2.2 Оценка остаточных напряжений по распределению твердости

Деформированный участок трубы был разделен на 3 равноценных по длине зоны: зона начала гибки, середина и конец гиба (рисунок 7).

Рисунок 7 ‒ Схема отбора образцов для измерения твердости

Из каждого участка были вырезаны образцы для измерения твердости соответственно из внешней, средней и внутренней частей стенки. У каждого образца была измерена твердость на различных глубинах сечения стенки, достигающей 1 мм, всего 27 измерений (рисунок 8).

Рисунок 8 ‒ Сечение образца подготовленного к измерениям

Испытания проводились на специальном прессе (рисунок 9) с усилием 6778 Н. В качестве индентора использовался стальной закаленный шарик диаметром 5 мм.

Рисунок 9 – Схема пресса Бринелля: 1 – груз; 2 – электродвигатель;

3 – маховик вращения винта для создания

предварительной нагрузки; 4 – установочный стол;

5 – держатель индентора

Рисунок 10 – Схема определения твердости по Бринеллю:

F – усилие; D – диаметр шарика;

d – диаметр отпечатка; h – глубина отпечатка

За меру твердости по Бринеллю принимается отно­шение усилия вдавливания F к условной площади отпе­чатка, вычисляемой в предположении, что отпечаток сов­падает с поверхностью вдавливаемого шарика диаме­тром D:

(1)

где F – усилие, Н;

D – диаметр шарика, мм;

d – диаметр отпечатка, мм.

Результаты эксперимента (таблицы 1, 2, 3) показывают, что распределение твердости в различных сечениях трубы в зависимости от глубины измерения не равномерно. Если оценивать изменение твердости в зависимости от зоны гибки, то твердость выпуклой стенки увеличивается с увеличением глубины измерений, что может быть связано с высокими давлениями, оказываемыми со стороны узлов трубогиба.

Рисунок 11 ‒ Фотография образца после измерения твердости

Твердость по среднему радиусу плавно уменьшается, что свидетельствует о влиянии на твердость различных слоев стенки трубы только со стороны раскатника. Твердость по внутреннему радиусу гиба изменяется слабо, что связано с давлением раскатника на внутреннюю стенку и уплотнением металла на наружной стенке трубы.

Таблица 1 ‒ Исследование интенсивности напряжений по наружному

радиусу гиба

	Определяемый параметр	Наружный радиус гиба
Зона гиба 1	Глубина измерения, мм	0	0,5	1
	Диаметр отпечатка, мм	2,2	2,1	1,8
	Твердость по Бринеллю, НВ	65,0	71,4	97,4
	Интенсивность напряжений	22,1	24,3	33,1
Зона гиба 2	Глубина измерения, мм	0	0,3	0,6	0,9
	Диаметр отпечатка, мм	2,4	2,3	2,2	2
	Твердость по Бринеллю, НВ	54,5	59,4	65,0	78,8
	Интенсивность напряжений	18,5	20,2	22,1	26,8
Зона гиба 3	Глубина измерения, мм	0	0,3	0,6	0,9
	Диаметр отпечатка, мм	2,2	2	2,1	2
	Твердость по Бринеллю, НВ	65,0	78,8	71,4	78,8
	Интенсивность напряжений	22,1	26,8	24,3	26,8

Таблица 2 ‒ Исследование интенсивности напряжений по среднему

радиусу гиба

	Определяемый параметр	Средний радиус гиба
Зона гиба 1	Глубина измерения, мм	0	0,3	0,6	0,9
	Диаметр отпечатка, мм	2,2	2,4	2,4	2,2
	Твердость по Бринеллю, НВ	65,0	54,5	54,5	65,0
	Интенсивность напряжений	22,1	18,5	18,5	22,1
Зона гиба 2	Глубина измерения, мм	0	0,3	0,6	0,9
	Диаметр отпечатка, мм	2,1	2,4	2,3	2,4
	Твердость по Бринеллю, НВ	71,4	54,5	59,4	54,5
	Интенсивность напряжений	24,3	18,5	20,2	18,5
Зона гиба 3	Глубина измерения, мм	0	0,2	0,4	0,6
	Диаметр отпечатка, мм	1,7	1,8	1,9	1,9
	Твердость по Бринеллю, НВ	109,3	97,4	87,4	87,4
	интенсивность напряжений	37,2	33,1	29,7	29,7

