Національний університет “Львівська політехніка”

Палаш Роман Володимирович

УДК 539.4, 539.3, 621.791.05

Підвищення міцності сталевих

циліндричних елементів машин та конструкцій

05.02.02 – машинознавство

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному університеті “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник | доктор технічних наук, професор

Кузьо Ігор Володимирович,

Національний університет “Львівська політехніка”,

завідувач кафедри “Теоретична механіка”. | Офіційні опоненти | доктор технічних наук, професор

Гутиря Сергій Семенович,

Одеський національний політехнічний університет,

професор кафедри “Теоретична механіка і

машинознавство”;

кандидат технічних наук, доцент

Кичма Андрій Олексійович,

Національний університет “Львівська політехніка”,

доцент кафедри “Деталі машин”. | Провідна установа | Хмельницький національний університет,

кафедра “Машинознавство” Міністерства освіти і науки України, м. Хмельницький |

Захист відбудеться 23 листопада 2005 р. о 1600 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.06 у Національному університеті “Львівська політехніка” за адресою 79013, м. Львів, вул. С. Бандери, 12, головний корпус, ауд. 226.

З дисертацією можна ознайомитись у науково-технічній бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” за адресою 79013, м. Львів, вул. Професорська, 1.

Автореферат розісланий | 21 жовтня 2005 р. | Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради | Форнальчик Є. Ю. |

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. У різних галузях машинобудування, а також у трубопровідному транспорті, будівництві тощо широко використовуються деталі та складальні одиниці машин і конструкцій, що в місцях нероз’ємного з’єднання мають циліндричну форму (далі – “циліндричні елементи машин і конструкцій” (ЦЕМК)). В багатьох випадках вони працюють в умовах значних статичних і змінних навантажень. Це: демпфери, ведучі мости, вали, осі автомобілів та інших транспортних засобів; шківи; барабани млинів, центрифуг і підіймальних пристроїв; трубні елементи обсадних колон; різного призначення ємності, трубопроводи і т. ін. Їх виготовляють, як правило, зі сталей з високими механічними властивостями (межею міцності В 800 МПа; межею плинності Т 500 МПа, відносним видовженням 15%), особливо перспективними серед яких є низьколеговані термічно зміцнені сталі. Виконання нероз’ємних з’єднань в таких елементах зварюванням із використанням традиційних методів забезпечення міцності – попереднього підігрівання та додаткового термічного оброблення, в багатьох випадках є економічно неефективним і складним в реалізації. В такому разі використовуються інші прийоми, які в достатній мірі не задовільняють вимогам щодо рівня залишкових напружень та однорідності механічних властивостей у з’єднаннях, котрі, звичайно, є найслабкішою ділянкою елементів.

Отже, підвищення міцності ЦЕМК, які виготовляються з високоміцних низьколегованих сталей (ВНС) електродуговим зварюванням без підігрівання та додаткового термічного оброблення, становить актуальне наукове і прикладне завдання, вирішення якого дозволить підвищити технічний рівень і надійність експлуатації широкого класу машин і конструкцій.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні завдання, які розв’язувалися у дисертаційній роботі, відповідали держбюджетним темам, що виконувались на кафедрі “Теоретична механіка” Національного університету “Львівська політехніка”: “Дослідження динамічних процесів елементів машин і механізмів з нелінійними пружними характеристиками” (державний реєстраційний номер № 0103U001340, згідно з наказом МОН України № 633 від 05.11.02) протягом 2002-2003 рр., та “Математичний опис нелінійних деформаційних процесів у сучасних матеріалах в умовах складних термомеханічних випробовувань” (державний реєстраційний номер №0105U000613, згідно з наказом МОН України № 960 від 22.12.04) протягом 2004-2005 рр.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є обґрунтування методів підвищення міцності циліндричних елементів машин і конструкцій із високоміцних низьколегованих сталей (В = 800-1050 МПа, Т = 500-800 Мпа, = 15-20%) у разі їх електродугового зварювання без підігрівання та додаткового термічного оброблення.

Для досягнення поставленої мети розв’язувались такі задачі:

- встановити вимоги до з’єднань у ЦЕМК, які виготовляються з високоміцних сталей ;

- розробити методику визначення залишкових напружень 1-го роду в досліджу-ва-них елементах за наявності в них пластичного шва;

- проаналізувати фактори, що впливають на залишковий напружений стан циліндричних елементів;

- дослідити вплив неоднорідності механічних властивостей в елементах з мяким прошарком на їхню міцність;

- розробити методику та дослідити рівень напружень 2-го роду у з’єднаннях елементів із ВНС;

- дослідити вплив складу та геометричних розмірів швів на міцність ЦЕМК;

- розробити науково обґрунтовані рекомендації, спрямовані на підвищення міцності ЦЕМК.

Обєкт дослідження – циліндричні елементи машин та конструкцій.

Предмет дослідження – міцність циліндричних елементів машин та конструкцій із високоміцних низьколегованих сталей у разі їх зварювання без підігрівання та термічного оброблення.

Методи дослідження. Для досягнення означеної мети та розв’язання наукових задач використовувались такі методи: розрахунково-експериментальний метод (РЕМ) визначення напружень в ЦЕМК з кільцевим пластичним швом; метод математичного планування експериментів та статистичного опрацювання експериментальних даних; метод контактної локальної термоелектрорушійної сили (КЛ ТЕРС) для дослідження напруженого стану зерен мартенситу; визначення міцності при розтязі та характеристик тріщиностійкості при статичному й циклічному навантаженнях; вимірювання залишкових напружень методами сіток, механічної і магнітопружної тензометрії.

