РОЗДІЛ 2
МЕТОДИКА ТЕОРЕТИЧНИХ ТА ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ
Методики, що використовувались в дисертаційній роботі, як експериментальні, так і розрахункові, спрямовані на одержання достовірних результатів досліджень, необхідних для досягнення мети шляхом вирішення певних конкретних завдань.
Об?єктом дослідження даної роботи є циліндричні елементи машин та конструкцій, що виготовляються з ВНС (?В = 800-1050 МПа, ?0,2 = 500-750 МПа, ? = 15-20%). Хоча такі елементи можуть істотно різнитися призначенням, умовами роботи та ґеометричними розмірами, спільним для них є наявність циліндричної частини у місці розташування зварного шва. Це дало можливість здійснювати більшість експериментів на зразках трубчастої форми.
В зв?язку з тим, що зварні з?єднання, як правило, є найслабшою ланкою конструктивних елементів, в тому числі і таких, що мають циліндричну форму, основна увага при проведенні досліджень приділялась саме їм.
Приймаючи до уваги той факт, що предметом дослідження в дисертації є міцність елементів машин та конструкцій, що виготовляються зварюванням без підігрівання та кінцевого термічного оброблення з легованих сталей, схильних під дією ТДЦЗ до аустенітно-мартенситного перетворення і, як наслідок, - до утворення холодних технологічних тріщин, велике значення має обґрунтування хімічного складу та властивостей аустенітних зварних швів, а також способу їх одержання. При виборі хімічного складу брались до уваги наступні фактори: висока здатність до релаксації напружень; низька схильність до утворення в зоні сплавлення різної природи крихких прошарків; недефіцитність; здатність до зміцнення під впливом пластичного деформування; висока технологічна міцність в умовах первинної кристалізації (стійкість до утворення гарячих тріщин).
Для підвищення міцності з'єднань циліндричних елементів машин і конструкцій до рівня основного металу необхідно зменшувати в них рівень залишкових напружень. У зв'язку з цим, велика увага зверталась на розробку та вдосконалення методики визначення їх розподілу як в об'ємі циліндричних елементів (напруження 1-го роду), так і в об'ємі окремих структурних складових, зокрема найнебезпечнішої з них - мартенситної (напруження 2-го роду).
Наявність в з'єднаннях пластичних аустенітних швів, що спричиняє виникнення суттєвої неоднорідності за механічними властивостями, зумовила необхідність детального дослідження її впливу на міцність циліндричних елементів.
Відомо [115, 116], що однією з найважливіших властивостей, яка визначає міцність зварних елементів, особливо в умовах складного напруженого стану, є їх стійкість до утворення та поширення тріщин. Зважаючи на це, в роботі досліджувалися параметри, що характеризують опір матеріалу елементів крихкому руйнуванню при статичному і циклічному навантаженнях, а саме - коефіцієнти інтенсивності напружень у різних ділянках зварного з'єднання.
2.1. Експериментальна установка
Зварювання циліндричних зразків з метою подальшого їх дослідження виконувалось електродуговим способом самозахисним дротом на спеціальній дослідній установці, блок-схема та зовнішній вигляд якої показані на рис. 2.1.
Вона складається з електричної (І) та механічної частин (ІІ), джерела живлення (випрямляч ВДГИ - 301), зварювального півавтомату ПДГИ-303 з закріпленим на кронштейні пальником і обертача та дозволяє здійснювати автоматичне зварювання кільцевих швів в горизонтальному та вертикальному положеннях зразків.
а)
б)
Рис. 2.1. Блок-схема (а) та загальний вид (б) установки для зварювання експериментальних зразків: 1- зразок трубчастої форми; 2- зварювальний пальник; 3 - подавальний механізм; 4 - джерело живлення; 5 - механізм для кріплення та повертання зразків; 6 - редуктор; 7 - двигун; 8 - регулятор швидкості обертання
Обертач забезпечує плавно-ступеневе регулювання швидкості обертання зразків шляхом підбору змінних пар шестерень, та величиною напруги, що подається на двигун обертача (частота обертання зразка знаходиться в межах - 0,1-10 об/хв.). Напівавтомат дозволяє плавно змінювати такі параметри режиму, як сила постійного струму оберненої полярності (100-300 А), напруга на дузі (20-40 В), швидкість подавання електродного дроту (змінними парами шестерень в межах 80-1000 м/год), довжина вильоту електродного дроту. На установці можна зварювати за один прохід тонкостінні зразки, а у випадку середніх та великих товщин - здійснювати його за декілька проходів.
Експерименти проводились на зразках трубчастої форми, що одержувались вирізанням механічним способом із циліндричних елементів з товщинами стінки в діапазоні 4-12 мм та зовнішніми діаметрами - 100-500 мм. Використовувались ЦЕМК із термічно зміцнених ВНС (?В = 800-1050 МПа, ?0,2 = 500-750 МПа, ? = 15-20%) мартенситно-бейнітного класу марок 14Х2ГМР, 14ХГ2САФД, 12ГН2МФАЮ, 12ХГ2СМФ, 14ХМВДФР (Табл. 2.1.).
Таблиця 2.1
Механічні властивості досліджуваних сталей
№,
з/пМарка сталі?B?Т? МПаМПа%114Х2ГМР90072016214ХГ2САФД85057020312ГН2МФАЮ88062019412ХГ2СМФ81559018514ХМВДФР95074015
Спільним для них є висока схильність до аустенітно-мартенситного перетворення під дією ТДЦЗ.
Вибір оптимального режиму зварювання виконувався згідно методики математичного планування експерименту [135].
Для одержання математичної моделі використовувалися дворівневі трифакторні експерименти, суть яких полягає у варіюванні факторів об'єкту досліджень за певним планом.
Факторами було обрано струм, напругу і швидкість зварювання. Кут розроблення крайок визначався із врахуванням бажаної усередненої відносної товщини шва. За параметр оптимізації була прийнята кількість мартенситу в структурі пришовної ділянки ЗТДВ. При цьому враховувалась обов?язковість отримання зварного з?єднання без таких зовнішніх та внутрішніх дефектів, як холодні та гарячі тріщини, непровари, підрізи, пористість. М