14552 (585498), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Для зниження рівня напружень, а також підвищення опору дисків до втомного руйнування в існуючих способах ремонту дисків [30,40] застосовують операції попереднього підігріву та кінцевої термічної обробки. Це є основними недоліками цих процесів, оскільки витрати на підігрів і термічну обробку складають близько 20% від загальної собівартості існуючих способів ремонту.
Враховуючи умови роботи та зношення дисків, а також основні недоліки існуючих способів їх ремонту, для розробки нового економічно-доцільного техпроцесу відновлення робочої поверхні за зовнішнім діаметром, необхідно вирішити три основні задачі: по-перше, геометричні параметри зварного з’єднання під час приварювання ремонтного кільця змоделювати так, що би поверхня з’єднання була розміщена зовні і не заважала руху насіння (рис.1.6а); по-друге, у робочій ділянці диска створити умови для релаксації напружень розтягу та виникнення напружень стиску, що забезпечить необхідну втомну міцність та стійкість диска проти зношення та уникнення при цьому операцій підігрівання та термічної обробки; по-третє, розробити такий хімічний склад сердечника порошкового зварювального дроту, який забезпечує утворення поверхні з’єднання із структурою, стійкою до зношення в абразивному середовищі без застосування енергоємних процесів зміцнення (напилення, наплавлення, тощо) (рис.1.6 б).
Рис.1.6 Шляхи підвищення довговічності дисків: а - розміщення з’єднання б - інтенсивність зношення наплавлених матеріалів в залежності від їх структури по відношенню до металу сталі Ст 3 із ферито-перлітною структурою [63]
Для зниження рівня залишкових напружень застосовують декілька методів. Савицьким О.М. 49 запропоновано метод керування формуванням структури металу ЗТВ шляхом термоциклювання, який дозволив зварювати сталі з вмістом вуглецю до 0,8% однотипними з основним металом дротами без підігріву і післязварювального відпуску. Однак цей метод має практичне застосування для зварювання металу товщиною більше 4. .6 мм, що дещо утруднює його використання для дисків. В роботі В.М. Сагалєвича [118] запропоновано метод, який поєднує попередню пластичну деформацію ділянки шва перед зварюванням з подальшим усадженням, що виконується за допомогою пресової операції. Метод зниження залишкових зварювальних напружень при виконанні колового шва розглянуто в роботі [121]. Пропонується застосування зварювання на підкладці, що нагрівається, із подальшим охолодженням. Оскільки метод супроводжується супутніми підігрівом та охолодженням, це дещо підвищує собівартість технологічного процесу ремонту дисків.
Широке практичне застосування отримав метод прокатування зони зварного з'єднання роликами 44. Внаслідок усадки шва відбувається рівномірне подовження металу шва і компенсація зварювальних деформацій скорочення деформаціями видовження. Під час прокатування роликами створюються напруження стиску, компенсуючи цим самим напруження розтягу. Відомо, що напруження стиску підвищують втомну міцність металу, його стійкість до абразивного спрацювання та утворення корозійних тріщин [149,150] (рис.1.6б). Окрім того під час пластичного деформування роликами відбувається ущільнення поверхневого шару металу, підвищення його чистоти та згладжування концентраторів напружень (надриви, тріщини, подряпини, тощо) 111. У зв’язку з цим, операція прокатування роликами робочої ділянки відремонтованого диска дасть змогу ефективно підвищити довговічність дисків сошників зернових сівалок при експлуатації в абразивно-корозійному середовищі [151] за рахунок створення в робочій ділянці напружень стиску.
Іншим способом зниження рівня залишкових напружень та деформацій, є використання зварювальних матеріалів, які забезпечують утворення в металі шва із структури аустеніту при кімнатній температурі. Це дозволяє виконувати зварювання сталі 65Г без попереднього підігріву та кінцевої термічної обробки [42,43,46], що в результаті істотно знижує собівартість технологічного процесу ремонту дисків. Позитивний вплив аустенітної структури можна пояснити насамперед її високою здатністю до пластичного деформування, що призводить до релаксації напружень, які утворюються при зварюванні сталі 65Г.
