Mitä lämpökäsittelystressi on
Lämpökäsittelyjännitys on sisäinen jännitys, joka jää teräskomponenttiin lämmitys- ja jäähdytysjakson päätyttyä. Se syntyy aina, kun saman osan eri osat kulkevat lämpökierron läpi eri nopeuksilla tai muuntuvat eri aikoina, ja se lukittuu materiaaliin, kun komponentti on jäähtynyt huoneenlämpötilaan.
Stressi ei ole automaattisesti haitallista. Kun sitä ohjataan ja järjestetään siten, että pintakerros puristuu, se lisää väsymiskestävyyttä ja käyttöikää. Kun se on hallitsematon, se lisää paineen, taivutuksen ja lämpösyklin aiheuttamaa jännitystä ja voi työntää komponentin myötörajansa yli tai pahimmassa tapauksessa ylittää sen vetolujuuden.
Lämpöstressi ja transformaatiostressi
Lämmityksen ja jäähdytyksen aikana putken pinta ja sydän eivät muuta lämpötilaa samalla nopeudella. Tuloksena oleva lämpötilaero aiheuttaa epätasaista laajenemista ja supistumista ja siten jännitystä. Putken jäähtyessä pinta on aluksi kylmempää kuin ydin ja yrittää supistua enemmän kuin sydän sallii, joten sydän vedetään jännitykseen ja pinta työnnetään puristumaan. Kun jäähtyminen on lähes valmis, tilanne kääntyy päinvastaiseksi, koska ytimen täytyy lopulta supistua jo jäykäntynyttä pintaa vasten, jolloin ydin päätyy jännitykseen ja pinta puristumiseen. Tätä komponenttia kutsutaan lämpöjännitykseksi.
Toinen komponentti on muunnosjännitys, jota esiintyy vain kovettuvissa teräksissä. Kun pintakerros muuttuu martensiitiksi ennen kuin ydin muuttuu, pinta laajenee, kun ydin on vielä austeniittista ja suhteellisen pehmeää, ja ydin on plastisesti venytetty jännityksessä. Kun ydin vuorostaan muuttuu, se ei voi laajeta vapaasti, koska pinta on jo kova, joten itse-tasapainottava jännityskuvio jää jäljelle: kova pinta puristuksessa, ydin jännityksessä.
Molempien komponenttien suuruus nousee jäähtymisnopeuden, hiilipitoisuuden ja seosainepitoisuuden myötä. Nopeampi jäähdytys, parempi karkaistuvuus ja raskaammat seinäosat lisäävät kaikki syklin aikana syntyvää muovista rasitusta ja lisäävät siten valmiiseen putkeen jäävää jäännösjännitystä.
Seuraukset putkille, letkuille ja liittimille
Vääntymä: kun jäännösjännitys ylittää myötörajan paikallisesti, putki taipuu, soikea tai menettää suoruutensa, eikä sitä voida palauttaa toleranssiin normaalilla oikaisulla.
Halkeilu: kun jäännös- ja kohdistusjännitys ylittää vetolujuuden tai kun kova rakenne altistuu vedylle, halkeilu alkaa pinnasta tai jännityskeskittymästä, kuten hitsauskärjestä.
Mittastabiilisuuden menetys koneistuksen jälkeen: sisäinen jännitys jakautuu uudelleen, kun materiaalia poistetaan kierteityksen tai koneistuksen aikana, joten komponentti liikkuu viimeisen leikkauksen jälkeen.
Vähentynyt väsymys- ja jännityskorroosionkestävyys: pinnan vetojälkijännitys lyhentää väsymisikää ja alentaa jännityskorroosiohalkeilun kynnystä, kun taas puristusjännityksellä on päinvastainen vaikutus.
Hajaantuminen mekaanisissa koetuloksissa: pituus, jonka jännitystila on epätasainen, voi osoittaa epäjohdonmukaista myötölujuutta ja kovuutta pitkin sen pituutta.
Stressin vähentäminen ja lievittäminen
Ensimmäinen toimenpide on prosessin suunnittelu eikä korjaus. Tasainen lämmitys hyvin-ohjatussa uunissa, hallittu jäähdytys tasaisella suihkun jakautumisella ja määrätty viive sammutuksen ja karkaisun välillä vähentävät kaikki myöhemmin käsiteltävää huippujännitystä. Hidas, symmetrinen jäähdytys karkaisun jälkeen välttää uuden lämpöjännityskuvion lisäämisen olemassa olevan päälle.
