Влияние виброобработки на сопротивление усталости и демпфирующую способность конструктивных элементов с остаточными напряжениями

В работе на основе комплексной диаграммы предельных напряжений цикла предложен метод выбора неповреждающих режимов виброобработки элементов металлоконструкций с целью эффективного снижения в них остаточных напряжений без опасности усталостного повреждения на стадии технологической обработки. Данный...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2017
Автор:	Дегтярев, В.А.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2017
Назва видання:	Автоматическая сварка
Теми:	Производственный раздел
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/148043
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Влияние виброобработки на сопротивление усталости и демпфирующую способность конструктивных элементов с остаточными напряжениями / В.А. Дегтярев // Автоматическая сварка. — 2017. — № 2 (761). — С. 41-48. — Бібліогр.: 25 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-148043
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1480432019-02-17T01:26:37Z Влияние виброобработки на сопротивление усталости и демпфирующую способность конструктивных элементов с остаточными напряжениями Дегтярев, В.А. Производственный раздел В работе на основе комплексной диаграммы предельных напряжений цикла предложен метод выбора неповреждающих режимов виброобработки элементов металлоконструкций с целью эффективного снижения в них остаточных напряжений без опасности усталостного повреждения на стадии технологической обработки. Данный метод апробирован на примере испытаний конструктивных элементов из стали 20 и концевого пятника из стали 20ГФЛ соединительной балки восьмиосной железнодорожной цистерны. Сравнительные усталостные испытания показали увеличение долговечности обработанных сварных образцов в 2,5 раза и повышение их предела выносливости на 40 %. В процессе виброобработки кольцевого элемента из стали Ст.3 уменьшение остаточных напряжений сопровождается увеличением его демпфирующей способности. С ростом максимальных напряжений цикла повышение декремента колебаний происходит на большую величину, а его стабилизация по времени совпадает со стабилизацией остаточного напряжения. Это позволяет судить об окончании процесса по изменению и последующей стабилизации декремента колебаний. Установленное уменьшение демпфирующей способности исследуемого образца после виброобработки свидетельствует о его деформационном старении, указывающем на пластическое деформирование в ходе обработки. С повышением амплитуды напряжений цикла уменьшается деформация образца при последующем после виброобработки вылеживании до 1500 ч, а снижение исходных остаточных напряжений растяжения до 0,51 предела текучести материала приводит к его геометрической стабильности. У роботі на основі комплексної діаграми граничних напружень циклу запропоновано метод вибору непошкоджуючих режимів віброобробки елементів металоконструкцій з метою ефективного зниження в них залишкової напруженості без небезпеки руйнування від втоми на стадії технологічної обробки. Даний метод перевірено на прикладі випробувань конструктивних елементів зі сталі 20 та кінцевого п’ятника зі сталі 20ГФЛ з’єднуючої балки восьмиосної залізничної цистерни. Порівняльні випробування втоми показали збільшення довговічності оброблених зварних зразків в 2,5 рази і підвищення їх межі витривалості на 40 %. В процесі віброобробки кільцевого елемента зі сталі Ст.3 зменшення залишкових напружень супроводжується збільшенням його демпфувальної здатності. З ростом максимальних напружень циклу підвищення декремента коливань відбувається на значну величину, а його стабілізація за часом збігається із стабілізацією залишкового напруження. Це дозволить судити про закінчення процесу зміни та подальшої стабілізації декремента коливань. Встановлене зменшення демпфувальної здатності досліджуваного зразка після віброобробки свідчить про його деформаційне старіння, що вказує на пластичне деформування в ході обробки. З підвищенням амплітуди напружень циклу зменшується деформація зразка при подальшому після віброобробки вилежуванні до 1500 год, а зниження вихідних залишкових напружень розтягування до 0,51 межі текучості матеріалу призводить до його геометричної стабільності. A work, based on a complex diagram of cycle limit stresses, proposes a method for selection of vibrotreatment undamaging modes for the elements of metal structures in order to gain effective decrease of their residual stresses without a risk of fatigue damage during technological treatment. This method was approved by the example of testing of the structural elements of steel 20 and end pivot of steel 20GFL of span bolster of eight-axis rail tank car. Comparative fatigue tests showed 2.5 times increase of fatigue life of treated welded specimens and rise of their endurance limit by 40 %. In process of vibrotreatment of a circular element of steel St.3, decrease of residual stresses is accompanied by rise of its damping capacity. Growth of maximum cycle stresses promotes for increase of vibration decrement to larger value and its stabilizing in time matches with residual stress stabilizing. This allows assessing completion of a process of change and further stabilizing of the vibration decrement. Determined decrease of damping capability of the investigated sample after vibrotreatment indicates its strain aging, showing plastic strain during treatment. Rise of cycle stress amplitude reduces sample deformation after vibrotreatment at further aging to 1500 h and decrease of initial residual tensile stresses to 0.51 of yield limit of the material results in its geometry stability. 2017 Article Влияние виброобработки на сопротивление усталости и демпфирующую способность конструктивных элементов с остаточными напряжениями / В.А. Дегтярев // Автоматическая сварка. — 2017. — № 2 (761). — С. 41-48. — Бібліогр.: 25 назв. — рос. 0005-111X DOI: https://doi.org/10.15407/tpwj2017.02.08 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/148043 620.178.3.62 ru Автоматическая сварка Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Производственный раздел Производственный раздел
spellingShingle	Производственный раздел Производственный раздел Дегтярев, В.А. Влияние виброобработки на сопротивление усталости и демпфирующую способность конструктивных элементов с остаточными напряжениями Автоматическая сварка
description	В работе на основе комплексной диаграммы предельных напряжений цикла предложен метод выбора неповреждающих режимов виброобработки элементов металлоконструкций с целью эффективного снижения в них остаточных напряжений без опасности усталостного повреждения на стадии технологической обработки. Данный метод апробирован на примере испытаний конструктивных элементов из стали 20 и концевого пятника из стали 20ГФЛ соединительной балки восьмиосной железнодорожной цистерны. Сравнительные усталостные испытания показали увеличение долговечности обработанных сварных образцов в 2,5 раза и повышение их предела выносливости на 40 %. В процессе виброобработки кольцевого элемента из стали Ст.3 уменьшение остаточных напряжений сопровождается увеличением его демпфирующей способности. С ростом максимальных напряжений цикла повышение декремента колебаний происходит на большую величину, а его стабилизация по времени совпадает со стабилизацией остаточного напряжения. Это позволяет судить об окончании процесса по изменению и последующей стабилизации декремента колебаний. Установленное уменьшение демпфирующей способности исследуемого образца после виброобработки свидетельствует о его деформационном старении, указывающем на пластическое деформирование в ходе обработки. С повышением амплитуды напряжений цикла уменьшается деформация образца при последующем после виброобработки вылеживании до 1500 ч, а снижение исходных остаточных напряжений растяжения до 0,51 предела текучести материала приводит к его геометрической стабильности.
