O efeito do recozimento para alívio de tensão na tensão residual da superfície e nas propriedades organizacionais de camisetas de cobre e níquel B10 – fornecendo soluções de tubulação

Sob diferentes temperaturas de recozimento e tempos de retenção durante a conformação a frio do tee de liga de cobre-níquel B10 e o recozimento de alívio de tensão a vácuo, as propriedades mecânicas e a tensão residual do tee de liga de cobre-níquel B10 antes e depois do recozimento de alívio de tensão foram investigadas. Os resultados mostram que a tensão residual na superfície do tubo principal e do ramal após o trabalho a frio é a tensão de compressão, e a tensão residual na superfície do ponto de transição entre o tubo principal e o ramal é a tensão de tração. O recozimento com alívio de tensão elimina as tensões residuais na superfície do T da liga B10 CuNi, a menos que as propriedades mecânicas sejam danificadas. Neste teste, após recozimento a 300 °C por 1 hora com resfriamento do forno, as tensões residuais axiais e tangenciais das conexões dos tubos foram eliminadas.

A liga de cobre-níquel B10 pode ser processada a frio e a quente, tem boa resistência à corrosão e resistência média e é amplamente utilizada em áreas importantes, como engenharia naval e naval. Os acessórios para tubos de paredes espessas são usados ​​principalmente em sistemas de tubulação de água do mar pressurizada de navios. Os tês de liga de cobre-níquel B10 são frequentemente formados por processamento a frio por prensagem a frio, o processo de deformação é acompanhado por deformação não homogênea, que tende a gerar tensões residuais no material, afetando a resistência à corrosão e as propriedades de fadiga da lata de liga de cobre-níquel. Acessórios para tubos. Cientistas nacionais e estrangeiros estão se concentrando na pesquisa de métodos para controlar e reduzir o estresse residual.
As tensões residuais são geralmente reduzidas por pré-alongamento, vibração ou tratamento térmico. Muita literatura foi publicada sobre o estudo de tensões residuais em materiais metálicos; Ren Quanzhuang et al. investigou sistematicamente a distribuição de tensões residuais durante a têmpera de aço de médio carbono. Zhang et al. estudaram sistematicamente o efeito da não uniformidade das propriedades mecânicas de placas na direção da espessura na eliminação de tensões residuais durante o pré-alongamento, construindo um modelo do campo de tensões residuais de laminação de placas de liga de alumínio pré-esticadas. Fan Ning et al. analisaram o nível de distribuição de tensões residuais em uma placa espessa de liga de alumínio no estado pré-esticado. Eles investigaram sistematicamente a lei de redução das tensões residuais temperadas em uma placa espessa feita de liga de alumínio 7055 com diferentes deformações de pré-estiramento. Luo Jiahao et al. explorou o método de processo para reduzir a tensão residual e a densidade de deslocamento do aço silício laminado a frio, estudando o efeito do acoplamento térmico-magnético de curto prazo em baixa temperatura e baixa intensidade do campo magnético pulsado. Xie Zhipeng et al. propuseram um novo método para regular a tensão residual na superfície de um filme de óxido anódico de titânio puro (TA2), com foco na microestrutura do filme sob controle da tensão residual. Dentre os diversos métodos e medidas para reduzir as tensões que ocorrem, o recozimento com alívio de tensões é amplamente utilizado na indústria devido à sua alta eficiência e facilidade de uso.
Deve haver relatórios apropriados sobre o nível e distribuição de tensões residuais em ligas de CuNi após trabalho a frio e vários tratamentos térmicos, bem como a lei de redução de tensão residual em ligas de CuNi por tratamento térmico. Neste estudo, o método de tensão de difração de raios X é usado para caracterizar a distribuição de tensão residual superficial de juntas de tubos de liga B10-CuNi de paredes espessas após vários tratamentos térmicos, analisar o nível de distribuição de tensões residuais no estado tratado termicamente de espessura juntas de tubos de liga B10-CuNi com paredes espessas e fornecem as regras de redução de tensões residuais para examinar conexões de tubos de paredes espessas feitas de liga B10-CuNi usando vários processos de tratamento térmico.

