Применение искусственной нейронной сети для прогнозирования поведения российского аналога импортной высокопрочной стали S690QL в условиях малоцикловых нагрузок тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Галкин Андрей Александрович

• Галкин Андрей Александрович
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Галкин Андрей Александрович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О МАЛОЦИКЛОВОЙ УСТАЛОСТИ И МЕТОДАХ ЕЕ ДИАГНОСТИКИ, АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СТАЛЕЙ ТИПА Б690ОЬ

1.1. Общие сведения об усталости материалов

1.1.1. Механизм и стадийность усталостного разрушения металлов

1.1.2. Классификация усталости металлов

1.1.3. Параметры, характеризующие усталость металлов

1.2. Малоцикловая усталость

1.2.1. Понятие малоцикловой усталости

1.2.2. Типология поведения металлоконструкций при малоцикловой усталости

1.2.3. Закономерности МЦУ конструкционных материалов

1.2.4. Методы исследования МЦУ

1.2.5. Методы прогнозирования усталостного разрушения

1.2.6. Малоцикловая усталость металла, подвергнутого влиянию сварочного цикла

1.3. Факторы, влияющие на сопротивление металлов усталостным разрушениям

1.4. Высокопрочные стали в промышленности и их применение на производстве в настоящее время

1.4.1. Характеристика исследуемых сталей типа S690QL

1.4.2. Хладостойкость конструкционных высокопрочных сталей

1.5. Искусственные нейронные сети в металловедении

1.5.1 Понятие нейронных сетей

1.5.2. Устройство ИНС

1.5.3 Разновидности архитектур ИНС

1.5.4 Обучение ИНС

1.5.5 Обзор информации о применении ИНС в металловедении

1.6. Неразрушающие методы диагностики стальных металлоконструкций71

Выводы по главе

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДОЛОГИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Применяемые материалы при проведении исследований

2.2. Методы оценки стойкости сталей к возникновению дефектов при сварке

2.3. Подготовка образцов к испытаниям

2.4. Оборудование для химического и фазового анализа образцов

2.5 Оборудование и методика испытания образцов на растяжение

2.6 Оборудование и методика испытания образцов на ударный изгиб

2.7 Оборудование и методика исследования микроструктуры

2.8 Оборудование и методика испытания металла на усталость

2.9 Фрактографический анализ образцов

Выводы по главе

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СТАЛЕЙ ТИПА Бвявдь

3.1. Химический анализ исследуемых сталей

3.2. Оценка фактической свариваемости исследуемых сталей

3.3 Оценка механических свойств исследуемых сталей

3.4 Микроструктурный анализ

3.5 Исследование усталостной прочности сталей типа $>690ОЬ

3.5.1 Испытание на усталостную прочность

3.5.2. Анализ микроструктуры образцов из стали S690QL (Россия) при МЦУ

3.5.3. Анализ поверхностей изломов отечественной стали S690QL (Россия) при малоцикловом усталостном разрушении

3.5.4. Результаты неразрушающего контроля

Выводы по главе

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА НЕЙРОСЕТЕВЫХ МОДЕЛЕЙ ДИАГНОСТИКИ ПОВРЕЖДЕННОСТИ СТАЛИ Б690ОЬ (РОССИЯ) В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ И ОЦЕНКА СТРУКТУРЫ НОВЫХ МЕТАЛЛОВ

4.1 Разработка нейросетевой модели диагностики поврежденности материала на основе данных ультразвукового и магнитного контролей

4.1.1 Определение входных параметров для разработки нейросетевой модели

4.1.2 Структура ИНС

4.1.3 Обучение нейронной сети в среде Ма^аЬ 2021 для диагностики поврежденности металла

4.1.4 Апробация разработанного алгоритма и нейронной сети

4.2 Разработка программного обеспечения для оценки среднего размера

зерна ё микроструктуры и её фрактальной размерности Df

Выводы по главе

ГЛАВА 5. ОЦЕНКА ПРОГНОЗИРУЕМОГО ЭКОНОМИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА ОТ ВНЕДРЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

5.1 Определение стоимости проведенных исследований

5.2 Прогнозирование экономического эффекта от внедрения нейросетевой модели диагностики поврежденности материала на основе

данных магнитного и ультразвукового контроля

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Применение искусственной нейронной сети для прогнозирования поведения российского аналога импортной высокопрочной стали S690QL в условиях малоцикловых нагрузок»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В последние годы промышленность Российской Федерации интенсивно занимается вопросами импортозамещения. В частности, в российском машиностроении для производства деталей и узлов, работающих под высокими нагрузками, долгое время применялась импортная высокопрочная сталь S690QL по европейскому стандарту EN 10025-6 (Technical delivery conditions for flat products of high yield strength structural steels in the quenched and tempered condition). Особенно широкое применение эта марка нашла в локализованных на территории РФ производствах иностранных компаний. Прокат из этой стали имеет удовлетворительные характеристики по плоскостности листов и минимальные остаточные напряжения, что позволяет успешно использовать его в производстве стрел телескопических погрузчиков, ответственных узлов краново-манипуляторных установок, землеройной техники в строительной и горнодобывающих отраслях экономики. В настоящее время поставки импортной высокопрочной стали S690QL затруднены, поэтому российские производства вынуждены искать ей замену на внутреннем рынке, либо разрабатывать новый материал с заданными свойствами, что сопряжено с большими материальными и временными затратами.

Работа отечественных металлургов по повышению качества и свойств российских аналогов высокопрочных сталей велась уже достаточно давно. Однако из-за низкого уровня коммуникации между производителями проката и его заказчиками, а также из-за ограниченного финансирования в модернизацию сталепрокатных производств, такие работы ведутся крайне медленно и не всегда эффективно. Так, в металлоконструкциях из отечественной высокопрочной стали довольно часто образуются сварочные трещины, листовой горячекатаный прокат поставляется клиентам в напряженном состоянии, причем большая доля выпускаемых листов характеризуется высокой степенью неплоскостности. Особенно данная

проблема актуальна для иностранных компаний, разместивших свои производства на территории РФ, на их площадках необходимо перестраивать целые технологические потоки и инвестировать в новое технологическое оборудование для достижения требований конструкторской документации

(кд).

Производитель проката не ставит перед собой задач по прогнозированию деградации свойств материала при его эксплуатации и передаче полученной информации заказчику. Данным вопросом приходится заниматься уже самим заказчикам, которые производят изделия из этого проката, либо конечному потребителю изделий. Комплексно обрабатывать огромное количество факторов и показателей диагностики металла, влияющих на состояние отечественной высокопрочной стали при ее эксплуатации, а также оценивать ресурс работы изделий из этого материала, позволяют искусственные нейронные сети (ИНС). ИНС являются также подходящим инструментом для разработки новых материалов в том числе и аналогов импортной стали S690QL.

ИНС требуют предварительного качественного обучения, для чего необходимо комплексно исследовать поведение вновь разрабатываемых сплавов - аналогов стали S690QL, в том числе с учетом различных технологических воздействий в процессе производства металлоконструкций и при их дальнейшей эксплуатации.

В настоящее время научная проблема при решении данного вопроса заключается в недостатке данных с результатами исследований из открытых информационных источников о механизмах разрушения отечественной высокопрочной стали типа S690QL в условиях малоцикловых нагрузок, о характеристиках этого материала при пониженных температурах, то есть в условиях, близких к условиям производства и эксплуатации. Имеющейся информации о механических свойствах и химическом составе в состоянии поставки, указанной в сертификатах качества, на сайтах производителя, в

стандартах организаций (СТО) или технических условиях (ТУ), недостаточно для обучения ИНС и прогнозирования наработки и остаточного ресурса материала.

Сталь S690QL широко используется в производстве сварных металлоконструкций и важной научной задачей является понимание того, какие структурные превращения происходят в новых отечественных аналогах этой стали при технологическом воздействии сварочного цикла, какое влияние сварочный цикл оказывает на металл зоны термического влияния, и как от этого изменяются свойства. Это направление исследования соответствует п.2 паспорта научной специальности и 2.6.1. «Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов».

Таким образом исследования, направленные на изучение характерных структур, выявление основных закономерностей изменения свойств, анализ механизмов разрушения и разработку методов прогнозирования ресурса работы отечественного аналога стали S690QL в условиях малоцикловых нагрузок на основе микроскопических исследований, неразрушающих методов контроля с применением подходов фрактального анализа и искусственных нейронных сетей имеют высокую степень актуальности в текущий момент времени.

Степень разработанности темы исследования. По отечественному аналогу стали S690QL (конструкционная сталь с пределом текучести до 690 МПа) научные статьи не найдены, имеющаяся информация на сайте производителя или в СТО весьма ограничена по содержанию, в открытых информационных источниках не приводятся данные о характерных особенностях микроструктуры этого материала, что является существенным недостатком, так как именно микроструктура, формируемая различными технологическими операциями (такими как прокатка, термическая обработка, сварка), определяет свойства, на которые ориентируется конструктор при проектировании изделий.

Усталостная прочность является одной из важных эксплуатационных характеристик металлов, ее основоположниками можно считать таких видных ученых, как Август Веллер, И. Баушингер (обнаружение петли гистерезиса), Джеймс Альфред Юинг и Д. Хэмфри (обнаружение полос скольжения), которые заложили основы в области формирования свойств и механики разрушений материалов. Значительный вклад в продолжение исследований сопротивления усталости различных материалов внести отечественные ученые: С.В. Серенсен, Р.М. Шнейдерович, В.С. Иванова, В.Ф.Терентьев, Ю.Г.Кабалдин, Г.В. Пачурин, В.М. Пестриков и др.

