«В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 03 октября 2014 г. № 14.581.21.0009 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на
- Анализ научно-технической литературы, относящейся к разрабатываемой теме;
- Анализ нормативно-технической документации и других материалов, относящихся к разрабатываемой теме;
- Анализ повреждаемости в эксплуатации боковых рам тележек грузовых вагонов и определение доминирующих факторов, ограничивающих срок службы (эксплуатационный ресурс);
- Анализ причин разрушения боковых рам с точки зрения материалов, из которых они изготовлены;
- Обоснование и выбор направления исследований по разработке научно-технических основ и технологии термического упрочнения методом объемно-поверхностной закалки литых боковых рам тележек грузовых вагонов с повышенным эксплуатационным ресурсом;
- Разработка программы и методик комплексных системных испытаний и исследований по оценке влияния термического упрочнения методом объемно-поверхностной закалки на чувствительность боковых рам к концентраторам напряжений в поверхности и в теле отливки; циклическую долговечность; статическую прочность и несущую способность. Изготовление образцов и опробование методик на серии образцов;
- Разработка программы и методик анализа напряженно-деформированного состояния с помощью рентгеновского излучения; определения сопротивления разрушению с помощью высокочувствительного метода измерения акустической эмиссии, методик структурных и фрактографических исследований. Изготовление образцов и опробование методик на серии образцов;
- Разработка математической модели напряженного состояния боковых рам в эксплуатации с определением критических значений напряжений и мест их возникновения и оценкой величины необходимого запаса прочности и предела выносливости;
- Построение модели напряженного состояния боковых рам с помощью метода конечных элементов (МКЭ) с использованием суперкомпьютера с учетом наличия концентраторов напряжений;
- Теоретический анализ возможности и условий реализации метода объемно-поверхностной закалки для литых деталей из низкоуглеродистых сталей. Прогноз изменения структуры и свойств литых деталей при изменении режимов объемно-поверхностной закалки;
- Комплексный расчет прокаливаемости литых полых деталей с толщиной стенки 20 мм. Расчетное определение минимальной скорости потока воды, необходимой для закалки на максимальную твердость литых деталей из низкоуглеродистых сталей;
- Изготовление серии опытных плавок стали 20ГЛ с различным содержанием химических элементов в диапазоне марочного состава. Изготовление образцов из слитков для комплексных исследований. Проведение объемно-поверхностной закалки образцов;
- Построение кинетических диаграмм превращения стали 20ГЛ с различным химическим составом при охлаждении. Комплексные структурные металлографические и электронно-микроскопические исследования и механические испытания образцов литого металла опытных плавок до и после термического упрочнения методами объемно-поверхностной закалки. Определение влияния содержания химических элементов в пределах марочного состава стали 20ГЛ на эффект объемно-поверхностной закалки.
- Определение температуры хрупко-вязкого перехода на образцах стали 20ГЛ с различным содержанием химических элементов. Определение ударной вязкости и электронно-микроскопический анализ изломов на различных масштабных уровнях.
- Разработка технического задания для оснащения термической лаборатории. Разработка эскизных конструкторских документов на макеты закалочных устройств для оснащения лаборатории по отработке технологических параметров объемно-поверхностной закалки на фрагментах боковых рам.
- Изготовление макетов закалочных устройств для отработки режима термического упрочнения фрагментов боковых рам методом объемно-поверхностной закалки в условиях термической лаборатории.
- Технологическая подготовка экспериментального участка термической лаборатории для проведения экспериментов по термическому упрочнению фрагментов боковых рам методом объемно-поверхностной закалки.
- Разработка лабораторной методики и аппаратуры для АЭ-диагностики состояния фрагментов боковых рам до и после и термического упрочнения (изготовление макета лабораторного измерительного модуля АЭ для лабораторных исследований, разработка программного обеспечения, проведение лабораторных испытаний).
- Технологическая подготовка экспериментального участка механической обработки образцов для проведения испытаний.
- Технологическая подготовка экспериментального участка для проведения механических испытаний экспериментальных образцов.
- Проведение патентных исследований по ГОСТ
15.011-96.