1. Material e método de teste

O material de teste é uma peça em T uniforme e de parede espessa feita de liga de cobre-níquel B10 com dimensões ϕ90 mm × 6 mm. A composição da liga está listada na Tabela 1. A peça em T uniforme e de paredes espessas é moldada por prensagem a frio. O diagrama esquemático de processamento é mostrado na Figura 1.

Tabela 1: Composição da peça em T de parede espessa feita de liga de cobre-níquel B10 (fração de massa, %)

A peça em T de parede espessa feita de liga de cobre-níquel B10 cria tensões residuais dentro das peças em T devido à deformação plástica irregular do material durante o processo de conformação à temperatura ambiente. Estudos demonstraram que o recozimento de reação apropriado pode eliminar tensões residuais enquanto mantém as propriedades de alta resistência do material. Neste documento, são projetadas as temperaturas de recozimento 250, 300 ℃, tempo de recozimento 0,5, 1 hora e uma combinação de testes. Seleção de forno de tratamento térmico: Forno de recozimento a vácuo horizontal VAF446, tratamento térmico com resfriamento de forno.

Figura 1 Representação esquemática de um T isósceles prensado a frio

T de parede espessa de liga de cobre-níquel B10 com a mesma seção transversal, testador de tensão com medidor de tensão de raios X XStress3000 G3. O teste de tensão foi realizado de acordo com GB/T 7704-2017 “Método de teste não destrutivo para determinação de tensão usando raios X”. Com base na curva senoidal²No método Ψ, foi utilizado um detector duplo sensível ao estado sólido, que inclui a linha de radiação MnKα, a superfície cristalina difratada do cristal Cu (311), a tensão de aceleração 30 kV, a corrente de aceleração 6,7 mA, a constante de tensão K = – 198 MPa/(°) e o tempo de exposição foi de 8 s. A distribuição dos pontos de medição é mostrada na Figura 2, e o mesmo ponto de medição foi testado para tensão axial parcial (σ)._X) e tensão parcial tangencial (σ_S), respectivamente. Os valores de tensão residual nos pontos de teste 1, 2 e 3 do tubo principal são selecionados como a tensão residual média do tubo principal, os valores de tensão residual nos pontos de teste 4 e 5 do tubo de ramal são selecionados como o tensão residual média do ramal, os valores de tensão residual nos pontos de teste 6 e 7 da posição de transição entre o tubo principal e o ramal são selecionados como a tensão residual média na posição de transição entre o tubo principal e o tubo de ramal, e o valor médio do erro de tensão residual nos pontos de teste do tubo principal, do tubo de ramal e da posição de transição é selecionado como o valor médio da tensão residual do tubo principal, do tubo de ramal e da posição de transição. Erro de tensão média.

Figura 2: Representação esquemática do ponto de amostragem para teste de tensão residual da liga de cobre-níquel B10 com peças T do mesmo tamanho

A máquina de ensaio de materiais INSTRON5587 (300 kN) foi utilizada para realizar ensaios de tração em peças em T. Amostras de tração do tubo principal T foram coletadas para coletar amostras de curvatura longitudinal de acordo com GB/T 228.1-2021 “Teste de tração de materiais metálicos, Parte 1: Método de teste à temperatura ambiente” para testes de tração. O microscópio metalográfico ZEISSObserver.Z1m foi utilizado para detectar a microestrutura das peças em T. Amostras metalográficas da área de transição do tubo principal em T e do tubo ramificado foram coletadas para testes metalográficos longitudinais de acordo com YS/T448-2002 “Métodos de teste macroorganizacionais para fundição e processamento de produtos de cobre e ligas de cobre”. O local exato da amostragem é mostrado na Figura 3.

