Experimental studies of heat treatment influence on the welded connections properties in working mechanisms of road building

<jats:p><jats:bold>Introduction.</jats:bold> The experimental studies of the heat treatment effect on the properties of welded joints in working mechanisms of road-building machines are carried out in the work. Studying the structures of the metal itself, as well as welded joints and considering their heterogeneity, the author analyzes the strength characteristics of these objects.</jats:p><jats:p><jats:bold>Materials and methods.</jats:bold> By means of metallographic analysis, as well as using boron-containing steel 30MnB5, which is used for the manufacture of structures for construction machines, as a research material, the author examined its microstructure, which took place in certain zones of welded joints. In particular, welded jointss, fusion zones with an overheating area, a complete recrystallization area and the base metal were studied. We also studied the features of cold plastic deformation of the specified steel sample.</jats:p><jats:p><jats:bold>Results.</jats:bold> It was determined that the mechanical inhomogeneity of the steel at these joints is the cause of the structural inhomogeneity of the welded joints. As a result of this process, some dangerous zones of acting voltages concentration are formed. These conclusions predetermine the need to identify some certain zones that concentrate stresses in themselves, while it is mandatory to strengthen the metal in such zones to standard indicators. An increase in the strength properties of the steel under study is possible by applying cold plastic deformation and subsequent thermal cycling (STC). This is achieved by obtaining a fine-grained metal structure with higher strength. The author defines the welded joints and the zone of its fusion with the base metal and the overheating area as the most dangerous areas subject to loading. To control this process, it is recommended to use the passive fluxgate method in the work, while the fusion zone with the overheating section should be inspected first, and then the weld.</jats:p><jats:p><jats:bold>Discussion and conclusion.</jats:bold> The author comes to the conclusion that the experimental studies carried out can contribute to an increase in the efficiency of the process of reducing the stress concentration (SC) in the elements of construction machines made of steel and subjected to intensive operation by reducing the structural and mechanical inhomogeneity of welded joints.</jats:p>

section_content: В современных условиях ускоренный износ строительной техники становится достаточно серьезной проблемой для потребителей, так как в связи с ростом курса мировых валют увеличивается и стоимость самих машин. Следствием этого является рост стоимости основных средств, вновь приобретаемых строительной компанией, что не может не отражаться на стоимости и работ, и готового строительного объекта. По этой причине представляется актуальным поиск возможных путей снижения уровня износа отдельных узлов и агрегатов строительных машин в целях продления срока эксплуатации последних [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10]. 

Известно, что на некоторых участках и зонах сварного соединения структура металла не отличается однородностью. Она может быть крупно-или мелкозернистой в зоне перегрева, зоне полной перекристаллизации и основного металла соответственно или же быть литой дендритной в зоне сварного шва. Проанализированные исследования, где рассматривается конструкционная борсодержащая сталь 30MnB5, свидетельствуют о том, что существует несколько путей решения проблемы снижения износостойкости узлов и агрегатов, выполненных из данного вида стали: это применение термоциклической обработки (ТЦО) сварных образцов, за счет чего снижается структурная неоднородность всех зон и участков сварного соединения, а также уменьшение зерна при крупнозернистой структуре, что дает возможность повысить прочность металла в тех зонах, в которых уровень концентрации напряжения (КН) очень высок [11, 12, 13, 14, 15]. 

При этом нельзя не отметить, что длительность эксплуатации той или иной строительной машины может стать причиной возникновения опасных локальных зон, так как металл в них постоянно находится под влиянием холодной пластической деформации. Кроме того, на участках сварных соединений могут возникнуть и развиваться различные трещины, причиной которых чаще всего выступает структурная неоднородность металла [16, 17, 18, 19, 20, 21, 22]. 

В этой связи представляется актуальным рассмотрение проблемы влияния на неоднородность структуры сварных соединений холодной пластической деформации и термических нагрузок. 

