Введение к работе
Актуальность темы исследования. Повышение уровня технико-
экономических характеристик железнодорожных вагонов за счёт
конструктивных решений с применением традиционных материалов в
значительной степени исчерпано. Поэтому представляется целесообразным
повысить этот уровень путем применения прогрессивных материалов и способов
их изготовления.
Так как основным требованием к грузовым вагонам является снижение массы тары для увеличения их грузоподъёмности, то наиболее перспективными материалами являются алюминиевые сплавы, обладающие высокой удельной прочностью, коррозионной стойкостью, высоким сопротивлением хрупким разрушениям при отрицательных температурах, высокой технологичностью при прессовании и прочностью сварных швов.
В отечественном вагоностроении в 60-е годы во ВНИИЖТ были
проведены первые исследования и даны рекомендации по применению
алюминиевых сплавов для полувагонов. Уралвагонзаводом были изготовлены
опытные шестиосные вагоны с применением листов и плит из алюминиевого
сплава системы алюминий-магний АМг6, при этом было достигнуто снижение
массы кузова на 30,2%. Однако в виду нерешенности ряда технологических
аспектов, связанных со сваркой и коррозионной надежностью соединений со
стальными узлами, этот опыт не получил дальнейшего развития.
Сегодня повышение эффективности перевозочного процесса вызывает
необходимость проектирования и изготовления перспективного вагона с
использованием как новых, так и традиционных алюминиевых сплавов. Это
позволит значительно снизить массу тары, увеличить грузоподъёмность и
повысить технологичность при изготовлении вагона, что и определяет
актуальность данной работы.
Целью работы являлся выбор алюминиевого сплава, обладающего
оптимальным комплексом механических свойств, в том числе сварных и
крепёжных соединений, удовлетворяющих требованиям к конструкционным материалам для создания кузовов железнодорожных вагонов нового поколения. В том числе: изучение особенностей сплава при различных видах сварки, определение закономерностей поведения полуфабрикатов из сплава 1565ч при их механическом соединении штифтом с обжимной головкой.
Достижение указанной цели осуществлялось в ходе постановки и решения следующих задач:
1. Исследование служебных характеристик алюминиевого сплава 1565ч с
определением прочности, ударной вязкости, угла загиба, коррозионной
стойкости, циклической трещиностойкости. Фрактографические исследования
усталостных изломов.
2. Изучение особенностей сплава 1565ч при трёх способах сварки
стыковых соединений листовых полуфабрикатов на основе испытаний на
сопротивление статическим, циклическим и ударным нагрузкам, а также
исследования коррозионной стойкости и структурного состояния сварных швов.
3. Разработка методик для оценки служебных свойств механического
соединения (штифт с обжимной головкой), выбранного в качестве альтернативы
сварке, для алюминиевого сплава 1565ч.
4. Выявление закономерностей поведения полуфабрикатов из сплава 1565ч
при их механическом соединении штифтом с обжимной головкой по результатам
стендовых испытаний.
Научная новизна.
-
Впервые определены служебные характеристики полуфабрикатов из алюминиевого сплава 1565ч в состоянии поставки (без термической обработки, отожженное (М)), и его сварных и механических соединений. Показано, что лучшим комплексом служебных свойств обладают стыковые сварные соединения, полученные путем сварки трением с перемешиванием.
-
Впервые изучена несущая способность ШтОГ-соединений (штифт с
обжимной головкой) при различных условиях воздействия нагрузок,
приближенных к эксплуатационным. Для этого был разработан комплекс
методик испытаний по определению расчётных характеристик ШтОГ соединения: сопротивление сдвигу, отрыву головки, смятию, ослаблению натяга при ударной нагрузке.
3. Показано, что при наличии ШтОГ соединения концентрация напряжений
вокруг отверстия под штифт снижается до нуля, а число циклов до разрушения
возрастает на порядок при сохранении натяга штифта в течение всего цикла
испытаний.