При этом были получены следующие результаты:
- Результаты анализа научно-технической литературы показали, что вопросы создания научно-технологических основ эффективного способа термического упрочнения боковых рам тележек грузовых вагонов с целью повышения их трещиностойкости, живучести и общего эксплуатационного ресурса являются актуальными.
- Проведенный анализ повреждаемости боковых рам в эксплуатации, исследование характерных видов дефектов литых боковых рам и причин их образования, позволил определить доминирующие факторы, ограничивающие срок службы литых деталей в эксплуатации:
- наличие дефектов литья в наиболее нагруженных зонах (внутренний радиус буксового проема R55);
- качество ремонта боковых рам в части разделки для удаления дефекта и его последующей заварки и термической обработки;
- несоответствие физико-механических свойств материала боковых рам (стали 20ГЛ) требованиям нормативных документов;
- износ и завышение клиньев относительно опорной поверхности надрессорной балки;
- излом пружин рессорно-пружинного комплекта.
- Выбраны и обоснованы направления исследований по разработке научно-технических основ и технологии термического упрочнения боковых рам методом ОПЗ, включающие:
- исследование напряженного состояния с определением критических зон боковых рам с повышенным риском изломов;
- расчет прокаливаемости стали 20ГЛ методом решения дифференциального уравнения теплопроводности Фурье и методом коэффициентов множителей в соответствии со стандартами ГОСТ
5657-78 «Метод испытания на прокаливаемость» и SAE J406 (США); - отработка технологических параметров закалочного охлаждения на фрагментах боковых рам, включающих часть боковой рамы с буксовым проемом с внутренним радиусом R55 с использованием специальных закалочных устройств, конструкция которых обеспечит попадание закалочной среды в виде быстродвижущегося потока воды на упрочняемые поверхности фрагментов рам.
- установление зависимости между значениями эффективного коэффициента теплоотдачи и скоростью потока воды и между максимальной твердостью стали 20ГЛ и скоростью потока воды , на основании которой будет определена производительность и расход воды лабораторными и промышленными закалочными установками, планируемыми к реализации на стадии ПНИЭР и последующего освоения ее результатов, соответственно.
- разработка и реализация методик, предусматривающих применение различных видов диагностики литых деталей (рентгеновской, тензометрической, акустико-эмиссионной, ультразвуковой) для оценки состояния боковых рам и их фрагментов, а также при ускоренных предсертификационных испытаниях.
- исследовательские испытания по оценке получения наиболее полного комплекса результатов, характеризующих физико-механические свойств рам, микроструктуру, остаточное напряженное состояние, напряженное состояния при воздействии статической, динамической (при отрицательной температуре) и циклической нагрузок.
- С целью проведение исследовательских испытаний, направленных на изучение влияния технологии ОПЗ на механические свойства, ударную вязкость, микроструктуру, внутренние остаточные напряжения, чувствительность к концентраторам напряжений, статическую прочность и несущую способность, динамическую прочность при отрицательной температуре, циклическую долговечность фрагментов боковых рам разработана программа и методика комплексных системных испытаний и исследований, изготовлены образцы и проведено опробование методик. Проведенные испытания подтвердили возможность применения разработанных ПМ для проведения исследовательских испытаний по изучению влияния ОПЗ на свойства боковых рам в рамках проводимых ПНИЭР.
- Проведенный теоретический анализ возможности и условий реализации метода объемно-поверхностной закалки для литых деталей из низкоуглеродистых сталей позволил прогнозировать изменения структуры и свойств литых деталей при изменении режимов объемно-поверхностной закалки с обеспечением повышения прочностных свойств и циклической долговечности по сравнению с нормализованным состоянием.
- Результаты расчета прокаливаемости литых полых деталей с толщиной стенки 20 мм позволили определить минимальную скорость потока воды, достаточную для закалки стали 20ГЛ на максимальную твердость, что необходимо для разработки требований к оборудованию для оснащения термической лаборатории.
- Изготовлены экспериментальные плавки в количестве 25 плавок стали 20ГЛ с различным содержанием химических элементов в диапазоне марочного состава, из 25 плавок отобраны 5 плавок для дальнейших исследований. Изготовлены образцы из слитков для комплексных исследований, проведена объемно-поверхностная закалка образцов.