В литературном обзоре работы рассмотрен ряд экспериментальных и расчетных методов прогнозирования усталостной прочности, однако они имеют высокую трудоемкость обработки информации. В последнее время для оценки усталостной прочности материалов широкое применение находят методы фрактального анализа, нелинейной динамики и нейросетевого моделирования. Важным достоинством нейросетевых моделей является то, что они могут учитывать большое число параметров, влияющих на усталостную прочность металла и их взаимное влияние. Большинство работ рассматривают возможности ИНС через задачу распознавания образов, что затрудняет оценку внутренних дефектов и состояния металла в процессе эксплуатации изделий. В итоге для оценки ресурса работы машин и механизмов с помощью известных программ требуется проведение дополнительных разрушающих методов исследований, что трудоемко и весьма затратно. В качестве оперативных методов анализа структуры и свойств материалов имеет место применение неразрушающих методов магнитного и ультразвукового контроля.

Таким образом исследование и прогнозирование технического состояния изделий в процессе эксплуатации с применением глубокого машинного обучения нейросетевых моделей на основе результатов магнитного и ультразвукового методов контроля представляет научный

интерес. Результаты критического анализа аналитического обзора показывают на отсутствие подобных нейросетевых моделей в отношении исследований высокопрочных конструкционных сталей типа S690QL.

Цель диссертационной работы заключается в разработке методов прогнозирования разрушений в изделиях из высокопрочной отечественной стали - аналоге S690QL в условиях действия малоцикловых нагрузок посредством создания нейросетевой модели на основе проведенных исследований.

Определение возможности замены импортной стали S690QL отечественным аналогом для изготовления изделий, эксплуатирующихся в условиях знакопеременных нагрузок и низких температур.

Для решения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- провести структурно-механические исследования импортной и отечественной сталей типа S690QL для сравнения их физико-механических характеристик и наработки базы данных;

- на основе металлографического анализа выявить характерные структурные особенности исследуемых сталей, в том числе в зоне термического влияния после технологического воздействия сварочного цикла на металл, определить закономерности влияния сформировавшейся структуры на температуру хрупко-вязкого перехода образцов; на основе анализа цифровых изображений микроструктур импортной и отечественной сталей типа S690QL разработать ПО для оценки d среднего размера зерен и их фрактальной размерности, сравнить результаты и сделать прогноз;

- исследовать образцы из рассматриваемых сталей после испытаний на малоцикловую усталость, оценить сопротивление усталости в зонах термического влияния сварочного цикла, подготовить базу данных для дальнейшего обучения ИНС;

- определить различия в усталостных разрушениях сталей в зависимости от количества циклов нагружения на основе фрактографического анализа изломов при разрушениях;

- с применением ультразвукового и магнитного методов неразрушающего контроля разработать нейросетевую модель прогнозирования деградации свойств отечественной стали $>690ОЬ в процессе ее эксплуатации;

- оценить ожидаемый экономический эффект от внедрения разработанных методов определения наработки и остаточного ресурса исследуемого материала;

Объект исследования - российский аналог импортной высокопрочной стали S690QL, далее по тексту сталь S690QL (Россия).

Предмет исследования - структура и свойства стали S690QL (Россия) в условиях малоцикловых термомеханических нагрузок.

Научная новизна работы.

1. Установлены структурные изменения в импортной и отечественной сталях типа S690QL, происходящие под воздействием температур сварочного цикла. При этом установлено возникновение различных величин средних размеров зерен в зоне термического влияния и оценено их влияние на механические свойства. Установлено, что показатели предела прочности, предела текучести, ударной вязкости у стали S690QL (Россия) выше, чем у импортной стали S690QL. Однако ударная вязкость КСУ-40 для стали S690QL (Россия) в зоне термического влияния имеет пониженные значения, она в 2,7 раза ниже значений ударной вязкости основного металла в состоянии поставки по сравнению с импортной сталью.

2. Выявлены характерные признаки усталостного разрушения образцов из отечественной стали S690QL(Россия) в виде усталостных "бороздок" и установлены их фрактографические отличия от изломов образцов из импортной стали S690QL. Установлено, что сопротивление малоцикловой

усталости образцов из стали S690QL(Россия) в сравнении с импортным аналогом S690QL, является более высокой. Показано, что в процессе усталостного нагружения в микроструктуре металла наблюдается накопление полос скольжения по границам зерен и сдвигов в виде микроскопических бугорков и впадинок - экструзий и интрузий, развитие которых приводит к появлению микротрещин, их росту и слиянию. Чувствительными параметрами для контроля структурной поврежденности в этом случае являются акустические параметры ультразвукового контроля и магнитные характеристики, позволяющие однозначно оценивать стадии деформации и разрушения материала.

3. Проведено широкое многостороннее исследование микроструктуры и свойств основного металла и зоны термического влияния сварочного цикла из отечественной стали типа S690QL с целью набора показателей, которые могут быть использованы для создания и обучения «нейронных сетей».

4. Разработана нейронная сеть и зарегистрировано программное обеспечение (ПО) для оценки d среднего размера зерен в структурах металлов и их фрактальной размерности Разработанная программа позволила минимизировать субъективные факторы при оценке структур новых материалов - отечественной стали S690QL(Россия) и импортной стали S690QL и ускорить процесс обработки информации по сравнению с имеющимися методами.

5. Разработана нейросетевая модель, позволяющая предсказывать усталостное разрушение в сварной конструкции из стали S690QL(Россия) по данным, полученным с помощью методов неразрушающего контроля.

Теоретическая значимость работы.

Установлена принципиальная возможность анализа структуры нового материала с накоплением базы знаний по его механическим свойствам, необходимой для обучения искусственных нейронных сетей. Полученные результаты исследования имеют важное значение для развития современного

физического металловедения, как прикладной науки развития перспективных материалов и высоких современных технологий их обработки.

Разработана нейросетевая модель, позволяющая оценивать усталостное состояние отечественной стали S690QL(Россия) по сигналам магнитной и ультразвуковой дефектоскопии.

Практическая значимость работы

Предложен способ контроля усталостного разрушения металла S690QL (Россия) на основе идентификации сигналов магнитной дефектоскопии и ультразвуковой дефектоскопии с применением ИНС. Разработанный метод оценки усталостной прочности позволяет снизить стоимость ремонта машин и механизмов при своевременном обнаружении в ходе технического обслуживания деталей машин участков металлоконструкций с предпосылками усталостных разрушений.

Определена возможность полноценной замены импортной стали S690QL отечественным аналогом для сварных металлоконструкций в рамках решения задачи по импортозамещению.

Методология и методы исследования.

В данной работе применены теоретические и практические методы исследований, основанные на теории планирования экспериментов, математическом анализе и статистике, цифровой обработке сигналов. В исследованиях использовались основные положения металловедения, нелинейной динамики, ИНС и фрактального анализа. Работа выполнена с применением современного оборудования, в частности: цифровой оптической микроскопии, электронной фрактографии, ультразвуковой и магнитной дефектоскопии, а также с использованием стандартных и специальных программ обработки результатов экспериментов.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Результаты структурно-механических исследований сталей типа S690QL; возможность замены иностранной стали S690QL отечественным аналогом;

2. Характеристики структурного состояния высокопрочных сталей типа S690QL - Бг фрактальная размерность и d средний размер зерен в металле, подверженном термическому влиянию сварочного цикла (Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № Яи 2024660065).

3. Результаты оценки устойчивости и механизмов разрушения сталей типа S690QL от ударных нагрузок при минусовых температурах.

4. Результаты оценки усталостной прочности и механизмы разрушения в условиях малоцикловых нагрузок для сталей типа S690QL.

5. Способ обнаружения усталостных разрушений в металле S690QL (Россия) при малоцикловом нагружении по результатам ультразвуковой дефектоскопии и магнитной дефектоскопии с применением нейронносетевых моделей (Патент на изобретение № 2024110730/28).

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность полученных результатов исследований подтвердилась соответствием полученных зависимостей экспериментальных данных и результатов производственных испытаний. Основные положения диссертационной работы приняты к внедрению в ООО «АвтоЦентр» (г. Дзержинск) посредством прогнозирования появление усталостных трещин и оценки наработки металлоконструкций землеройной техники при проведении регламентных технических работ на основе нейросетевой модели диагностики поврежденности материала по данным неразрушающего контроля.

Основные положения настоящей работы, а также ее результаты, были представлены на научно-технических конференциях: Международная научно-техническая конференция «МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЕ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ» (г. Ростов-на-Дону, Донской

государственный технический университет, 26 - 30 сентября 2023 года); XVI Всероссийская научно-практическая конференция молодых ученых «РОССИЯ МОЛОДАЯ» (г. Кемерово, КузГТУ, 2024 г.); XIII международная научно-практическая конференция «Современные тенденции и инновации в науке и производстве» (г. Междуреченск, ф-л КузГТУ, 2024 г.)

Личный вклад автора. Выносимые на защиту положения и результаты разработаны и получены автором лично. Автор анализировал литературные источники; планировал, подготавливал и принимал непосредственное участие в экспериментальных исследованиях высокопрочных сталей; обобщал и проводил научное обоснование результатов, обработку и анализ полученных результатов; принимал участие в разработке ПО. Проведенные работы осуществлялись совместно с научным руководителем, при этом в диссертационную работу включены результаты исследований, составляющих ту часть, которая получена непосредственно автором или при его ведущем участии.

Связь с научными проектами и программами: результаты настоящей исследовательской работы могут способствовать поддержке в машиностроительной отрасли государственной программы «Развития промышленности и повышения ее конкурентоспособности», утвержденной постановлением Правительства № 328 от 15 апреля 2014 года, а также могут помочь в достижении целей, утвержденных Постановлением Правительства РФ от 4 августа 2015 г. N 785 "О Правительственной комиссии по импортозамещению" (с изменениями и дополнениями от 25.08.2017 г., 16.08.2018 г., 30.04.2019 г., 17.10.2019 г., 27.03.2020 г., 30.05.2023 г., 27.05.2024 г.)

Публикации. По теме работы выпущено 9 публикаций, в том числе две в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ и индексируемых в МБД SCOPUS. Получены один патент на изобретение и одно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и одного приложения А. Диссертация включает 178 страниц машинописного текста, содержит 27 таблиц, 84 рисунка, 36 формул.