Наукова новизна отриманих результатів: –

набуло подальшого розвитку вивчення впливу неоднорідності механічних властивостей на міцність при розтязі циліндричних елементів із мякими прошарками завдяки врахуванню здатності матеріалу прошарку до зміцнення в процесі його пластичного деформування;–

удосконалено РЕМ визначення напружень, що виникають при зварюванні ЦЕМК зі сталей, схильних до мартенситного перетворення, чого досягнено розширенням множини функцій, які дозволили апроксимувати поля залишкових пластичних деформацій; –

набуло подальшого розвитку встановлення факторів, що впливають на величину напружень 2-го і 3-го родів у з’єднаннях елементів із ВНС, що досягнено за допомогою методу КЛ ТЕРС.

Практичне значення отриманих результатів–

встановлено особливості просторового розподілу залишкових напружень в ЦЕМК із ВНС з використанням даних про залишкові напруження на поверхні, отриманих експериментальними неруйнівними способами; –

встановлено хімічний склад шва (С= 0,3-0,38 %; Mn = 11-15 %), за якого досягається зниження залишкових розтягувальних напружень до рівня 15-20% від межі плинності основного металу та зменшення напружень 2-го роду у зоні термодеформаційного впливу (ЗТДВ) на величину до 30% порівняно з іншими складами швів;–

визначено геометричні розміри м’якого прошарку (відносна товщина =0,4-0,6), за яких підвищується міцність елементів під час їх розтягу до рівня основного металу. При виконанні швів відповідних розмірів досягається зниження теоретичного коефіцієнта концентрації напружень в середньому на 15-25%; –

основні результати роботи впроваджено у проектування, виробництво і ремонт зварюванням демпферів та валів вантажних автомобілів і автобусів, трубних елементів обсадних колон, стиків трубопроводів. При цьому досягається значний економічний ефект, що підтверджено відповідними актами. –

рекомендації щодо підвищення міцності ЦЕМК з ВНС, при зварюванні без підігрівання та додаткового термічного оброблення, можуть бути поширені на дета-лі машин та конструкцій, які мають геометричну форму, відмінну від цилінд-рич-ної, та виго-то-влені з інших класів сталей, схильних до мартенситного перетворення.

Особистий внесок здобувача. Усі результати, рішення, висновки та рекомендації, наведені в дисертаційній роботі, отримані автором самостійно. В опублікованих у співавторстві роботах дисертанту належить: [1] – опрацювання краєвих умов; [2] – обґрунтування розрахункової схеми визначення напружень; [3] – аналіз впливу форми розробки крайок на вигляд функції поля умовних пластичних деформацій і виразів для визначення залишкових напружень; [6] – експери-мен-таль-ні вимірювання напружень з допомогою КЛ ТЕРС, статистичне опрацювання результатів; [9] – аналіз впливу параметрів, які характеризують поле плас-тич-них дефор-мацій, на розподіли залишкових напружень; [10] – розробка мето-ди-ки вимірю-вання КЛ ТЕРС; [12] – опрацювання результатів експери-мен-таль-них досліджень; [15] – розрахунок розподілу залишкових напружень, залежно від пара-мет-рів поля пластичних деформацій; [16] – дослідження впливу мікроструктури оболон-ко-вих елемен-тів на розподіл напружень; [17] – моделювання напруженого стану у з’єднан-нях високоміцних сталей; [18] – аналіз впливу складу шва на залишкові напруження; [20] – вивчення величини напру-жень 2-го роду у ЗТДВ.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи розглядалися на таких міжнародних науково-технічних конференціях: 5-му, 6-му, 7-му Міжнародних симпозіумах українських інженерів-механіків у Львові (м. Львів, 2001р., 2003р., 2005р.); 2-ій, 3-ій Всеукраїнських науково-технічних конференціях молодих учених і спеціалістів “Зварювання та суміжні технології” (м. Київ, 2003 р., 2005 р.); Міжнародній конференції “Сучасні проблеми зварювання і ресурсу конструкцій”, (м. Київ, 2003 р.); IY Міжнародному конгресі “Машиностроительные технологии” (Варна, Болгарія, 2004 р.); Міжнародній конференції “Дни науки-2005”, (м. Дніпропетровськ, 2005р.); на наукових семінарах кафедри “Теоретична механіка” НУ “Львівська політехніка” в 2002-2005 рр.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 20 друкованих робіт, із яких 9 - наукові статті у фахових виданнях ВАК України. За матеріалами дисертаційних досліджень отримано деклараційний патент України на винахід і два деклараційні патенти на корисні моделі.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел із 150 найменувань на 13 сторінках та 6 додатків на 20 сторінках. Основна частина дисертації складає 132 сторінки і включає 36 рисунків і 6 таблиць. Загальний обсяг роботи становить 165 сторінок.

основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність дисертаційної роботи, сформульовані мета і задачі, наукова новизна і практична цінність отриманих результатів, показано зв’язок роботи з науковими програмами. Наведено дані про реалізацію та впровадження результатів роботи, її апробацію, особистий внесок автора у публікації, що у співавторстві.

У першому розділі здійснено огляд літературних джерел щодо методів та способів підвищення міцності ЦЕМК з низьколегованих сталей (В 800 МПа, Т 500 МПа).