4. Исследовано влияние напряжённого состояния вблизи концентратора
напряжений на особенности разрушения сплава 1565ч при статическом и
циклическом нагружении. Показано, что при боковом давлении величиной 0,5 от
предела текучести соединяемых пластин из алюминиевого сплава, усталостная
трещина при циклических нагрузках начинает развиваться не от края отверстия
под штифт, а от края поверхности контакта «пластина - головка штифта» или
«пластина - обжимная головка».
Практическая значимость.
-
Полученные в работе характеристики статической и усталостной прочности, ударной вязкости при температурах +20 и -60 0С, трещиностойкости при изгибе основного металла сплава 1565ч и его сварных стыковых соединений использованы для разработки исходных требований к проектированию кузовов грузовых вагонов из этого сплава.
-
На основе проведенных испытаний ШтОГ соединений с диаметром штифта 16 мм для крепления крышек люков стальных вагонов даны рекомендации по применению этого типа соединений на серийно изготавливаемых вагонах (в объеме 16 тыс. вагонов в год).
-
По результатам испытаний ШтОГ соединений листов и профилей из сплава 1565ч определён ограниченный предел выносливости этих соединений при трёхточечном изгибе. Даны рекомендации по повышению сопротивления усталости узлов кузова со ШтОГ соединениями.
4. С учётом результатов испытаний полувагона ВА2005 с кузовом из
алюминиевых панелей, результатов проведенных испытаний сплава 1565ч и его соединений, изготовлены опытные вагоны-хопперы с кузовом из этого сплава и ШтОГ соединениями элементов кузова, как между собой, так и со стальной рамой вагона.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Особенности служебных характеристик сплава 1565ч, выявленные по результатам исследований: микроструктуры, фрактографии усталостных изломов, циклической трещиностойкости, механических свойств на образцах, изготовленных вдоль и поперёк прокатки, до и после отжига.
-
Результаты исследований коррозионной стойкости и структуры сварных швов стыковых соединений листовых полуфабрикатов сплава 1565ч, изготовленных тремя способами сварки.
-
Методики оценки работоспособности механического соединения (штифт с обжимной головкой) для алюминиевого сплава 1565ч.
-
Закономерности поведения полуфабрикатов из сплава 1565ч при их механическом соединении штифтом с обжимной головкой.
Личный вклад соискателя. Соискатель принимал активное участие в постановке цели и задач работы, выполнил анализ литературных данных по теме исследования, разработал методики испытаний ШтОГ соединений. Самостоятельно провёл основную часть экспериментов по подготовке образцов и определению скорости коррозии в минеральных удобрениях и увлажнённой сере, по построению кривых ограниченной долговечности сварных и ШтОГ соединений, определению энергии удара, приводящей к снижению до нуля натяга штифта ШтОГ соединения, определению сопротивления усталости при циклическом растяжении ШтОГ соединений. После обработки и анализа результатов исследований, сопоставления результатов эксперимента с литературными данными и обсуждения полученных результатов с научным руководителем самостоятельно сформулировал научные и практические
выводы по работе, участвовал в написании научных статей, тезисов и докладов на конференциях.
Апробация работы. Результаты работы доложены на:
Конференции молодых ученых ОАО «ВНИИЖТ» 2006 г., г. Щербинка;
2-й Международной конференции «Алюминий – 21/ Сварка и пайка, 2012г., г. Санкт-Петербург;
Научно-техническом совещании АО «ВНИИЖТ» 2016 г., г. Москва;
8-й конференции молодых специалистов «Перспективы развития металлургических технологий» 2017 г., г. Москва;
Международном симпозиуме «Перспективные материалы и технологии» 2017 г., г. Витебск, Беларусь.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано
пять печатных работ, в том числе две работы в изданиях, рекомендованных ВАК
Минобрнауки РФ.
Работа поддержана грантом Минобрнауки России (Уникальный идентификатор – RFMEFI57714X0199)
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и общих выводов. Объём работы составляет 194 страницы текста, включая 28 таблиц, 104 рисунка и приложение. Список литературных источников содержит 122 наименования.