РОЗДІЛ 2
МАТЕРІАЛИ, ЗРАЗКИ ТА МЕТОДИКИ ДЛЯ ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ ПОЛІВ ЗАЛИШКОВИХ НАПРУЖЕНЬ, КІНЕТИКИ ВТОМНОГО РУЙНУВАННЯ ТА ЕФЕКТИВНОСТІ ГАЛЬМУВАННЯ ВТОМНИХ ТРІЩИН
2.1. Вибір матеріалу та зразків для експериментальних досліджень
Експериментальні дослідження циклічної тріщиностійкості, що пов'язані з розробкою методу експериментально - розрахункової оцінки циклічної довговічності, та відповідні розрахунки довговічності за цим методом проводились на зразках із широковживаних конструкційних матеріалів - сталі Ст3сп та алюмінієвого сплаву Д16АТ. Взаємодія залишкових напружень в зонах зварних з'єднань під впливом циклічного навантаження на стадіях зародження та розвитку втомного руйнування досліджувалась на зразках з матеріалів, найбільш розповсюджених у зварювальному виробництві: низьковуглецева сталь Ст3сп та низьколегована сталь 15ХСНД. В дослідженні ефективності деяких способів зниження та перерозподілу залишкових напружень в зварних елементах, а також впливу на поля залишкових напружень зміцнюючих обробок використовувались зразки із сталей Ст3сп, 09Г2С, 10ХСНД, 15ХСНД. В експериментах з уточнення методики неруйнівного вимірювання залишкових напружень використовувались також зразки із низьколегованої сталі 17Г1С. Вибір матеріалів зумовлений тим, що в даній роботі не розглядався вплив зміни властивостей матеріалу навколошовної зони внаслідок термічного циклу зварювання на процеси, що досліджувались. У випадку саме таких матеріалів, як відомо, зміна механічних властивостей металу навколошовної зони, що є місцем зародження тріщини втоми, не впливає суттєво на опір втомному руйнуванню зварних з'єднань.
Вибір матеріалів зумовлений також тим, що використання даних марок сталей регламентується нормативними документами в мостобудуванні, машинобудівній, авіабудівній та інших галузях народного господарства в конструкціях, що перебувають під дією циклічного навантаження.
Форма та розміри зразків мали імітувати як форму зварних з'єднань так і залишкові напруження зварних виробів.
Механічні властивості досліджуваних матеріалів представлені в таблиці 2.1. Схеми та характеристики зразків, які використовувались наведені в таблиці 2.2.
За циклічного навантаження розтягом використовувались пласкі зразки з наплавками та без них. Концентраторами слугували циліндричний отвір з надрізами або бокові циліндричні викружки Теоретичний коефіцієнт концентрації напружень при цьому визначався за Нейбером [82].
В дослідженнях за циклічного стиску використовувались пласкі зразки розміром 230х160х14 мм. Такі розміри виключали можливість втрати стійкості за навантаження стиском.
Після виготовлення зразки піддавались термообробці за режимом високого відпуску для зняття залишкових напружень, зумовлених їх виготовленням.
Таблиця 2.1
Механічні властивості матеріалів.
№Марка
МатеріалуТовщина
листа В, мм?Т,
МПа?в,
МПа?,
%?,
%1Ст3сп1425944835,037,2215ХСНД3037053125,058,03Д16АТ325647115,8-410ХСНД2840550419-5В Ст3сп1429647636,760,06Ст39,525647128,167,0709Г2С1232750334,065,6817Г1С837052020-
Таблиця 2.2
Схеми та характеристики зразків.
№Марка матеріалу.Товщина листа, ммСхема та розміри зразкаХарактеристика зразка1Ст3сп
09Г2С9,5
12Дугове зварювання встик на автоматі.215ХСНД30Наплавки валика на бокову грань; концентратор ??=2,48.310ХСНД28Наплавка з розривом.410ХСНД28Кутовий шов.
Продовження табл. 2.2№Марка матеріаліу.Товщина листа, ммСхема та розміри зразкаХарактеристика зразка5В Ст3сп14Штучний концентратор та початкова тріщина довжиною 2lо.6Ст3сп14Без наплавок, концентратор ??=2,48717Г1С8Без наплавок, концентратор ??=2,48Д16АТ3Штучний концентратор та початкова тріщина довжиною 2lо.
2.2. Методика досліджень на втому та обладнання для циклічного навантаження зразків
Основним методом виявлення впливу різних способів обробок зварних з'єднань на циклічну міцність є експериментальне випробовування. Дослідженнями, виконаними в Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона, беззаперечно доведено, що такі випробовування повинні враховувати особливості зварних з'єднань та їх вплив на працездатність при циклічному навантаженні. Тому в наших дослідженнях, як уже зазначалось, використовувались відносно великогабаритні зразки, що могли імітувати як форму зварних з'єднань, так і залишкові напруження на рівні, що має місце в реальних умовах. Зразки зварювались кожен окремо. В таких зразках після їх зварювання мали місце високі залишкові напруження. Великогабаритні зразки випробовувались на універсальній гідравлічній машині ЦДМ-200ПУ з частотою навантаження 5Гц. Зразки із алюмінієвого сплаву випробовувались на гідравлічній машині УРС-20. Випробування проводились за осьового навантаження. Фома циклів навантаження за всіх циклічних випробуваннях була синусоїдною. Випробування на стиск здійснювались також на гідравлічному пресі ПСУ-50. Параметри навантаження встановлювались та контролювались силовимірювальними пристроями, якими обладнані машини, та тензодатчиками опору, що наклеювались на зразки. Для випробування на витривалість зразки навантажувались до повного руйнування, за виключенням тих, що витримали 2·106 циклів. Для дослідження кінетики залишкових напружень та їх взаємодії випробовувальна машина періодично зупинялась. Залишкові напруження досліджувались на зразках, що знаходились на машині. Зразки звільнялись із захватів, коли необхідно було їх додатково обробити.
2.3. Методика ультразвукової ударної обробки зварних з'єднань та відповідне устаткування
З метою підвищення опору втомі і гальмування процесу зародження втомного руйнування ультразвуковій обробці найчастіше піддається поверхня зони переходу зварювального шва до основного металу. Ефект зміцнення зварного з'єднання та підвищення його циклічної довговічності досягається за рахунок зменшення концентрації напружень, деформаційного зміцнення поверхневого шару металу, а також зміни