Figura 3: Representação esquemática das peças de amostragem para peças em T de tamanhos iguais feitas de liga de cobre-níquel B10

2. Resultados dos testes e discussão

2.1 Tensão residual na superfície de uma peça em T de parede espessa prensada a frio feita de liga de cobre-níquel B10

A Tabela 2 mostra os níveis de tensão residual nas superfícies axial e tangencial do tee da liga B10 CuNi prensado a frio. De acordo com a tensão parcial axial na Tabela 2, a tensão parcial axial média na posição de teste do T do tubo principal é de 1,2,3 (-92±8,3) MPa, a tensão parcial axial média na posição de teste do T do ramal é 4,5 é (-49±5) MPa. A tensão parcial axial média na posição de teste da junção entre o tubo principal e o tubo ramal 6.7 é (68±12) MPa. De acordo com a tensão parcial tangencial da Tabela 2, o nível de tensão residual das superfícies axial e tangencial do T é (-10±2) MPa. De acordo com a Tabela 2, a tensão parcial tangencial média na posição de teste dos tubos principais 1, 2 e 3 é (-36±9,3) MPa, a tensão parcial tangencial média na posição de teste dos tubos isósceles T 4 e 5 é (-101±6, 5) MPa. A tensão parcial tangencial média na posição de teste do tubo principal e da transição do tubo 6 e 7 é (40,5±8,5) MPa. No geral, a tensão parcial axial na posição de teste do tubo principal do T isósceles é maior que a tensão parcial tangencial, e a tensão parcial axial na posição de teste do tubo ramificado é menor que a tensão parcial tangencial. No geral, a tensão parcial axial é maior que a tensão parcial tangencial no tubo principal, a tensão parcial axial é maior que a tensão parcial tangencial no ramal e a tensão parcial axial é maior que a tensão parcial tangencial na posição de transição entre o tubo principal e o tubo ramificado.
Para analisar de forma mais intuitiva o curso da tensão residual na superfície do T após a conformação a frio. De acordo com os dados de medição da Tabela 2, a tensão residual é plotada nas superfícies axial e tangencial da peça em T. A Figura 4 mostra a tensão residual nas superfícies axial e tangencial do T prensado a frio. Ao comparar a tensão axial na superfície do T prensado a frio em diferentes locais, pode-se observar que a tensão residual de compressão nos pontos de teste 1 e 3 do tubo principal é maior que a tensão residual nos pontos 2, e que o a tensão residual no teste do tubo principal é distribuída simetricamente como um todo. As tensões residuais nos pontos de teste 4 e 5 do ramal estão próximas umas das outras, e as tensões residuais na transição entre o tubo principal e o ramal apresentam um grande desvio. Ao analisar o processo de conformação por cisalhamento a frio da peça em T, a tensão de compressão do punção pode ser vista em ambos os lados do tubo principal em T. A força nas duas extremidades principais é maior do que no meio, de modo que a tensão residual é grande nas duas extremidades dos pontos de teste e a tensão residual é pequena nos pontos de teste intermediários. O fluxo de metal ao longo do fluxo axial do ramal é uniforme, a tensão superficial está próxima da tensão residual. Devido à complexidade do fluxo do metal, a deformação é irregular e a tensão residual se desvia. Ao mesmo tempo, a deformação a frio da superfície dos pontos de teste do tubo principal e ramificado feito de liga de cobre-níquel B10 tem um nível de tensão igual entre ((-101 – -120) ± 7) MPa, indicando um significativo tensão compressiva residual. Na junção dos tubos principais e ramais, a tensão está entre ((24-120) ± 12) MPa, indicando uma tensão de tração residual significativa.

Tabela 2: Tensões parciais residuais axiais e tangenciais na superfície de uma peça em T feita de liga de cobre-níquel B10 no estado prensado a frio.

Nota: Veja a Figura 2 para locais de teste

4, pode-se observar que a tensão parcial tangencial na superfície do T da liga B10 CuNi no estado prensado a frio é a mesma. Pode-se observar que a tensão residual nos pontos de teste dos tubos principais 1 e 3 é maior do que no ponto 2 e que a tensão residual no tubo principal de teste é distribuída simetricamente em geral. As tensões residuais nos pontos de teste 4 e 5 dos ramais e na posição de transição estão próximas umas das outras. Ao analisar o processo de conformação por prensagem a frio do Tê, pode-se observar que a tensão de compressão pelo punção atua em ambos os lados do T principal. A força nas duas extremidades principais é maior do que no meio, então a tensão residual nas duas extremidades dos pontos de teste é grande e a tensão residual nos pontos de teste no meio é pequena. O fluxo tangencial do metal ao longo das posições de ramificação e transição é uniforme, a tensão superficial está próxima uma da outra e, portanto, a tensão residual também está próxima uma da outra.