Список литературы состоит из 125 наименований источников информации.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О МАЛОЦИКЛОВОЙ УСТАЛОСТИ И МЕТОДАХ ЕЕ ДИАГНОСТИКИ, АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СТАЛЕЙ ТИПА S690QL

Малоцикловая усталость (МЦУ) является одним из важных направлений современных исследований. Если изделие работает стабильно, а условия работы не выходят за рамки проектных, то оно будет эксплуатироваться без каких-либо серьезных проблем в течение расчетного срока эксплуатации. Причиной выхода из строя в этом случае может быть многоцикловая усталость. Однако встречаются внештатные циклические нагрузки, превышающие предел текучести, тогда изделие может разрушиться раньше срока службы в результате малоцикловой усталости.

Впервые вопросы усталости изучал немецкий инженер Вильгельм Альберт в 1829 году [1]. Он отметил, что выход из строя подъемных цепей был связан с их работой в условиях повторяющихся невысоких нагрузок.

Сам термин «усталость» был использован французским инженером Жан-Виктором Понселе в 1839 г. Но официальное употребление этого термина состоялось в 1854 г. с выходом в широкое применение работы [2]. Значительный вклад в изучение усталости внес также Август Веллер [3-6]. В настоящее время в честь него называют кривые усталости (кривые Веллера).

Стоит отдельно отметить работы Ивановой В. С., доктора технических наук, которая посвятила много работ проблематики усталости [7-8, 9-10].

Малоцикловая усталость рассматривалась в работах С.В. Серенсена, Р.М. Шнейдеровича, H.A. Махутова, А.Н. Романова, М.М. Гаденина, В.Т. Трощенко, В.А. Стрижало и др.

За последние время в России вопросам изучения малоцикловой усталости материалов посвящены ряд диссертаций. [11-13] В работах [14-19] рассмотрены вопросы малоцикловой усталости сварных соединений различных марок сталей.

В Институте промышленных технологий машиностроений НГТУ им. Алексеева в работах [20-21] рассмотрены научные положения механизмов усталостного разрушения при низких температурах. Работа [22] посвящена исследованию усталостной прочности стали 09Г2С после трехмерной печати электродуговой наплавкой.

1.1. Общие сведения об усталости материалов

1.1.1. Механизм и стадийность усталостного разрушения металлов

Машины и их детали, в т. ч. и сварные металлоконструкции, при эксплуатации подвергаются действию циклически изменяющихся во времени нагрузок, что создает условия для возникновения особого вида разрушений, называемых усталостными [23].

Применяемые в науке и технике термины, определения и обозначения основных понятий, относящихся к методам испытаний и расчетов на усталость металлов и сплавов приведены в ГОСТ 23207-78. [24]

Характер разрушения материала в результате воздействия на него циклических нагрузок существенно отличается от разрушения при статических нагрузках. Практически установлено, что усталостное разрушение происходит при напряжениях, меньших предела прочности, определенного при испытании на растяжение. Но многократность воздействия таких нагрузок приводит к постепенному накоплению локальных микродефектов в материале, которые, объединяясь, образуют макроскопическую трещину [25]. Таким образом, можно выделить три основных этапа усталостного разрушения в металлах:

1. Зарождение усталостной трещины на поверхности или в подповерхностном слое материала (происходит медленный и стабильный рост трещины). Под действием циклических напряжений образуются полосы локального скольжения, которые образуют рельеф. Он различим в электронный микроскоп, состоит из экструзий (выступы) и интрузий

(впадины). Схема образования таких микродефектов при МЦУ показана на рисунке 1.1. Экструзии и интрузии обычно формируются под углом 45 ° по отношению к растягивающим напряжениям [26]. Образование значительного количества локальных микродефектов с последующим воздействием напряжений приводит к образованию макроскопической (магистральной) трещины.

Рисунок 1.1 - Модель образования усталостной трещины: движение дислокации в зависимости от наиболее благоприятной ориентации, включая

2. Рост макроскопической трещины. На этом этапе развитие макротрещины ориентировано перпендикулярно относительно направления действия напряжения, приложенного к детали. Скорость роста трещины увеличивается под действием периодических внешних сил, это приводит к уменьшению площади поперечного сечения детали;

3. Долом, происходит мгновенно, так как оставшееся сечение слишком мало, чтобы противодействовать внешним силам [27].

Каждому из трех этапов в общем случае в изломе соответствует определенная зона (рисунок 1.2).

Outer surface

Extrusion Extrusion-Intrusion Pair

интрузию, экструзию и их пару [26]

ПК

Рисунок 1.2 - Зоны на поверхности усталостного излома: ПК -поверхностный концентратор напряжений в виде паза под шпонку; 1 - очаг;

2 - усталостная зона; 3 - зона долома [28]

Исследования показали, что микротрещины могут появиться уже после наработки в 1 % от ресурса [29]. При этом мелкие поверхностные дефекты, которые могут выступать в качестве источников зарождения трещин, иногда присутствуют уже при поставке изделия клиенту от производителя.

Теории Фудзита, Одинга, Коттрелла и Халла объясняют механизмы возникновения усталостных трещин на основе дислокационной теории строения твердых металлических тел [9, 30].

Разновидности и свойства дислокаций рассмотрены в работе [31].

Возникают дислокации при кристаллизации металлических расплавов на границе зерен, количество дислокаций в структуре металла велико из-за огромной протяженности границ. Механизм генерирования и развития дислокации под действием напряжений рассмотрен в работе [32].

Теория Фудзита имеет в своей основе предположение аннигиляции двух краевых дислокаций разного знака (рисунок 1.3), в результате чего образуются пустоты, которые могут выступать в качестве зародыша трещины.

А

Ь

▼

Рисунок 1.3 - Движение краевых дислокаций разного знака, х - расстояние между дислокациями в направлении скольжения, И - расстояние между плоскостями скольжения [33]. Если плоскости скольжения дислокаций расположены на расстоянии менее порядка десяти ангстрем, то дислокации будут аннигилировать и образовывать пустоты. Если расстояние между плоскостями скольжения дислокаций превышает порядок в десять ангстрем, то дислокации могут пройти мимо друг друга и не слиться, так как в этом случае энергия плоскости будет превышать энергию дислокации.

Образовавшаяся вследствие слияния нескольких дислокаций пустота будет поглощать новые дислокации и перерастать в трещину шириной, равной вектору Бюргерса, поделённому на количество поглощённых дислокаций.

По теории Одинга усталостные трещины являются результатом появления полей напряжений вокруг линейных дислокаций. Это предположение основано на расчёте силового поля напряжений вокруг дислокаций. При сближении дислокаций под воздействием нагрузок после взаимодействия силовых полей возникают высокие локальные напряжения, близкие по значениям к теоретической прочности металла.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Галкин Андрей Александрович, 2025 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Albert, W. A. J. (1838) "Über Treibseile am Harz" Archiv für Mineralogie Geognosie Bergbau und Hüttenkunde, vol. 10, pp 215-34.

2. Braithwaite, F. (1854). "On the fatigue and consequent fracture of metals". Institution of Civil Engineers, Minutes of Proceedings. 13 (1854): 463—467. DOI:10.1680/imotp.1854.23960

3. Wöhler, A. (1855). "Theorie rechteckiger eiserner Brückenbalken mit Gitterwänden und mit Blechwänden". Zeitschrift für Bauwesen. 5: 121-166.

4. Wöhler, A. (1870). "Über die Festigkeitsversuche mit Eisen und Stahl". Zeitschrift für Bauwesen. 20: 73-106.

5. Wöhler's experiments on the strength of metals". Engineering. 4: 160-161.

1867.

6. Wöhler, A. (1871). Engl. Abstr. Eng. Vol. 2.

7. Иванова В.С. Гипотеза энергетического подобия усталостного разрушения и плавления металлов и ускоренный метод определения предела усталости / Акад. наук СССР. Ин-т металлургии им. А.А. Байкова. - Москва: Б. и., 1960. - 32 с.

8. Гуревич С.Е., Копьев И.М., Иванова В.С., Усталость и хрупкость металлических материалов / АН СССР. Ин-т металлургии им. А.А. Байкова. -Москва: Наука, 1968. - 215 с.

9. Иванова В.С. Усталостное разрушение металлов. - Москва: Металлургиздат, 1963. - 272 с.

10. Иванова В.С., Терентьев В.Ф. Природа усталости металлов. -Москва: Металлургия, 1975. - 455 с.

11. Лыкова, А.В. Малоцикловая усталость конструкционных сплавов при сложных термомеханических воздействиях: дис. ... канд. тех. наук: 1.1.8: защищена 21.12.2022 / Лыкова Анастасия Васильевна. - Пермь, 2022. - 140 с.

12. Факеев, А.И. Разработка моделей циклического деформирования и малоцикловой усталости конструкционных материалов при

неизотермическом нагружении: дис. канд. тех. наук: 01.02.04: защищена 19.12.2013 / Факеев Александр Игоревич. - Москва, 2013. - 137 с.

13. Горбань, Н.Н. Разработка методики мониторинга малоцикловой усталости в локальных геометрических дефектах стенки резервуаров морских терминалов нефти: дис. канд. тех. наук: 01.02.04: защищена 16.12.2021 / Горбань Николай Николаевич. - Москва, 2021. - 148 с.

14. Никулин, С.А. Малоцикловая усталость металла шва сварного соединения низкоуглеродистой стали после высокотемпературного воздействия / С. А. Никулин, С. О. Рогачев, В. А. Белов [и др.] // Деформация и разрушение материалов. - 2023. - № S3. - С. 20-30.

15. Гончар, А.В. Ультразвуковой и вихретоковый контроль процесса усталостного разрушения сварных соединений из аустенитной стали / А. В. Гончар, В. А. Клюшников, В. В. Мишакин, М. С. Аносов // Дефектоскопия. -2021. - № 7. - С. 28-36.

16. Коваленко, И. В. Исследование малоцикловой усталости материала креплений главного двигателя судна / И. В. Коваленко, Н. А. Ковальчук, Ю. В. Ландиков // Технология машиностроения. - 2019. - № 4. - С. 5-10.