Дослідженням надійності, зокрема – за показниками міцності, елементів машин та конструкцій з високоміцних сталей, займалися численні вчені України та зарубіжжя: О.А. Бакши, В.О. Вінокуров, О.А. Іллюшин, С.Г. Катіца, Б.С. Касаткін, Л.М. Лобанов, Й.Ц. Лі, Е.Л. Макаров, В.І. Махненко, К. Maсубучi, Г. Мюллер, Г.С. Писаренко, Я.С. Підстригач, В.М. Прохоренко, В.Т. Трощенко, K.Н. Швальбе та інші.

Існуючі методи розв’язання цієї проблеми, у випадку зварювання без попереднього підігрівання та додаткового термічного оброблення (одержання високопластичних швів, регулювання термодеформаційним циклом зварювання (ТДЦЗ) тощо), спрямовані переважно на запобігання утворенню технологічних тріщин, але при цьому недостатньо забезпечується експлуатаційна надійність з’єднань через наявність в них значних залишкових напружень та істотної неодно-рід-ності за механічними властивостями.

Встановлено, що радикальними методами підвищення міцності досліджуваних елементів є використання пластичних багатошарових аустенітних швів і зниження рівня залишкових напружень. Розглянуто питання зменшення неоднорідності меха-ніч-них властивостей в з’єднаннях за рахунок певних геометричних розмірів та хіміч-ного складу шва.

Проаналізовано особливості розподілу залишкових напружень в циліндричних елементах. Встановлено актуальність розроблення РЕМ для їх дослідження у з’єднаннях в циліндричних елементах із ВНС.

Сформульовано мету роботи, що полягає в обґрунтуванні методів підвищення міцності циліндричних елементів машин і конструкцій із високоміцних низьколего-ва-них сталей (В = 800-1050 МПа, Т = 500-800 Мпа, = 15-20%) у разі електро-дугового їх зварювання без підігрівання та термічного оброблення.

У другому розділі викладено методику виконання роботи. Охарактеризовано експери-мен-тальні та розрахункові методи досліджень, за допомогою яких розв’язувались основні задачі. Дослідження проводились на зразках циліндрич-ної форми, діаметром 100-500 мм з товщиною стінки 4-12 мм, із термічно зміцнених низьколегованих сталей 14Х2ГМР, 14ХМВДФР, 12ХГ2СМФ, спільною ознакою яких є схильність до мартенситного перетворення під дією ТДЦЗ. Зварювання зразків здійснювалось автома-тич-ним електродуговим способом само-захисним порошковим дротом.

Моделювання оптимальних параметрів режимів зварювання виконувалось з урахуванням математичного планування дворівневого трифакторного експери-менту. Задача зниження рівня залишкових напружень вимагає детального вивчен-ня їх природи, що, у свою чергу, зумовлює потребу розроблення ефектив-ного методу для їх визначення. Напруження 1-го роду вимірювались методами меха-ніч-ної і магніто-пруж-ної тензометрії (приладами СММТ-3, МЕСТР-415) та методом сіток. Просторовий розподіл залишкових напружень визначався РЕМ, який був модифі-кований для випадку зварю-ван-ня циліндричних елементів зі сталей, схильних під дією ТДЦЗ до мартенситного перетворення.

Дослідження напруженого стану в мартенситних зернах, який істотно впли-ває на тріщиностійкість металу в ЗТДВ, проводилось на мікрошліфах способом вимі-рю-вання КЛ ТЕРС та мікротвердості.

Міцність ЦЕМК оцінювалась випробуванням на розтяг зразків та досліджен-ням тріщино-стійкості різних ділянок з’єднань при статичних та циклічних наванта-жен-нях. Статична тріщиностійкість оцінювали за величиною коефіцієнта інтенсив-нос-ті напружень (КІН) Кс, який отримували із експериментально побудованої діаграми “зусилля – розкриття берегів тріщини”. Циклічна тріщиностійкість оцінювалась за значеннями порогового (Kth) та критичного КІН (Kfc), що характеризують напружен-ня, при яких починається ріст тріщини із зародку та відбувається руйнування зразка, відповідно. Їх одержували з експериментально побудованої кінетичної діаграми втомного руйнування (КДВР), що являє собою залежність швидкості поширення тріщини від величини КІН. Випробовування виконувались на компактних прямокутних зразках з боковою тріщиною. Навантаження змінювались за синусоїдальним законом (коефіцієнт асиметрії циклу R= 0,38; max = 320-380 МПа).

У третьому розділі розроблено математичну модель для розрахунку залишкових зварювальних напружень в ЦЕМК із високоміцних сталей. У ній розвинуто РЕМ умовних пластичних деформацій, що базується на розв’язанні обернених задач механіки деформівних твердих тіл із власни-ми напруженнями та використанні експериментально отриманої інформації про компоненти тензора напружень.

Розглянуто замкнене зварне з'єднання двох циліндричних елементів, яке змодельовано тонкостінною циліндричною оболонкою (рис. 1).

Рис. 1. Розрахункова схема оболонки зі зварним швом

Положення довільної точки на серединній поверхні елемента товщиною стінки 2h і серединним радіусом R визначається координатами x, y, z, або , де – координата по товщині стінки оболонки, - кут повороту. Обо-лон-ка знаходиться під дією осьових і кільцевих залишкових напружень.

Ключове рівняння задачі з визначення функції прогину W циліндричних еле-мен-тів, згідно з гіпотезою Кірхгофа-Лява, за відсутності зовнішніх зусиль, має вигляд

, (1)

де ; ;

; - коефіцієнт Пуасона; .

