Повышение сопротивления усталости и коррозионной стойкости сварных соединений ультразвуковой ударной обработкой и электроискровым легированием

Для увеличения ресурса сварных конструкций с помощью ультразвуковой ударной обработки (УЗУО) создано новое портативное оборудование с использованием цифровой регулировки электрических параметров ультразвукового генератора с выходной мощностью до 650 Вт и частотой около 27 кГц. Испытания на усталость...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2014
Автори:	Прокопенко, Г.И., Мордюк, Б.Н., Кныш, В.В., Соловей, С.А., Попова, Т.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2014
Назва видання:	Техническая диагностика и неразрушающий контроль
Теми:	Научно-технический раздел
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/103588
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:	Повышение сопротивления усталости и коррозионной стойкости сварных соединений ультразвуковой ударной обработкой и электроискровым легированием / Г.И. Прокопенко, Б.Н. Мордюк, В.В. Кныш, С.А. Соловей, Т.В. Попова // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2014. — № 3. — С. 34-40. — Бібліогр.: 20 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-103588
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1035882025-02-09T15:42:30Z Повышение сопротивления усталости и коррозионной стойкости сварных соединений ультразвуковой ударной обработкой и электроискровым легированием Improvement of fatigue and corrosion resistance of welded joints by ultrasonic peening treatment and spark alloying Прокопенко, Г.И. Мордюк, Б.Н. Кныш, В.В. Соловей, С.А. Попова, Т.В. Научно-технический раздел Для увеличения ресурса сварных конструкций с помощью ультразвуковой ударной обработки (УЗУО) создано новое портативное оборудование с использованием цифровой регулировки электрических параметров ультразвукового генератора с выходной мощностью до 650 Вт и частотой около 27 кГц. Испытания на усталость образцов низколегированных конструкционных сталей показали существенное увеличение циклической долговечности после УЗУО сварных швов. Данная обработка снижает также коррозию соединений за счет образования в поверхностном слое мелкозернистой структуры и сжимающих напряжений. Предложен метод дополнительного увеличения долговечности сварных соединений при испытаниях в 3%-ном водном растворе NaCl, заключающийся в последовательном использовании УЗУО и электроискрового легирования зоны шва хромом. To increase the operation life of welded structures by ultrasonic impact treatment (UIT) new portable equipment was created. This equipment is supplied with 27 kHz ultrasonic generator of 650 W power output with digitally adjusted electrical parameters. Fatigue tests of samples of a number of low alloyed structural steels showed a significant increase in cyclic durability of welded seams after the UIT process. This treatment also reduced the corrosive degradation of welded joints due to ultrafine-grained structure and compressive residual stresses formed in the surface layer. A method for additional increase in durability of welded joints tested in a 3% NaCl aqueous solution was suggested. It consisted of the successive UIT process and electric spark alloying of seam area with chromium. 2014 Article Повышение сопротивления усталости и коррозионной стойкости сварных соединений ультразвуковой ударной обработкой и электроискровым легированием / Г.И. Прокопенко, Б.Н. Мордюк, В.В. Кныш, С.А. Соловей, Т.В. Попова // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2014. — № 3. — С. 34-40. — Бібліогр.: 20 назв. — рос. 0235-3474 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/103588 621.789:621.9.048:539.431:620.193 ru Техническая диагностика и неразрушающий контроль application/pdf 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	Научно-технический раздел Научно-технический раздел
spellingShingle	Научно-технический раздел Научно-технический раздел Прокопенко, Г.И. Мордюк, Б.Н. Кныш, В.В. Соловей, С.А. Попова, Т.В. Повышение сопротивления усталости и коррозионной стойкости сварных соединений ультразвуковой ударной обработкой и электроискровым легированием Техническая диагностика и неразрушающий контроль
description	Для увеличения ресурса сварных конструкций с помощью ультразвуковой ударной обработки (УЗУО) создано новое портативное оборудование с использованием цифровой регулировки электрических параметров ультразвукового генератора с выходной мощностью до 650 Вт и частотой около 27 кГц. Испытания на усталость образцов низколегированных конструкционных сталей показали существенное увеличение циклической долговечности после УЗУО сварных швов. Данная обработка снижает также коррозию соединений за счет образования в поверхностном слое мелкозернистой структуры и сжимающих напряжений. Предложен метод дополнительного увеличения долговечности сварных соединений при испытаниях в 3%-ном водном растворе NaCl, заключающийся в последовательном использовании УЗУО и электроискрового легирования зоны шва хромом.
format	Article
author	Прокопенко, Г.И. Мордюк, Б.Н. Кныш, В.В. Соловей, С.А. Попова, Т.В.
author_facet	Прокопенко, Г.И. Мордюк, Б.Н. Кныш, В.В. Соловей, С.А. Попова, Т.В.
author_sort	Прокопенко, Г.И.