format	Article
author	Дегтярев, В.А.
author_facet	Дегтярев, В.А.
author_sort	Дегтярев, В.А.
title	Влияние виброобработки на сопротивление усталости и демпфирующую способность конструктивных элементов с остаточными напряжениями
title_short	Влияние виброобработки на сопротивление усталости и демпфирующую способность конструктивных элементов с остаточными напряжениями
title_full	Влияние виброобработки на сопротивление усталости и демпфирующую способность конструктивных элементов с остаточными напряжениями
title_fullStr	Влияние виброобработки на сопротивление усталости и демпфирующую способность конструктивных элементов с остаточными напряжениями
title_full_unstemmed	Влияние виброобработки на сопротивление усталости и демпфирующую способность конструктивных элементов с остаточными напряжениями
title_sort	влияние виброобработки на сопротивление усталости и демпфирующую способность конструктивных элементов с остаточными напряжениями
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate	2017
topic_facet	Производственный раздел
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/148043
citation_txt	Влияние виброобработки на сопротивление усталости и демпфирующую способность конструктивных элементов с остаточными напряжениями / В.А. Дегтярев // Автоматическая сварка. — 2017. — № 2 (761). — С. 41-48. — Бібліогр.: 25 назв. — рос.
series	Автоматическая сварка
work_keys_str_mv	AT degtârevva vliânievibroobrabotkinasoprotivlenieustalostiidempfiruûŝuûsposobnostʹkonstruktivnyhélementovsostatočnyminaprâženiâmi
first_indexed	2025-07-11T03:30:06Z
last_indexed	2025-07-11T03:30:06Z
_version_	1837319713815789568
fulltext	Р С Р 4 1 С С Р У К 20.178. . 2 ВЛИ НИЕ ВИБ ООБ АБОТКИ НА СОП ОТИВЛЕНИЕ УСТАЛОСТИ И ЕМП И УЮ УЮ СПОСОБНОСТ КОНСТ УКТИВН ЭЛЕМЕНТОВ С ОСТАТОЧН МИ НАП ЕНИ МИ В. А. ДЕГТЯРЕВ Институт проблем прочности им. . С. Писаренко НАН Украины. 01014, г. Киев-14, ул. Тимирязевская, 2. - . . В работе на основе комплексной диаграммы предельных напряжений цикла предложен метод выбора неповреждающих режимов виброобработки элементов металлоконструкций с целью эффективного снижения в них остаточных напря- жений без опасности усталостного повреждения на стадии технологической обработки. анный метод апробирован на примере испытаний конструктивных элементов из стали 20 и концевого пятника из стали 20 Л соединительной балки восьмиосной железнодорожной цистерны. Сравнительные усталостные испытания показали увеличение дол- говечности обработанных сварных образцов в 2,5 раза и повышение их предела выносливости на 40 . В процессе виброобработки кольцевого элемента из стали Ст. уменьшение остаточных напряжений сопровождается увеличением его демпфирующей способности. С ростом максимальных напряжений цикла повышение декремента колебаний про- исходит на большую величину, а его стабилизация по времени совпадает со стабилизацией остаточного напряжения. Это позволяет судить об окончании процесса по изменению и последующей стабилизации декремента колебаний. Установленное уменьшение демпфирующей способности исследуемого образца после виброобработки свидетельствует о его деформационном старении, указывающем на пластическое деформирование в ходе обработки. С повышением амплитуды напряжений цикла уменьшается деформация образца при последующем после виброобработки вылеживании до 1500 ч, а снижение исходных остаточных напряжений растяжения до 0,51 предела текучести материала приводит к его геометрической стабильности. Библиогр. 25, табл. 2, рис. 7. К л ч е в е с л о в а виб ооб аботка сва ное соединение остаточн е на ени едел в носливости а ли- туда на ений икла едел иклической ол учести дек е ент колебаний елесообразность и эффективность экологически чистого технологического процесса виброобра- ботки (ВО) сварных и литых деталей для снижения в них остаточных напряжений (ОН) растяжения, которые могут уменьшить срок службы изделия 1, 2 , или изменить его форму , характеризу- ющегося низкими энергозатратами, подтвержден мировым и отечественным опытом 4, 5 . Произ- водительность метода (продолжительность обра- ботки занимает не более 40 мин) заключается в том, что, подвергая циклическому нагружению в целом всю конструкцию, ОН снижаются в ее эле- ментах, обладающих разной жесткостью, за один технологический цикл. Однако недостаток ВО в том, что величина пе- ременных напряжений, создаваемых механически- ми вибраторами, подбирается опытным путем. Это может привести к тому, что амплитуда напряжений окажется либо недостаточной для требуемого сни- жения ОН, либо настолько большой, что может при- вести к возникновению усталостных повреждений уже на технологической стадии обработки . На- ряду с косвенными способами контроля процесса ВО, в частности, по изменению тока, потребляемого вибратором 7, 8 , смещению резонансных пиков по шкале частот 9 , используется способ контроля по изменению амплитудно-частотной характеристики (АЧ ) 10 , заключающийся в том, что к концу ВО одновременно уменьшается ширина резонансного