Отдельные исследования, проведенные в рамках поставленной проблемы, позволи-ли определить, что применение пассивного феррозондового метода дает возможность обозначить опасные зоны КН и держать под постоянным контролем их состояние. Данный метод позволяет вывести корреляцию между магнитным параметром Н P и структурными изменениями металла в ходе холодной пластической деформации. Это дает возможность улучшить диагностику строительных машин, подвергающихся длительной и интенсивной эксплуатации. В рассматриваемом разрезе определенный интерес также представляет исследование влияния ТЦО на структурную неоднородность деформированных зон и участков сварных соединений. 

Цели настоящей работы заключались в изучении структуры металла, подвергающегося воздействию, в различных зонах сварного соединения, а также в определении уровня ее влияния на механические свойства. Планировалось определить как влияние ТЦО на неоднородность структуры сварных соединений, так и возможность повысить с ее помощью прочностные свойства металла [23, 24, 25].
section_name: ВВЕДЕНИЕ

section_content: В качестве объекта исследований была обозначена сталь 30MnB5. Указанный вид конструкционной борсодержащей стали находит на сегодняшний день широкое применение в различных областях промышленности, в том числе при сборке различных видов строительных машин. Прочность данной стали достаточно высока: она устойчива к износу и имеет высокий уровень ударной вязкости. Указанную сталь рекомендуется применять там, где планируется использовать высокие нагрузки. Оборудование, изготовленное из такой стали, высокопрочное. Оно имеет меньшую массу по сравнению с аналогами, произведенными из других видов стали, что дает возможность сократить объем используемого топлива и обеспечить высокопрочную конструкцию изделий. Кроме того, данная сталь экономична в производстве, что означает сокращение себестоимости конечной продукции. 

При изготовлении данную сталь термически обрабатывают определенным способом, который включает закалку и последующий отпуск. Данный способ обработки эффективно влияет на качество указанной стали. Срок ее службы при этом возрастает. Химический состав данной стали, при условии определенной обработки, позволяет повысить ее характеристики, что благотворно повлияет на конечный продукт.
section_name: МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

section_content: Данный вид стали также позволяет изготовлять из нее различные сложные узлы и агрегаты машин, так как при нагреве пластичность стали достаточно высока. Однако при охлаждении прочность такой стали позволяет говорить о высокой прочности изделий, изготовленных из нее. 

Технические характеристики рассматриваемой стали приведены в таблице 1. 

В таблице 2 представлен химический состав указанной стали. 

Сварные образцы были изготовлены на основе требований из стальных пластин, толщина которых составляла 3, 5 и 10 мм. 

Образцы, которые использовались для проведения металлографического анализа, были произведены на прецизионном отрезном станке Brillant 220 (рисунок 1). Затем проводилась шлифовка и полировка образцов на установке Metapol 160E. 

Травление шлифов осуществлялось в 4%-м растворе HNO 3 в этиловом спирте. После соответствующей обработки образцов был проведен их микроструктурный анализ, для чего применялся металлографический микроскоп Olympus SpinSR10, оснащенный системой количественного анализа изображений Thixomet (рисунок 3).
section_name: PART I

section_content: Figure 3 -Olympus SpinSR10 metallographic microscope Указанный микроскоп оснащен вращающимся диском, позволяющим получить изображения с суперразрешением. Глубина таких изображений составляет до 100 мкм; в данном случае исследованию подвергаются области, которые недоступны для изучения, если применяются другие оптические приборы. Скорость обработки спектральных данных при этом очень высокая. 

Все поле зрения при использовании микроскопа равномерно освещено, а переход от конфокального режима к режиму суперразрешения достаточно плавный. 

Технология работы данного прибора основана не на тщательном сканировании той или иной области образца, а на быстрых снимках исследуемых областей, что позволяет наблюдать за реальными процессами. Оснащение прибора двумя камерами дает возможность видеть изображение в двухцветном режиме. Конструкция микроскопа включает вращающийся диск, который позволяет получать на выходе достаточно яркие изображения исследуемого объекта и его составляющих. 