title	Повышение сопротивления усталости и коррозионной стойкости сварных соединений ультразвуковой ударной обработкой и электроискровым легированием
title_short	Повышение сопротивления усталости и коррозионной стойкости сварных соединений ультразвуковой ударной обработкой и электроискровым легированием
title_full	Повышение сопротивления усталости и коррозионной стойкости сварных соединений ультразвуковой ударной обработкой и электроискровым легированием
title_fullStr	Повышение сопротивления усталости и коррозионной стойкости сварных соединений ультразвуковой ударной обработкой и электроискровым легированием
title_full_unstemmed	Повышение сопротивления усталости и коррозионной стойкости сварных соединений ультразвуковой ударной обработкой и электроискровым легированием
title_sort	повышение сопротивления усталости и коррозионной стойкости сварных соединений ультразвуковой ударной обработкой и электроискровым легированием
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate	2014
topic_facet	Научно-технический раздел
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/103588
citation_txt	Повышение сопротивления усталости и коррозионной стойкости сварных соединений ультразвуковой ударной обработкой и электроискровым легированием / Г.И. Прокопенко, Б.Н. Мордюк, В.В. Кныш, С.А. Соловей, Т.В. Попова // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2014. — № 3. — С. 34-40. — Бібліогр.: 20 назв. — рос.
series	Техническая диагностика и неразрушающий контроль
work_keys_str_mv	AT prokopenkogi povyšeniesoprotivleniâustalostiikorrozionnojstojkostisvarnyhsoedinenijulʹtrazvukovojudarnojobrabotkojiélektroiskrovymlegirovaniem AT mordûkbn povyšeniesoprotivleniâustalostiikorrozionnojstojkostisvarnyhsoedinenijulʹtrazvukovojudarnojobrabotkojiélektroiskrovymlegirovaniem AT knyšvv povyšeniesoprotivleniâustalostiikorrozionnojstojkostisvarnyhsoedinenijulʹtrazvukovojudarnojobrabotkojiélektroiskrovymlegirovaniem AT solovejsa povyšeniesoprotivleniâustalostiikorrozionnojstojkostisvarnyhsoedinenijulʹtrazvukovojudarnojobrabotkojiélektroiskrovymlegirovaniem AT popovatv povyšeniesoprotivleniâustalostiikorrozionnojstojkostisvarnyhsoedinenijulʹtrazvukovojudarnojobrabotkojiélektroiskrovymlegirovaniem AT prokopenkogi improvementoffatigueandcorrosionresistanceofweldedjointsbyultrasonicpeeningtreatmentandsparkalloying AT mordûkbn improvementoffatigueandcorrosionresistanceofweldedjointsbyultrasonicpeeningtreatmentandsparkalloying AT knyšvv improvementoffatigueandcorrosionresistanceofweldedjointsbyultrasonicpeeningtreatmentandsparkalloying AT solovejsa improvementoffatigueandcorrosionresistanceofweldedjointsbyultrasonicpeeningtreatmentandsparkalloying AT popovatv improvementoffatigueandcorrosionresistanceofweldedjointsbyultrasonicpeeningtreatmentandsparkalloying
first_indexed	2025-11-27T12:43:01Z
last_indexed	2025-11-27T12:43:01Z
_version_	1849947469925842944
fulltext	34 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №3, 2014 УДК 621.789:621.9.048:539.431:620.193 ПОВЫШЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ УСТАЛОСТИ И КОРРОЗИОННОй СТОйКОСТИ СВАРНЫх СОЕДИНЕНИй УЛьТРАЗВУКОВОй УДАРНОй ОБРАБОТКОй И ЭЛЕКТРОИСКРОВЫм ЛЕгИРОВАНИЕм Г. И. ПРОКОПЕНКО1, Б. Н. МОРДЮК2, В. В. КНЫШ2, С. А. СОЛОВЕЙ2, Т. В. ПОПОВА3 1Ин-т металлофизики им. г. В. Курдюмова НАНУ. 03680, г. Киев, гСП, бульвар Академика Вернадского, 36. E-mail: bogachuk@imp.kiev.ua 2ИЭС им. Е. О. Патона НАНУ. 03680, г. Киев, гСП, ул. Боженко, 11. E-mail:office@paton.kiev.ua 3гП «УкрНИИ вагоностроения». 39621, г. Кременчуг, ул. И. Приходько, 33. E-mail: kaplja_87@mail.ru Для увеличения ресурса сварных конструкций с помощью ультразвуковой ударной обработки (УЗУО) создано новое портативное оборудование с использованием цифровой регулировки электрических параметров ультразвукового генера- тора с выходной мощностью до 650 Вт и частотой около 27 кгц. Испытания на усталость образцов низколегированных конструкционных сталей показали существенное увеличение циклической долговечности после УЗУО сварных швов. Данная обработка снижает также коррозию соединений за счет образования в поверхностном слое мелкозернистой структуры и сжимающих напряжений. Предложен метод дополнительного увеличения долговечности сварных соеди- нений при испытаниях в 3%-ном водном растворе NaCl, заключающийся в последовательном использовании УЗУО и электроискрового легирования зоны шва хромом. Библиогр. 