пика и увеличивается амплитуда колебаний. Это яв- ление указывает на уменьшение рассеиваемой энер- гии в обрабатываемом изделии. Подтверждением тому имеются литературные данные 11 виброобра- ботки половинок сварной станины машины посто- янного тока массой 7000 кг каждая, которые показа- ли снижение декремента колебаний с 12, до 9 . екремент определялся по ширине резонанс- ных пиков, записанных до и после ВО 12 . Од- нако известно, что снижение ОН в материа- ле конструкции происходит только в результате пластической деформации 1 , наличие которой должно приводить к увеличению рассеяния энер- гии в материале 12 . вное противоречие в на- правленности изменения декремента колебаний материала с наблюдаемым на практике декре- ментом колебаний изделия может быть объясне- но тем, что в располагаемых на полу обрабаты- ваемых изделиях наряду с рассеянием энергии в материале имеет место также конструкционное рассеяние энергии, изменение которого главным образом и отражается на АЧ . анное предполо- В. А. егтярев, 2017 Р С Р 4 2 С С Р жение подтверждают, во-первых, большие полу- чаемые абсолютные значения при ВО образца, имитирующего конструкцию чугунной станины металлорежущих станков (8, ) 14 , и оболоч- ки из титанового сплава с приваренными ребра- ми жесткости, а также стального вала (4,0 и ,5 соответственно) 15 . Во-вторых, само изменение декремента колебаний изделия в процессе ВО, на- пример, станины машины постоянного тока , , а также двух сварных корпусов координатно-изме- рительных машин 11 4,2 и 2,8 соответствен- но, в несколько раз превышает абсолютное зна- чение декремента колебаний материала, который при напряжении, свойственном ВО, в условиях комнатной температуры для углеродистых ста- лей составляет 0,2 1,0 , для титановых сплавов 0,05 0,15 , для чугунов 2 5 1 . Таким образом, существующее до настояще- го времени противоречие в направленности изме- нения декремента колебаний материала с наблю- даемым в промышленных условиях, указывает прежде всего на необоснованность контроля про- цесса ВО по критерию, основанному на опреде- лении интегральной харатеристики рассеяния энергии в конструкции, изменение которого в про- цессе ВО, во-первых, не связано непосредственно с изменением остаточных напряжений, во-вторых, многократно превышает рассеяние энергии в ма- териале. Поскольку изменения ОН происходят в материале обрабатываемого изделия, то этот про- цесс следует оценивать по изменению рассеяния энергии в материале. В связи с этим цель настоящей работы состо- ит в оптимизации метода ВО элементов метал- локонструкций и оценке ее влияния на их сопро- тивление усталости и установление взаимосвязи изменения рассеяния энергии в обрабатываемом элементе с кинетикой остаточных напряжений. Объекты исследования, испытательное обо- рудование. Исследования оптимизации мето- да ВО проводились как в лабораторных услови- ях на образцах из стали 20 ( в 440 МПа, т = 290 МПа) размером 100 400 420 мм с прива- ренным вдоль длинной стороны образца ребром, так и в производственных условиях. Привар- ка ребра полуавтоматическим способом в среде углекислого газа при погружении образца на по- ловину толщины в воду позволила создать высо- кие остаточные напряжения растяжения, величи- ну и знак которых в направлении, совпадающем с направлением приложения нагрузки, определя- ли магнитошумовым методом, основанным на ис- пользовании эффекта Баркгаузена 17 . Эпюра ОН показала, что на границе перехода шва к основно- му металлу они максимальны и составили в сред- нем 220 МПа, т. е. 0,7 т, а на расстоянии 12 мм уже равны нулю и далее переходят в сжимающие. В дальнейшем при анализе кинетики ОН исполь- зовалось значение максимального остаточного на- пряжения растяжения è îñò σ . В производственных условиях ВО подвергались балки коробчатого се- чения (далее балки) размером 190 170 2000 мм и зоны приварки концевых пятников к элемен- там соединительной балки восьмиосной желез- нодорожной цистерны из стали 09 2С. Пятники сложной конфигурации изготовлены электрошла- ковым литьем из стали 20 Л ( в 740 МПа, т 590 МПа), а балки — сваркой из листовой стали 20 толщиной 20 мм. Необходимость про- ведения ВО концевого пятника объясняется его частым усталостным разрушением в процессе эксплуатации. ВО металлоконструкций осуществлялась как посредством электромеханического вибратора ИВ107 путем создания переменных напряжений на резонансных или околорезонансных частотах, так и пульсатором М-200пу в режиме вынуж- денных колебаний, позволяющем проводить ис- пытания при любой асимметрии цикла. Ампли- туда напряжений измерялась тензометрическим методом. Испытания образцов на усталость при изгибе проводились на установке СО-2 18 при задан- ном коэффициенте асимметрии цикла напряжений R в условиях гармонического нагружения с часто- той 20 ц. Амплитуда напряжений измерялась тензометрическим методом. ля исследований изменения рассеяния энер- гии в материале были выбраны образцы, выре- занные из трубы стали Ст. диаметром 275 