- Проведены комплексные исследования образцов литой стали 20ГЛ
5-ти плавок различного химического состава до и после термического упрочнения методом ОПЗ: дилатометрические исследования с построением кинетических диаграмм превращения, электронно-микроскопические исследования микроструктуры и механические испытания на растяжение и ударную вязкость. Получены количественные характеристики температур фазовых превращений, механических свойств и микроструктуры. Определено влияние содержания химических элементов в пределах марочного состава стали 20ГЛ на эффект объемно-поверхностной закалки. Определены температуры хрупко-вязкого перехода на образцах стали 20ГЛ различного состава, проведен электронно-микроскопический анализ изломов на различных масштабных уровнях. - Для оснащения термической лаборатории разработано техническое задание, эскизные конструкторские документы, взят в аренду производственный участок в ОАО «ЛЛМЗ», изготовлено оборудование (специальные закалочные устройства
5-ти типов, обеспечивающие попадание закалочной среды в виде быстродвижущегося потока воды на упрочняемые поверхности фрагментов рам) и проведена технологическая подготовка экспериментального участка для проведения экспериментов по термическому упрочнению фрагментов боковых рам методом объемно-поверхностной закалки. С использованием закалочных устройств ОПЗ опробована на фрагментах боковых рам, включающих часть боковой рамы с буксовым проемом с внутренним радиусом R55 - Разработаны лабораторная методика и аппаратура для АЭ-диагностики состояния фрагментов боковых рам до и после и термического упрочнения, изготовлен макет лабораторного измерительного модуля АЭ для лабораторных исследований, разработано программное обеспечение, проведены лабораторные механические испытания на изгиб на фрагментах боковых рам рессорного проема, получены и проанализированы совместные диаграммы деформации и акустической эмиссии. Показа применимость и высокая информативность метода измерения акустической эмиссии при механических испытаниях фрагментов боковых рам
- На территории НИТУ «МИСиС» и МГУПС «МИИТ» проведена технологическая подготовка экспериментальных участков для проведения механических испытаний экспериментальных образцов и механической обработки образцов для проведения испытаний.
- В работе впервые реализован комплексный подход к вопросам исследования влияния термической обработки на свойства литых боковых рам, определяющие их эксплуатационный ресурс, который предусматривает: расчетные и теоретические исследования напряженного состояния боковых рам и его моделирование; контроль состояния боковых рам в процессе испытаний с использованием акустико-эмиссионного анализа.
- Научную новизну содержат в себе методический подход и результаты исследований по оценке чувствительности литых боковых рам, упрочненных ОПЗ, к концентраторам напряжения. Установлено снижение чувствительности к концентраторам напряжений в 3,8 раза за счет реализации в результате объемно-поверхностной закалки сжимающих напряжений до минус 190 МПа вместо растягивающих напряжений до плюс 60 МПа, получаемых после нормализации боковых рам.
- Конструкция макетов закалочных устройств предусматривает оригинальную схему подачи закалочной среды в виде быстродвижущегося потока воды на упрочняемые поверхности боковой рамы.
- Впервые показана возможность получения градиента свойств и создания твердой, упрочненной, износостойкой поверхности и вязкой, но упрочненной сердцевины в стенке упрочняемой боковой рамы из стали 20ГЛ толщиной 20 мм, что приводит к наведению эпюры внутренних остаточных сжимающих напряжений.
Задачи, поставленные при выполнении этапа № 1 Соглашения о предоставлении субсидии от 03 октября 2014 г. № 14.581.21.0009 выполнены в полном объеме и в полном соответствии с Техническим Заданием и Планом-Графиком, что позволит на последующих этапах работы провести экспериментальные исследования влияния объемно-поверхностной закалки на структуру и свойства самих боковых рам, в частности разработать необходимые методики и провести лабораторные исследования, разработать и изготовить лабораторную установку термического упрочнения рам, провести термическое упрочнение и комплексные испытания рам, включая полигонные испытания на «экспериментальном кольце».
Комиссия Минобрнауки России признала обязательства по Соглашению на отчетном этапе исполненными надлежащим образом.