20, табл. 2, рис. 5. К л ю ч е в ы е с л о в а : ультразвуковая ударная обработка, ультразвуковой генератор, низколегированные конструк- ционные стали, сварные соединения, усталость, коррозия, электроискровое легирование Основными факторами, которые ограничивают долговечность разнообразных промышленных изделий, являются износ, коррозия и усталость металлов. Разрушение, как правило, начинается с рабочих поверхностей изделий, которые подверга- ются внешним температурно-силовым влияниям, действию агрессивных сред или циклической на- грузке. В настоящее время создано большое коли- чество способов модификации поверхностей де- талей и элементов конструкций. К упрочняющим обработкам относятся способы поверхностной пластической деформации (ППД): традиционная дробеструйная обработка, обкатка поверхности шариками или роликами и др. Используют для этой цели также энергию УЗ колебаний. Высоко- частотные удары стержневых деформирующих элементов небольшой массы (3…5 г), иницииру- емые мощным ультразвуком, приводят к суще- ственным изменениям структуры поверхностного слоя металлов и сплавов [1–3]. Данная техноло- гия известна в мире как УЗ ударная обработка (УЗУО) или Ultrasonic Impact Treatment. С учетом того, что ударные элементы (бойки) принудитель- но колеблются в небольшом зазоре (примерно 0,01…0,02 мм) между концентратором УЗ колеба- ний и обрабатываемой поверхностью с частотой около 1…2 кгц, в литературе встречается также термин «высокочастотная механическая проковка (ВмП)» [4]. Известно, что прочность сварного соединения незначительна в результате изменения структуры при расплавлении металла, появления концентра- торов напряжений и дефектов, а также возник- новения растягивающих напряжений в зоне шва при его затвердевании. Если они складываются с внешними циклическими нагрузками, наступа- ет преждевременное усталостное разрушение в зоне соединения, которое иногда приводит к ка- тастрофическим последствиям. Растягивающие напряжения можно снизить нагреванием деталей, но для больших конструкций, как правило, при- меняют локальные методы обработки сварных соединений. Исследования показали, что УЗУО приводит к наиболее существенному снижению опасных растягивающих напряжений в зоне свар- ного шва и к повышению усталостной прочности образцов и элементов конструкций в сравнении с другими методами обработки [5–7]. Технология УЗУО зарекомендовала себя в мире как перспек- тивная для увеличения ресурса сварных конструк- ций наряду с улучшением условий труда, эконо- мичностью и другими преимуществами. Однако развитие этого направления в Украине сдержива- лось отсутствием промышленного производства УЗ оборудования. В то же время здесь были соз- даны опытные образцы УЗ генераторов и ударных инструментов, а разработки способов и устройств защищены патентами [8, 9]. © г. И. Прокопенко, Б. Н. мордюк, В. В. Кныш, С. А. Соловей, Т. В. Попова, 2014 35ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №3, 2014 Цель данной работы состояла в создании но- вого УЗ оборудования, которое должно отвечать современному уровню разработок в использова- нии мощного ультразвука (до 2 кВт) и достиже- ний в отрасли цифровых и микропроцессорных электронных технологий. В качестве излучателей ультразвука использовали высокодобротные пье- зокерамические преобразователи с высоким КПД и малыми электрическими потерями. Созданное оборудование прошло опытную проверку в ИЭС им. Е. О. Патона НАН Украины при обработке об- разцов низколегированных сталей, которые были испытаны на усталость, в том числе и в коррози- онной среде. Поэтому основной задачей работы было повышение усталостной прочности и корро- зионной стойкости сварных соединений методом УЗУО. Разработка оборудования для УЗУО. мно- голетний опыт применения УЗ обработки ме- таллов для упрочнения поверхности позволяет сформулировать основные требования к УЗ излу- чателю и к ударному инструменту. Достижения последних лет в области создания современных высокоэффективных пьезокерамических матери- алов позволили отказаться от громоздких магни- тострикционных источников УЗ колебаний, что дало толчок к последующему совершенствова- нию и созданию принципиально новых излуча- телей на основе пьезокерамических преобразо- вателей большой мощности [10, 11]. Внедрение современных пьезоэлектрических преобразовате- лей, которые имеют более чем в два раза больший КПД за счет высокой добротности, дало возмож- ность отказаться от систем жидкостного охлажде- ния и уменьшить габариты и массу оборудования в несколько раз. Особенно это важно для перенос- ных приборов, которые работают в полевых, ино- гда очень сложных условиях. В то же время была повышена частота УЗ колебаний с 22 до 27 кгц. Такое повышение частоты практически не влияет на технические характеристики оборудования для УЗУО, однако значительно уменьшает его общую массу примерно на 30 %. Задачей разработчиков было создание генераторов частотой 27 кгц с со- хранением амплитуды колебаний торца волново- да (концентратора УЗК) на уровне 20…25 мкм и массой инструмента не более 2,5 кг. Одним из ос- новных преимуществ УЗ ударного инструмента, например, в сравнении с пневмодинамическим, является снижение вредных для организма чело- века шумов и вибраций его корпуса. Испытания, проведенные в государственном НИИ «гидро- прибор» (г. Киев), показали, что шумы в УЗ и зву- ковом диапазонах частот не