Состояние поверхностного слоя и коррозионная усталость гидротурбинной стали 06Х12НЗД
В практике эксплуатации гидравлических турбин нередки случаи усталостного повреждения [1]. Усталостные трещины чаще всего возникают на лопастях рабочих колес, находящихся под одновременным воздействием циклически меняющихся нагрузок и коррозионной среды. Повысить эксплуатационную надежность деталей машин, работающих в коррозионных средах, можно металлургическими, конструкторскими, эксплуатационными и технологическими методам.
Если первые три метода в гидротурбостроении достаточно хорошо известны и используются при создании и эксплуатации мощных гидротурбин, то технологические методы менее изучены, в то время как многие исследования показывают их высокую эффективность.
Результаты известных по немногочисленным литературным данным исследований о влиянии технологических факторов на коррозионную усталость гидротурбинных сталей, как правило, носят характер установления прямых связей между технологией изготовления (видами финишной обработки) и эксплуатационными свойствами детали на основе полученных экспериментальных данных. Применение этих результатов ограничено областью исследования, их нельзя использовать для прогнозирования работоспособности детали или -ее оценки при других условиях эксплуатации. Поэтому целесообразно исследовать не связь «технология — свойства», а связь технологии с параметрами, описывающими состояние поверхностного слоя, причем эксплуатационные свойства рассматривать как реакцию поверхностного слоя на механические, коррозионные, тепловые и другие воздействия.
В связи с изложенным были проведены исследования влияния различных методов финишной обработки на состояние поверхностного слоя и коррозионную усталость в пресной воде стали 06Х12НЗД, применяемую при изготовлении крупных гидротурбин.
Исследования проводили на образцах, вырезанных из опытных плит, прошедших различные методы финишной обработки: дробеструйное упрочнение, механическое ленточное шлифование и ручное шлифование чашечными и фибровыми кругами, используемое в настоящее время для финишной обработки натурных лопастей.
Исходная заготовка прошла термообработку, имитирующую термическую обработку лопастей поворотно-лопастных гидротурбин, заключающуюся в двойной аустенизации (950+800) °С и отпуске (600 °С). После вырезки и предварительной механической обработки опытные плиты были подвергнуты вторичному отпуску (600 °С) с целью снятия остаточных напряжений от предварительной механической обработки. Данный отпуск имеет место в технологическом процессе изготовления натурных лопастей перед окончательной их шлифовкой и предназначен для снятия термических напряжений после заварки дефектов литья.
Химический состав и механические свойства исследуемой стали после приведенного цикла термообработки представлены в табл. 1. Основные фазовые составляющие стали 06Х12НЗД — мелкодисперсный мартенсит и остаточный аустенит (5 ... 10 %).
Режимы, финишной обработки опытных плит и значения параметров шероховатости и физико-механического состояния поверхностного слоя, обусловленные данными методами обработки, приведены в табл. 2.
Исследование параметров состояния поверхностного слоя проводилось на серийных приборах и специальных установках. Шероховатость поверхности исследовали с помощью профилографа-профилометра мод. 201 завода «Калибр». За величину шероховатости принимали среднюю по пяти замерам величину параметра параметр Я рассчитывали по профилограммам. Глубину и степень поверхностного наклепа определяли методом измерения микро-твердости на поверхности наклонных срезов с углом среза 1°30'.
Технологические остаточные напряжения исследовали механическим методом на плоских образцах путем непрерывного стравливания напряженных поверхностных слоев с автоматической регистрацией деформаций образца на диаграммной ленте потенциометра КСП-4. Результаты исследований остаточных напряжений и поверхностного наклепа стали 06Х12НЗД представлены на рис. 1, 2.
Испытания на усталость проводили на плоских образцах размером 40X30X400 мм при чистом изгибе в условиях симметричного цикла напряжений на машине УП-30. Водная среда создавалась с помощью проточной малогабаритной ванночки, надеваемой непосредственно на образец. Результаты испытаний на коррозионную усталость приведены на рис. 3.