17. Молоков, К.А. Основы прогнозирования технического состояния, работоспособности и долговечности сварных конструкций / К. А. Молоков, В.

B. Новиков, С. В. Антоненко [и др.] // Морские интеллектуальные технологии. - 2019. - № 4-2(46). - С. 18-27.

18. Ларионов, В. В. Прочность сварных стальных конструкций при малоцикловом нагружении / В. В. Ларионов // Промышленное и гражданское строительство. - 2018. - № 8. - С. 70-79.

19. Васечкин, М.А. Малоцикловая усталость сварных конструкций, изготовленных из отечественных и импортных материалов / М. А. Васечкин,

C. В. Егоров, А. Б. Коломенский, Е. Д. Чертов // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. - 2018. - Т. 80, № 4(78). - С. 75-79.

20. Kabaldin Y.G., Anosov M.S., Shatagin D.A., Sidorenkov D.V., Golovin A.A., Zhelonkin M.A. Fatigue failure at low temperatures / Russian Engineering Research. 2017. Т. 37. № 10. С. 866-873.

21. Кабалдин Ю.Г., Механизмы усталостного разрушения материалов при низких температурах / Кабалдин Ю.Г., Аносов М.С., Шатагин Д.А., Сидоренков Д.В., Головин А.А., Желонкин М.А. / Вестник машиностроения. - 2017. - № 7. - С. 51-58.

22. Кабалдин Ю.Г., Исследование усталостной прочности стали 09Г2С, полученной на основе трехмерной печати электродуговой наплавкой, в широком диапазоне пониженных температур / Кабалдин Ю.Г., Хлыбов А.А., Аносов М.С., Рябов Д.А. /Черные металлы. - 2022. - № 2. - С. 42-48.

23. Вахромеев, А.А. Определение циклической долговечности материалов и конструкций транспортных средств: методические указания / А.М. Вахромеев. - М.: МАДИ, 2015. - 64 с.

24. ГОСТ 23207-78. Сопротивление усталости. Основные термины, определения и обозначения. Введ. 01.01.1979. - 49 с.

25. Мурашов, А.А Изучение процессов усталостного и коррозионно-усталостного разрушения мелкозернистых металлов и сплавов: практикум / А.А. Мурашов, А.В. Нохрин, Н.Н. Берендеев. - Нижний Новгород: Изд-во ННГУ, 2022. - 53 с.

26. Фролова, О.А. Особенности разрушения конструкционных материалов при различных условиях нагружения: учебное пособие / О.А. Фролова; Оренбургский гос. ун-т. - Оренбург: ОГУ, 2019. - 91 с.

27. Murakami Y., Nomoto T., Ueda T. Factors influencing the mechanism of superlong fatigue failure in steels // Fatigue Fract. Engng. Mater. Sci., 1999. V. 22, № 7. - P. 581-590.

28. Золоторевский, В.С. Механические свойства металлов: Учеб. для студентов вузов, обучающихся по группе спец. направления "Металлургия" /

В. С. Золоторевский. — 3. изд., перераб. и доп. — Москва: МИСИС, 1998. -400 с.

29. Симонов, Ю. Н. Физика прочности и механические испытания металлов: курс лекций : учебное пособие / Ю. Н. Симонов, М. Ю. Симонов. -Пермь : ПНИПУ, 2020. - 199 с.

30. Капустянский, Е.Н. Расчет на усталостную прочность деталей машин с учетом использования различных теорий / Капустянский Е.Н., Романовский Б.В., Викулов А.С.: Учебное пособие (с грифом УМО АМ). -Изд. 2-е. доп. и перераб. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2003. - 148 с.

31. Фридель Ж. Дислокации. М.: Изд-во Мир, 1967. - 643 с.

32. F.C. Frank, W.T. Read -Phys.Rev., 79, 722, 1950.

33. Кабалдин, Ю.Г. Научные основы управления микро- и макроструктурой металла заготовок, полученных аддитивным выращиванием, путем послойного нано- и дисперсного модифицирования для повышения механических характеристик изделий: монография / Ю.Г. Кабалдин. -Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева. - Н. Новгород, 2024. - 193 с.

34. Sverre Gran. A Course in Ocean Engineering / January 1, 1992 by Elsevier Publishing Company. 604 p.

35. Ботвина, Л.Р. Гигацикловая усталость - новая проблема физики и механики разрушения / Л.Р. Ботвина // Заводская лаборатория. - 2004. - № 4, Т. 70. - С. 41-51.

36. Селезнев, М.Н. ВЫЯВЛЕНИЕ ЗОН УСТАЛОСТНОЙ ТРЕЩИНЫ ПРИ ГИГАЦИКЛОВОЙ УСТАЛОСТИ СТАЛИ 42CrMo4 С ПРИМЕНЕНИЕМ КОЛИЧЕСТВЕННОЙ ФРАКТОГРАФИИ / Селезнев М.Н., Мерсон Е.Д. -Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2019;(3):33-39. - URL: https://doi.org/10.18323/2073-5073-2019-3-33-39

37. Махутов Н.А., АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННЫХ И ПРЕДЕЛЬНЫХ СОСТОЯНИЙ В ЭКСТРЕМАЛЬНО НАГРУЖЕННЫХ

ЗОНАХ МАШИН И КОНСТРУКЦИЙ. / Махутов H.A., Гаденин М.М., Резников Д.О., Неганов Д.А. / Чебышевский сборник. 2017;18(3):390-412. -URL: https://doi.org/10.22405/2226-8383-2017-18-3-390-412

38. Клевцов, Г.В. Пластические зоны под поверхностью изломов и диагностика разрушения металлических материалов // М.: Нобель Пресс, 2012. - 124 с.

39. Токарев А.О., Отказы деталей машин. Анализ причин, техническая диагностика и профилактика // А.О. ^карев, И.Г. Мироненко // Вологда: Инфра-Инженерия, 2020. - 220 с. Щурин, К. В. Надежность машин : учебное пособие / К. В. Щурин. — Санкт-Петербург : Лань, 2022.

40. Солнцев, Ю. П. Специальные материалы в машиностроении / Ю. П. Солнцев, Е. И. Пряхин, В. Ю. Пиирайнен. — 3-е изд., стер. — Санкт-Петербург : Лань, 2023.

41. Ходинев, И.А ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКГЕРИСТИК МАЛОЦИКЛОВОЙ УСТАЛОСТИ ЖАРОПРОЧНОГО ДЕФОРМИРУЕМОГО СПЛАВА ВЖ175 / Ходинев И.А., Горбовец М.А., Монин С.А., Рыжков П.В. / Tруды ВИАМ. 2022. №1 (107).

42. Ерасов, В.С. Испытания на усталость металлических материалов (обзор) часть 1. Основные определения, параметры нагружения, представление результатов испытаний / Ерасов, В.С., Орешко Е.И. // Авиационные материалы и технологии. - 2020. - №4 (61). - C. 59-70.

43. Шанявский, А. А., Солдатенков, А. П. Масштабные уровни предела усталости металлов / А. А. Шанявский, А. П. Солдатенков // Физическая мезомеханика. - 2019. - №1. - С. 49-53.

44. Rémy, Luc. (2019). Low cycle fatigue of alloys in hot section components: progress in life assessment. Procedia Structural Integrity. 14. 3-10. 10.1016/j.prostr.2019.05.002.

45. Махутов, Н.А. Исследования свойств материалов при сложных условиях малоциклового деформирования / Н. А. Махутов, М. М. Гаденин, О.

Ф. Чернявский, А. О. Чернявский // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2021. - Т. 87, № 7. - С. 49-58.

46. Романов, А. Н. Проблемы материаловедения в механике деформирования и разрушения на стадии образования трещин при циклическом нагружении / А. Н. Романов // Живучесть и конструкционное материаловедение (ЖивКоМ - 2016): Труды конференции, Москва, 26-28 октября 2016 года. - Москва: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук, -2016. - С. 275-278.

47. Адигамов Р.Р., Андреев В.А., Рогачев С.О., Федотов Е.С., Хадеев Г.Е., Юсупов В.С. Проявление эффекта Баушингера при знакопеременной деформации. Известия высших учебных заведений. Черная Металлургия. 2022;65(7):455-466. - URL: https://doi.org/10.17073/0368-0797-2022-7-455-466

48. Настольная машина UBM-100 - официальный сайт. - URL: https://infcs.ru/product/issledovatelskoeoborudovanie/mekhanicheskie-ispvtaniva/mashinynaizgibsvrashcheniem/nastolnava-mashina-ubm-

100/?ysclid=m3yhvk0b7z512299975 (дата обращения: 26.11.2024).

49. VELMAS - Приборы неразрушающего контроля на официальном сайте ВЕЛМАС: официальный сайт. - URL: https://velmas.ru/catalog/mehanicheskie-ispytaniya/elektro-mehanicheskie-ispvtaniva/servogidravlicheskie-ispvtatelnve-sistemv-mts-landmark/ (дата обращения: 02.08.2023).

50. Оборудование ЦКП «Нанотех» - сервогидравлическая испытательная система Instron 8801. - URL: https://uust.ru/eik/units/instron8801/?ysclid=m3yhry9s9i669432 (дата обращения: 26.11.2024).

51. Овчинников, В.В. Сварочное производство. Сварочные материалы. Свойства сварных соединений. Дефекты. Том 2 / В.В. Овчинников, М.А. Гуреева // Инфра-Инженерия: Волгоград, 2023. - 508 с.

52. ГОСТ 25.502-79. Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Методы механических испытаний металлов. Методы испытаний на усталость. Введ. 01.01.1981. - 50 с.

53. ГОСТ 25.504-82. Расчеты и испытания на прочность. Методы расчета характеристик сопротивления усталости. Введ. 01.07.1983. - 55 с.

54. Мешков, Ю.Я. Физические основы разрушения стальных конструкций. Киев: Наукова думка, -1981. - 240 с.

55. Котречко, С. А. Локальный подход к анализу хрупкого разрушения и его физическая интерпретация //Проблемы прочности. - 2003 -№4. - С.14-31.