превышают допусти- мых норм, принятых в гОСТ 12.1.001–89. Использование новейших электронных техно- логий и современной элементной базы позволило создать компактный УЗ генератор (УЗг) с габа- ритами 295×215×105 мм, массой 4,5 кг и мощно- стью до 650 Вт на частоте 27 кгц. масса прибо- ра с УЗ ударным инструментом составляет 6,2 кг (рис. 1). В нем использована полная автоматиза- ция подстройки параметров УЗг и защита элек- тронной схемы от перегрузок. Материалы и методики испытаний. В каче- стве сплавов на основе железа для исследований были выбраны низколегированные стали 20гЛ и 15хСНД. При малом содержании дорогих леги- рующих элементов они имеют невысокую стои- мость и достаточную прочность наряду с высокой пластичностью. Данные стали характеризуют- ся значительным сопротивлением усталости, а также высокими технологическими свойствами – они хорошо обрабатываются давлением и ре- занием, имеют хорошую свариваемость. Низко- углеродистую сталь марки 20гЛ применяют для изготовления ответственных литых деталей под- вижного состава железнодорожного транспорта. Сталь 15хСНД имеет более высокие механиче- ские свойства и применяется преимущественно при строительстве мостов. химический состав сталей и их механические свойства приведены в табл. 1 и 2. Испытания на усталость круглых галтельних образцов по американскому стандарту ASTM E466 (рис. 2, а) проводили на универсальной сервогидравлической машине для механиче- ских испытаний типа INSTRON 8802. Испытыва- ли партии по пять образцов для каждого состоя- ния. Нагружение проводили по синусоидальной Рис. 1. Общий вид оборудования для УЗУО Т а б л и ц а 1 . Оптимальный химический состав сталей 20ГЛ и 15ХСНД, мас. % материал C Mn Si Ni Cr S Р 20гЛ 0,19…0,20 1,20…1,40 0,35…0,60 – – < 0,04 < 0,04 15хСНД 0,12…0,18 0,4…0,7 0,4…0,7 0,3…0,6 0,6…0,9 до 0,04 до 0,008 36 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №3, 2014 кривой с частотой f = 30 гц. Параметры нагруз- ки: σmin = 0 – минимальное напряжение цикла; σmax = 0,7σв = 380 мПа – максимальное напря- жение цикла, коэффициент асимметрии цикла К = 0,1. Испытания на коррозионную усталость про- водили на образцах тавровых сварных соединений низколегированной стали 15хСНД. Заготовки под образцы выре- зали из листового проката так, чтобы более длинная сторона была ориентиро- вана вдоль проката. Поперечные ребра приваривали угловыми швами с двух сторон ручной электродуговой сваркой электродами марки УОНИ 13/55 диаме- тром 3 и 4 мм. Форма и геометрические размеры образца приведены на рис. 2, б. Толщина образца 12 мм была обусловле- на широкой применимостью в сварных металлоконструкциях проката толщиной 8…20 мм. Ширину образца 50 мм выби- рали исходя из мощности испытательно- го оборудования. Усталостные испытания сварных соединений выполняли на испыта- тельной машине УРС-20 (рис. 3, а), которая ежегодно проходит поверку государственным предприятием «Все- украинский государственный науч- но-производственный центр стандарти- зации, метрологии, сертификации и защиты прав потребите лей» (ДП «Укрметртестстандарт»). Дан- ная машина предназначена для определения меха- нических свойств образцов материалов и элемен- тов конструкций при статической и циклической нагрузке со знакопостоянным или знакоперемен- ным циклом с частотой от 0,1 до 7 гц. макси- мальное усилие испытательной машины состав- ляет ± 20 тс. Сварные соединения испытывали на усталость при одноосном растяжении с асим- метрией цикла напряжений K = 0,01 и частоте циклической нагрузки 5 гц. Для испытаний на коррозионную усталость была сконструирована и изготовлена специальная емкость из нержавеющей стали объемом 1,2 л, которая закреплялась непосредственно на образ- це. В качестве коррозионной среды использовали 3 %-ный раствор NaCl. Общий вид емкости, в ко- торой закреплялся образец во время испытаний на усталость, приведен на рис. 3, б. Конструкция емкости обеспечивала постоян- ное пребывание всех четырех угловых швов и зоны термического влияния сварного соедине- ния в коррозионной среде при циклическом на- гружении. Размер рабочей части образца, которая Рис. 2. Схематическое изображение образцов для усталост- ных испытаний; а – круглый галтельный образец; б – обра- зец с тавровыми сварными соединениями для испытаний на усталость в коррозионной среде Рис. 3. Общий вид испытательной машины УРС-20 (а) и образец во время испытаний на коррозионную усталость (б) Т а б л и ц а 2 . Механические свойства сталей 20ГЛ и 15ХСНД материал σ02, мПа σв,мПа δ5, % σ-1, мПа KCV, кДж/м2 Коррозионная стойкость на воздухе, мм/год 20гЛ 275 540 18 – 250 (20 оС) – 15хСНД, лист 10…32 мм 325 560 21 286 298 (– 40 оС) до 0,0608 37ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №3, 2014 постоянно находилась в 3 %-ном растворе NaCl, составлял 120 мм. После каждого испытания рас- твор обновлялся. Результаты и их обсуждение. методом УЗУО обрабатывается, как