В чем преимущества цельной цельнопустотной поковки?

Каковы преимущества бесшовной поковки с полым сердечником в отношении остаточных напряжений по сравнению с прокатанным и сварным листом, который впоследствии подвергается обработке (механическая обработка, термообработка и т. Д.)?

Как правило, деформация компонента происходит, когда напряженное состояние отдельных компонентов или сборки в целом смещается из одного состояния равновесия в новое состояние равновесия. Наличие остаточных напряжений в компонентах действует как источник потенциальной энергии, подобный по своей природе пружине, закрепленной в сжатом состоянии. Если приспособление, удерживающее пружину, остается целым, пружина не расширяется. Однако после удаления приспособления пружина расширяется до тех пор, пока не достигает нового состояния равновесия - либо другой фиксированной точки, либо точки, в которой потенциальная энергия пружины расходуется, - и пружина растягивается. Точно так же потенциальная энергия в компоненте из-за остаточного напряжения останется неизменной до тех пор, пока не будет изменено состояние равновесия - либо с помощью механических средств (удаление металла или холодная / горячая правка и т. Д.), Либо термических средств (сварка, термообработка и т. Д.) .).

Используя эту модель, очевидно, что ключом к минимизации искажений является выбор процесса изготовления, который (1) использует исходный материал с небольшим остаточным напряжением или без него и (2) допускает последующий технологический путь, который вносит как можно меньшее остаточное напряжение. . Чтобы превратить пластину в цилиндр, в большинстве случаев потребуется растянуть металл за пределы его предела текучести, чтобы сохранить цилиндрическую форму и обеспечить последующее пружинение. Если предположить, что исходная пластина практически не подвержена остаточным напряжениям из-за обработки при повышенных температурах (действительно, большое предположение), равновесное состояние пластины впоследствии изменяется во время прокатки за счет введения растягивающих и сжимающих напряжений, которые сдвигают состояние равновесия цилиндрической формы (требуется сварной шов, чтобы удерживать его на месте из-за тенденции к пружинению, в частности, с материалами, имеющими высокий предел текучести).

Понимая пропорциональную взаимосвязь между напряжением и деформацией (модуль упругости), можно интуитивно понять, что растяжение вернется в новое состояние, в котором теперь присутствует остаточное напряжение. Кроме того, введение продольного сварного шва для завершения цилиндрической формы дополнительно нарушает работу системы из-за введения тепловой энергии. Степень остаточного напряжения будет увеличиваться с увеличением одного или всего предела текучести основного металла, окружности трубы и толщины листа. Как только желаемая форма будет достигнута, она будет оставаться в этой форме до тех пор, пока не будет выполнена последующая обработка или условия эксплуатации, которые изменяют напряженное состояние (например, механическая обработка или сварка). Когда деталь действительно деформируется, требуется дополнительная механическая работа для восстановления желаемой формы, что приводит к часто «круглому» производственному пути. Эти затраты часто не учитываются при выборе катаного и сварного цилиндра.

Теперь рассмотрим бесшовную поковку с полым сердечником, которая выкована при повышенных температурах с динамической рекристаллизацией (немедленное образование свободных от напряжений зерен при деформации). Напряжения, возникающие во время ковки для получения цилиндрической формы, немедленно снимаются за счет рекристаллизации кристаллической структуры, что приводит к ковке практически без напряжений. Следовательно, прокатанный и сварной узел обладает значительно более высокими остаточными напряжениями, чем кованый бесшовный цилиндр (полый сердечник). Кроме того, при формировании цилиндра в виде бесшовного кованого полого сердечника термические напряжения от сварки не возникают, в отличие от метода прокатки и сварки листов. Подводя итог, можно сказать, что бесшовная поковка с полым сердечником намного более стабильна и обладает более высокой степенью структурной целостности (без сварных швов!), Чем катаный и сварной цилиндр в сборе, часто при более низкой общей стоимости.