Розв’язок цього рівняння дає вирази для визначення напружень у довільній точці оболонки. Для випадку поля деформації, що лінійно змінюється за товщиною стінки циліндричного елемента, вони мають вигляд

, , (2)

де Е – модуль Юнга; - величина максимальних пластичних деформацій;

; ;

, , - функції, що характеризують прогин і поле пластичних деформацій.

Співвідношення для обчислення напружень (2) виражаються через компоненти тензора деформацій . Для його визначення обирається певна підмножина допустимих розв’язків на основі аналізу відомих відповідних експериментальних та теоретичних даних.

Схильність високоміцних сталей до мартенситного перетворення під дією ТДЦЗ є одним із чинників, що впливають на характер поля умовних пластичних деформацій (рис. 2).

Рис. 2. Схема розподілу залишкової пластичної деформації у з’єднанні циліндрич-но-го елемен-ту: а0 – величина пластичних деформацій на осі шва; zm – відстань від осі шва до перерізу з найбільшими пластичними деформаціями; z0 – півширина зони пластичних деформацій

Обернену задачу щодо визначення поля деформацій зведено до знаходжен-ня таких значень параметрів , за яких різниця між розрахунковими та експериментальними значеннями певних характеристик напруженого стану у з’єднанні є мінімальною.

Розроблена математична модель дозволяє визначати компоненти напруженого стану в будь-якій точці стикового зварного з`єднання у ЦЕМК.

Для опису функції, що характеризує зміну деформацій вздовж твірної осі циліндричної оболонки, використано такі поліноми:

(3)

де ; ; ; ; ; ; ;

, , , - коефіцієнти, що залежать від параметрів z0 і zm.

Вплив основних чинників (параметрів ТДЦЗ, геометричних розмірів зєднання, особливостей структурних перетворень у ньому) на розподіл напружень відображено через параметри , , , , . Використовуючи універсальні математичні редактори типу Mathcad та спеціально розроблене програмне забезпечення, створено програмний комплекс для обчислення напружень в довільній точці зварного з'єднання циліндричних елементів із ВНС, із врахуванням характеристик поля пластичних деформацій. Промодельовано вплив вищеназваних параметрів на розподіли залишкових напружень у циліндричних елементах.

На прикладі циліндричного елемента радіусом R=150 мм з товщиною стінки h=8 мм із сталі 12ХГ2СМФ, що використовується для виготовлення труб для циліндричних елементів обсадних колон, досліджено вплив параметру, що визначає координату максимальних пластичних деформацій, на розподіл залиш-ко-вих напружень на внутрішній його поверхні (рис. 3).

Зміна параметру zм дає можливість істотно регулювати розташування максимальних напружень відносно осі зварного шва без значної зміни їх величини.

Напружений стан на внутрішній поверхні елемента є менш сприятливим, ніж

на зовнішній, оскільки розтягувальні кільцеві напруження тут в 1,2-1,4 рази вищі.

а) б)

Рис. 3. Графіки розподілу осьових (а) і кільцевих (б) напружень на внутрішній поверхні циліндричного елементу, при: zм: 9 мм – 1; 12 мм – 2; 20 мм – 3

Більш ефективне керування розподілом залишкових напружень може здійснюватись за рахунок параметрів z0 та zм, ефективно впливати на які можна геометричними розмірами швів і основними параметрами режиму зварювання.

Окрім рівня залишкових напружень, на міцність елементу впливає також неоднорідність механічних властивостей матеріалу. Мяким прошарком в досліджу-ва-них ЦЕМК є аустенітний шов (0,2 = 320-330 МПа). Під час деформування розтягуванням має місце взаємний вплив прошарку та більш міцного металу, що контактує з ним (0,2 =500-800 МПа). Внаслідок об’ємного напруженого стану, що при цьому виникає, зусилля, яке потрібне для деформування прошарку, зростає і, в результаті, має місце “контактне” зміцнення. Межа міцності елемента з м’яким прошарком визначається рівнянням:

, (4)

де – межа плинності металу прошарку у “вільному” стані; – віднос-на товщина прошарку; – усереднена ширина шва; 2h – товщина стінки елемента.

Проаналізовано вплив розмірів та властивостей мякого прошарку на міцнісні властивості з’єднання. Контактне зміцнення починає помітно проявлятися тільки за значень відносної товщини прошарку, менших за 1. Окрім віднос-ної товщини прошар-ку, на міцність зєднання також істотно впливають меха-ніч-ні властивості основ-ного металу та металу мякого прошарку, зокрема відно-шен-ня їх меж плинності – так званий “коефіцієнт неоднорідності механічних властивостей”.

Точність розрахунків за формулою (4) є недостатньою через те, що не береться до уваги зміцнення м’якого прошарку під час його пластичного деформу-ван-ня. Якщо зважати на нього, межу міцності елемента для розтягу можна розрахувати за такою формулою:

, (5)

де - коефіцієнт зміцнення м’якого прошарку; - межа тимчасової міцності металу прошарку в “вільному” стані; - коефіцієнт, що враховує зміцнення матеріалу прошарку при його пластичному деформуванні.

Ця формула може використовуватись для розрахунку межі міцності циліндричних елементів із аустенітним швом.