Toinen toimenpide on stressin lievitys. Karkaisu sopivassa lämpötilassa alemman kriittisen lämpötilan alapuolella sallii teräksen lievittää jäännösjännitystä samalla kun se säätää lujuutta vaaditulle tasolle; käytetään erityistä jännityksen-poistohehkutusta, kun mittojen vakaus on kriittinen. Jännityksenpoisto on hitsattujen putkien ja liittimien vakiovaihe, jonka lämpötila ja aika on valittava todelliseen laatuun sovellettavan rakennusmääräyksen, kuten ASME B31.3, mukaisesti.
Kun puristuspintajännitys on hyödyllinen, se voidaan ottaa käyttöön tarkoituksella. Komponentin ulomman kerroksen saattamiseksi kokoon puristusta käytetään ruiskuleikkausta, hallittua pinnan valssausta ja joissakin tapauksissa pintakarkaisua, minkä vuoksi hyvin-suunnitellun puristettavan pintakerroksen vaikutus väsymisikään on herättänyt niin paljon huomiota putkien ja liitososien tuotannossa.
Mittaus- ja tarkastuspisteet
| Menetelmä | Tarkoitus |
|---|---|
| Röntgendiffraktio | Pinnan jäännösjännityksen suora mittaus; instrumentin kohdistus on tarkistettu ASTM E915:n mukaisesti |
| Reiän-venymämittari | Jännitysjakauman mittaus syvyyden kanssa ASTM E837:n mukaisesti |
| Kovuustutkimus | Epäsuora jäähdytys- ja karkaisuvasteen tarkastus koko pituudella ja kehän ympärillä |
| Mittojen tarkistus koneistuksen jälkeen | Vahvistaa, että stressi on keventynyt riittävästi, jotta komponentti pysyy vakaana |
| Magneettinen hiukkanen ja ultraäänitarkastus | Karkaisuhalkeamien ja vedyn{0}}aiheuttaman halkeilun havaitseminen hitseissä ja leikkausmuutoksissa |
Koska jäännösjännitystä ei voida nähdä, käytännön ohjauspiiri on prosessidokumentaatio ja määräaikainen tarkastus. Uunin kaavioiden, sammutusparametrien, karkaisujaksojen ja oikaisutietojen tallentaminen lämpölukua vastaan mahdollistaa poikkeaman jäljittämisen ennen kuin siitä tulee hylätty erä.
FAQ
K: Onko jäännösstressi aina haitallista?
Ei. Puristusjäännösjännitys pinnalla parantaa väsymislujuutta ja kestävyyttä jännityskorroosiohalkeilua vastaan. Ongelmana on hallitsematon vetojännitys tai jännityskuvio, joka lisää käyttökuormitusta.
K: Mitä eroa on lämpöjännityksen ja muunnosjännityksen välillä?
Lämpöjännitys johtuu pinnan ja ytimen välisistä lämpötilaeroista, jotka aiheuttavat epätasaista supistumista. Transformaatiojännitys tulee tilavuuden muutoksesta, kun austeniitti muuttuu martensiitiksi tai bainiittiksi eri aikoina leikkausosan eri osissa.
K: Mitkä putkilaadut ovat suurimmassa vaarassa sammutushalkeilun vuoksi?
Korkeammat-hiili- ja korkeammat-seoslaadut, joilla on hyvä kovettuvuus, erityisesti paksuilla seinämänpaksuuksilla, koska ne voivat muodostaa kovaa martensiittia, jolla on suuri jäännösjännitys, ja ne ovat herkempiä vedylle.
K: Miten lämpökäsittelyn stressiä vähennetään tuotannossa?
Tasaisella lämmityksellä, tasaisella ja kontrolloidulla sammutuksella, välittömällä karkaisulla, kontrolloidulla jäähdytyksellä karkaisun jälkeen ja tarvittaessa erityisellä jännitys{0}}poistohehkutuksella. Oikaisu suoritetaan karkaisun jälkeen mieluummin kuin ennen.
K: Voidaanko jäännösjännitys mitata valmiista putkesta?
Kyllä. Röntgendiffraktio ja reiän-porausvenymämittarimenetelmä ovat tavallisia tekniikoita, ja molemmat suoritetaan julkaistujen testimenetelmien mukaisesti, jotta tulokset ovat vertailukelpoisia toimittajien ja laboratorioiden välillä.
K: Miksi putki joskus taipuu kierteityksen jälkeen?
Koska koneistus poistaa materiaalia ja sallii sisäisen jännityskuvion jakautumisen uudelleen, suoralta näyttänyt pituus voi taipua. Riittävä stressinpoisto ennen koneistusta on vakiolääke.
