Файл: Сичиков, М. Ф. Металлы в турбостроении.pdf

35. Механические свойства поковки, пораженной флокенами

ботанной по принятому для данной стали режиму, приведены в табл. 35.

Как видим, относительное удлинение и сужение металла об­ разцов, пораженных флокенами, резко снижаются. В некоторых случаях образцы разрушаются вообще без заметного удлинения и сжатия (6 = 0; ф = 0). На образцах, имеющих флокены, на­ блюдаются иногда надрывы, расположенные перпендикулярно оси образца. Описанные испытания выполнены на цилиндриче­ ских образцах диаметром 10 мм, длиной 50 мм. При изготовлении образцов не было известно, имеются ли в них флокены и где они расположены. Из этой же поковки было изготовлено десять пло­ ских образцов таким образом, чтобы два из них не имели флокенов на поверхностях, а восемь имели видимые флокены. Все образцы были испытаны на растяжение с определением двух показателей: предела прочности и относительного удлинения. Результаты испытаний приведены в табл. 36 для семи образцов (три образца разорвались в зажимах испытательной машины).

Испытания на изгиб образцов, пораженных флокенами в де­ формируемой зоне, показали, что разрушение происходит при углах изгиба, равных 10—94°. Резкое снижение величины этого угла наблюдается во всех случаях поражения деформируемой зоны образца флокенами, конкретное же ее значение для каждого об­ разца зависит от величины и расположения флокенов. Испытания на прочность при переменных нагрузках в условиях вибрации работающих как консольная балка образцов, пораженных фло­ кенами, показали, что при одной и той же амплитуде колебаний

178

образцы разрушались в различных местах и не в зоне максималь ных напряжений (у места закрепления образца), а в том месте, где располагались флокены, хотя напряжения здесь были меньше, чем в опасном сечении. Разрушение происходило после сравни­ тельно небольшого количества колебаний, различного при разных формах, размерах и расположении флокенов в образцах.

Если флокен попадает в зону объемнонапряженного состоя­ ния образца для испытаний на ударную вязкость, то ее значение резко снижается. Пораженные флокенами диски, валы и роторы необходимо браковать. Бывают случаи, когда на значительной по размерам поверхности изделия обнаруживаются только одиндва небольших флокена. Такие изделия нельзя допускать к экс­ плуатации, потому что флокены могут оказаться на других участках деталей и в значительных количествах.

Например, на одном из турбостроительных заводов на валу турбоциркуляционного насоса длиной около 1700 мм, откованном из 3%-ной никелевой стали, при травлении всей его поверхности был обнаружен только один флокен длиной около 5 мм на шейке диаметром 100 мм. Шейка была проточена на глубину 0,75 мм. После осмотра и двойного травления проточенного участка фло­ кенов не было обнаружено, исчез и замеченный ранее флокен. Поковку все же решено было забраковать. Шейку диаметром 100 мм разрезали по плоскостям, перпендикулярным к оси вала, на несколько пластин небольшой толщины. При травлении поверх­ ностей пластин было обнаружено около 100 флокенов, которые оказались расположенными ближе к центральной зоне поковки и не вышли на поверхность. Испытания на растяжение образцов, вырезанных из пораженной флокенами зоны поковки вала, пока­ зали, что относительное удлинение образцов с флокенами в изломе составило 2,8— 10%, а относительное сужение 9,8—22,5%. Удар­ ная вязкость испытанных образцов снизилась вдвое по сравнению с полученной для образцов без флокенов.

Было предложено много гипотез, объясняющих причины обра­ зования флокенов в стали. Однако до настоящего времени все еще нет гипотезы, которая бы позволила увязать воедино все известные факты и удовлетворительно объяснить картину флокено-

образования. Наибольшее распространение имеет так называемая водородная теория, согласно которой ответственным за образова­ ние флокенов следует в основном считать растворившийся в жид­ кой стали водород, который, выделяясь при известных условиях в микропоры, всегда имеющиеся в стали, может создать очень значительные напряжения в металле, приводящие к его местным разрывам — флокенам. Несколько лет назад Ю. В. Грудина и И. Е. Брайнин высказали весьма сходные гипотезы, связывающие возникновение флокенов с взаимодействием протонов водорода, концентрирующихся около дислокаций.

Вакуумирование стали резко снижает ее склонность к обра­ зованию флокенов и является действенным средством получения поковок дисков, валов и роторов, свободных от флокенов. Другим важнейшим средством борьбы с флокенами является специальная термическая обработка поковок. Исследования И. П. Липилина, И. Д. Пичахчи, В. Я- Дубового, Е. С. Товпенца и др. позволили разработать режимы изотермического охлаждения поковок из стали легированных марок, препятствующие образованию фло­ кенов.