56. Боднер, Н., Линдхолм С. Критерий приращения повреждения для зависящего от времени разрушения материалов // Теоретические основы инженерных расчетов. - 1976, - №2. - С.51

57. Степнов, М. Н. Прогнозирование характеристик сопротивления усталости материалов и элементов конструкций / М. Н. Степнов, А. В. Зинин.

- Москва : Инновационное машиностроение, 2016. - 391 с. : ил. - Библиогр.: с. 380-391. - ISBN 978-5-9907308-0-9

58. Серенко Александр Никитич Оценка степени влияния остаточных напряжений на выносливость сварных конструкций. Часть 1 // ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет». - 2005. - №15-1.

- C. 134-138.

59. Носов, В. В. Диагностика машин и оборудования : учебное пособие для вузов / В. В. Носов. — 5-е изд., стер. — Санкт-Петербург : Лань, 2021. -376 c.

60. Авторское свидетельство № 1626124 A1 СССР, МПК G01N 3/32. Способ испытания сварного соединения на малоцикловую усталость: № 4630514 : заявл. 02.01.1989 : опубл. 07.02.1991 / А. Г. Мазепа, А. Г. Казанцев, В. И. Судаков; заявитель НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ

ОБЪЕДИНЕНИЕ ПО ТЕХНОЛОГИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ "ЦНИИТМАШ".

61. Рыжиков, И. Н. Повреждения и разрушения сварных конструкций: учебное пособие / И. Н. Рыжиков. — Иркутск : ИРНИТУ, 2021. — 118 с.

62. Худошин, А. А. Концентрация напряжений в сварном соединении / А. А. Худошин, В. А. Панфилов, В. А. Зимина // Безопасность труда в промышленности. - 2004. - № 3. - С. 46-47.

63. Астафьев В.И., Радаев Ю.Н., Степанова Л.В. Нелинейная механика разрушения. - Самара: Издательство "Самарский университет", 2004. - 562 c.

64. Клецова, О. А. Диагностика разрушения : учебное пособие / О. А. Клецова, Е. Ю. Приймак, Н. В. Фирсова. - 2-е изд., стер. - Москва : ФЛИНТА, 2019. - 188 с.

65. Ермилов, В. В. Механика (курс лекций) : учебное пособие : в 2 частях / В. В. Ермилов. — Череповец : ЧГУ, 2021 — Часть 1 — 2021. - 197 c.

66. Влияние различных методов поверхностного упрочнения на усталостную прочность / И. В. Пономаренко, С. С. Дьяченко, И. В. Дощечкина, И. И. Кондратенко // Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета. - 2006. - № 33. - С. 41-44.

67. R.C. Juvinall, Engineering Considerations of Stress, Strain, and Strength, McGraw-Hill, New York, 1967.

68. Мак-Ивили А.Дж. Анализ аварийных разрушений // М.: Техносфера, 2010. - 416 с.

69. H.O. Fuchs, R.I. Stephens, Metal Fatigue in Engineering, Wiley, New York, 1980.

70. Нгуен Нгок Т., Капралов В. М., Коленько Г. С. Влияние частот нагружения на сопротивление усталости материалов // Глобальная энергия. -2019. - №2. - C. 68-77.

71. Гольцев, В.Ю. Методы механических испытаний и механические свойства материалов // М.: НИЯУ МИФИ, 2012. - 228 с.

72. Крыжевич, Г. Б. Учет температурного фактора в расчетах усталостной долговечности конструкций морской техники / Г. Б. Крыжевич, А. А. Петров // Морские интеллектуальные технологии. - 2018. - № 2-1(40). -С. 11-19.

73. Материаловедение // Теория [Электронный ресурс] URL: https://https://matved.ru/fizicheskaya priroda faz /Дата обращения: 01.02.2025.

74. Эфрон, Л.И. Металловедение в «большой» металлургии. Трубные стали. / Л.И. Эфрон. - Москва: Металлургиздат, 2012. - 696 с.

75. Патент № CN106148819 Китай, МПК C21D 6/00. High-strength structural steel S690QL (QL1) medium-thickness plate and production method thereof. № 102016000467512: заявлено 24.06.2016: опубликовано 23.11.2016 / XU SHAOPU, ZHU SHUCHENG, YUAN YONGQI, LI ZHONGBEI, DING JIAN, KANG WENJU, LIU QINGBEI; патентообладатель NANYANG HANYE SPECIAL STEEL CO., LTD.

76. Патент № AU2020442274 Австралия, МПК C22C33/04. 690 MPa-graded easy-to-weld corrosion-resisting high-strength steel and manufacturing method therefor. № 202010304169.1: заявлено 17.04.2020: опубликовано 21.10.2021 / Yong Feng, Jihong Liu, Tong Liu, MingLiang QIAO, Junping Wu, Qiangjun YAN, Qinghui Zhang, Jianping Zheng; патентообладатель Nanjing Iron & Steel Co., Ltd.

77. Исследование влияния режимов контролируемой прокатки трубной стали на структурное состояние горячедеформированного аустенита / П. П. Полецков, М. С. Гущина, Д. Ю. Алексеев [и др.] // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. - 2018. - Т. 16, № 3. - С. 67-77. - DOI 10.18503/1995-2732-2018-16-3-67-77.

78. Топоров Г. В., Смокотин Г. Я. Влияние величины зерна на ударно-усталостную стойкость стали 45 // Известия ТПУ. 1958.

79. Смирнов, И. В. Сварка специальных сталей и сплавов / И. В. Смирнов. — 4-е изд., стер. — Санкт-Петербург : Лань, 2023.

80. Nikolic, Ruzica & Arsic, Dusan & Lazic, Vukic & Aleksandrovic, S. & Marinkovic, P. & Djordjevic, Milan & Cukic, R.. (2013). Application of the S690QL Class Steel in Responsible Welded Structures. Materials Engineering-Materialove Inzinierstvo. 20. 174-183.

81. Gaspar, Marcell & Dobosy, A & Akos, Meilinger & Nagy, Gy. (2023). Low-cycle fatigue behavior of differently matched welded joints of quenched and tempered steel. Welding in the World. 67. 10.1007/s40194-023-01545-z.

82. Г.В. Егоров, Г.В. Ермолаев, В.В. Квасницкий, В.Ф. Квасницкий,

B.А. Мартыненко, М.В. Матвиенко, Л.П. Кравченко. Учебное пособие. — Николаев: НУК, 2014. - 136 с.

83. Клевцов Г.В., Ботвина Л.Р., Клевцова Н.А., Лимарь Л.В. Фрактодиагностика разрушения металлических материалов и конструкций. -М.: МИСиС, 2007. - 264 с.

84. Морозов Ю. Д., Эфрон Л. И., Немтинов А. А. Развитие требований к сталям для новых проектов магистральных газопроводов и проблемы обеспечения свойств толстолистового проката для таких труб//Материалы 6-й межд. научно-техн. конф. «Готовность ОАО "Харцызский трубный завод" к производству труб для высокопрочных трубопроводов», 14-17 мая 2007 г., Ялта, Украина.

85. Гуляев А.П., Шермазин И.В., Зеленова В.Д. Определение порога хладномкости стали микрофрактографичским методом // Заводская лаборатория, 1966. - Т. 32. - № 7. - С. 870-872. Ботвина Л.Р. Разрушение: кинетика, механизмы, общие закономерности. - М.: Наука, 2008. - 334 с.

86. Морозов Ю. Д., Эфрон Л. И. Стали для труб магистральных трубопроводов: состояние и тенденции развития//Металлург. - 2006. - № 5. -

C. 53-57.

87. Бодяев Ю.А. Применение технологии контролируемой прокатки при производстве рулонной стали для нефтепроводных труб класса прочности

до К65/ Ю. А. Бодяев, В. И. Столяров, Ю. Д. Морозов и др.//Металлург. -2006. -№ 8. - С. 63-67.

88. Рыбин, В.В. Высокопрочные стали для магистральных трубопроводов / В. В. Рыбин, В. А. Малышевский, Е. И. Хлусова [и др.] // Вопросы материаловедения. - 2009. - № 3(59). - С. 127-137.

89. Георгиев, М. Н. Трещиностойкость железоуглеродистых сплавов : монография / М. Н. Георгиев, Ю. Н. Симонов. — Пермь : ПНИПУ, 2013. — 419 с.

90. Вакуленко, С.А. Практический курс по нейронным сетям / С.А. Вакуленко, А.А. Жихарева // СПб: Университет ИТМО, 2018. - 71 с.

91. Вапник, В.Н. Теория распознавания образов (статистические проблемы обучения) / В.Н. Вапник, А.Я. Червоненкис // М.: Наука, 1974. - 416 с.

92. Вапник, В.Н. Восстановление зависимостей по эмпирическим данным // М.: Наука, 1979. - 448 с.

93. Vapnik V.N. The Nature of Statistical Learning Theory. Springer, 1995. - 188 P.

94. Vapnik V.N. Statistical Learning Theory. NY: John Wiley, 1998. - 768

p.

95. Виноградова Е.Ю. Методологические основы исследования нейронных сетей // Управленец. 2014. №2 (48).

96. Шкатов, В. В. Применение нейронных сетей для прогнозирования характеристик пластичности горячекатаных листовых сталей / В. В. Шкатов, В. В. Шкатов // Современные материалы, техника и технологии. - 2018. - № 3(18). - С. 42-46.

97. Каллан Р. Основные концепции нейронных сетей: Пер. с англ. - М.: ООО «И. Д. Вильямс», 2001. 290 с.

98. Кабалдин, Ю.Г Искусственный интеллект, интернет вещей, облачные технологии и цифровые двойники в современном

механообрабатывающем производстве: монография / Ю.Г. Кабалдин [и др.]; под ред. Ю.Г. Кабалдина; Нижегород. гос. техн. ун-т им. Р.Е. Алексеева. -Нижний Новгород, - 2019. - 196 с.