мм, толщиной 8 мм в состоянии поставки. Механиче- ские характеристики при растяжении цилиндри- ческих образцов, вырезанных из стенки трубы в тангенциальном направлении, составили 0,2 = 2 5 МПа, в 450 МПа. Кольцевой образец ши- риной 115 мм с разрезом закреплялся в верхней своей части в узле колебаний посредством струб- цины, которая в свою очередь подвешивалась на струнах. Благодаря такой схеме закрепления ис- ключена возможность конструкционного демп- фирования. В установке реализуется резонансный принцип возбуждения изгибных колебаний образ- ца посредством электромагнитов, закрепленных на его торцах. иклические напряжения создава- лись за счет периодического сближения и удале- ния концов образца и рассчитывались по дефор- мации тензорезистора, наклеенного в области действия максимального изгибающего момента. ля создания ОН на наружной поверхности по окружности посередине образца выполнялась на- плавка, а внутренняя его поверхность охлажда- лась проточной водой. Оценка величины и зна- Р С Р 4 3 С С Р ка ОН в околошовной зоне, действующих вдоль наплавки, проводили магнитошумовым методом 17 . Значения è îñò σ на расстоянии 2 мм от наплав- ки составляли в среднем 200 МПа, т. е. 0,85 0,2, а на расстоянии 8 мм — 50 МПа. екремент коле- баний определялся методом записи виброграммы свободных затухающих колебаний образца 19 с использованием для этой цели указанного тензо- резистора. Ввиду того, что при нанесении наплав- ки существовала опасность повреждения датчика, определение дублировалось еще одним спосо- бом. ля измерения размаха колебаний образца использовалась промышленная телевизионная установка ПТУ- 1. ля увеличения точности из- мерений телевизионная камера через специальный переходник подсоединялась к микроскопу МБС-1, закрепленному на корпусе испытательной установ- ки. ля измерения количества циклов колебаний об- разца, соответствующих половинному затуханию их размаха, использовался частотомер. екремент коле- баний определялся при амплитуде напряжений цик- ла а 7 МПа. Минимальная а при ВО составляла 15, максимальная 0 МПа. Анализ результатов исследований. Оптими- зация метода ВО заключалась в выборе неповре- ждающих режимов нагружения металлоконструк- ций с целью снижения в них ОН без опасности возникновения усталостного повреждения. Он ос- нован на использовании комплексной диаграммы предельных напряжений цикла ( ПН ) (рис. 1). По полученным пределам выносливости R об- разцов с приваренным ребром из стали 20 на базе 2 10 циклов нагружений при R 0 и 0,7 опреде- лялась линия предельных напряжений 1, которая ограничена пределом выносливости при симме- тричном цикле нагружения (на рис. не показано) и пределом прочности в. Линии 2, 3 соответству- ют экспериментально определенным пределам циклической ползучести ц.п.R 20 стали 20 при растяжении и изгибе, полученным при R 0,7 и 0,85, т. е. максимальным напряжениям, под дей- ствием которых на заданной базе испытаний в режиме циклической ползучести достигается за- данное значение остаточной деформации пл. В данном случае пл 0,2 . Они ограничены пре- делом ползучести при статическом нагружении (допускается т) и пределом выносливости, на- званным минимальным пределом циклической ползучести ц.п. Поскольку испытания образцов проводилась при изгибе, то для назначения на- пряжений от внешней нагрузки вн использовал- ся участок ПН , полученный также в этих усло- виях. Перед началом ВО исходное максимальное остаточное напряжение è îñò σ , изменяющееся в каждом образце в пределах 210 220 МПа, от- кладывалось на диаграмме (т. А). Напряжение от внешней нагрузки, которое необходимо прило- жить к образцу, определяется из условия ц.п.R вн è îñò σ R, где R, ц.п.R — напряжения, соответствующие точкам пересечения действия циклических напря- жений с линиями предельных напряжений 1 и 3 соответственно. Условие вн è îñò σ R обеспечи- вает отсутствие усталостных повреждений после ВО, а ц.п.R вн è îñò σ — эффективное сниже- ние ОН. Согласно методике вн следует рассчитать так, чтобы максимальные напряжения находились ниже линии 1, но выше линии 3, что обеспечит отсутствие усталостных повреждений, но эффек- тивное снижения ОН. Если бы è îñò σ было больше среднего напряжения, соответствующего ц.п, то для снижения ОН достаточно приложить симме- тричную циклическую нагрузку. Поскольку в дан- ном случае такого не наблюдается, то для снижения ОН необходимо приложить асимметричную нагруз- ку, оставаясь в безопасной области нагружения. При значении è îñò σ 215 МПа рассчитывались параме- тры внешней нагрузки (их значения представлены на рис. и в табл. 1). Продолжительность ВО со- ставляла 105 циклов нагружения. В течение этого времени режимы нагружения поддерживались по- стоянными. Видно, что после ВО снижение про- изошло более, чем на 40 (на рис. затемненный квадрат) и оно составило в среднем 0,45 т стали 20 (т. В). ля оценки влияния низких ОН были проведе- ны сравнительные усталостные испытания. Анализ полученных результатов при нулевом цикле