У четвертому розділі, на підставі аналізу потрійної рівноважної діаграми фазового стану системи Fe-Мn-С, вибрано хімічний склад шва (С= 0,3-0,38 %; Mn = 11-15 %). Такий високомарганцевистий аустеніт, при механічних властивостях: =300-320 МПа, 180-190 НВ, має достатню технологічну міцність (стійкість до утворення гарячих кристалізаційних тріщин) та високу здатність до релаксації напружень. Для одержання зварних швів розроблено самозахисний електродний дріт марки 40Г20, який містить у невеликих кількостях, окрім основних елементів, модифікатори (цирконій, бор), що сприяють підвищенню стійкості до утворення тріщин. Виробничі випробовування, виконані в ІЕЗ ім. Є.О. Патона, показали високі зварювально-технологічні властивості цього дроту.

За допомогою методу КЛ ТЕРС і вимірювання мікротвердості досліджувався вплив аустенітного високомарганцевистого шва на напружений стан в мартенситі, що утворюється в пришовній ділянці ЗТДВ (рис. 4).

Рис. 4. Графіки зміни КЛ ТЕРС мартенситних зерен, криві:

1 – феритно-перлітний шов; 2 – аустенітний шов

Точність вимірювання КЛ ТЕРС знаходилась в межах 0,02-0,03 мкВ/С. Дослідження виконувались на мікрошліфах, що виготовлялись із ЦЕМК з високо-міцної сталі 25ХГСА з різним складом та структурою зварних швів (аустенітна високомарганцева сталь, з вмістом 12% Mn та 0,4% C, і ферито-перлітна, з вмістом 0,2% С), отриманих на однаковому режимі зварювання.

Встановлено, що рівень залишкових напружень 2-го роду у мартенситі для випадку аустенітного шва є, в середньому, на 20% нижчим, ніж у разі ферито-бейнітного. Це явище зумовлене сильнішим впливом аустенітного шва на ступінь пружно-пластичного деформування мікроструктури аустеніту у ЗТДВ при високих темпера-турах, що сприяє зміщенню температур його перетворення у мартенсит до вищих значень. Як наслідок, відбувається певний самовідпуск мартенситу, результатом якого є зниження внутрішніх напружень у ньому. Заміри мікротвердості підтвердили результати, одержані з допомогою методу КЛ ТЕРС.

В роботі проаналізовано вплив розмірів м’якого прошарку, склад якого відповідає обраному зварному шву, на ефективність контактного зміцнення для досліджуваного діапазону ВНС, і побудовано номограму для визначення його критичної відносної товщини к, за якого межа міцності зєднання досягає рівня межі міцності основного металу (рис. 5).

На рисунку: криві 1, 2 обмежують діапазон значень коефіцієнту зміцнення основного металу , властивий для досліджуваних сталей; характерний параметр - - коефіцієнт неоднорідності механічних властивостей з’єднання. Алгоритм знаходження к показано стрілками.

Із номограми визначено діапазон значень відносної товщини мякого прошарку (к = 0,4-0,6), що при багатошаровому зварюванні циліндричних елементів з досліджуваних сталей забезпечує підвищення міцності з’єднань до рівня основного металу.

Рис. 5. Номограма для визначення к залежно від коефіцієнту механічної неоднорідності ; криві: 1 - ; 2 -

З допомогою методики математичного планування експерименту встановлено оптимальні параметри режиму багатошарового зварювання. Цільову функцію побудовано, виходячи з нормативної кількості мартенситу у пришовній ділянці. Геометричні розміри роз-робки крайок під зварювання були обрані з міркувань забез-пе-чення максимальної реалізації ефекту контактного зміцнення та мінімаль-ного значення коефіцієнта концентрації напружень. Кількість валиків визначається залежно від товщини металу. Аналітичне моделювання показало, що, при незмінності статичних навантажень розтягу, використання багатошарового зварювання, замість однопрохідного, для виконання з’єднань в ЦЕМК, сприяє зниженню теоретичного коефіцієнта концентрації напружень на 15-25 % за рахунок зменшення висоти підсилення і ширини шва.

Експериментальні дослідження напруженого стану і механічних властивостей виконувались на циліндричних елементах зі ВНС марок 14Х2ГМР, 14ХГ2САФД, 12ГН2МФАЮ. З використанням математичного апарату РЕМ і експериментальних даних про напружений стан, отриманих методами магнітопружної тензометрії і сіток, розраховано розподіл залишкових напружень за товщиною стінки у циліндричному елементі радіусом 150 мм з товщиною стінки 8 мм із сталі 12ХГ2СМФ (рис. 6).

а) б)

Рис. 6. Розподіл осьових (а) і кільцевих (б) напружень за товщиною стінки елемента для різних : 1 – 4 мм, 2 – 3 мм, 3 – 2 мм, 4 – 1 мм, 5 – 0 мм, 6 – -1 мм, 7 – -2 мм, 8 – -3 мм, 9 – -4 мм

Залишкові напруження у кільцевому напрямку на віддалі 7-11 мм від осі шва

досягають максимальних значень 112 МПа, що не перевищує величини 0,200,2 основного металу. Осьові напруження в середньому на 30 % менші, порівняно з кільцевими. Точкові вимірювання напружень тензометричним та магнітним методами з достатньою збіжністю підтвердили вірогідність отриманих результатів.

Дослідження механічних властивостей показали, що межі міцності і плинності з’єднання знаходяться на рівні 0,9-1,0 від відповідних характеристик основного металу. Результати випробовувань на тріщиностійкість за статичного навантаження різних ділянок з’єднання засвідчили, що коефіцієнт інтенсивності напружень KC для колошовної зони знаходиться в межах 90...95% від величини KC для основного металу.