Таблица 3 ‒ Исследование интенсивности напряжений по внутреннему

радиусу гиба

	Определяемый параметр	Внутренний радиус гиба
Зона гиба 1	Глубина измерения, мм	0	0,3	0,6
	Диаметр отпечатка, мм	2	2,1	2,4
	Твердость по Бринеллю, НВ	78,8	71,4	54,5
	Интенсивность напряжений	26,8	24,3	18,5
Зона гиба 2	Глубина измерения, мм	0	0,3	0,6
	Диаметр отпечатка, мм	2,2	2,2	2,4
	Твердость по Бринеллю, НВ	65,0	65,0	54,5
	Интенсивность напряжений	22,1	22,1	18,5
Зона гиба 3	Глубина измерения, мм	0	0,3	0,6	0,9
	Диаметр отпечатка, мм	2,4	2,6	2,8	3
	Твердость по Бринеллю, НВ	54,5	46,3	39,8	34,6
	Интенсивность напряжений	18,5	15,7	13,5	11,7

Из таблиц видно, что наиболее напряженной является выпуклая часть трубы, в которой твердость может превышать твердость других участков гиба до 1,5 раз, причем наиболее неравномерной твердостью обладает именно участок начала гиба, что может быть связано с наличием упругих деформаций на начальном этапе гибки. Ниже на графиках приведены изменения твердости и интенсивности напряжений в различных сечениях трубы (рисунок 12).

Исходя из этого, можно сказать, что наиболее напряженной частью трубы, согласно этой методике остается участок по наружному радиусу гиба, что подтверждает адекватность первой и второй методики оценки остаточных деформаций при гибке труб с раскатыванием.

Рисунок 12 ‒ Графики распределения твердости и интенсивности

напряжений соответственно в различных сечениях трубы

Результаты эксперимента (таблица 4) показывают, что твердость поверхностного слоя в различных зонах гибки трубы, не одинакова [8].

Таблица 4 ‒ Результаты измерения твердости на поверхностном слое

Величины измерений	Зона гиба
	1			2				3
Наружная стенка
Диаметр отпечатка, мм	2,33	2,22		2,27		2,17		1,92		2,21
Твердость по Бринеллю, НВ	154	170		162		178		231		171
Средняя стенка
Диаметр отпечатка, мм	2,29		2,36		2,5		2,29		2,31		2,42
Твердость по Бринеллю, НВ	159		149		132		159		156		142
Внутренняя стенка
Диаметр отпечатка, мм	1,8		2,25		2,35		2,36		2,1		2,16
Твердость по Бринеллю, НВ	263		165		150		149		191		179

Изменения твердости в различных зонах гибки трубы, представлены на графике (рисунок 13).

Рисунок 13 ‒ График распределение твердости

Из графиков видно, что твердость образцов, вырезанных из различных стенок трубы, неодинакова и изменяется в зависимости от зоны гиба. Это связано с тем, что в металле стенок труб при гибке с раскатыванием происходят упругие и упруго-пластические деформации, меняющие его физико-механические свойства.

Экспериментально установлена прямо пропорциональная зависимость между числом твердости по Бринеллю и напряжениями [18, 19]. Из этого можно сделать вывод, что наиболее напряженными являются внутренняя и внешняя части гиба. Это объясняется тем, что на внутренней части гиба возникают пластические деформации сжатия. В то же время во внешней части гиба происходит значительное растяжение стенки металла. Напряженность средней стенки меньше, т.к. она подвергается воздействию только со стороны раскатника. К концу гиба, напряженность возрастает, потому что упруго-пластические деформации увеличивается.

Результаты находятся в хорошем соответствии с другими методиками оценки остаточных деформаций при гибке труб с раскатыванием.