нагру- жения в условиях комнатной температуры (рис. 2) свидетельствует об увеличении долговечности ви- брообработанных образцов во всем диапазоне при- ложения напряжений (кривая 2). ля сравнения на ис. 1. иаграмма предельных напряжений сварного соеди- нения стали 20 (1), линии пределов циклической ползучести материала при растяжении (2) и изгибе (3), суммарные напря- жения в исходном состоянии (4) и после 105 циклов нагруже- ний (5) Р С Р 4 4 С С Р рисунке приведена кривая усталости 1 образцов с высокими ОН, полученная в исходном состоянии. Видно, что с понижением нагрузки их действие проявляется в большей мере, вследствие чего кри- вые усталости расходятся. Например, при сниже- нии напряжений от 180 МПа до напряжения на уровне предела выносливости, равного 100 МПа, долговечность виброобработанных образцов уве- личивается от 1,5 до 2,7 раза. При этом предел выносливости, определенный на базе 5 10 ци- клов нагружений, повысился на 40 . ВО балок и пятников проводилась посредством электромеха- нического вибратора ИВ107 на околорезонансной частоте продолжительностью примерно 20 мин, что соответствовало 105 циклам нагружений. О снижении остаточных напряжений до ê îñò σ судили по изменению тока, потребляемого вибратором. Амплитуды напряжений определялись исходя из приведенного выше условия, а значения ц.п.R при пл 0,2 . езультаты испытаний приведены в табл. 1. Анализ результатов показал, что при мак- симально достигнутой амплитуде напряжений а технология ВО позволила снизить исходные ОН на 20 22 , которые составили, в среднем, 0, 5 т соответствующей стали. В некоторых балках ОН были таковы, что для их снижения требовалась амплитуда напряжений, превосходящая линию 1 (см. рис. 1). В этих случаях использовалось асим- метричное циклическое нагружение пульсатором М-200пу в режиме вынужденных колебаний с частотой 10 ц. Асимметричное нагружение позволяет значительно расширить возможности ВО за счет увеличения напряжений от внешней нагрузки, значения которых приведены в табл. 1, оставляя их в безопасной области. Видно, что обработка в этом случае снизила исходные ОН в среднем на 2 , которые составили 0,5 т. В каче- стве сравнения отметим, что значения ОН в бал- ках и пятниках после термообработки составили в среднем 0, 5 т. Таким образом, проведенные испытания пока- зали, что для увеличения долговечности и сопро- тивления усталости неответственных конструк- ций ВО вполне может конкурировать с отжигом, особенно если учесть высокую стоимость и продолжительность технологического цикла последнего. При ВО исследовалось также влияние ампли- туды напряжений цикла и времени на изменение ОН в кольцевых образцах и их декремента коле- баний. Конструкция образца и схема его нагруже- ния позволили определять не только изменение декремента колебаний в материале, но и его гео- метрическую стабильность. Эпюры распределе- ния ОН по ширине образца через разное количе- ство циклов нагружения показали, что наиболее интенсивно уменьшаются максимальные ОН, а на расстоянии мм от шва, где исходные ОН равны примерно 0,5 0,2, их изменение не наблюдалось. езультаты относительного изменения декремен- та и максимального ОН приведены на рис. , где и и è îñò σ декремент колебаний и остаточное на- пряжение в исходном состоянии, а , ост — их те- Т а б л и ц а 1 . Результаты снижения максимальных остаточных напряжений растяжения в зависимости от вида ис- пользуемого оборудования при ВО Объекты исследований Оборудование Значения напряжений при неповреждающих режимах обработки для снижения ОН в сварных конструкциях, МПа è îñò σ R ц.п.R вн ê îñò σ ê è îñò îñò σ σ , амплитуда статистическое Балка Вибратор 245 290 275 40 0 285 190 78 Пульсатор 2 0 2 0 200 175 0 0 20 15 2 5 2 5 2 5 2 5 20 22 28 24 70 70 88 109 20 22 1 08 155 150 145 120 7 5 72 9 Пятник Вибратор 480 5 0 515 5 0 515 85 80 Образец СО-2 215 4 0 405 15 190 420 125 58 Балка Термообработка 240 - - - - - 100 42 Пятник Термообработка 480 - - - - - 210 44 ис. 2. Кривые усталости сварного соединения в исходном состоянии (1) и после ВО (2) (R 0) Р С Р 4 5 С С Р кущие значения в процессе ВО. Значения и при а 7 МПа и è îñò σ для каждого испытуемого об- разца приведены в табл. 2. Полученные результаты свидетельствует о том, что при циклическом нагружении образцов про- исходит одновременное уменьшение ОН и уве- личение декремента колебаний, что может быть следствием пластического деформирования мате- риала 12 . О том, что в образцах протекает пла- стическая деформация свидетельствуют данные об относительном изменении декремента коле- баний к с течением времени после ВОобраз- цов при разных максимальных напряжениях цик- ла (рис. 4), где — текущее значение декремента, к — конечное значение декремента по заверше- нии ВО (определен по кривым, приведенным на рис. ). Представленные графики (рис. 4) показы- вают, что с течением времени во всех образцах де- кремент колебаний уменьшается, что свидетель- ствует о протекании в материале образцов после ВО процесса деформационного