правило, узкая зона сплав- ления шва с основным металлом [1, 9] и, в боль- шинстве случаев, этого достаточно для повы- шения усталостной прочности соединения, что способствует высокой производительности ме- тода за счет локализации деформируемых участ- ков шва и высокой частоты ударов бойков. В то же время известны работы по увеличению корро- зионной стойкости металлических поверхностей после УЗУО вследствие образования поверхност- ного слоя с мелкозернистой структурой и опреде- ленным фазовым составом [12–14]. Представляло интерес применить для обработки сварных соеди- нений вместе с УЗУО другой метод модификации поверхности. Наиболее простым и распространен- ным в промышленности является метод электро- искрового легирования (ЭИЛ), который позволяет наносить покрытия различными металлами и может быть использован, как и УЗУО, для обработки ло- кальных областей крупногабаритных конструк- ций, в том числе и сварных соединений [15]. Комбинированная обработка, при которой в одном технологическом цикле совмещаются раз- нообразные способы обработки поверхности ме- таллических материалов – лазерная и электроис- кровая, плазменное и детонационное напыление, а также способы интенсивной пластической де- формации (ИПД) поверхности [14, 16–18], явля- ется важным направлением развития технологий упрочнения и модификации рабочих поверхно- стей деталей и изделий. ИПД относится к пер- спективным способам обработки, в результате которой достигается высокая плотность дефек- тов кристаллического строения, что создает бла- гоприятные условия для процессов диффузии и фазовых превращений, а также для образования мелкозернистых структур [1, 14, 16]. Следует от- метить, что важным следствием ИПД является появление напряжений сжатия в поверхностных слоях деталей и конструкций, которые играют ре- шающую роль в повышении их усталостной проч- ности и долговечности [3–6]. Перспективным путем создания покрытий с заданными свойствами является использование комбинированных воздействий, например, при сочетании ЭИЛ и УЗУО [13, 17]. ЭИЛ являет- ся одним из наиболее распространенных спосо- бов нанесения на детали упрочняющих покры- тий, имеющих высокую прочность сцепления с деталью и уникальный комплекс физико-меха- нических свойств. Однако электроискровые по- крытия имеют значительную шероховатость и пористость, которая существенно снижает их экс- плуатационные характеристики. Детали с нане- сенными слоями легирующих веществ должны быть подвергнуты финишной обработке, кото- рая может устранить указанные выше недостат- ки при сохранении или повышении необходимых механических, коррозионных и других свойств. Низкая энергоемкость метода и высокий процент использования материалов обеспечивают значи- тельный экономический эффект (удешевление из- делий и увеличение срока их эксплуатации). Несмотря на малую энергию единичного уда- ра при УЗУО, многократное ударное воздействие с высокой частотой приводит к уплотнению электро- искровых покрытий с выглаживанием поверхности и снижением ее шероховатости. Кроме того, уско- рение диффузионных процессов при УЗУО за счет локального возрастания температуры способствует увеличению адгезии покрытия к основному метал- лу, изменению его структуры и фазового состава. Упрочнение поверхности образцов стали 20гЛ изучали с помощью измерений микротвердости. Были проведены также усталостные испытания гладких образцов в исходном состоянии, после УЗУО и УЗУО + ЭИЛ. Для ЭИЛ поверхности об- разцов использовали стандартную промышлен- ную установку «ЭЛИТРОН–22», которая работает на выпрямленном пульсирующем токе, с питани- ем от сети переменного тока напряжением 220 В. Применяли стержневые легирующие электроды Ni, Cr и Mo. Удельная скорость обработки состав- ляла 1 мин/см2 поверхности образца, при часто- те колебаний электрода (анода) 100±3гц, энергии искрового разряда 1 Дж, длительности импульса 200 мкс, рабочем токе 1…3 А и напряжении на аноде 70 В. Перед проведением ЭИЛ образцов проводили их термообработку, которая заклю- чалась в закалке от температуры 880…900 °С с последующим стабилизационным отжигом при 600…650 °С в течение часа. Такая термообработ- ка позволяет получать микроструктуру с равно- мерным распределением структурных элементов без избыточного роста их размеров. УЗ обработку проводили с использовани- ем установки, представленной в работах [1, 8]. УЗУО вращающихся галтельных образцов осу- ществляли в токарном станке с числом оборотов в минуту N = 120, продольной подачей суппорта S = 0,1 мм/об, амплитудой колебаний торца кон- центратора А = 15 мкм и деформирующим эле- ментом бойком седлообразной формы массой 15 г. Использовали магнитострикционный излу- чатель ПмС 15А-18 с резонансной частотой 18 кгц, питаемый от генератора УЗг2-4м. Был выбран оптимальный режим УЗУО, при котором дости- галась минимальная шероховатость и максималь- ная микротвердость поверхности образцов. Наи- высшая