К.т.н. Дощечкіна І.В., Давиденко О.І., Татаркіна І.С.

Харківський національний автомобільно-дорожній університет

ПІДВИЩЕННЯ ЦИКЛІЧНОЇ ДОВГОВІЧНОСТІ ЗВАРНИХ КОНСТРУКЦІЙ ІЗ БУДІВЕЛЬНИХ СТАЛЕЙ ПРИ ВІД’ЄМНИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Використання високоміцних низьколегованих сталей в зварних конструкціях – ефективний шлях підвищення якості та зниження металомісткості споруд, машин та механізмів. Позитивні результати можна очікувати при застосуванні високоміцних будівельних сталей в з’єднаннях, що експлуатуються в умовах низьких температур (до -70˚С).

В роботі вивчалася можливість заміни сталі 09Г2С на 14ХМНДФ с метою підвищення втомної міцності при від’ємних температурах.

Досліджувалися зварні стикові зразки. Зразки зі сталі 09Г2С зварювали електродом УОНІ 13/45, а зі сталі 14ХМНДФ – напівавтоматичним способом, дротом марки Св – 08ХН2ГМД у захисному середовищі. Одна частина зразків з обох сталей підлягала попередньому розтягу з перевантаженням. Номінальні напруження в зразках зі сталі 09Г2С дорівнювали 300 МПа, а зі сталі 14ХМНДФ – 550 МПа.

У другої частини зразків зварні шви піддавалися зміцненню під дією холодного пластичного деформування (наклепу).

Випробування на втомленість проводили при симетричному згині до повного руйнування зразка.

Результати досліджень показали, що границя витривалості зварних швів зі сталі 14ХМНДФ при плюсових температурах в 2 рази нижче, ніж у основного металу, і на 10% нижче, ніж у зварних з’єднань зі сталі 09Г2С.

Зниження температури випробувань до -40˚С привело до збільшення границі витривалості з’єднань зі сталі 14ХМНДФ до 120 МПа, що на 20% вище, ніж у з’єднань сталі 09Г2С. циклічна довговічність при -40˚С у з’єднань сталі 14ХМНДФ була в 2,5 рази вище, ніж у з’єднань сталі 09Г2С.

Підвищення границі витривалості при від’ємних температурах пов’язано із зростанням границі текучості, зміна якої залежить від значень при плюсових температурах, при цьому зростає її чуйність до концентрації напружень.

У зварних з’єднань сталі 14ХМНДФ, які отримані напівавтоматичним зварюванням у захисному середовищі, коефіцієнт концентрації напружень в 1,5 рази нижчий, ніж у з’єднань сталі 09Г2С, які виготовлені ручним дуговим зварюванням. В цьому випадку позитивний ефект від збільшення механічної міцності переважив над негативним ефектом підвищення чуйності до концентраторів напружень і, як наслідок, значне зростання границі витривалості у з’єднань сталі 14ХМНДФ.

Статична перегрузка вплинула на значення границі витривалості при плюсових температурах у обох сталей.

Ефект зміцнення під дією статичних перевантажень залежить як від величини перевантаження, так і від значення коефіцієнтів концентрації напружень. Зміцнення можна пояснити тим, що в зоні концентрації напружень має місце пластичне деформування металу, внаслідок чого відбувається зниження розтягувальних залишкових напружень. Так, статична перегрузка, що дорівнювала 300 МПа, дозволила підвищити границю витривалості зразків сталі 09Г2С на 20%. При цьому коефіцієнт концентрації напружень був 3,5. Для зразків сталі 14ХМНДФ він не перевищував 2,0 і зміцнення було незначне.

Зниження температури випробувань привело до збільшення границі витривалості усіх зразків, що піддавалися статичному перевантаженню. Границя витривалості стикових з’єднань сталі 14ХМНДФ підвищилась на 15%, а циклічна довговічність в 1,5 рази в порівнянні із зразками сталі 09Г2С.

Після обробки зварних швів методом пластичного деформування границя витривалості з’єднань сталі 14ХМНДФ при плюсовій температурі на 40% вище, ніж у з’єднань сталі 09Г2С. При цьому циклічна довговічність у з’єднань сталі 14ХМНДФ більше в 2,5 рази. Опір втомі зразків зі сталі 09Г2С досяг рівня основного металу – тобто зразки руйнувалися переважно по основному металу.

Значний зміцнюючий вплив поверхневої пластичної деформації обумовлений появою стискальних напружень, зменшенням залишкових напружень розтягу, а також підвищенням границі текучості матеріалу.

Для зварних з’єднань обох сталей, які підлягали пластичному деформуванню, зафіксовано помітне зміцнення при випробуваннях в умовах низьких температур. При цьому треба зауважити, що зростання границі витривалості при від’ємних температурах має місце лише в тих випадках, коли питоме навантаження при деформуванні було вище 3,5 Н/мм², тому що при цих умовах сприятливі стискальні напруження більш стійкі. При питомому навантаженні до 2 Н/мм² зміцнюючий ефект незначний.

Таким чином, дослідженнями встановлено, що використання будівельної високоміцної сталі 14ХМНДФ для стикових з’єднань особливо ефективно при експлуатації їх в умовах від’ємних температур. Для зміцнення зварних з’єднань можна рекомендувати холодне пластичне деформування зварного шва. В цьому випадку втомна довговічність стикових зварних з’єднань може бути підвищена в 2,5 – 3 рази. Гарні результати можна очікувати при застосуванні високоміцних сталей в будівельних зварних конструкціях з переважною кількістю елементів, що розраховуються на розтяг.