старения, кото- рый возникает только в результате пластического деформирования материала 21 . Чем на большую величину увеличивался декремент при ВО, тем большее его снижение наблюдалось во времени. Через 1000...1500 ч, в зависимости от максималь- ных напряжений цикла, его значение практически стабилизировалось. Известно влияние статических напряжений на декремент колебаний образцов 1 . Можно ожи- дать аналогичного влияния остаточных напряже- ний. Чтобы оценить изменение декремента только за счет уменьшения остаточных напряжений, вос- пользовались литературными данными 22 , где показано, что в образцах из низкоуглеродистой стали изменение статической составляющей от 150 до 100 МПа при амплитуде изгибных напря- жений 0 МПа приводит к относительному уве- личению декремента колебаний примерно на . езультаты испытаний образцов из стали 45 2 вообще не показали изменения декремента при сни- жении статического напряжения от 250 до 150 МПа. При такой же амплитуде напряжений относитель- ис. . Зависимость относительного изменения декремента колебаний (а) и максимального остаточного напряжения (б) от времени ВО при разных максимальных напряжениях цикла 1 — 185 МПа ( а 15 МПа) 2 — 205 МПа (15 МПа) 3 — 2 0 МПа (50 МПа) 4 — 2 5 МПа ( 0 МПа) 5 — 2 5 МПа ( 0 МПа) ис. 4. Относительное изменение декремента колебаний с те- чением времени после ВО образцов при разных максималь- ных напряжениях цикла 1 — 185 МПа ( а 15 МПа) 2 — 205 МПа (15 МПа) 3 — 2 0 МПа (50 МПа) 4 — 2 5 МПа ( 0 МПа) Т а б л и ц а 2 . Исходные значения декремента колебаний материала и максимального остаточного напряжения растяжения Номер образца è îñò σ , МПа и, 1 170 0,107 2 180 0,112 190 0,12 4 205 0,111 5 205 0,1 Р С Р 4 6 С С Р ное увеличение кольцевого образца в конце ВО со- ставило 1,22, т. е. 22 (см. рис. ). Очевидно, что главной причиной изменения декремента колебаний материала кольцевых образцов явилось их пласти- ческое деформирование при циклическом нагруже- нии. Измерения ОН в образцах через разное время после ВО не показали их изменения. По мере уве- личения максимальных напряжений цикла, равных = è îñò σ , увеличение декремента колеба- ний и снижение ОН проявляется в большей степе- ни (см.рис. ). Наиболее интенсивное уменьшение ОН и увеличение наблюдается в течение 5...10 мин, что соответствует (9,4 18,8) 10 циклов на- гружения. Причем чем меньше максимальное на- пряжение, тем за меньшее время наступают в об- разце стабилизацинные процессы. альнейшее увеличение времени ВО практически не влияет на ОН и . Анализ литературных данных 24 так- же подтверждает полученный результат о влиянии количества циклов нагружения при ВО на сниже- ние ОН. Заслуживает внимания также тот факт, что стабилизация декремента колебаний и ОН по количеству циклов практически совпадает. Сле- довательно, по изменению и последующей ста- билизации можно судить о процессе снижения и последующей стабилизации ОН в обрабатыва- емом изделии, а следовательно, и о времени, не- обходимом для его ВО. Поскольку, согласно дан- ным рисунка, при амплитудах напряжений от 15 МПа и выше имеет место изменение и последую- щая стабилизация процессов, происходящих в ма- териале образца, то, видимо, только по характеру изменения , не располагая его численным значе- нием, нельзя судить об эффективности ВО с точ- ки зрения количественного снижения остаточных напряжений. Количественная связь относительного измене- ния декремента колебаний и ОН, определенных после 20 мин ВО образцов при разной амплиту- де напряжений, приведена на рис. 5, где конеч- ные значения декремента колебаний и ОН опре- делены по данным рис. . Несмотря на то, что максимальные напряжения цикла при ВО боль- шинства образцов были меньше предела текуче- сти, наблюдалось снижение ОН. ВО при наиболее интенсивном в эксперименте режиме нагружения ( а 0 МПа) привела к относительному увели- чению декремента колебаний на 22 и снизила исходные ОН (205 МПа) на 2 . В абсолютном значении уменьшению исходных ОН на 5 МПа соответствует увеличение декремента колебаний материала к – и всего на 0,024 . Наличие такого графика может быть полезным при нахож- дении оптимального режима ВО. Полученные экспериментальные результаты показали, что при таком малом значении декремента колебаний ма- териала, а тем более при еще меньшем его изме- нении в процессе снижении ОН в материале, оце- нивать эффективность ВО по критерию общего рассеяния энергии в конструкции, если не будет учитываться конструкционное рассеяние энергии, невозможно. Чтобы оценить эффективность ВО были про- ведены наблюдения за относительным изменени- ем декремента колебаний и ОН в образце через разное время после создания продольной наплав- ки при условии, что ВО образец не подвергался. Анализ результатов, приведенных на рис. , по- казал, что до 150 ч также, как и в образцах, под- вергавшихся ВО, увеличивается, а ОН уменьша- ются. Причем момент стабилизации исследуемых характеристик по времени совпадает. Затем в ре- зультате процесса