степень деформации е при УЗУО обычно 38 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №3, 2014 наблюдается в поверхностных слоях толщиной 30…50 мкм. Данные по микротвердости приве- дены на рис. 4. По сравнению с исходным состо- янием после отжига поверхностная деформация с помощью УЗУО приводит к незначительному упрочнению (в 1,5 раза). Применение ЭИЛ спо- собствует более существенному росту микротвер- дости, особенно в случае легирования хромом и молибденом. Причина такого отличия в механи- ческих свойствах полученных слоев заключается в особенностях структурного и фазового состоя- ний, формируемых при комбинированной обра- ботке ЭИЛ+УЗУО. Применение ЭИЛ+УЗУО при- водит к существенному упрочнению – в случае легирования никелем в 1,3…1,5 раза, хромом в 2,0…3,5 раза и молибденом в 2,7…4,3 раза. При легировании хромом и молибденом в по- верхностном слое формируются ОЦК твердые растворы Fe–Cr и Fe–Mo, упрочненные интерме- таллидными и/или карбидными фазами, а при ле- гировании Ni – гЦК твердый раствор Fe–Ni [15]. Следующая за ЭИЛ УЗУО ведет к существенному снижению шероховатости образцов. Все сформи- рованные комбинированной обработкой поверх- ностные слои стали 20гЛ, легированные никелем, хромом и молибденом, характеризуются большим потенциалом коррозии и меньшим током корро- зии по сравнению с образцами в исходном состоя- нии, что свидетельствует об их повышенной стой- кости к электрохимической коррозии [15]. Результаты испытаний круглых галтельных образцов (рис. 2, а) стали 20гЛ показывают, что после шлифовки рабочей поверхности образца среднее количество циклов до разрушения со- ставляет 154259 циклов. Долговечность образцов после УЗУО существенно возросла, достигнув 106 циклов (образцы не разрушались). Для электроис- крового покрытия был выбран электрод из молиб- дена, который показал наибольшее упрочнение поверхности образца (рис. 4). После ЭИЛ молиб- деном с дальнейшей УЗУО по выбранным режи- мам долговечность возросла до 439564 цикла, что в 2 раза меньше, чем только после УЗУО. Оче- видно, что электроискровые покрытия формируют в поверхности структуру, имеющую сложный фазо- вый состав. В него входят твердые растворы FeMo с ОЦК решеткой, интерметаллиды Fe63Mo37, окси- ды, которые снижают пластичность поверхностного слоя и усталостную прочность. По-видимому, сле- дует подбирать легирующие элементы, исходя из диаграмм состояния двойных систем, чтобы наря- ду с увеличением коррозионной стойкости добиться приемлемой усталостной прочности. Обработка зоны сплавления сварных швов с помощью УЗУО повышает усталостную проч- ность и долговечность соединений при испы- таниях в коррозионной среде по сравнению с исходными после сварки образцами низколеги- рованных сталей [19]. В настоящей работе испы- тывали образцы тавровых соединений (рис. 2, б). Результаты усталостных испытаний образцов стали 15хСНД на воздухе и в 3%-ном растворе NaCl приведены на рис. 5, а. Долговечность не- обработанных образцов сразу после сварки при σmax = 260 мПа составляла в среднем 130 тыс. ци- клов (точка 0 на графике). После УЗУО линии сплавления при испытаниях в коррозионной сре- де усталостная прочность значительно возраста- ет, что соответствует линии 1 на рис. 5, а. Видно, что долговечность на уровне 260 мПа повыша- ется до 900 тыс. циклов. Для сравнения приведе- ны испытания на воздухе после УЗУО образцов. Рис. 4. Зависимость микротвердости от времени обработки при УЗУО (1) и после ЭИЛ+УЗУО при легировании Ni (2), Cr (3) и Mo (4) Рис. 5. Результаты усталостных испытаний сварных образцов стали 15хСНД: а – после сварки (0) и после УЗУО (1–4) на воздухе (2) и в 3%-ном растворе NaCl (1,3,4) после УЗУО без ЭИЛ (2), ЭИЛ(Ni)+ УЗУО (3) и УЗУО+ЭИЛ(Cr)+УЗУО (4); б – образец после испытаний 39ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №3, 2014 Экспериментальные точки хорошо укладывают- ся на прямую линию (рис. 5, а, кривая 2), что со- ответствует долговечности 3,6·106 циклов при σmax = 260 мПа. Испытания на этом уровне напря- жений в 3%-ном растворе NaCl образцов, обра- ботанных ЭИЛ никелем и УЗУО, показали сред- нюю долговечность 586 тыс. циклов (три образца, которым соответствуют точки 3 на рис. 5, а, раз- рушились при 424500, 457600 и 876300 циклах). Экспериментальные точки лежат ниже кривой 1. Таким образом, никель не является оптималь- ным материалом для покрытия. Причиной сниже- ния коррозионно-усталостной прочности образ- цов после ЭИЛ никелем с последующей УЗУО является не только образование хрупких фаз при высокочастотном ударном нагружении. Скорее всего, предварительное легирование поверхности затрудняет пластическую деформацию, что может сказаться и на уровне остаточных сжимающих на- пряжений в зоне шва после УЗУО. Поэтому был предложен способ комбинированной обработ- ки, когда образец сначала подвергался УЗУО не только по линии сплавления, а по ширине зоны, в которой