В результаті випробовувань на циклічну тріщиностійкість побудовано кінетичні діаґрами втомного руйнування (КДВР) для основного металу і металу пришовної ділянки. На рис. 7 наведено КДВР для випробування зразків товщи-ною 6 мм із сталі марки 14Х2ГМР.

Рис. 7. Кінетична діаґрама втомного руйнування:

1 – основний метал; 2 – ЗТДВ

Встановлено, що пороговий КІН Kth, для ЗТДВ на 9,5% нижчий ніж у основного

металу (19 і 21 МПам1/2 відповідно), а критичні КІН Kfc – однакові ( 57 МПам1/2).

Впровадження запропонованих рекомендацій щодо зниження залишкових зварювальних напружень сприяє підвищенню величини КІН Kth і тим самим дозволяє збільшення допустимих напружень в елементах з гострими концентраторами, що не переростають у втомну тріщину при циклічному навантаженні. Зменшення КІН, викликане зниженням залишкових напружень, зумовлює підвищення кількості циклів до руйнування, тобто - подовження залишкового ресурсу.

За результатами дисертаційної роботи зроблені впровадження розроблених рекомендацій у проектування, виробництво і ремонт зварюванням циліндричних елементів: обсадних колон, валів та демпферів вантажних автомобілів та автобусів а також стиків трубопроводів. При цьому, за рахунок зниження рівня залишкових напружень, забезпечення однорідності механічних властивостей та одержання певних геометричних розмірів стикового шва, підвищується їх міцність та експлуатаційна надійність, зокрема - довговічність.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведено теоретичні та експериментальні результати досліджень щодо підвищення міцності циліндричних елементів машин та конструкцій з високоміцних низьколегованих сталей із властивостями: В = 800-1050 МПа, 0,2 =500-800 Мпа, = 15-20 %, при їх зварю-ван-ні без підігрівання та додаткового термічного оброблення, за рахунок зниження рівня залишкових напружень, забезпечення однорідності механічних властивостей та одержання певних геометричних розмірів з’єднання.

1. Встановлено, що існуючі методи забезпечення міцності переважно спрямовані на запобігання утворенню технологічних тріщин, але при цьому в недостатній мірі вирішується питання експлуатаційної надійності з’єднань, із-за наявності в них значних залишкових напружень та істотної неодно-рід-ності за механічними властивостями.

2. Удосконалено розрахунково-експериментальний метод визначення напружень у циліндричних елементах зі сталей, схильних до мартенситного перетворення, що досягнено розширенням множини функцій, які дозволили апроксимувати поля залишкових пластичних деформацій. Це дало можливість підвищити достовірність відтворення розподілу залишкових напружень за товщиною стінки елементів, з використанням даних про залишкові напруження на поверхні, отриманих експериментальними неруйнівними способами.

3. Проаналізовано вплив параметрів, що характеризують поле пластичних деформацій, на розподіл залишкових напружень у різних площинах циліндричних елементів із високоміцних сталей за наявності пластичного шва. Встановлено, що найефективніше керувати залишковими напруженнями можна розмірами зони пластичних деформацій і відстанню їх максимальних значень від осі шва, що досягається зміною його геометричних розмірів і параметрів режиму зварювання.

4. Встановлено, що міцність циліндричних елементів машин і конструкцій підвищується за рахунок формування аустенітного шва, що містить (11-15)% Мn та (0,3-0,38)% С, за якого досягається зменшення напружень 2-го роду у ЗТДВ на величину до 30% порівняно з іншими складами швів. Для отримання такого шва розроблений самозахисний порошковий дріт марки 40Г20.

5. Побудовано номограму для визначення відносної товщини м’якого прошарку, необхід-ної для досягнення рівноміцності в зєднаннях при розтязі циліндричних елементів. Для розробленого хімічного складу аустенітного шва вона знаходиться в діапазоні значень 0,4-0,6.

6. Встановлено, що за рахунок впровадження рекомендацій для виготовлення з’єднань, отримуються такі геометричні параметри шва, які зумовлюють зменшення теоретичного коефіцієнта концентрації напружень в середньому на 15-25% в порівнянні з існуючими.

7. Доведено теоретично та підтверджено експериментально, що у разі формування шва декількома проходами, при певних його розмірах, хімічному складі та режимах зварювання, досягається зниження максимальних залишкових напружень розтягу до рівня 15-20 % від межі плинності основного металу.

8. Рекомендації щодо підвищення міцності циліндричних елементів машин і конструкцій впроваджені у виробництво на підприємствах: ВАТ “Львівський завод гідромеханічних передач”, ВАТ “Інститут автобусо- і тролейбусобудування”, ЗАТ “Нафтогазбуд”, ДП “Західукргеологія”. Їх застосування дає змогу: досягти підвищення міцності і надійності демпферів та валів вантажних автомобілів і автобусів різних класів; підвищити достовірність відтворення результатів неруйнівного контролю залишкових напружень у трубопроводах; забезпечити прогнозовану експлуатаційну міцність при зварюванні елементів обсадних колон, що уможливлює отримання річного економічного ефекту в розмірі 22600 грн. Це підтверджено відповідними актами про впровадження.

Перелік основних публікацій за темою дисертації

1. Осадчук В.А., Палаш Р.В. Визначення залишкових напружень у тонких пластинах з прямолінійними швами // Вісник ДУ“ЛП” “Динаміка, міцність та проектування машин і приладів”. - Львів. – 2000. - № 396. - С. 91-95.