99. Тягунов, А.Г. Применение искусственных нейронных сетей в материаловедении: учебное пособие / А. Г. Тягунов, О. Б. Мильдер, Д. А. Тарасов, А. П. Сергеев ; М-во науки и высш. обр. РФ. - Екатеринбург : Изд-во Уральского ун-та, 2021. - 68 с. - ISBN 978-5-7996-3337-0. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1936329 (дата обращения: 19.07.2024). - Режим доступа: по подписке.

100. Rumelhart, О. Е Learning repre- sentations of back-propagation errors/ Rumelhart О. Е., Hinton G. E., Williams R. J. // Nature. 1986. Уо1. 323. Р. 533536.

101. Watrous R. L. Learning algorithms for connectionist networks: Ap- plied gradient methods of nonlinear optimization // First IEEE In- formational Conference on Neural Networks. San Diego, СА. 1987. Уо1. 2. Р. 619-627.

102. Шкатов, В.В. Прогнозирование предела текучести горячекатаных полосовых сталей. В сборнике: Инновации, качество и сервис в технике и технологиях Сборник научных трудов 5-ой Международной научно-практической конференции / Шкатов В.В., Богомолов И.В., Шкатов В.В. / Ответственный редактор: Горохов А.А.. Курск, 2015. С. 357-361.

103. Аверин, П.И. Вариант решения задачи прогнозирования признаков разрушения металлов с помощью нейронных сетей на основе данных вейвлет-анализа импульсов акустической эмиссии / Аверин П.И., Мельников Б.Ф. // Современные информационные технологии и ИТ-образование. - 2011. - №7.

104. Кацуба, Ю. Н. ПРИМЕНЕНИЕ ИСКУССТВЕННЫХ НЕЙРОННЫХ СЕТЕЙ ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ИЗДЕЛИЙ / Ю. Н. Кацуба,, Л.В. Григорьева, // Международный научно-исследовательский журнал. - 2016. - №3 (45).

105. Нейросеть научили подбирать материалы для создания новых промышленных изделий [Электронный ресурс] // Наука - ТАСС, 2020. URL: https://nauka.tass.ru/nauka/10995377?utm_source=yandex.ru&utm_medium=orga nic&utm_campaign=yandex.ru&utm_referrer=yandex.ru. Дата обращения: 01.03.2023.

106. Аристов, Г. В. Распознавание и классификация микроструктуры металлов и сплавов с использованием глубоких нейронных сетей / Г. В. Аристов, А. В. Клюев // GraphiCon 2017 : Труды 27-й Международной конференции по компьютерной графике и машинному зрению, Пермь, 24-28 сентября 2017 года / Пермский государственный национальный исследовательский университет. - Пермь: Издательский центр Пермского государственного национального исследовательского университета, 2017. - С. 180-183.

107. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № RU 2018661558 Российская Федерация. MRM: № 2018618385: заявлено 06.08.2018: опубликовано 07.09.2018, Бюл. №2 9 / Клюев А.В., Клестов Р.А, Рогожников А.В; правообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет» (RU). -Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ.

108. Кудря, А.В. Оценка строения изломов и структур в конструкционных сталях с использованием компьютеризированных процедур // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. - 2015. - №. 4 (34). - C.44-52.

109. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № RU 2019665772 Российская Федерация. НейроМатериал: № 2019664725: заявлено 18.11.2019: опубликовано 28.11.2019, Бюл. № 12 / Клюев А.В., Клестов Р.А, Столбов В.Ю.; правообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение образования

«Пермский национальный исследовательский политехнический университет» (RU). - Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ.

110. Computer analysis of the cemented carbides' microstructure / D. G. Kagramanyan, E. P. Konstantinova, A. N. Nekrasov [et al.] // Letters on Materials. - 2021. - Vol. 11, No. 4(44). - P. 447-451. - DOI 10.22226/2410-3535-2021-4-447451.

111. Victor Hugo C de Albuquerque, Auzuir Ripardo de Alexandria, Paulo César Cortez, Joao Manuel RS Tavares, Evaluation of multilayer perceptron and self-organizing map neural network topologies applied on microstructure segmentation from metallographic images // NDT & E International, Vol.42(7), 2009, pp. 644-651.

112. Gang Wang, T. Warren Liao Automatic identification of different types of welding defects in radiographic images // NDT&E International. 2002. 35. pp 519-528.

113. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № RU 2023684547 Российская Федерация. Диагностика остаточного ресурса и поврежденности сплавов на основе неразрушающих методов контроля, анализа изображений микроструктур и машинного обучения: № 2023682263: заявлено 27.10.2023: опубликовано 16.11.2023, Бюл. № 11 / Аносов М.С., Манцеров С.А., Ломакина Л.С., Двитовская А.Н.; правообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева" (НГТУ) (RU). -Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ.

114. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № RU 2021614913 Российская Федерация. Программное обеспечение анализа структурно-механических характеристик металлических материалов при многоэтапном пластическом деформировании: № 2021613777: заявлено 24.03.2021: опубликовано 31.03.2021, Бюл. № 4 / Манцеров С.А., Дудников

Д.О., Огурцов Н.А., Галкин В.В., Гаврилов Г.Н.; правообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева" (НГТУ) (RU). - Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ.

115. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № RU 2022666922 Российская Федерация. Программа для оценки показателей микроструктуры и структурной поврежденности материалов: № 2022666306: заявлено 07.09.2022: опубликовано 12.09.2022, Бюл. № 9 / Аносов М.С., Желонкин М.В., Шатагин Д.А., Михайлов А.М.; правообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева" (НГТУ) (RU). - Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ.

116. Попов, Б.Е. СТАЛЬНЫХ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ / Б.Е. Попов (ИКЦ "Кран", Москва), В.Ф. Мужицкий (ЗАО "НИИИН МНПО "Спектр", Москва), Г.Я. Безлюдько (НПФ "СНР", г. Харьков), В.М. Долинский (ОАО "УкрНИИхиммаш"), Е.А. Левин (ОАО "УкрНИИхиммаш") / ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА МАГНИТНОЙ ДИАГНОСТИКИ СТАЛЬНЫХ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ / [Электроный ресурс] // АО «Научно-исследовательский институт интроскопии МНПО «СПЕКТР» URL: http : //www.nio 12 .ru/stati/teoriya-i-praktika-magnitnoj -diagnostiki-stalnyx-metallokonstrukcij / Дата обращения: 18.06.2024.

117. Rumelhart О. Е., Hinton G. E., Williams R. J. Learning repre- sentations of back-propagation errors // Nature. 1986. Уо1. 323. Р. 533-536.

118. Гончар, А.В. Исследование микропластической деформации конструкционной стали на начальном этапе усталостного разрушения методами неразрушающего контроля / А.В. Гончар, А.Л. Руденко, В.В.

Мишакин [Текст] // Деформация и разрушение материалов. - 2012. - №7. - С. 37-42.

119. Мишакин, В.В. Использование акустического метода для оценки поврежденности стали 08Х18Н10Т при усталостном разрушении / В.В. Мишакин, Ф.М. Митенков, Н.Н. Данилова, В.А. Клюшников [Текст] // Контроль. Диагностика. - 2012. - №7. - С. 9-13.

120. Иляхинский, А.В. ВЛИЯНИЕ МАЛОЦИКЛОВОЙ УСТАЛОСТИ МЕТАЛЛА НА РЕЗУЛЬТАТЫ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДИАГНОСТИКИ / А.В. Иляхинский, В.М. Родюшкин, А.А. Хлыбов / Институт проблем машиностроения РАН // Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева. - 2016. - С.46-50

121. Прохоров, А.В. Магнитный контроль (по коэрцитивной силе) уровня накопленных усталостных повреждений при циклических нагрузках в сварных соединениях сталей 09Г2С И ВСт3сп5 (Уфимский государственный нефтяной технический университет). - 2002. - №1. - С. 1-8.

122. OK ARISTOROD 69 [Электронный ресурс] // ESAB, 2023. - URL: https://www.esab.ru/ru/ru/products/filler-metals/mig-mag-wires-gmaw/low-alloy-wires/ok-aristorod-69.cfm?ysclid=lekwdttx1o105627627. Дата обращения: 14.08.2023 г.

123. Хлыбов, А.А. Разработка акустического метода определения степени наводороживания в конструкциях из титановых сплавов / А.А. Хлыбов [и др.] // Дефектоскопия. - 2019. - №4. - С. 8-14. D0I:10.1134/S013030821904002X

124. Маркидонов, А.В. Структурные трансформации вакансионной поры при радиационном облучении материала [Текст] / А.В. Маркидонов, М.Д. Старостенков, А.В. Яшин // Научная электронная библиотека. - Барнаул. - 2013. - С.12-20.

125. Хлыбов А.А., Углов А.Л. Экспериментальное исследование закономерностей накопления усталостных повреждений в стали 08Х18Н10Т

при малоцикловом блочном нагружении с использованием акустического метода // Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева. / Физическая мезомеханика. - 2015. - № 6. - С. 111-115.

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. Р. Е. Алексеева

на правах рукописи

Галкин Андрей Александрович

«ПРИМЕНЕНИЕМ ИСКУССТВЕННОЙ НЕЙРОННОЙ СЕТИ ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПОВЕДЕНИЯ РОССИЙСКОГО АНАЛОГА ИМПОРТНОЙ ВЫСОКОПРОЧНОЙ СТАЛИ S690QL В УСЛОВИЯХ

МАЛОЦИКЛОВЫХ НАГРУЗОК» Приложения (рекомендуемое)

Специальность 2.6.1 - Металловедение и термическая обработка металлов и

сплавов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Ю.Г. Кабалдин

Нижний Новгород - 2025

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ А.