No estado prensado a frio da liga de cobre-níquel B10, as superfícies em T do tubo principal e dos pontos de teste do tubo ramificado têm o mesmo nível de tensão; há uma clara tensão de compressão residual. No ponto de transição existe uma tensão residual de tração significativa entre os tubos principal e secundário. No geral, a tensão axial no local do tubo principal é maior que a tensão tangencial, e no local do ramal o resultado oposto é visto, com o local de transição sendo mais próximo. Durante o processo de formação do T de parede espessa, as juntas do tubo são comprimidas sob a pressão axial dos punções esquerdo e direito, e o tubo principal é submetido a tensões de compressão e ocorre um fluxo plástico óbvio. Sob a expansão hidráulica, as juntas dos tubos ao longo da parede interna do molde para toda a cavidade, a formação do ramo T e do ramo T também estão sujeitas a tensões de compressão. Devido à tensão desigual que ocorre no processo de deformação, muitos defeitos cristalinos podem se acumular na superfície das juntas dos tubos, resultando em uma grande tensão residual no ponto de medição, que é no máximo -120 MPa axialmente. O processo de processamento e conformação determina a superfície do T isósceles dos tubos principais e ramificados por tensão de compressão; o fluxo de metal plástico na área de transição entre o tubo principal e o tubo ramificado muda de direção e a superfície exibe um estado de tensão de tração. Finalmente, a tensão residual é armazenada como energia de deformação elástica na peça em T isósceles feita de liga de cobre-níquel B10. Todo o T apresenta tensões de compressão na superfície dos tubos principais e ramificados e tensões de tração no ponto de transição.

Figura 4 Tensões parciais axiais e tangenciais na superfície de uma liga B10 CuNi igual à peça T no estado prensado a frio

2.2 Influência do recozimento para alívio de tensões no nível de tensão residual da superfície

A Figura 5 (a) mostra a distribuição das tensões de atrito axial na superfície de um T isósceles feito de liga de cobre-níquel B10 em diferentes estados de tratamento térmico. Os valores de tensão residual dos pontos de teste 1, 2 e 3 do tubo principal são selecionados como a tensão residual média do tubo principal, e os valores de tensão residual dos pontos de teste 4 e 5 do tubo de ramal são selecionado como a tensão residual média do ramal, os valores de tensão residual dos pontos de teste 6 e 7 da posição de transição entre o tubo principal e o ramal são selecionados como a tensão residual média da posição de transição entre o principal tubo e o tubo de ramal, e a média do erro de tensão residual dos pontos de teste do tubo principal, o tubo de ramal e a posição de transição são selecionados como a média do erro de tensão residual do tubo principal, o tubo de ramal e o posição de transição, respectivamente. Liga de cobre-níquel B10, peça em T do mesmo tamanho, moldada a frio. A tensão parcial axial média da superfície principal é (-92 ± 8) MPa, a tensão parcial axial média da superfície do ramo é (-49 ± 5) MPa, e a tensão parcial axial média da região de transição é (68 ± 12) MPa. Por tratamento térmico a 250 °C × 0,5 horas, a tensão residual principal média é reduzida para (-60 ± 5,6) MPa, a taxa máxima de redução de tensão atinge 34,78%; a tensão parcial axial na superfície da região de transição é reduzida para (59,5 ± 7) MPa, a tensão diminui. Após tratamento térmico a 300 °C × 0,5 h, a tensão residual média do tubo principal diminuiu para (-26,3 ± 6,3) MPa, com uma taxa máxima de redução de tensão de 71,41%, e a tensão axial na superfície aumentou da transição a posição diminuiu para (2,5 ± 4) MPa, com uma taxa de redução de tensão de 96,32%. Com o mesmo tempo de permanência do brilho, a temperatura do brilho aumenta e a tensão residual diminui. Isso ocorre porque ao mesmo tempo de retenção, quando a energia de ativação de relaxamento das tensões sob as condições de temperatura é completamente relaxada e eliminada, a temperatura do tratamento térmico precisa ser aumentada para que o comportamento de relaxamento das tensões possa continuar com maior energia de ativação de relaxamento. .