Аустенітну структуру, стабільну в усьому температурному інтервалі, мають високолеговані Cr-Ni та магранцевисті сталі 47. На відміну від марганцевистих, Cr-Ni сталі є досить дорогими. Також при високому вмісті хрому і вуглецю при зварюванні в ЗТВ утворюється крихкий прошарок, що складається із карбідів хрому 137. Вони різко знижують механічні властивості зварного з'єднання і зумовлюють виникнення технологічних та експлуатаційних тріщин. Окрім того при зварюванні матеріалами із високою концентрацією Cr і Ni досить важко отримати бездефектну структуру аустеніту.
Відомо [47], що при пластичному деформуванні аустенітні марганцевисті сталі зміцнюються дещо сильніше аустенітних Cr-Ni сталей. При пластичному деформуванні поверхневі шари марганцевистого аустенітного шва зміцнюються за рахунок утворення в металі структури мартенситу [123] і, згідно з 137, при цьому істотно підвищується твердість поверхні та опір абразивному зношенню. Це пояснюється схильністю такого сплаву до деформаційного зміцнення 47,123,124 в умовах поєднання абразивного зношення та динамічного навантаження, які можуть мати місце під час експлуатації диска в ґрунті. Зміцнення пластичним деформуванням аустенітної структури на основі високомарганцевистої сталі зумовлене утворенням мартенситу деформації, подрібненням зерен аустеніту а також їхнім пластичним деформуванням 126,127.
Результати досліджень впливу вмісту марганцю і вуглецю та їхнього співвідношення на властивості сплавів не є однозначними. Так, при вмісті вуглецю >0,4% підвищуються механічні характеристики та стабільність аустеніту [127]. З подальшим підвищенням вмісту вуглецю (при інших рівних умовах) [128], міцність і твердість сплаву підвищуються, а пластичні характеристики - ударна в'язкість, відносне видовження та звуження, різко знижуються. Окрім того, зміна концентрації марганцю в межах 9-15%, при постійному вмісті вуглецю, неістотно впливає на механічні властивості сплаву. Згідно [129], із збільшенням вмісту марганцю підвищуються зносостійкість та покращуються механічні властивості, а для поєднання високої пластичності та міцності рекомендується вміст в металі шва 10. .14% марганцю та 0,8. .1,2% вуглецю. За дослідженнями [130,131] в сплаві з 1,1%С з підвищенням концентрації марганцю >13% збільшується забрудненість карбідами, підвищується схильність до утворення гарячих тріщин. З іншої сторони, із зниженням вмісту марганцю в металі до 10% його властивість до зміцнення при малій пластичній деформації дещо підвищується [127]. Відповідно із підвищенням концентрації марганцю (>15. .17%) знижується схильність високомарганцевистої сталі до зміцнення.
Так як єдиного твердження про вплив концентрації вуглецю і марганцю на механічні та експлуатаційні характеристики високомарганцевистої сталі немає, Н.Г. Давидов 128 пропонує оцінку такого сплаву за співвідношенням Mn: C. Цей підхід також прийнято і в працях В.І. Власова, Є.Ф. Комолової [132], Н.І. Богачова та В.Ф. Єголаєва [127] та інших.
Деякі автори дотримуються думки, що у всіх випадках потрібно зберігати співвідношення Mn: С
10 для забезпечення високих показників ударної в'язкості, міцності та пластичності [132,134]. В роботі 135] стверджується, що зносостійкість та ударна в'язкість сталі не залежать від співвідношення Mn: С і, відповідно - це відношення не обов'язково повинно бути рівним чи більшим 10. Згідно [136], відношення Mn: С=7,5-8,5 в достатній мірі забезпечує чистоту сталі за карбідами і знижує її схильність до утворення тріщин. В дослідженнях [128] доведено, що із збільшенням відношення Mn: С у високомарганцевистому сплаві покращується його ударна в'язкість, підвищується холодостійкість та здатність до зміцнення.
Отже, як бачимо, в усіх випадках можна стверджувати, що оптимальні властивості залізо-маганцовистого сплаву одержуються у діапазоні вмістів С та Mn відповідно 0,5. .1,3% і 6. .15% та їхньому співвідношенні Mn: С 8.20. Ці параметри також визначають характер та рівень залишкового напружено-деформованого стану при зварюванні без попереднього підігріву та післязварювального відпуску деталей із сталі 65Г формуванням в металі шва структури аустеніту. Окрім того, регулюючи вміст С і Mn у металі зварного шва можна отримати необхідні його фізико-механічні властивості, що дасть змогу релаксувати напруженням.