РЕЗУЛЬТАТЫ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ СВАРНЫХ

СОЕДИНЕНИЙ СТАЛЕЙ ТИПА S690QL............................................3

А.1. Методика дополнительных исследований............................................3

А.1.1. Оборудование и методика исследования макроструктуры..........3

А.1.2. Оборудование и методика измерения микротвердости в сечениях сварных образцов........................................................................3

А.2. Результаты и анализ исследований........................................................4

А.2.1. Ударная вязкость сварных образцов из сталей типа S690QL.......4

А.2.2. Результаты и анализ металлографического анализа.....................7

А.2.3. Результаты и анализ измерения микротвердости в сечениях

сварных соединений..................................................................................12

А.2.4. Результаты и анализ МЦУ сварного соединения из стали

S690QL (Россия)........................................................................................16

А.2.5. Выводы.............................................................................................17

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. АКТ ВНЕДРЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ

ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ........................................18

ПРИЛОЖЕНИЕ В. ОХРАННЫЕ ДОКУМЕНТЫ НА РЕЗУЛЬТАТЫ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ..........................................19

ПРИЛОЖЕНИЕ А

РЕЗУЛЬТАТЫ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ СТАЛЕЙ ТИПА S690QL

В приложении изложены результаты дополнительных исследований сталей типа S690QL применительно к сварным соединениям, а именно:

- исследования ударной вязкости различных зон сварных соединений встык;

- макроанализ сечений сварных соединений встык;

- распределение микротвердости по сечениям сварных соединений;

- влияние термической обработки на распределение микротвердости по сечениям сварных соединений;

A.1. Методика дополнительных исследований

A.1.1.Оборудование и методика исследования макроструктуры

Макроструктуру сварного соединения определяют на специально приготовленном макрошлифе (темплете) с целью выявления формы и размеров сварного шва, различных участков зоны термического влияния, макродефектов сварного соединения. Образцы для анализа макроструктуры вырезали из КСС в поперечном сечении к самому сварному шву. Для изготовления макрошлифов применялось то же оборудование, что и для подготовки микрошлифов в главе 2 (раздел 2.7). Согласно ГОСТ 57180-2016, образцы охватывают все зоны сварного соединения: сварной шов, участки зоны термического влияния, основной металл.

Травление шлифов выполнялось химическим способом. В качестве реактива использовался 20 % раствор HNO3.

A.1.2.Оборудование и методика измерения микротвердости в сечениях сварных образцов

Измерение микротвердости проводилось по ISO 9015-1 с помощью твердомера DuraVision20 (рисунок А.1) методом Виккерса. Замер

микротвердости выполнялся двумя рядами согласно схеме замера, представленной на рисунке А.2.

Рисунок А.1 - Твердомер DuraVision20

Рисунок А.2 - Схема замеров микротвердости в сечении образцов КСС

А.2. Результаты и анализ исследований

А.2.1.Ударная вязкость сварных образцов из сталей типа 8690ОЬ

Испытания на ударный изгиб образцов из сравниваемых сталей при минус 40 °С показали результаты, представленные в таблице А.1 и на рисунке А.3.

Таблица А.1 - Ударная вязкость зон сварных соединений из марок типа 86900Ь при минус 40 °С

Зона сварного шва 869001 (Россия) Импортная сталь Б6900Ь

Ударная вязкость, Дж/см2 Погрешность Ударная вязкость, Дж/см2 Погрешность

Наплавленный металл 92,0 9,3% 83,7 7,3%

ЗТВ 75,0 7,5% 97,9 30,5%

Основной металл 200,0 1,9% 112,9 6,9%

8690(21,. Россия » 8690рЬ. Импорт

Рисунок А.3 - Графики изменения ударной вязкости в зависимости от

зоны сварного шва По диаграмме на рисунке А.3 видно, что погрешности измерений ударной вязкости в зоне наплавленного металла и ЗТВ обеих марок сталей имеют пересечения. При этом в зоне наплавленного металла погрешность меньше, чем в ЗТВ. Самая большая погрешность (31 %) соответствует ЗТВ для стали $>690ОЬ. Для металла зоны наплавленного металла можно сделать вывод, что значения ударной вязкости обеих сталей примерно одинаковые, что связано с применением для КСС одинакового присадочного материала и режимов сварки. Для металла ЗТВ такое сравнение затруднено из-за значительной разности в погрешности.

Для оценки изменения стойкости сварных соединений из российской стали к хрупкому разрушению при минусовых температурах были проведены дополнительные испытания на ударный изгиб при температурах: +20, -20, -60 и - 80 °С (в каждую точку по три образца; значения для минус 40 °С представлены в таблице А.1). Результаты испытания на ударный изгиб в интервале температур +20 ... - 80 °С показаны в таблице А.2 и на рисунке А.4.

Таблица А.2 - Ударная вязкость сварных образцов из российской стали в зависимости от температуры и зоны сварного соединения

Зона отбора образцов Температура испытания,

[phone]

НМ 131 114 0 0

ЗТВ 164 120 0 0

ОТ 254 225 155 75

А-* б—'

-80 -60 -40 -20 0 20 Температура, °С

Рисунок А.4 - Ударная вязкость российской стали в зависимости от температуры испытания и зоны сварного шва (НМ, ЗТВ, ОМ)

НМ - наплавленный металл; ЗТВ - зона термического влияния; ОМ -основной металл

Обобщая данные, представленные в таблице А.2 и на рисунке А.4, для российской стали можно сделать следующие выводы:

1. Значения ударной вязкости в зоне наплавленного металла и ЗТВ ниже значений ударной вязкости основного металла более чем в два раза. При этом изменение ударной вязкости основного металла в зависимости от температуры более плавное, чем двух других зон. У зоны наплавленного металла и ЗТВ можно выделить температуру хрупко-вязкого перехода, которая примерно равна минус 40 °С;

2. При понижении температуры до минус 60 °С вязкая составляющая в изломе в ЗТВ и НМ сварного соединения из стали S690QL (Россия)

отсутствует в то время, как основной материал при той же температуре имеет ударную вязкость 155 Дж/см2.

Таким образом, при использовании отечественной стали для сварных конструкций, эксплуатируемых при температуре около минус 60 °С и менее, есть высокие риски хрупкого разрушения по зонам термического влияния и наплавленного металла. Однако производитель гарантирует механические свойства этого аналога не ниже минус 40 °С. При этой температуре российская сталь показывает высокие вязкие свойства, поэтому проблем с качеством у нее не наблюдается. Производителям, выбирающим данную сталь для своей продукции, необходимо учитывать рекомендации поставщика материала и не использовать ее в нехарактерных для нее условиях.

А.2.2.Результаты и анализ металлографического анализа

Качество сварных соединений определялось на макрошлифах. На рисунке А.5 показаны характерные зоны сварного шва.

Ж*

2 ГА

Рисунок А.5 - Характерные зоны сварного шва: 1 - наплавленный металл (НМ); 2 - зона термического воздействия (ЗТВ); 3 - основной металл На рисунке А.6 представлены образцы, полученные сварных соединений отечественной стали, на рисунке А.7 - образцы из импортной

стали S690QL. Дефекты классифицировались по ISO 5817 (уровень приемки

B).

При исследовании макрошлифов сварных соединений из S690QL (Россия) у двух образцов из трех были обнаружены незначительные дефекты (рисунок А.6: а, б). Выявлен поверхностный дефект «Выпуклость со стороны корня шва» (образец №2 1), код 504 по ISO 5817. Высота дефекта составила 2,51 мм. По ТД, допустимая высота дефекта для листов с толщиной более 3 мм определяется по выражению (3.1):

h < 1 мм + 0,2b <3 мм (А.1)

где b = 5,84 мм - ширина усиления сварного шва, т.е. для данного листа толщиной 14 мм выпуклость со стороны корня шва не должна превышать 2,17 мм.

На образце N° 2 обнаружено линейное смещение, которое составило 0,41 мм, что не превышает допуска (h < 0,1t, но не более 3 мм для продольного сварного шва, где t - это толщина стенки или полки, мм).

в)

Рисунок А.6 - Макрошлифы стыкового соединения из $>690ОЬ (Россия): а) образец № 1; б) образец № 2; в) образец № 3

в)

Рисунок А.7 - Макрошлифы стыкового соединения из импортной стали

Бвявдь-.

а) образец № 4; б) образец № 5; в) образец № 6 Таким образом в ходе сравнительного анализа макрошлифов сварных соединений тестовых образцов сталей видимых непроваров, иных дефектов, существенных отклонений по форме сварочной ванны не обнаружено. Найденные дефекты сварного соединения $>690ОЕ (Россия) не критичны и не связаны со структурой и свойствами основного металла. По проанализированным макрошлифам можно сделать вывод об удовлетворительной свариваемости образцов обеих сталей.

В таблице А.3 представлены результаты измерения размеров ЗТВ на каждом образце по высоте сечения. На рисунке А.8 эти результаты представлены графически. На рисунке А.9 представлена диаграммы сравнения полученных результатов между исследуемыми марками в зависимости от зоны измерения.

Таблица А.3 - Средние значения ширины ЗТВ на сварных образцах из исследуемых сталей

Параметр Номер образца

Сталь S690QL (Россия) Импорт. сталь S690QL

1 2 3 1 2 3

Ширина ЗТВ у верхнего слоя, мм 30 38 25 35 33 43

Ширина ЗТВ в середине сечения, мм 55 55 38 48 43 38

Ширина ЗТВ у корня шва, мм 48 53 63 58 35 40

а) б)

Рисунок А.8 - Ширина ЗТВ в зависимости от места сечения сварного шва:

а) Б690дЬ (Россия); б) импортн. сталь Б690дЬ

0,60 0,50

2

2 0,40 00

« 0,30

И

к

Л" 0,20 а

0,10 0,00

Верхний слой Середина сечения Корень шва

Место в сечении сварного образца

■ 5690(31. (Россия) импорт

Рисунок А.9 - Сравнение ширины ЗТВ в сварных соединениях исследуемых

сталей

Анализ ширины ЗТВ сварных соединений исследуемых сталей показал следующее:

1. Анализ ширины ЗТВ сварных соединений из исследуемых сталей показал, что минимальная средняя ширина ЗТВ прилегает к облицовочному слою (3,1 мм - для S690QL (Россия); 3,7 мм - для S690QL), а максимальная -к корню (4,4 мм - для S690QL; 5,5 мм - для российского аналога). Это может быть связано с различными режимами сварки (величина тока, скорость подачи проволоки) при заполнении слоев сварного соединения, и как следствие с различными тепловложениями. Корень шва заполнялся со скоростью 3,3 м/мин при 1=123А, а облицовочный шов - со скоростью 9,0 м/мин при 1=277А.

