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

Abstract

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.