присутствуют растягивающие напря- жения после сварки. Затем эта зона насыщалась с помощью ЭИЛ хромом, который с точки зре- ния образования хрупких соединений предпоч- тительнее никеля. Затем проводили окончатель- ную обработку поверхности с помощью УЗУО для устранения повышенной шероховатости и уплотнения поверхностного слоя. В этом случае долговечность образцов повысилась до 1800 тыс. циклов. Большинство образцов разрушалось по ребру (рис. 5, б), что является характерной осо- бенностью усталостных испытаний образцов ста- ли 15хСНД в коррозионной среде. Полученные результаты согласуются с данными работы [20], в которой использовались различные режимы дро- беструйной обработки стали до и после нанесе- ния покрытий хрома с целью увеличения сопро- тивления усталости. Следует отметить, что гарантийные сроки экс- плуатации многих ответственных сварных кон- струкций составляют десятки лет, потому данный метод является реальной мерой предупреждения преждевременного разрушения таких конструк- ций. В целом технология УЗУО продлевает сро- ки их эксплуатации, сохраняет материальные ресурсы, предотвращает нанесение ущерба окру- жающей среде. Широкое внедрение технологии и оборудование для УЗУО в промышленность Украины даст возможность существенно повы- сить надежность и долговечность ответственных сооружений, таких как мосты и путепроводы, а также машин и механизмов на железнодорожном транспорте, в горнодобывающей промышленно- сти и в других отраслях народного хозяйства. Выводы Разработано и изготовлено малогабаритное оборудование для УЗУО изделий и конструк- ций с излучателем на пьезокерамике. В УЗ гене- раторе использованы новые достижения в обла- сти микропроцессорной и цифровой техники, что позволило существенно уменьшить его массу и размеры. Применение ЭИЛ поверхности стали 20гЛ приводит к ее существенному упрочнению в слу- чае легирования никелем (в 1,3…1,5 раза), хро- мом (в 2,0…3,5 раза) и молибденом (в 2,7…4,3 раза) по сравнению с УЗУО. Причина такого от- личия в механических свойствах заключается в особенностях структурного и фазового состояний, формируемых при комбинированной обработ- ке ЭИЛ+УЗУО разными элементами. Легирова- ние молибденом с последующей УЗУО повышает долговечность образцов в 2,8 раза относительно исходного состояния после отжига и шлифовки. Комбинированная обработка УЗУО + ЭИЛ (при легировании хромом) + УЗУО существенно увеличивает коррозионно-усталостную прочность сварных соединений стали 15хСНД, которая ста- новится сравнимой с теми значениями, которые получены для обработанных УЗУО образцов и ис- пытанных на воздухе. 1. Структурные изменения в зоне сварного шва стали Ст3 при ультразвуковой ударной обработке и их влияние на повышение сопротивления усталости / П. Ю. Волосевич, г. И. Прокопенко, В. В. Кныш и др. // металлофизика и новейшие технологии. – 2008. – 30, № 10. – С. 1429–1443. 2. Структура, фазовый состав и механизмы упрочнения аустенитной стали, подвергнутой ультразвуковой обра- ботке бойками / В. А. Клименов, Ю. Ф. Иванов, О. Б. Перевалова и др. // Физ. и хим. обработки материалов. – 2001. – № 1. – С. 90–97. 3. The effects of ultrasonic peening treatment on the ultra-long lifi fatigue behavior of welded joints / D.Yin, D.Wang, H.Jing, L. Huo // Materials and Desing. – 2010. – 31. – P. 3299–3307. 4. Повышение сопротивления усталости сварных соедине- ний металлоконструкций высокочастотной механиче- ской проковкой (Обзор) / Л. м. Лобанов, В. И. Кирьян, В. В. Кныш, г. И. Прокопенко // Автомат. сварка. – 2006. – № 9. – С. 3–11. 5. Разработка и оптимизация оборудования и процесса ультразвуковой ударной обработки сварных соединений с целью снижения остаточных напряжений / г. И. Про- копенко, А. Я. Недосека, А. А. грузд, Т. А. Красовский // Техн. диагностика и неразруш. контроль. – 1995. – № 3. – С. 14–22. 6. Statnikov E. Sh. Applications of Operational Ultrasonic Im- pact Treatment Technologies in Production of Welded Joints // Welding in the World. – 2000. – 44, № 3. – Doc.XIII-1667–97. 7. Дегтярев В. А., Шульгинов Б. С. Оценка эффективности методов повышения сопротивления усталости сварных соединений при ударном нагружении в условиях низ- кой температуры // Пробл. прочности. – 2000. – № 6. – С. 115–123. 8. Pat. 6,467,321 B2 USA. Device for ultrasonic peening of metals. / G. Prokopenko, J. Kleiman, O. Kozlov et al. – Oct. 22, 2002. 9. Пат. № 60390 Україна. Спосіб обробки зварних з’єд- нань металоконструкцій високочастотною проковкою / 40 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №3, 2014 Л. м. Лобанов, П. П. міхеєв, г. І. Прокопенко та ін. – Бюл. № 10 від 15.10.2003. 10. Prokić M. Piezoelectric Transducers Modeling and Charac- terization. – Bern: Published in Switzerland by MPI, 2004. – 266 p. 11. Грінченко В. Т., Вовк І. В., Маципура В. Т. Основи акусти- ки. – Київ: Наук. думка, 2007. – 640 с. 12. Бабей Ю. И. Повышение усталостной и коррозионно- усталостной прочности валов в прессовых соединениях механо-ультразвуковой обработкой // Фхмм. – 1976.