Контактное упрочнение

А б

Рисунок 6.2 – Твердые и мягкие прослойки в сварных соединениях

Если термически обработанная сталь сваривается аустенитным швом (рис.6.2,б), то возникает сложное соединение зон мягкого аустенитного шва, двух твердых и двух мягких прослоек. Деление прослоек на мягкие и твердые зависит от отношения предела текучести металла прослойки к пределу текучести основного металла или примыкающего к прослойке металла. Если отношение пределов текучести прослойки и соседнего участка больше единицы, то прослойка будет твердой, в противополож-ном случае – мягкой.

6.2 Напряженное состояние и прочность мягкой прослойки

при растяжении, изгибе

Необходимость изучения прослоек объясняется тем, что механичес-кие свойства сварных соединений, такие, как прочность, деформационная способность, энергоемкость при разрушении, а также место и характер разрушения, зависят от степени и топографии механической неоднородно-сти.

Механические свойства образца, вырезанного из мягкой прослойки и имеющего низкую прочность, еще не свидетельствуют о том, что сварное соединение в целом имеет такие же свойства. Взаимодействие отдельных зон соединения протекает сложным способом, а прочность сварного сое -динения, как правило, не совпадает с прочностью какой-нибудь прослойки.

Рассмотрим случай, когда растягивающая сила направлена вдоль шва и все прослойки получают одинаковые деформации (рис.6.3) .

Рисунок 6.3 – Прочность элемента с продольным стыковым швом

В случае продольного растяжения стыкового шва можно предполо-жить, что плоские сечения сохраняются, а зоны мягкого металла М, более твердой подкаленной зоны термического влияния СТ и твердого основного металла Т(рис.6.3,а,б) имеют одинаковые деформации (рис.6.3,.в). Из диаг-раммы растяжения σ-ε вытекает, что наблюдается определенный рост ус-ловных напряжений в наиболее твердом металле (СТ) вплоть до уровня временного сопротивления σ_в. Таким образом, при расположении шва вдоль растягивающего усилия пониженная деформационная способность одной из зон сварного соединения может снизить максимально возмож-ную прочность в сравнении с элементом без швов.

Деформационная способность соединения и его несущая способ- ность ограничены пластичностью металла наименее пластичной прослой-ки. Точки А₁, А₂, А₃ соответствуют разрушению образца, которое насту-пит при ε = ε_А2 (рис.6.4) . При этом напряжение σ₃ в основном металле, σ₁ в шве и σ₂ в твердой прослойке будут сильно отличаться.

1 – шов;

2 – околошовная зона (твердая прослойка);

3 – основной металл

Рисунок 6.4 – Диаграмма зависимости напряжения σ от деформации

для разных зон сварного соединения при растяжении

вдоль шва

Продольная растягивающая сила воспринимается преимущественно участком основного металла, так как его площадь намного превосходит и площадь поперечного сечения шва, и площадь твердой прослойки. И хотя уровень напряжений σ₂ в твердой прослойке будет велик, средние напря-жения будут близки к σ₃, которые существенным образом ниже разруша-ющих напряжений в точке А₃. Это означает, что прочность сварного сое-динения с твердой прослойкой, нагруженного вдоль шва, окажется ниже, чем прочность такого же элемента из основного металла, так как разру-шение в последнем случае состоится при напряжениях, близких к σ₃<σ_А3. Отрицательное влияние твердой прослойки сказывается сильнее, если по длине соединения встречаются резкие изменения сечения шва, вызываю-щие концентрацию напряжений, или еще хуже – поперечные трещины или другие дефекты в твердой прослойке.

При действии силы вдоль шва наличие малопрочных мягких прос-лоек практически не влияет на общую несущую способность нагруженно-го элемента, так как площадь прослоек невелика.

При поперечном расположении шва относительно растягивающей силы (рис.6.5) влияние неоднородности механических свойств обнаружи-вается иначе [8].

Рисунок 6.5 – Схема расположения шва поперек

растягивающего усилия

Из-за различия значений коэффициента Пуассона в упругой и плас-тической областях участки более прочного металла, работающие в упругой области, препятствуют развитию пластических деформаций в соседней мягкой прослойке. Стесненность деформаций мягкой прослойки предопре- деляет появление объемного напряженного состояния и повышение сопро-тивления развитию в ней пластических деформаций. В результате возни-кает эффект “контактного упрочнения” мягкой прослойки, который зави сит от относительной толщины прослойки , где h – ширина мяг-- кой прослойки; d-толщина металла, и формы поперечного сечения эле-мента.

Принимая, что материалы мягкой прослойки М и основного металла Т идеально упругопластичны и их пределы текучести находятся в со-отношении s_т^м < s_т, были получаем решения о наступлении текучести прослойки в составе сварного соединения в зависимости от размера прос-лойки, формы поперечного сечения и значения s_т^м в виде

s^/_т = s_т^М Кc, (6.1)

где s^/_т – предел текучести сварного соединения;

Кc – коэффициент контактного упрочнения.