Примером такого режима является (по данным П. В. Склюева) следующий технологический процесс термической обработки поко­ вок турбинных дисков с высотой ступицы более 350 мм. После ковки диск подвергают промежуточной изотермической выдержке (промежуточному отжигу), состоящей из охлаждения до 250— 320° С, затем нагрева и изотермической выдержки при 640—660° С в течение 14 ч на каждые 100 мм высоты ступицы диска, с после­ дующим нагревом под окончательную ковку. Охлаждение после второй ковки также с выдержкой при 640—660° С в течение 16—■ 20 ч на каждые 100 мм высоты ступицы.

Существуют различные методы выявления флокенов. В турбо­ строении наиболее распространенным является метод макротрав­ ления. Для этого поверхности шлифуют, очищают, обезжиривают и травят 15%-ным раствором персульфата аммония в воде в течение ■ 10 мин, а затем 10%-ным раствором азотной кислоты в воде в те­ чение 5— 10 мин. Поверхность, подлежащую травлению, много­ кратно натирают ватой, обильно смоченной в соответствующем растворе кислот. В процессе травления кислоты проникают в тон­ кие трещины, разъедают их стенки и делают трещины более ши­ рокими и заметными.

Кислоты, попавшие внутрь трещин, испаряются значительно медленнее, чем с поверхности. Поэтому после того, как вся про­ травленная поверхность полностью просохнет, продолжающая испаряться из трещин кислота окисляет поверхность металла во­ круг трещины. На металле появляется хорошо видимая ха­ рактерная темная полоска, повторяющая форму трещины. Крупные, хорошо развитые флокены обнаруживаются в самом процессе травления, более мелкие— через некоторое время после него.

180

Иногда флокены выявляются только через несколько часов после окончания травления. На одном из турбостроительных за­ водов имеющая флокены поковка диска после травления раство­ рами персульфата аммония и серной кислоты была подвергнута осмотру 4 раза: непосредственно после травления; через 10 мин; через 20 ч; через 40 ч. При этом на обследованной поверхности сразу после травления было обнаружено два флокена, через 10 мин еще четыре, через 20 ч еще два флокена. Через 40 ч после травле­ ния количество выявленных флокенов осталось тем же, что и после 20 ч. Флокены, дополнительно выявившиеся при осмотре через 20 ч, были значительно меньше по размерам, чем обнаружен­ ные сразу после травления.

Техническими условиями на изготовление поковок дисков паровых турбин предусмотрено двойное травление внутренней поверхности втулки и торцов. Такую проверку наличия флокенов следует проводить дважды: первый раз на заводе-изготовителе после черновой механической и термической обработок, а второй раз — на турбинном заводе после обработки диска до мини­ мальных припусков по отношению к окончательным размерам, не превышающих 2 мм. Осматривать травленые поверхности сле­ дует дважды: первый раз через 10 мин и второй раз через 12 ч после травления.

. Кроме макротравления существуют и другие методы выявле­ ния флокенов. Магнито-керосиновая проба позволяет при интен­ сивном намагничивании выявить очень тонкие флокены и тре­ щины, не обнаруживаемые даже после двойного травления. Практикуется выявление флокенов закалкой: отрезанный от исследуемой поковки плоский образец закаливают в воде и ломают при изгибе. В изломе флокены обнаруживают в виде блестящих белых пятен. Реже применяют травление в парах дымящихся кислот, например азотной, из-за практических неудобств и опас­ ности для здоровья работников.

Весьма эффективным оказалось применение ультразвуковой дефектоскопии для выявления флокенов. Этот метод в отличие от травления, магнито-керосиновой пробы, цветной дефектоско­ пии и пр. позволяет выявить флокены в теле поковки, расположен­ ные на некоторой глубине. Удаление флокенов вырубкой, за­ чисткой и другими способами не следует практиковать, так как оно бесполезно. Единичные дефекты другого рода (трещины, плены, волосовины и пр.) можно удалять зачисткой или пологой вырубкой, если их глубина не превышает 2/3 припуска на меха­ ническую обработку.

Большое значение для надежной службы дисков паровых и газовых турбин имеет высокая деформационная способность ме­ талла, его пластичность, нечувствительность к концентрации напряжений, которая в связи с его конфигурацией возможна на многих участках диска, в том числе и значительно нагру­ женных.

181