2. Дзюбик А.Р., Назар І.Б., палаш Р.В. Метод визначення залишкових напружень у зварних з’єднаннях коловим швом сталей, схильних до гартування // Машино-знав-ство. - Львів. – 2002. - № 4. - С. 33-36.

3. Осадчук В. А., Дзюбик А.Р., Палаш Р.В. Напруження у стикових зварних з’єднан-нях кільцевим швом труб, які схильні до гартування // Вісник НУ”ЛП” “Динаміка, міцність та проектування машин і приладів”. – Львів. - 2002. - №456. - С. 107-111.

4. Палаш Р.В. Підвищення надійності кільцевих з’єднань обсадних труб / Вісник НУ “ЛП” “Оптимізація виробничих процесів і технічний контроль у машинобудуванні і приладобудуванні”. – Львів. – 2003. - №480. - С. 114-118.

5. Палаш Р.В. Вплив величини зони пластичних деформацій на залишкові напруження в кільцевих швах обсадних труб // Вісник НУ “ЛП” “Динаміка, міцність та проектування машин і приладів”. – 2004. - № 509. - С. 99-104.

6. Палаш Р.В., Дзюбик А.Р. Дослідження особливостей напруженого стану нероз’ємних зєднань деталей із високоміцних сталей // Вісник Луганського національного університету ім. В. Даля. – Луганськ. - 2005. - № 11(93). - С. 144-147.

7. Палаш Р.В. Формування залишкового напруженого стану на внутрішній поверхні зварних циліндричних елементів конструкцій із високоміцних сталей // Науковий вісник Укр. ДЛТУ: збірник науково-технічних праць. – 2005. - № 15.2. - С. 58-63.

8. Палаш Р.В. Підвищення технологічної та експлуатаційної міцності зварних дета-лей машин з високоміцних сталей // Машинознавство. -Львів. –2004. -№ 8 - С. 52-55.

9. Кузьо І., Палаш Р. Розподіл залишкових напружень у стиковому зварному з’єд-нан-ні циліндричних деталей машин та елементів конструкцій із високоміцних ста-лей // Вісник Тернопільського державного технічного університету. – 2005. – Т. 10. - № 3. – С. 5-9.

10. Деклараційний патент на винахід № 68991 А, Україна, МПК G01L1/20, H01L35/28H01L35/30, H01L35/32, Спосіб визначення напружень в поверхневому шарі металевого виробу і пристрій для його реалізації, Кузьо І.В., Дзюбик А.Р., Палаш Р.В. (Україна) № 20031110619; Заявл. 25.11.2003; Опубл. 16.08.2004// Промислова власність –2004. - №8. – 3 с.

11. Деклараційний патент на корисну модель № 4992, Україна, МПК В23К9/00, Спосіб автоматичного електродугового зварювання обсадних труб, Палаш Р.В. (Україна) № 20040604506; Заявл. 09.06.2004; Опубл. 15.02.2005// Промислова власність. – 2005. - №2. – 2 с.

12. Деклараційний патент на корисну модель № 8135, Україна, МПК G01B5/30, G01L1/06, Спосіб визначення розмірів зони пластичних деформацій в зварному з’єднанні, Палаш В.М., Дзюбик А.Р., Палаш Р.В. (Україна) № u 2005 00679; Заявл. 25.01.2005; Опубл. 15.07.2005 // Промислова власність. – 2005. - № 7. – 1 с.

13. Палаш Р. Умови забезпечення експлуатаційної надійності деталей машин з високоміцних сталей при наявності в зварних з’єднаннях механічних неоднорідностей // Матеріали Міжнародної науково-практичної конференції "Дні науки - 2005". – Том 35 "Техніка". – Дніпропетровськ. – 2005. – С. 31-32.

14. Палаш Р.В. забезпечення міцності кільцевих з’єднань зварних деталей машин із термічно зміцнених сталей // Матеріали ІІІ Всеукраїнської науково-технічної конференції молодих учених і спеціалістів “Зварювання та суміжні технології”. – Київ. – 2005. - с. 36.

15. Кузьо И., Палаш Р. “Исследование остаточных напряжений в кольцевых соеди-не-ни-ях из высокопрочных сталей” // IY Международный конгресс “Маши-но-стро-итель-ные технологии”: Сборник докладов. – Варна. - 2004. - т.1. - С. 83-85.

16. Осадчук В., Палаш Р., Пороховський В. Розподіл залишкових напружень у зварних стикових з’єднаннях високоміцних сталей // Тези доповідей 5-го Міжнародного симпозіуму українських інженерів-механіків у Львові (МСУІМЛ-5). - Львів. - 2001. - С. 7.

17. Осадчук В., Палаш Р. Підвищення надійності зварних кільцевих з’єднань з високоміцних сталей // Тези доповідей 6-го Міжнародного симпозіуму українських інженерів-механіків у Львові (МСУІМЛ-6). – Львів. – 2003. - с. 126.

18. Осадчук В.А., Дзюбик А.Р., Палаш Р.В. Визначення залишкових напружень в зварних з’єднаннях кільцевим швом сталевих труб, схильних до гартування // Збірник тез стендових доповідей Міжнародної конференції “Сучасні проблеми зварювання і ресурсу конструкцій”. – Київ: ІЕЗ ім. Патона. – 2003. - с. 125.

19. Палаш Р.В. Підвищення надійності кільцевих зварних з’єднань обсадних труб із висо-ко--міцних сталей // Збірник тез ІІ Всеукраїнської науково-технічної конференції моло-дих учених і спеціалістів “Зварювання та суміжні технології”. – Київ. - 2003. -С. 17.

