один из используемых способов определения остаточных напряжений не является универсальным. Отдельные методы можно с успехом применять только для определенных материалов (кристаллические, прозрачные, ферромагнитные и т. д.) и состояний напряженности (поверхностное, объемное), тогда как любой относительный тензометрический анализ, как правило, достаточно достоверен, а при описании состояния напряженности с помощью различных методов нельзя исключить получение значений, отличающихся друг от друга даже на порядок. Подобное несоответствие может возбудить сомнения и в серьезных научных результатах.

Предпосылкой для правильной интерпретации заключений, полученных с помощью различных тензометри-ческих методов, является понимание условий, при которых были определены исходные экспериментальные данные (деформация или значения оптических, магнитных и других величин). Существо проблемы можно проиллюстрировать на принципах двух групп тензометричес-

ких методов, принадлежащих к наиболее распространенным. Первые основаны на точном измерении изменений формы (профиля) напряженного объема, целостность которого была нарушена. Ко второй категории принадлежат неразрушающие методы, использующие для расчета напряжений рентгенографически установленные деформации решетки.

Причин, по которым нельзя ожидать, что анализ данного типа напряженности, произведенный этими двумя методиками, приведет к одинаковым численным значениям, несколько. В первом случае мы получаем данные о макроскопической деформации более-менее изотропной среды, во втором с помощью невидимых лучей измеряются микроскопические изменения междуатомных расстояний в кристаллической решетке, анизотропной по своим физическим и механическим свойствам. Кроме того, рентгенографическая информация относится только к поверхностным слоям толщиной около нескольких микрометров.

Исследования в области промышленного применения рентгенографических дифракционных методов начались в Чешском техническом университете (ЧТУ) в начале 1960-х гг. Тематика, которой занимается рентгенографическая лаборатория ЧТУ в настоящее время, разнообразна. Машиностроительные заводы интересуют характеристики остаточной напряженности в поверхностных слоях винтовых пружин, коробках передач легковых автомобилей, осях тепловозов, коленчатых валах, шестернях, прокатанных стальных листах и резьбе, полученной с помощью различных технологий [2]. Подробно анализируются состояния напряжений, возникших в поверхностных слоях металлов в результате обработки лазерными или электронными пучками, после шлифования, обточки, фрезерования, дробеструйной обработки и индукционной закалки. Исследуются различные причины релаксации остаточных напряжений в машиностроительных деталях. А в последнее время предметом исследований, помимо металлов и сплавов, стала перспективная техническая керамика.

Рассмотрим далее две проблемы, представляющие несомненный научный интерес: исследование микроструктуры и свойств поверхности стали, упрочненной лазерным нагревом, и исследование напряжений в образцах из сплавов циркония после высокотемпературного окисления.

Исследование микроструктуры и свойств поверхности стали, упрочненной лазерным нагревом. Термическая обработка материалов лазерным излучением позволяет модифицировать поверхностные свойства облуча-

емых объектов без изменения их объемных характеристик. Сфокусированный лазерный луч позволяет локально достичь высокой концентрации энергии и температуры за такое малое время, что медленные процессы теплоизлучения и проводимости не успевают развиться. Поэтому лазерными лучами можно обрабатывать тонкие поверхностные слои, не воздействуя на внутреннюю структуру. Лазерная термическая обработка часто используется для упрочнения поверхности деталей и конструкционных элементов, работающих в условиях интенсивного износа.

Целью исследования являлось определение влияния технологии лазерной обработки на фазовый состав, микротвердость и состояние макроскопической напряженности в поверхностных слоях стали.

Изучаемые образцы с размерами 100 х 50 х 10 мм были изготовлены из горячекатаной прутковой стали 12050, отшлифованы, отожжены при 550 °С на воздухе в течение 1 ч для снятия напряжений и постепенно охлаждены в печи. Лазерная обработка производилась континуальным газовым лазером С02 с мощностью 2 500 Вт. Несфокусированный луч в месте падения на образец имел диаметр 6 мм. При термической обработке образцы передвигались относительно луча со скоростью 700 мм/мин (образец FE121) или 1 100 мм/мин (образец FE122).

Применялись следущие экспериментальные методики.

Металлографическая оценка образцов производилась с помощью оптического микроскопа «Nikon Epiphot200», цифровой фотокамеры «Basler» и автоматического анализатора «Lucia».

Микротвердость измерялась на приборе «Fisher Scope H100» с классической пирамидой Виккерса и нагрузкой 1 Н. Распределение микротвердости HV01 определялось как на поверхности образца (после удаления слоя толщиной 20 мкм), так и на боковом металлографическом шлифе, в обоих случаях перпендикулярно к следу лазерного луча.