2. Ширина ЗТВ у облицовочного слоя для стали S690QL на 19 % больше, чем для отечественной, но при этом у отечественной стали ширина ЗТВ у корня шва на 25 % больше, чем для стали S690QL;

3. Если сравнить ЗТВ в разных точках высоты сечения сварного шва стали S690QL (Россия), то ширина ЗТВ в корне шва превышает ЗТВ в облицовочном слое на 77 %. Для S690QL этот показатель составляет 19 %.

Таким образом, у обеих сталей в ЗТВ имеется градиент по ее ширине. Разница между шириной ЗТВ в различных точках сечения сварного шва (облицовочный слой, середина образца, корень шва) составляет 19-25 %.

Градиент ширины ЗТВ по высоте сварного шва больше у стали S690QL (Россия), что негативно может сказываться на повторяемости свойств и их стабильности. Такие данные могут быть связаны со значением углеродного эквивалента, ведь углеродный эквивалент СБУ для S690QL (Россия) превышает СБУ S690QL на 20 %. Также это означает, что микроструктура в данной зоне у этой стали является в большей степени негомогенной, чем для импортного аналога. С целью снижения структурных различий в ЗТВ сварного соединения можно провести такие мероприятия, как корректировка сварочных режимов и термическая обработка после сварки.

А.2.3.Результаты и анализ измерения микротвердости в сечениях сварных соединений

В таблицах А.4-А.5 приведены результаты измерения микротвердости по методу Виккерса согласно стандарту ISO 9015-1:2001 в исследуемых образцах. На рисунке А.10 показано распределение твердости по сечению сварного шва из стали S690QL (Россия) в зависимости от его рассматриваемой зоны и ряда измерения. Измерения по ряду № 1 проводились на расстоянии не менее 2 мм от верхней кромки свариваемых листов (ориентир - облицовочный шов). Измерения по ряду № 2 проводились на расстоянии не менее 2 мм от нижней кромки свариваемых листов (ориентир - корень шва). На рисунке 6.11 показано распределение твердости по сечению сварного шва из импортной стали S690QL в зависимости от его рассматриваемой зоны и ряда измерения. По данным таблиц А.4 и А.5 были рассчитаны средние показатели по трем образцам для каждого ряда и зоны сварного шва. Результаты изображены графически на рисунке А.12.

Таблица А.4 - Результаты измерения твердости сварного соединения из

869вдь (Россия)

Зона Об] эазец № 1 Обр эазец № 2 Об! эазец № 3

Ряд № 1 Ряд № 2 Ряд № 1 Ряд № 2 Ряд № 1 Ряд № 2

ОМ 246 251 237 242 240 241

ЗТВ 230 227 229 220 233 225

НМ 237 239 238 236 239 259

ЗТВ 233 232 230 223 234 233

ОМ 252 254 234 244 235 254

Таблица А.5 - Результаты измерения твердости по Виккерсу сечения

контрольного сварного соединения из S690QL

Зона Образец № 1 Образец № 2 Образец № 3

Ряд № 1 Ряд № 2 Ряд № 1 Ряд № 2 Ряд № 1 Ряд № 2

ОМ 255 245 250 258 252 252

ЗТВ 224 204 215 208 221 204

НМ 237 278 230 259 231 251

ЗТВ 234 199 225 204 224 214

ОМ 248 253 250 253 255 254

260 255 ^ 250

, 245

£

£ 240

ч

& 235

сс

н 230 225 220

Зона сварного шва Образец № 1 Образец № 2 Образец № 3

а) б)

Рисунок А.10 - Изменение твердости по сечению сварного шва из стали S690QL (Россия): а) ряд № 1; б) ряд № 2

280

270

260

^ 250 £ 240

I 230

и

Н 220

210 200 190

ас

о

§

а и сс е-

280 270 260 250 240 230 220 210 200 190

ОМ ЗТВ НМ ЗТВ Зона сварного шва

ОМ

ОМ ЗТВ НМ ЗТВ ОМ Зона сварного шва

а) б)

Рисунок А.11 - Изменение твердости по сечению сварного шва из импортной

стали S690QL: а) ряд № 1; б) ряд № 2

260 250

- 240 н и о

230

220 210 200

ОМ

ЗТВ

ЗТВ

НМ

Зона сварного шва

8690дь (Россия) —*—8690дЬ (импорт.)

ОМ

S690QL (Россия) после ТО

S690QL (импорт.) после ТО

а)

270

260

250

£

^240

о

а

сд 230

и сс Е-

220

210

200

ОМ

ЗТВ

НМ

Зона сварного шва

ЗТВ

ОМ

Б690дь (Россия) S690QL (Россия) после ТО

'5690ОЬ (импорт.) S690QL (импорт.) после ТО

б)

Рисунок А.12 - Сравнение изменения средней твердости по сечению сварного шва из исследуемых сталей: а) ряд № 1; б) ряд № 2

Была выполнена нормализация образцов при температуре 920±30°С с последующим отпуском при 660±30°С, проведен повторный замер микротвердости после термической обработки по аналогичной методике. Результаты изображены графически тонкими линиями на рисунке А.12.

Таким образом в ходе измерения микротвердости сварных соединений из исследуемых сталей было установлено:

1. Для обоих рядов замера исследуемые материалы в зонах сварки имеют одинаковый характер распределения микротвердости: зона термического влияния обладает самой низкой твердостью по сравнению с другими зонами. Это может быть вызвано тем, что тепло от заполнения сварочного шва в свою очередь вызывает процессы отпуска в ЗТВ, сопровождающиеся ростом зерен в этой зоне.

2. Для отечественной стали перепад микротвердости в среднем меньше, чем для импортной S690QL. Размах микротвердости для исследуемых марок в зависимости от ряда измерения показан в таблице А. 6.

Таблица А.6 - Относительный размах микротвердости по сечению сварных соединений из исследуемых сталей

Сталь Относительный размах микротвердости, %

Первый ряд (облицовочный слой) Второй ряд (корень шва)

Отечественный аналог S690QL 4,5 11,7

Импортная сталь S690QL 13,0 27,9

По значениям видно, что в облицовочном слое микротвердость для обеих марок сталей более однородна, чем в слое, прилегающем к корню шва. Это может быть связано с более высоким градиентом температур и более высокой скоростью теплопередачи при заполнении корня шва, по сравнению со вторым и третьим проходом, когда уже металл достаточно равномерно прогрет после первого прохода.

3. Прослеживается корреляция значений на графиках микротвердости (рисунок А.12) к значениям графика изменения ударной вязкости (рисунок А.3) в рассматриваемых зонах сварного шва для обеих марок сталей.

4. Проведенная термообработка образцов позволяет сократить относительный размах микротвердости в 1,5-2 раза и получить более равномерные механические свойства в сварных соединениях, что в конкретном случае более актуально для импортной стали S590QL.

А.2.4.Результаты и анализ МЦУ сварного соединения из стали S690QL (Россия)

Стойкость к усталости металла характерных зон сварных соединений из стали $>6900Ь (Россия) приведена на графиках (рисунок 3.9). Линии усталостных разрушений металла для зон сварных соединений сближаются лишь в области высоких напряжений (порядка 500 МПа). График усталости наплавленного металла очень близок по значениям к графику металла зоны термического влияния сварочного цикла. При снижении амплитуд напряжений усталостная прочность наплавленного металла снижается.

А.2.5. Выводы

Таким образом в результате дополнительных исследований сварных соединений сталей типа $>6900Ь при анализе макроструктуры, распределения микротвердости, ударной вязкости в сечениях характерных зон сварки установлена удовлетворительная свариваемость обеих марок сталей при соблюдении технологических режимов. Отечественная сталь может выступать полноценным аналогом импортной стали $>6900Е в сварных металлоконструкциях. Рекомендуется провести подбор и аттестацию отечественного аналога присадочной проволоки для улучшения механических свойств и стойкости к усталостным разрушениям в области наплавленного материала сварных соединений с целью ее последующей квалификации на производственном предприятии.

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

АКТ ВНЕДРЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОГО

ИССЛЕДОВАНИЯ

ООО «Автоцентр-! 1)1» ИНН/КПП 5249165730/524901001 ОГРН 1195275001613

Россия, Нижегородская область, ДЗЕРЖИНСК, шоссс Аыотьодское, дом 81. корпус 6,

Р/сч 40702810713500000372 Филин.I "Центральный" Банка ВТБ (ПАО) г. Москва БИК 044525411 К/сч 30101810145250000411 _гел/ф (8313)31 -44-69__

УТВЕРЖДЕНО

^Генеральный директор ОО «АвтоЦентр-НН»

Сидорин Д.Ю./

0 Г.

АКТ

внедрения в прошводственный процесс результатов кандидатской диссертации Пи кипа A.A.

от « ¿^ »

/I

20^* г.

Результаты диссертационной работа Галкина A.A. «ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ РОССИЙСКОГО АНАЛОГА ИМПОРТНОЙ ВЫСОКОПРОЧНОЙ СТАЛИ S690QL В УСЛОВИЯХ МАЛОЦИКЛОВЫХ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИХ НАГРУЗОК С ПРИМЕНЕНИЕМ ИСКУССТВЕННОЙ НЕЙРОННОЙ СЕТИ», представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 2.6.1 - «Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов» внедрены и используются в хозяйственной деятельности компании ООО «АвтоЦентр».

Прогнозируемый экономический эффект от внедренных на предприятии нсйросетевых моделей при текущей ремонтной программе составляет 1.2 млн. рулей в год.

Главный бухгалтер

;галт;ер j

'Ли

/Сидорин Д.Ю./

ПРИЛОЖЕНИЕ В

ОХРАННЫЕ ДОКУМЕНТЫ НА РЕЗУЛЬТАТЫ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ

ДЕЯТЕЛЬНОСТИ