Вся информация, полученная при помощи указанного оборудования, напрямую передавалась на ПК и обрабатывалась при помощи специальной программы. Указанный прибор обладает следующими положительными качествами:
section_name: Рисунок 3 -Металлографический микроскоп Olympus SpinSR10

section_content: -нагрузки, возможные для применения, -3-3000 кгс;

-возможность установить рабочее расстояние до 400 мм;

-возможность исследования достаточно больших образцов массой до 200 кг;

-возможность функционировать как в ручном, так и в автоматическом режиме;

-возможность позиционировать место измерения при помощи лазера;

-организация освещения при помощи диодов;

-применение принципа замкнутого контура closed loop при осуществлении нагрузки на исследуемый объект. 

В результате проведенного анализа на сварных швах была обнаружена структурная неоднородность, свойственная борсодержащим сталям. Данная неоднородность обычно имеет место при сварных работах, вызывающих в металле структурные изменения.
section_name: Также для измерения микротвердости в сварных соединениях применялся универсальный твердомер DuraVision-30 (рисунок 4).

section_content: Панорама структуры стыкового сварного соединения из стали Ст30MnB5 представлена на рисунке 5. 

На рисунке 6 представлена микроструктура сварного шва стыкового сварного соединения из стали Ст30MnB5 толщиной 3 мм, ×100. Изображение демонстрирует, что микроструктура сварного шва имеет дендритное строение.
section_name: PART I

section_content: Если количество циклов ТЦО свыше 3-5, то изменения структуры практически не происходит. Как следствие, вышеприведенные исследования позволяют соотнести данный процесс со снижением амплитуды колебаний магнитного поля. 

Рассмотренный выше процесс повышения мелкозернистости структуры металла, подвергнутого сначала холодной пластической деформации, а затем ТЦО, скорее всего, связан с активизацией структурных изменений, происходящих в процессе ТЦО. В частности, в опытах с предварительной холодной деформацией при ТЦО отмечено увеличение количества центров образующейся γ-фазы, что влечет за собой измельчение зерна аустенита. 

Кроме того, значительную трансформацию структуры металла при ТЦО после холодной пластической деформации можно объяснить перераспределением дефектов кристаллического строения (дислокации, вакансии, дефекты упаковки) и повышением их плотности, а также образованием и развитием мало-и высокоугловых границ. Все вышесказанное подтверждает эффективность применения холодной пластической деформации перед проведением ТЦО, если целью экспериментатора заявлено получение более мелкозернистой структуры сталей.
section_name: PART I

section_content: Проведенное исследование свидетельствует о том, что следствием появления механической неоднородности сталей выступает структурная неоднородность различных зон сварных соединений. Проведенный эксперимент позволяет говорить о существовании зависимости между напряженностью магнитного поля рассеяния Н P и структурными изменениями в различных зонах и участках сварных соединений, предварительно деформированных сварных образцов при ТЦО, контролируемой пассивным феррозондовым методом. Определена зависимость величины магнитного параметра Н P, числа циклов ТЦО, исходной микроструктуры участков и количества зон сварного соединения. 

Если в период первых 3-5 циклов, включающих нагрев-охлаждение, значения Н P изменяются достаточно интенсивно, то с ростом количества циклов такая амплитуда сокращается. Соответственно, чувствительность магнитного метода может быть использована в проведении контрольных процедур, связанных с отслеживанием процесса формирования мелкозернистой структуры в опасных локальных зонах КН (концентрации напряжений) сварных соединений на самых ранних стадиях ТЦО. 

Влияние холодной пластической деформации, проведенной перед ТЦО, на повышение мелкозернистости стали, несомненно, имеет связь с активизацией проходящих при ТЦО структурных изменений. 

При этом было определено, что если повысить степень предварительной холодной пластической деформации с 20 до 50%, то мелкозернистость структуры зон и участков сварных соединений также возрастет. 

Результаты данного исследования будут способствовать повышению эффективности сварных соединений и элементов длительно эксплуатируемых МК (металлических конструкций) строительных машин. При этом появляется возможность уменьшить структурную и механическую неоднородность сварных соединений, а также повысить степень равнопрочности различных зон и участков сварных соединений. Данный процесс обещает значительно повысить безопасность эксплуатации строительных машин, так как позволит устранить опасные локальные зоны КН с металлом в стадии предразрушения.
section_name: ОБСУЖДЕНИЕ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

section_name: БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

section_name: PART I

section_name: INFORMATION ABOUT THE AUTHOR