Таким чином, вибір оптимального хімічного складу зварного шва на основі високомарганцовистої сталі вимагає додаткових досліджень, які враховують специфіку протікання металургійних та термодеформаційних процесів у реакційній зоні зварювання. Останні зумовлюють виникнення залишкових зварювальних напружень, які суттєво впливають на абразивно-корозійну зносостійкість металу [149-151], втомну міцність та тріщиностійкість [149,152] відремонтованого диска. У зв'язку з цим актуальною науково-технічною задачею є визначення розподілу та величини залишкового напружено-деформованого стану в околі колового зварного з'єднання відремонтованого диска.
1.5 Визначення залишкових напружень у диску
Для визначення залишкових зварювальних напружень характерним є застосування як розрахункових, так і експериментальних методів. Останні поділяються на такі, що передбачають руйнування конструкції, і неруйнівні.
До експериментальних руйнівних методів, перш за все, слід віднести механічні. Наприклад, після розвантаження певного об'єму тіла розрізанням його на частини ця рівновага зберігається, однак виникають пружні деформації. Вимірюючи ці деформації, можна обчислити залишкові напруження за формулами теорії пружності. Деформації, що характеризують залишкові напруження, вимірюють, зазвичай, електричними тензометрами або механічними деформометрами.
У працях 65,66 розвинуто ідею часткового розвантаження напруженого тіла висвердлюванням отворів між двома попередньо зазначеними мітками, які складають базу вимірювань.
Широко застосовуються для вимірювання залишкових напружень оптично активні давачі 67. Вони виготовляються із оптично активного матеріалу і наклеюються на напружений елемент, у якому висвердлюється отвір, який викликає локальну зміну поля напружень і відповідні деформації в поляризаційно-оптичному давачі 68.
Інтенсивно розвиваються дослідження з удосконалення методу голографічної інтерферометрії для визначення залишкових напружень на поверхнях зварних елементів конструкцій 46,69. Висока чутливість методу дає можливість вимірювати залишкові напруження в тілі при незначному пошкодженні його поверхні (отвори діаметром і глибиною 1 мм). Одним із недоліків методу є трудність утворення отворів у ділянках з високою твердістю.
Питання дослідження поздовжніх залишкових напружень розглянуто в роботі [70]. Зокрема, залишкові напруження у сталі, схильної до гартування, визначали за методом Калакуцького, який передбачає розрізання зразків та вимірюванням пружних деформацій [71,72].
Найширше застосування отримали такі неруйнівні методи дослідження і контролю напруженого стану, як рентгенівський, ультразвуковий, магнітопружної тензометрії та метод термоелектрорушійної сили.
Рентгенівський метод дослідження залишкових напружень ґрунтується на вимірюванні зміни відстані між кристалографічними площинами під дією напружень. Залишкові напруження цим методом можна визначити з невисокою точністю і тільки в тонкому поверхневому шарі. Окрім того рентгенівським способом в основному визначаються тільки пружні деформації. При вимірюванні напружень на ділянках із пластичними деформаціями виникають додаткові похибки.
Електромагнітні методи визначення залишкових напружень ґрунтуються на вивченні особливостей взаємодії зовнішнього електромагнітного поля з механічним полем об’єкта, що досліджується. Для оцінки напруженого стану феромагнетиків використовується залежність їх магнітних властивостей від напружень, а також корелятивний зв’язок між амплітудою вихрових струмів та рівнем напружень [68]. Відомим є метод магнітопружньої тензометрії 57.
Метод термоелектрорушійної сили [77] використовується для оцінки рівня залишкових напружень на поверхні зварних з'єднань. Він не має принципових обмежень з умов застосування і забезпечує достатню точність вимірювання напруженого стану в локальному об'ємі.
Достатньо точний та надійний є метод координатних сіток [52]. Суть його полягає в тому, що на поверхню, яка досліджується наносять систему точок, ліній чи інших міток, зміна взаємного місцезнаходження і конфігурації яких дозволяє визначити переміщення, деформації тощо. Так як метод є неруйнівним та не потребує застосування складних методик, його застосування для отримання експериментальної інформації про залишкові деформації та напруження є досить доцільне. При цьому інформація про напруження одержується в кількісному та якісному вигляді.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