Рентгеновский тензометрический анализ проводился на дифрактометре «D8-Discover» (fa Bruker) с текстурным гониометром и лазерным пеленгатором анализируемой области, сопряженным с видеокамерой и двухкоординатным детектором «HI-Star». Круглый коллиматор излучения СоК а имел диаметр 0,5 мм. Образец осциллировал в направлении измеряемых напряжений в интервале ± 5 мм. Величины напряжений о, рассчитанные по смещению дифракционной линии {220} a-Fe [1], были определены на обработанной поверхности образца как в перпендикулярном (о±), так и в параллельном (о/г) направлениях относительно следа лазерного луча. Для распределения напряжений по глубине под обработанной лазером поверхностью материал образца постепенно стравливался на приборе «Lectropol-5» (fa Struers). Площадь отполированной области составляла 30 х 15 мм.

Были получены следующие результаты:

1. На образцах стали 12050 с ферритно-перлитной структурой после термической обработки лазером возник заметный след (полоса), ограниченный линией аусте-нитного превращения. Полосу можно разделить (в направлении от поверхности внутрь матрицы) на мартенситную, бейнитную и ферритно-бейнитную области (рис. 1).

Рис. 1. Структура зоны, модифицированной лазерным лучом (увеличение 100 х)

2. После отшлифовки поверхностного слоя толщиной около 20 мкм микротвердость HV01 в направлении перпендикулярном к оси полосы на поверхности образцов Fе121 и Fе122, имела распределение (рис. 2, а). В области полосы величины HV01 были в 3,5 раза (Бе121) и 2,8 раза ^е122) больше, чем в матрице. Распределения микротвердости ИУ01 по глубине у обоих образцов отличаются только тс “ ' " " ' " ')•

росстоні: |ыл>

СГГрбМгШ г ми І

б

Рис. 2. Микротвердость НУ01, измеренная на поверхности образца по направлению, перпендикулярному к следу лазерного луча (а), и распределение микротвердости по глубине облученной зоны образца (б)

3. Остаточные напряжения измерялись в каждой из 16 выбранных точек (со взаимным расстоянием 1 мм) в двух направлениях относительно оси полосы: параллельном (о, ,) и перпендикулярном (о±). Измерения проводились до глубины приблизительно 1 мм. Типичное распределение остаточных напряжений после электролитического травления до глубины 370 мкм показано на рис. 3. В центральной области полосы (упрочненная область) напряжения в обоих направлениях измерения имели характер сжатия, на границе «лазерный след - базовый материал» возникли напряжения растяжения (50... 250 МПа). В области матрицы (вне полосы) напряжения опять принимали характер сжатия в пределах от 0 до -100 МПа.

Рис. 3. Остаточные напряжения на поверхности образца Бе121-6 (на глубине 370 мкм) в направлении параллельном (о/г) и перпендикулярном (о±) к следу лазерного луча

4. Распределение напряжений и ширины дифракционной линии по глубине (рис. 4) свидетельствует о том, что лазерная обработка оказала влияние на материал образца до глубины 0,8 мм. В этой области возникли напряжения сжатия (до 400 МПа), для более глубоких слоев материала характерны напряжения растяжения.

ГКртВДтТВД **-■ * '-гЧ£г.'

низмов коррозии, которая лимитирует как долговечность тепловыделяющих элементов, так и степень выгорания топлива. Главной задачей исследовательских программ, направленных на изучение механизма окисления сплавов циркония, является выявление взаимоотношения между их поведением в агрессивной среде теплоносителя и свойствами окисных слоев, возникающих на поверхности оболочек. К фундаментальным свойствам окис-ных слоев относятся высокие напряжения роста, влияющие на ряд их физических характеристик (микроструктуру, фазовый состав и др.).

Целью исследования являлось определение с помощью рентгеновского дифракционного анализа состояния и эволюции напряженности в окисных слоях, возникающих на поверхности сплавов циркония в среде, имитирующей некоторые условия теплоносителя. 0дновре-менно определялись напряжения в слоях металла, прилегающего к границе системы «окись - металл».

Исследуемые образцы представляли собой части трубок (валики) длиной 15 мм и диаметром 9 мм из конвенционного сплава Zircaloy-4 (Zry-4S) и сплава Zircaloy-4 со сниженным содержанием Sn (Zry-4W). Образцы подвергались окислению в течение разных промежутков времени в воде с добавкой 40 ppm 02 при 360 °С.