Após tratamento térmico a 250 °C × 1 hora, a tensão residual axial do tubo principal diminui para (-34 ± 8,3) MPa em comparação com o estado prensado a frio, com uma taxa de redução de tensão de 63,04%. A tensão axial na superfície do ramal está na faixa de (-28 ± 5) MPa, com uma taxa de redução de tensão de 43,75%. A tensão axial na superfície da posição de transição diminui para (19,5 ± 4,5) MPa, com uma taxa de redução de tensão de 71,32%. A taxa de redução de tensão chega a 71,32%. Após o tratamento de recozimento por relaxamento, a tensão residual na superfície da peça em T na direção axial mostra a mesma tendência de mudança. À medida que a temperatura de recozimento aumenta e o tempo de retenção aumenta, ocorre uma diminuição relativamente grande. Isso ocorre porque há uma alta tensão residual no material metálico após o aquecimento e o tempo de retenção no local da deformação plástica microscópica ou local, de modo que a tensão relaxa lentamente e a tensão residual diminui.

Fig. 5 Liga de cobre-níquel B10 com alívio de tensão com a mesma superfície T, tensões parciais axiais (a) e tangenciais (b).
A Figura 5 (b) mostra a distribuição da tensão parcial tangencial na superfície do tee da liga B10 CuNi em diferentes estados de tratamento térmico. A tensão parcial média na superfície do tubo principal do T de liga B10-CuNi na forma formada a frio é (-36±9,3) MPa, a da superfície do tubo ramificado é (-101±6,5) MPa e a na superfície da região de transição é (40,5±8,5) MPa. A tensão parcial média tangencial no tubo principal e na posição de transição é menor do que na direção axial, e a tensão parcial média tangencial no tubo ramificado é maior do que na direção axial. Após o recozimento para alívio de tensão (250°C × 0,5 h), a tensão residual da superfície tangencial na posição principal do tubo aumenta e a tensão residual da superfície nas posições restantes diminui. Quando o tempo de retenção do recozimento é estendido para 1 hora, a tensão parcial tangencial média principal e do ramo diminui para o estado formado a frio, e a tensão residual na posição de transição do ramo diminui significativamente. Quando a temperatura do isolamento é aumentada para 300°C durante 1 hora, a tensão residual nas posições principal e ramificada do T é eliminada, e a eliminação da tensão residual na posição de transição é óbvia.
Após o tratamento de recozimento por relaxamento, o curso geral da tensão residual na superfície das peças em T nas direções axial e tangencial é o mesmo, com o aumento da temperatura de recozimento e a extensão do tempo de retenção mostrando uma diminuição relativamente grande. . Conforme mencionado acima, após o tratamento de isolamento de materiais metálicos, em locais com elevada tensão residual, um fenômeno de relaxamento de tensão é gerado por deformação plástica para eliminar a tensão residual. Li Wentao et al. estudaram o efeito da temperatura de recozimento na tensão residual de tiras de aço laminadas a frio usando microdureza, que reflete mudanças na densidade de discordância, e resistividade, que reflete mudanças na concentração de defeitos pontuais, bem como observação do estado microestrutural usando uma transmissão microscópio eletrônico. Juntos, isso revelou que o relaxamento de tensões do processo de recuperação em baixa temperatura é principalmente o desaparecimento de vazios excessivos formados por deformação plástica, diminuindo assim a densidade de defeitos pontuais.

