Результат интеллектуальной деятельности: Способ торможения и предотвращения образования усталостных трещин

Изобретение относится к области мостостроения и может быть использовано для предотвращения возникновения и торможения развития усталостных трещин в стенках металлических главных балок пролетных строений и продольных балок проезжей части пролетных строений мостов.

Известен способ торможения трещин методом высокочастотной механической проковки (ВМП) (см. авт. св. №111494, 1955 г.),

Данный способ является эффективным только для предотвращения появления усталостных трещин и торможения развития поверхностных трещин (глубиной до 1 мм, длиной до 5 мм) и не эффективен для сквозных трещин длиной более 5 мм.

Известен метод торможения трещин путем обработки зоны перед трещиной и с обеих сторон от трещины при помощи проковки пневмомолотком (патент CN 103952984 А, Китай, 2014 г.).

Данный способ является эффективным только для предотвращения появления усталостных трещин и торможения развития поверхностных трещин и не эффективен для сквозных трещин длиной более 5 мм.

Известен способ торможения трещин методом последовательной наплавки путем локального точечного нагрева (патент RU 2466843, 2012 г. Переплав основного металла и присадочного материала вдоль поверхностной трещины контактной точечной или шовной сварочной машиной с формированием монолитного наплавленного ядра). Наплавку ведут с вершины по всей длине поверхностной трещины. Недостатком данного способа является то, что производится расплавление основного металла и изменение его структуры, как при сварке, что может привести к образованию новых трещин.

Известен способ торможения роста усталостных трещин в тонколистовом материале из конструкционных мало- и среднеуглеродистых сталей, включающий создание структурного барьера на пути роста трещины, при этом создание структурного барьера осуществляют на вершине трещины путем ее локального нагрева, плавления, охлаждения на воздухе до образования ядра с монолитной структурой остывшего металла, перекрывающего трещину как минимум на величину 1/2 своего диаметра, импульсного термообрабатывающего нагрева остывшего ядра малым током и его проковки для снятия сварочных напряжений, при этом весь технологический процесс осуществляют на контактной точечной или шовной сварочной машине (патент RU №2384396, МПК: В23Р 6/00).

Недостатком данного способа является то, что производится расплавление основного металла и изменение его структуры, как при сварке, что может привести к образованию новых трещин.

Техническая задача заключается в расширении технологической возможности и повышении остаточной долговечности металлических элементов пролетных строений мостов из конструкционных сталей.

Для решения указанной задачи в способе торможения и предотвращения образования усталостных трещин в металлическом элементе, включающем создание структурного барьера на пути роста трещины путем локального нагрева зоны устья трещины и механической проковки, создание структурного барьера (сжимающих напряжений) осуществляют на вершине трещины путем ее локального индукционного нагрева до температуры 800-850°С диаметром до 50 мм и при достижении температуры нагрева 750°С осуществляют высокочастотную проковку зоны диаметром 30 мм возле устья трещины электромеханическим или пневматическим инструментом с энергией удара не менее 4 кДж для создания зоны пластических деформаций.

После выполнения операции с одной стороны операцию повторяют с другой стороны стенки балки.

При этом происходит торможение образования трещины за счет создания напряжений сжатия на пути развития трещины и снятия поля остаточных напряжений, что снижает вероятность дальнейшего распространения трещины по металлу стенки.

На фиг. 1 показан способ локального нагрева на пути развития трещины; на фиг. 2 показан способ механической проковки пневматическим инструментом. На фиг. 3 показана схема способа усиления, имеющего трещину металлического элемента (стенки балки), включающего индукционный прогрев с механической проковкой зоны на пути развития трещины.

Способ осуществляется следующим образом.

Первоначально выполняется местный разогрев локальной зоны диаметром 50 мм с одной стороны стенки балки в зоне трещины при помощи индукционной установки на всю толщину стенки до температуры 800-850°С; одновременно с нагревом после достижения температуры нагрева 750°С с другой стороны стенки балки выполняется механическая проковка зоны диаметром 30 мм возле устья трещины электромеханическим или пневматическим инструментом с круглым бойком. После выполнения операции с одной стороны операцию повторяют с другой стороны стенки балки. При возможности двухстороннего доступа к конструкции нагрев выполняется с одной стороны, а проковка с другой стороны стенки балки. Затем процедура повторяется со сменой сторон нагрева и проковки. В случае если доступ возможен только с одной стороны, или трещина не вышла на вторую сторону, нагрев и проковка выполняются с одной стороны балки. Проковка выполняется пневматическим молотком с энергией удара не менее 4 кДж (фиг. 2).

Пример 1. Осуществляли усиление опытного образца балки пролетного строения с выращенной трещиной (фиг. 3 а) методом локального прогрева с механической проковкой. Выносной индуктор при помощи магнитной площадки-держателя устанавливали на расстоянии 1-1,5 мм от поверхности металла таким образом, чтобы центр индуктора находился в вершине трещины. Луч лазерного пирометра (для контроля температуры) наводили на металл в центре индуктора. Скорость нагрева составила 70-80°С в секунду, температура нагрева - 800-850°С. После прогрева до 750°С выполнили механическую проковку. Время между окончанием нагрева и началом проковки не превысило 10 секунд. Общий вид трещины после торможения способом локального индукционного прогрева с механической проковкой показан на фиг. 3б.