деформационного старения де- кремент колебаний уменьшается практически до исходной величины, а ОН остается неизменным. Уменьшение свидетельствует о том, что даже при отсутствии ВО только за счет действия высо- кого ОН в образце протекает пластическая дефор- мация, что приводит к снижению исходного ОН. Сравнивая экспериментальные данные на рис. и , можно отметить, что, несмотря на одинако- вый характер изменения декремента колебаний и ОН, стабилизационный процесс при естественном старении наступает через более длительный срок (в данном случае через 150 ч). Из этого следует важный практический вывод о том, что ВО значи- тельно ускоряет (в 450 раз) процесс снижения ОН в сварных конструкциях. Поэтому в более ранних работах 25 термин «виброобработка» употре- блялся как «вибростарение». Поскольку задачей ВО, в том числе, является предотвращение коробления элементов конструк- ис. 5. Зависимость относительного изменения декремента колебаний к от относительного изменения остаточного на- пряжения ê îñò σ , определенного в конце ВО при разных режи- мах циклического нагружения Р С Р 4 7 С С Р ций при хранении или эксплуатации, то в данной работе также исследовалось влияние амплиту- ды напряжений на изменение линейного размера кольцевого образца, который выражался в измене- нии зазора между его свободными концами как в течение ВО, так и после нее. Полученные ре- зультаты показали, что преимущественное умень- шение зазора происходит в течение 7,5 10 циклов нагружения и после 15 10 циклов нагружения он не изменяется независимо от величины (на рис. не показано). Также можно отметить, что по мере увеличения прикладываемой амплитуды вели- чина последующего после ВО коробления образца уменьшается, а при 0 МПа изменения зазора в процессе вылеживания образца в течение 1500 ч не наблюдалось. Оценку изменения относитель- ного зазора в кольцевых образцах от относитель- ного изменения ОН, определенных через 1500 ч после ВО, дает зависимость, представленная на рис. 7. Большей величине снижения остаточных напряжений соответствует меньшее изменение зазора после ВО. Установлено, что при снижении исходного ОН на 2 , что соответствует 0,51 0,2 исследуемого материала, изменения зазора в об- разце не наблюдалось. езультаты испытаний по- казали, до какого уровня в данном случае следует снижать ОН, чтобы добиться геометрической ста- бильности исследуемого элемента. Выводы 1. На основе комплексной диаграммы предельных напряжений цикла разработан и эксперименталь- но апробирован метод выбора неповреждающих режимов виброобработки сварных элементов ме- таллоконструкций, обеспечивающих эффектив- ное снижение в них остаточных напряжений и по- вышение пределов выносливости. 2. Установлено, что уменьшение при виброоб- работке остаточных напряжений приводит к уве- личению демпфирующей способности материа- ла изделия. С ростом максимальных напряжений цикла повышение декремента колебаний проис- ходит на большую величину, а его стабилизация и стабилизация остаточного напряжения по вре- мени совпадают. Это позволяет судить об оконча- нии процесса по началу стабилизации декремента колебаний. . Уменьшение декремента колебаний после ВО свидетельствует о протекании в материале процесса деформационного старения, указываю- щего на пластическое деформирование образцов при виброобработке, в результате чего происходит снижение остаточных напряжений. 4. Виброобработка также обеспечивает гео- метрическую стабильность сварных элементов. Установлено, что снижение исходных максималь- ных остаточных напряжений растяжения до 0,51 предела текучести материала приводит к геоме- трической стабилизации кольцевого образца. 1. Аснис А. Е., Иващенко . А. Повышение прочности свар- ных конструкций. – К Наукова думка, 1978. – 19 с. 2. Кудрявцев И. В., Наумченков Н. Е. Усталость сварных конструкций. – М. Машиностроение, 197 . – 271 с. . пеер . З., Панов В. И. Вибрационная обработка свар- ных крупногабаритных конструкций с целью уменьше- ис. . Зависимость относительного изменения декремен- та колебаний и максимального ОН от времени в образце, не подвергавшемся ВО ис. 7. Зависимость изменения относительного зазора в коль- цевых образцах от относительного изменения ОН, опреде- ленных через 1500 ч вылеживания после виброобработки при разной амплитуде напряжений цикла ( а 15, 15, 0, 50, 0 МПа). R — радиус кольцевого элемента Р С Р 4 8 С С Р ния деформации и склонности к образованию трещин Сварочное производство. – 198 . – 5. – С. 1 –15. 4. Эффективность методов снижения остаточных свароч- ных напряжений А. . Недосека и др. Автоматическая сварка. – 1974. – . – С. – 9. 5. . . . – 1978. – . 50, 1 . – . 100–10 . . Зимницкий Ю. А., валынский В. Н. Эксперименталь- ная проверка влияния низкочастотной виброобработки на эксплуатационную надежность корпусных конструк- ций Судостроение. – 2004. – 1. – С. 50–52. 7. Сутырин . В. Снижение остаточных напряжений в свар- ных соединениях низкочастотной вибрационной обработ- кой Сварочное производство. – 198 . – 2. – . 