20. Палаш Р, Кузьо І. Підвищення міцності зварних деталей машин з високоміцних сталей // Тези доповідей 7-го Міжнародного симпозіуму україн-ських інженерів-механіків у Львові (МСУІМЛ-7). – Львів. – 2005. - с. 102-103.

анотації

Палаш Р.В. Підвищення міцності сталевих циліндричних елементів машин та конструкцій. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.02 - машинознавство. – Національний університет “Львівська політехніка”, Львів, 2005.

Розглянуто проблему наукового обґрунтування підвищення міцності циліндричних елементів машин та конструкцій з низьколегованих термічно зміцнених сталей при зварюванні без підігрівання. Досліджено шляхи зниження залишкових напружень, забезпечення рівноміцності з’єднання основному металу. Вивчено умови реалізації контактного зміцнення та встановлено розміри м’якого прошарку, що забезпечують рівно-міцність основному металу.

Удосконалено розрахунково-експериментальний метод визначення залишкових напружень для з’єднань у циліндричних елементах з високоміцних низьколегованих сталей та досліджено закономірності їх формування. Проведено експериментальні дослідження, що підтверджують теоретичні припущення.

Ключові слова: циліндричні елементи машин і конструкцій, міцність, залишкові напруження, розрахунково-експериментальний метод визначення напружень, аустенітний шов, м’який прошарок.

Палаш Р.В. Повышение прочности стальных цилиндрических элементов машин и конструкций. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.02.02. – машиноведение. – Национальный университет “Львивсь-ка политэхника”, Львов, 2005.

Рассмотрена проблема научного обоснования повышения прочности цилиндриче-ских элементов машин и конструкций из низколегированных термичес-ки упрочнённых сталей (В = 800-1050 МПа, 0,2 =500-800 Мпа, = 15-20 %) при электродуговой сварке без подогрева и дополнительной термической обработки.

На основании анализа условий работы элементов определены требования к их неразъёмным соединениям. Для снижения остаточных напряжений в соединениях элементов из сталей, склонных к закаливанию, предложено выполнять высоко-марган-цовистый аустенитный шов без использования подогрева и дополнительной термической обработки.

Усовершенствован расчётно-экспериментальный метод условных пластических деформаций, базирующийся на использовании обратных задач механики деформируе-мых тел и информации о напряжениях, получаемой неразрушающими способами их определения, для случая соединений цилиндрических элементов из сталей, склонных к закаливанию. Проанализировано влияние параметров, характеризующих поле пласти-ческих деформаций, на распределение остаточных напряжений в разных плоскостях цилиндрических элементов из высокопрочных низколегированных сталей при наличии пластичного шва. Установлено, что наиболее эффективно управлять остаточными напряжениями можно за счёт изменения параметров режима сварки, влияющих на размер зоны пластических деформаций и расстояние их максимума от оси шва.

Для обеспечения равнопрочности соединения основному металлу предложен химический состав сварного шва, его геометрические размеры и способ получения. При помощи метода контактной локальной термоэлектродвижущей силы и измерения микротвёрдости установлено влияние химического состава и структуры швов на уровень напряжённого состояния зёрен мартенсита в зоне термодеформационного влияния. Для исследуемого класса сталей построена номограм-ма для определения оптимальной относительной толщины мягкой прослойки при статическом растяжении.

Теоретически доказано и экспериментально подтверждено, что за счёт многопро-ходной сварки, определённых размеров и химического состава шва достигается снижение максимальных остаточных растягивающих напряжений до уровня 20% от предела текучести основного металла.

Проведено исследование трещиностойкости различных участков соединения цилиндрических элементов при статической и циклической нагрузках. Установлено, что при статической нагрузке величина коэффициента интенсивности напряжений для околошовной зоны составляет 90% от его величины для основного металла, а коэффициент интенсивности напряжений, характеризующий начало движения трещины при циклической нагрузке, для зоны термодеформационного влияния на 9,5% ниже соответствующего значения для основного металла.

Аналитическое моделирование показало, что при неизменности эксплуата-цион-ных статических нагрузок растяжения, использование для соединений цилиндричес-ких элементов многослойной сварки аустенитным швом, вместо однопроходной, способствует снижению теоретического коэффициента концентрации напряжений на 15-25%.

Результаты исследований защищены авторскими свидетельствами и внедрены в производство на ряде предприятий.

Ключевые слова: цилиндрические элементы машин и конструкций, прочность, остаточные напряжения, расчётно-экспериментальный метод определения напряжений, аустенитный шов, мягкая прослойка.

R. Palash The increase of durability of machines and constructions steel cylindrical elements. – Manuscript.

The dissertation on reception of Technical Sciences Candidate scientific degree on a speciality 05.02.02 – mechanical engineering.

The problem of scientific substantiation of durability increase of steel cylindrical elements of machines and constructions, made of low-alloy thermally solidified steels at welding without heating is considered. The ways of of technological cracks prevention decrease of residual stresses, maintenance of strength balance connections to the basic metal are investigated. Conditions of contact strengthening realization are investigated and the sizes of soft layer, which provide strength balance to the basic metal are established. The calculative-experimental method of residual stresses definition for ring connections of elements from low-alloy steels is improved and mechanisms of its formation are investigated. Experimental researches confirming theoretical assumptions are carried out.

Keywords: machines and constructions cylindrical elements, durability, residual stresses, calculative-experimental method of the stresses definition, austenitic weld, soft layer.