Использовалась следующая методика: макроскопические напряжения определялись по методу суммы главных напряжений с применением эталона. Измерение относительной деформации системы плоскостей {104} моноклинной двуокиси ZrO2 и системы плоскостей {112} металлического Zr проводилось в шаговом режиме на 0/20 дифрактометре «Siemens» с излучением CrK а. Величина напряжений считалась средней для поверхностного слоя, сравнимого по толщине с эффективной глубиной проникновения использованного излучения в материал (приблизительно 2,5 мкм для окиси и 1,7 мкм для металла).

В ходе работы были получены следующие результаты:

1. В слоях ZrO2 были обнаружены только напряжения сжатия, достигающие на начальных стадиях окисления величины -1,1 ГПа. В слоях металла были обнаружены только напряжения растяжения, достигающие величины 250 МПа (рис. 5). Подобное распределение напряжений в системе «окись - металл» было найдено и для других сплавов Zr, окислявшихся в иных средах [3].

Рис. 4. Распределение остаточных напряжений о±, Ог/ и ширины Ш дифракционной линии в плоскости разреза,

перпендикулярного к поверхности образца Бе121

Исследование напряжений в образцах из сплавов циркония после высокотемпературного окисления. Повышение требований к экономике и безопасности атомных электростанций ведет к оптимизации свойств сплавов циркония, используемых в качестве оболочек тепловыделяющих элементов ядерных реакторов. Успешное решение этого вопроса обусловлено пониманием меха-

а 4 п ц и, 11

Рис. 5. Зависимость рентгенографически определенных напряжений от толщины Ток для окисных и металлических слоев сплавов 2гу-4^ и 2гу-48

2. Вместе с другими рентгенографически определенными характеристиками (величиной когерентных областей D и микродеформаций е) эти результаты подтверждают представление о механическом поведении системы «окись - металл» как целого. Слои окиси подверглись высокой степени пластической деформации, тогда как для слоев металла эффект пластической деформации был пренебрежимо мал.

3. За величину, характеризующую эволюцию напряжений в окиси, можно принять R = о /1, где о - рентгенографически определенные напряжения; t - соответствующее время окисления [4]. Оказывается, что в области малых толщин окиси (< 10 мкм) зависимость этой величины от экспериментально установленной для данных промежутков времени толщины окиси ^oKexp имеет простой вид R = А (ToKexp) -m (рис. 6). С помощью постоянных А и m по приведенному выражению можно рассчитать кривую «окисление - время ToKcalc (t)».

4. Сравнение экспериментальных и рассчитанных кривых окисления (рис. 7) показывает, что их расхождение начинается в точке, когда экспериментальная кривая меняет вид зависимости со степенной на линейную (это так называемый переход кинетики окисления). Этот результат свидетельствует о тесной связи двух независимо установленных характеристик окисных слоев: величины напряжений и толщины, зависящей только от кинетики окисления.

Эта работа была выполнена при поддержке МО Чешской Республики (проекты LN-00B084 и MSM-210000021).

Библиографический список

1. Kraus, I. Rentgenova tenzometrie / I. Kraus, V V Trofimov. Praha: Academia, 1988.

2. Kraus, I. X-ray analysis of the inhomogeneous stress state / I. Kraus, N. Ganev // Defect and Microstructure Analysis by Diffraction / ed. R. L. Snyder. Oxford: University Press, 1999.

3. Gosmanova, G. X-ray stress analysis of oxidized Zr-based alloys / G. Gosmanova, I. Kraus, N. Ganev // Proc. of SPIE. Vol. 4627. 2002. P. 221-224.

4. Gosmanova, G. On the relation of residual stresses in oxide layers and corrosion kinetics of Zr-based alloys / G. Gosmanova, I. Kraus, N. Ganev // Proc. of SPAS. Vol. 6. 2002. D. 13-16.

1000

100

10 ■

I

■ Zry 4S

у = 257.62* 0№1 R -0,8851

• Zty 4W

у 1ЭШ

= 0 13373

To* frim;

0,1 1 10

Рис. 6. Зависимость^ = о/7оттолщины 7^ для окисных слоев исследуемых сплавов

Рис. 7. Экспериментальные и расчетные кривые окисления сплавов 2гу-48 (а) и Zry-4W (б). Пустой символ означает декларированную точку перехода кинетики окисления

I. Kraus, G. Gosmanova, M. Kolega

PHYSICS IN INDUSTRY

The principles of X-ray diffraction method of macroscopic residual stresses measurements are presented in the article. The possibilities of this non-destructive material diagnostics in the engineering are decribed on the some examples of research have been carried out on the X-ray laboratory of CTU