22–2 . 8. Зубченко О. И., рузд А. А., Орехов . Т. Применение ви- брационного нагружения для снятия остаточных напря- жений в сварных рамах Автоматическая сварка. – 1974. – 9. – С. 4– . 9. аляш А. А., Козин М. Ю., Коломеец Н. П. Применение низкочастотной вибрационной обработки для стабилиза- ции размеров сварных и литых изделий машиностроения Тяжелое машиностроение. –1992. – 8. – С. 0– 2. 10. Пат. С А 22404. Способ и устройство для снятия напряжений в детали путем вибрации Л. Томпсон. – Опубл. 2 .11.1971. 11. рыга А. И. Вибростабилизирующая обработка крупно- габаритных корпусных деталей электрических машин и гидрогенераторов Тяжелое машиностроение. – 1992. – 8. – С. 2 –25. 12. Писаренко . С., ковлев А. П., Матвеев В. В. Вибропо- глощающие свойства конструкционных материалов. – К. Наукова думка, 1971. – 75 с. 1 . яхин В. А., Мошкарев . Н. олговечность и устойчи- вость сварных конструкций строительных и дорожных машин. – М Машиностроение, 1984. – 2 0 с. 14. Адоян . А., Алдошин Ю. С., ерчиков А. М. Виброста- рение чугунных деталей металлорежущих станков Ли- тейное производство. – 1979. – 11. – С. 24–25. 15. аляш А. А., Васильченко К. И., Чернецов . П. Опре- деление частоты нагружения при низкочастотной вибро- обработке сварных конструкций Сварочное производ- ство. – 1992. – 8. – С. 5– . 1 . Матвеев В. В. емпфирование колебаний деформируе- мых тел. – К Наукова думка, 1985. – 2 4 с. 17. ришаков С. В., Ковалев А. И. Использование эффек- та Баркгаузена для оценки напряжений и повреждений в ферромагнитных материалах АН УСС . – Институт проблем прочности. – Препринт. – Киев, 1988. – 48 с. 18. егтярев В. А. Установки типа СО для испытаний на усталость при повторном ударном нагружении с различ- ной асимметрией цикла Проблемы прочности. – 1982. – 10. – С. 110–11 . 19. ковлев А. П. иссипативные свойства неоднородных материалов и систем. – К Наукова думка, 1985. – 248 с. 20. егтярев В. А. Влияние коэффициента асимметрии цик- ла напряжений на усталость и циклическую ползучесть низколегированных сталей. Сообщ. 2 Проблемы проч- ности. – 1991. – 2. – С. 27– 1. 21. Влияние упрочнения и охрупчивания на рассеяние энер- гии при деформационном старении корпусных сталей для АЭС А. А. Астафьев и др. Там же. – 1977. – 10. – С. 94–102. 22. Писаренко . С., ильчевский В. В., ончаров Т. И. Ис- следование рассеяния энергии в материале при изгибных колебаниях в поле статических нормальных напряжений ассеяние энергии при колебаниях упругих систем. – К. Наукова думка, 19 8. – С. 27 –281. 2 . Писаренко . С. ассеяние энергии при механических ко- лебаниях. – К. Изд-во АН Украинской СС , 19 2. – 4 с. 24. Снижение виброобработкой остаточных напряжений в сварных элементах Е. П. Оленин и др. Сварочное про- изводство. – 198 . – 5. – С. 11–1 . 25. агульскис К. М., Стульпинас Б. Б., Толутис К. Б. Вибра- ционное старение. Сер. Вибрационная техника. – Л. Ма- шиностроение, 1987. – Вып. 9. – 8 с. В. О. егтярьов нститут проблем м цност м. . С. Писаренка НАН Укра ни. 01014, м. Ки в-14, вул. Тим ряз вська, 2. - . . ВПЛИВ В Б ООБ ОБКИ НА ОП ВТОМ ТА ЕМП УВАЛ НУ З АТН СТ КОНСТ УКТИВНИ ЕЛЕМЕНТ В З ЗАЛИ КОВИМИ НАП У ЕНН МИ У робот на основ комплексно д аграми граничних напру- жень циклу запропоновано метод вибору непошкоджуючих режим в в брообробки елемент в металоконструкц й з ме- тою ефективного зниження в них залишково напруженост без небезпеки руйнування в д втоми на стад технолог чно обробки. аний метод перев рено на приклад випробувань конструктивних елемент в з стал 20 та к нцевого п ятника з стал 20 Л з днуючо балки восьмиосно зал знично цистерни. Пор вняльн випробування втоми показали зб ль- шення довгов чност оброблених зварних зразк в в 2,5 рази п двищення х меж витривалост на 40 . В процес в броо- бробки к льцевого елемента з стал Ст. зменшення залишко- вих напружень супроводжу ться зб льшенням його демпфу- вально здатност . З ростом максимальних напружень циклу п двищення декремента коливань в дбува ться на значну ве- личину, а його стаб л зац я за часом зб га ться з стаб л за- ц ю залишкового напруження. е дозволить судити про за- к нчення процесу зм ни та подальшо стаб л зац декремента коливань. Встановлене зменшення демпфувально здатност досл джуваного зразка п сля в брообробки св дчить про його деформац йне стар ння, що вказу на пластичне деформу- вання в ход обробки. З п двищенням ампл туди напружень циклу зменшу ться деформац я зразка при подальшому п сля в брообробки вилежуванн до 1500 год, а зниження вих дних залишкових напружень розтягування до 0,51 меж текучост матер алу призводить до його геометрично стаб льност . Б - бл огр. 25, табл. 2, рис. 7. Кл чов слова в брообробка, зварне з днання, залишков напруження, межа витривалост , ампл туда напружень циклу, межа цикл чно повзучост , декремент коливань Поступила в редакцию 07.12.201

Влияние виброобработки на сопротивление усталости и демпфирующую способность конструктивных элементов с остаточными напряжениями

Репозитарії

Схожі ресурси