2.3 Influência do recozimento para alívio de tensões nas propriedades e estrutura de peças em T de paredes espessas

A Figura 6 mostra as propriedades mecânicas de um T isósceles de parede espessa feito de liga de cobre-níquel B10 à temperatura ambiente após o alívio de tensão. As propriedades mecânicas do recozimento mostram que o recozimento com alívio de tensão tem pouca influência no índice de resistência. Peça em T formada a frio, resistência à tração 469 MPa, resistência ao escoamento 341,5 MPa, alongamento 13,5%. Com 0,5 h de alívio de tensão, a resistência das amostras de alívio de tensão em diferentes temperaturas não foi significativamente diferente em comparação com o estado trabalhado a frio sem alívio de tensão; um padrão semelhante surgiu quando o tempo de recozimento foi aumentado de 0,5 h para 1 h. Em termos de plasticidade do material, o alívio de tensões teve pouco efeito no alongamento das amostras, e o alongamento total do material foi inferior a 15%. Isto se deve à escolha da faixa de temperatura para a fase de recuperação. Devido à baixa energia de erro das camadas de empilhamento, o cobre não é fácil de sofrer poligonização e outros processos, e basicamente não amolece nesta fase de recuperação.

Fig. 6 Efeito do recozimento com alívio de tensão nas propriedades mecânicas da liga B10 Cu-Ni com a mesma peça em T

A Figura 7 mostra a microestrutura da seção longitudinal de uma peça em T de 90 mm x 6 mm feita de liga de cobre-níquel B10 após alívio de tensões. Conforme mostrado na Figura 7, a organização geral da peça em T de liga de cobre-níquel B10 de 90 mm x 6 mm após prensagem a frio é distribuída ao longo da direção da seta na figura. Combinado com a conformação por prensagem a frio do T, sabe-se que a posição de transição dos tubos principal e secundário muda ao longo da direção do fluxo de plasticidade metálica da matriz, e a microestrutura aparece em uma determinada direção. Após o recozimento com alívio de tensão em baixa temperatura (250°C x 0,5 horas), a microestrutura e a organização são semelhantes após a formação por prensagem a frio. A distribuição de deformação do grão ao longo da direção da seta é mostrada na Figura 7 (b). Isto ocorre porque durante o processo de processamento a organização não parece reverter para a distorção da rede que ainda está presente após a moldagem por prensagem a frio. O recozimento com alívio de tensão em baixa temperatura (250 °C) por 1 hora não apenas mantém a distribuição de deformação em forma de seta dos grãos, mas também produz pequenos grãos próximos aos grãos. Após 0,5 horas de recozimento de alívio de tensão a 300 °C, a estrutura de alongamento retorna gradualmente; a estrutura ainda apresenta um estado de deformação, que se deve principalmente ao aumento adicional da temperatura. O deslizamento original da discordância é bloqueado e a densidade da discordância diminui drasticamente devido à deformação causada pela distorção da rede e ao desaparecimento da tensão residual.

Figura 7: Microestrutura da liga B10-CuNi com a mesma peça em T após recozimento de alívio de tensão usando vários processos.
(a) estado inicial; (b) 250 ℃ × 0,5 h; (c) 250°C × 1h; (d) 300°C × 0,5h; (e) 300°C × 1h

3. Conclusão

• 1) Liga de cobre-níquel B10 de ϕ90 mm × 6 mm, T de tamanho igual, prensado a frio após o tubo principal, tensão residual da superfície do tubo de ramificação para tensão de compressão e tensão residual de superfície no ponto de transição do tubo principal e tubo de ramificação para tensão de tração. A tensão residual axial na superfície do tubo principal é maior que a tensão residual tangencial.
• 2) liga de cobre-níquel B10 de ϕ90 mm × 6 mm, mesmo diâmetro do T na temperatura de recozimento de 250, 300 ℃, tempo de recozimento de 0,5, teste de recozimento combinado de 1 hora, sob a premissa das propriedades mecânicas da liga de cobre-níquel B10, mesmo Diâmetro da peça em T…
• 3) Neste ensaio, um T equilátero feito de liga de cobre-níquel B10 (ϕ90 mm x 6 mm) é recozido por 1 hora a 300°C em ambiente de vácuo, resfriando o forno, e as tensões residuais nos eixos axial e tangencial direção são eliminadas.