– 12, № 1. – С. 111–112. 13. Фізико-механічні властивості ливарної сталі 20гЛ після електроіскрового легування та ультразвукової ударної обробки/ г. І. Прокопенко, В. Ф. мазанко, Б. м. мордюк та ін. // Вісник ТНТУ. – 2013. – №3 (71). – С. 170–181. 14. Панин В. Е., Сергеев В. П., Панин А. В. Наноструктуриро- вание поверхностных слоев конструкционных материалов и нанесение наноструктурных покрытий. – Томск: Изд-во Томск. политех. ун-та, 2009. – 285 с. 15. Лазаренко Н. И. Электроискровое легирование метал- лических поверхностей. – м.: машиностроение, 1976. – 144 с. 16. Estrin Y., Vinogradov A. Extreme grain refinement by severe plastic deformation: A wealth of challenging science // Acta Materialia. – 61. – 2013. – Р. 782–817. 17. Чигринова Н. М., Кулешов А. А., Нелаев В. В. микроплаз- моискровое легирование с ультразвуковой модификаци- ей поверхности // Электронная обработка материалов. – 2010. – № 2. – С. 27. 18. Tang X., Li D. Y. Production of alloyed nanocrystalline surfaces by combined punching, sandblasting and recovery treatments // Scripta Mater. – 2008. – 58.– Р. 1090–1093. 19. Сопротивление коррозионной усталости сварных сое- динений, упрочненных высокочастотной механической проковкой / В. В. Кныш, С. А. Соловей, А. З. Кузьмен- ко, И. И. Вальтерис // Автомат. сварка. – 2008.– № 4. – С. 5–8. 20. Gao Y., Li X., Yang Q., Yao M. Influence of surface integrity on fatigue strength of 40CrNi2Si2MoVA steel // Materials Letters. – 2007. – 61. – P. 466–469. To increase the operation life of welded structures by ultrasonic impact treatment (UIT) new portable equipment was created. This equipment is supplied with 27 kHz ultrasonic generator of 650 W power output with digitally adjusted electrical parameters. Fatigue tests of samples of a number of low alloyed structural steels showed a significant increase in cyclic durability of welded seams after the UIT process. This treatment also reduced the corrosive degradation of welded joints due to ultrafine-grained structure and compressive residual stresses formed in the surface layer. A method for additional increase in durability of welded joints tested in a 3% NaCl aqueous solution was suggested. It consisted of the successive UIT process and electric spark alloying of seam area with chromium. 20 References, 2 Tables, 5 Figures. K e y w o r d s : Ultrasonic Impact Treatment, Ultrasonic Generator, Low Alloyed Structural Steels, Welded Joints, Fatigue, Corrosion, Electric Spark Alloying Поступила в редакцию 24.06.2014 5-я мЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ «мЕхАНИКА РАЗРУШЕНИЯ мАТЕРИАЛОВ И ПРОчНОСТь КОНСТРУКЦИй» 24–27 июня 2014 г. во Львове на базе Национального университета «Львовская политехника» состоялась 5-я международ- ная конференция «механика разрушения материалов и прочность конструкций». Организаторами конференции выступили Физико-механический институт им. г. В. Карпенко НАН Украины, Институт электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины, Национальный университет «Львовская политехника» и Украинское обще- ство по механике разрушения материалов. Для участия в конференции было заявлено более 200 докладов из 50 организаций, которые представляли ведущие академические ин- ституты, государственные научные центры, вузы, частные органи- зации и промышленные предприятия Украины, Польши, Франции и мексики. Конференцию открыл председатель организационного комитета, директор ФмИ им. г. В. Карпенко НАНУ, академик НАН Украины В. В. Панасюк, который в своем вступительном слове подчеркнул не- обходимость проведения подобного рода мероприятий с целью об- мена опытом и налаживания научных и дружественных отношений между сотрудниками различных учреждений, представленных на конференции. В работе конференции приняли участие более 190 ученых, в том числе 137 докторов и кандидатов наук. Было заслу- шано и обсуждено 26 пленарных, 44 секционных и 47 стендовых докладов, предусмотренных программой конференции. От ИЭС им. Е. О. Патона НАНУ на конференции было представлено более десяти докладов, в числе которых Л. Лоба- нов, В. Кныш, И. Клочков «Повышение циклической долговечности тонколистовых сварных соединений легких сплавов высокочастотной проковкой»; В. Позняков, Л. Маркашова, Т. Алексеенко, А. Максименко «Изменение структуры и механи- ческих свойств в стали 10г2ФБ при сварке и во время циклического нагружения изгибом». Проведение конференции способствовало установлению деловых контактов в области механики разрушения материа- лов, прочности конструкций и оценки ресурса работоспособности ответственных деталей и конструкций.

Повышение сопротивления усталости и коррозионной стойкости сварных соединений ультразвуковой ударной обработкой и электроискровым легированием

Репозитарії

Схожі ресурси