Наибольший ограниченный предел коррозионной выносливости 300 МПа (база 5Х 107 циклов) показали образцы, прошедшие дробеструйное упрочнение. Увеличение предела выносливости образцов данной серии по отношению к пределу выносливости серии образцов после ручного шлифования чашечными кругами (базовый вариант), показавших наименьший уровень предела коррозионной выносливости (200 МПа), составило 50 %. Относительное повышение предела коррозионной выносливости образцов после ленточного шлифования и ручного шлифования фибровыми кругами составило соответственно 35 и 15 %.
Несколько иной характер распределения долговечности образцов наблюдается в условиях перегрузки (см. рис. 3, левая часть кривых коррозионной усталости). Наибольшую долговечность показывают в этих условиях образцы после шлифования абразивной лентой, наименьшую — после ручного шлифования чашечными кругами; упрочненные образцы и образцы после ручного шлифования фибровыми кругами показали практически одинаковые результаты.
Результаты испытаний на усталость хорошо согласуются с параметрами, характеризующими состояние поверхностного слоя образцов. Поверхностный слой упрочненных образцов характеризуется большими по величине и глубине залегания остаточными напряжениями сжатия, а также значительным деформационным упрочнением. Наличие сжимающих остаточных напряжений в поверхностном слое в сочетании с поверхностным упрочнением способствовало тому, что дробеструйные образцы при испытаниях на больших базах имели наибольший предел коррозионной выносливости, при этом шероховатость поверхности образцов после обдувки дробью была на порядок грубее, чем у образцов других серий (см. табл. 2). Полученные в экспериментах на стали 06X12НЗД в пресной воде данные о решающем влиянии на коррозионную усталость параметров физико-механического состояния поверхностного слоя хорошо согласуются с ранее выполненными исследованиями.
Для шлифованных образцов наибольший предел коррозионной выносливости показали образцы после ленточного шлифования. Поверхностный слой образцов этой серии (в отличие от образцов, шлифованных ручными методами) характеризуется наличием сжимающих остаточных напряжений и относительно большой степенью наклепа, что свидетельствует о преобладании силового фактора в формировании поверхностного слоя при ленточном шлифовании. Шероховатость поверхности после ленточного шлифования была наименьшей из всех серий и составляла Ка 0,35 мкм.
Образцы, шлифованные ручными методами (фибровыми и чашечными кругами), по физико-механическому состоянию поверхностного слоя мало отличались друг от друга: поверхностный слой характеризовался наличием остаточных напряжений растяжения 650 ... ... 700 МПа, "которые на глубине 20 ... 30 мкм переходили в незначительные сжимающие напряжения, а также небольшой глубиной и степенью наклепа. Существенное различие данных способов обработки заключалось в обеспечиваемой ими шероховатости поверхности: при шлифовании фибровыми кругами величина шероховатости поверхности составляла Кп 0,83 мкм, при шлифовании чашечными кругами #а 2,1 мкм. Это, видимо, и явилось причиной повышения предела коррозионной выносливости образцов, обработанных фибровыми кругами, который оказался на 15 % выше, чем у шлифованных чашечными кругами.
В условиях перегрузки, по-видимому, большее воздействие начинает проявлять фактор концентрации напряжений, связанный с шероховатостью поверхности. Этим и объясняется, на наш взгляд, несколько иной характер распределения долговечности образцов в левой части кривых усталости, где просматривается тенденция снижения долговечности с увеличением высотного параметра шероховатости образца. Выводы
1. Предел коррозионной выносливости в воде стали 06Х12НЗД зависит от комплекса параметров поверхностного слоя и прежде всего от его физико-механических характеристик: знака и величины остаточных напряжений, глубины и степени наклепа.
2. Шероховатость поверхности оказывает влияние на изменение предела коррозионной выносливости нержавеющих сталей в мало-агрессивных средах (к которым относится пресная вода), но в меньшей мере.
3. Используемые в настоящее время в качестве финишной обработки лопастей гидротурбин ручное шлифование чашечными и фибровыми кругами обеспечивает наименьшее значение коррозионной выносливости, так как поверхностный слой после данных видов обработки характеризуется наличием растягивающих остаточных напряжений и незначительными глубиной и степенью наклепа.