Оценка прочности реального сварного соединения, учитывающая уп-рочнение мягкой прослойки в результате пластической деформации, осу-ществляется подстановкой в эту формулу предела прочности s_в^м вместо s_т^м_.

На рисунке 6.6 показана зависимость максимально возможной прочности сварного соединения с мягкой прослойкой от ее относительной толщины c для элементов с разной степенью компактности сечения в со-ответствии с выражением s^/_В = s_в^М Кc. (6.2)

Рисунок 6.6 - Зависимость максимально возможной прочности стыкового соединения от относительной толщины мягкой

прослойки c и формы поперечного сечения

Из рисунка 6.6 видно, что с уменьшением относительной толщины мягкой прослойки c эффект контактного упрочнения усиливается и при некотором ее значении обеспечивается возможность достижения прочнос-ти основного металла. Однако достижение полного упрочнения усложня-ется тем, что схема напряженного состояния участков твердого металла вблизи прослойки оказывается значительно более мягкой по сравнению с трехосным растяжением мягкой прослойки и они вступают в пластичес-кую деформацию, в то время как вдали от прослойки металл работает еще упруго. Такое смягчение металла в приконтактной области уменьшает сдерживание деформаций мягкой прослойки, ослабляя эффект упрочне-ния. В этом случае контактное упрочнение реализуется не полностью, по- этому в выражение (6.2) вводится коэффициент реализации контактного упрочнения Кр 1:

σ^/_в = σ_в^м К К_р. (6.3)

В упругой стадии нагружения мягкая прослойка и соседние участки деформируются однородно и при достижении предела текучести материа-ла мягкой прослойки σ_т^м в ней возникает пластическая деформация, в то время как соседние участки остаются в упругом состоянии. При дальней-шем повышении нагрузки и деформации коэффициент поперечной дефор-мации в прослойке будет выше, чем у соседнего металла.

В меру развития пластической деформации в прослойке m®0,5, в то время как в упругих частях m = 0,3. Через неодинаковую поперечную де- формацию возникают касательные напряжения, максимальные на плоскос-тях растяжения. Они будут препятствовать поперечному сужению прос- лойки в направлении толщины листа. Чем уже прослойка, то есть чем ме-ньше c = h/d, тем меньшее поперечное сужение получает прослойка к мо-менту возникновения в ней средних истинных разрушающих напряжений s_ср.р. Так как среднее истинное разрушающее напряжение s_ср.р изменяется мало, то в более узких мягких прослойках площадь утоненного поперечно-го сечения прослойки F_у к моменту разрушения будет больше, а следова-тельно, будет большей и разрушающая сила P_р:

P_р= σ _ср.р F_у. (6.4)

В этом заключается эффект контактного упрочнения. Но повышение Р_р не может происходить беспредельно, так как соседние с мягкой про -

слойкой более прочные участки также при определенных условиях начнут пластично деформироваться. Чем более прочны соседние зоны, тем боль-ше эффект контактного упрочнения. Твердые прослойки, находящиеся ря-дом с мягкими, усиливают этот эффект. Идеальный случай работы мягкой прослойки, когда соседние с прослойкой участки металла считаются абсо-лютно твердыми, не способными к деформированию, соответствует вы-полнению условий плоской деформации. В этом случае временное сопро-тивление сварного соединения с мягкой прослойкой s^/_В можно опреде-лить по формуле (6.2):

Кc = (p + 1/c)/(2 3), (6.5)

где Кc – коэффициент контактного упрочнения в случае плоской деформации .

Если прослойка не идеально прямоугольная, как это бывает в свар-ных соединениях, то

c = F/ s ², (6.6)

где F – площадь поперечного сечения прослойки.

Прочность сварного соединения достигнет прочности соседнего, более прочного металла, если временное сопротивление σ_В станет равным σ_в^т более прочного металла. При этом

Кc_пр = σ_в^т/σ_в^м. (6.7)

Определим предельную относительную толщину прослойки c_пр, при которой достигается равнопрочность сварного соединения:

c_пр = 1/(2 Кc_гр – p). (6.8)

Например, если s^т_в/s_в^м = 1,2, то по формуле (6.8) получаем: c_пр = 1.

При Кc_пр>1,2 относительная толщина мягкой прослойки c_пр должна быть еще меньше. Однако повышение прочности сварного соединения с мягкой прослойкой за счет уменьшения ограничено уровнем истинного разру-шающего напряжения металла мягкой прослойки.

Из рис. 6.7 видно, что в широких прослойках, когда эффект кон-тактного упрочнения еще не наблюдается, относительное сужение Y оста-ется постоянным при уменьшении c, а относительное удлинение D посте-пенно падает по мере уменьшения доли длины участка мягкой прослойки в общей длине образца.

Рисунок 6.7 – Зависимость и от относительной

толщины прослойки

В области контактного упрочнения резко падает, так как возрас-тают поперечные касательные напряжения, препятствующие сужению про-слоек. Удлинение образца при уменьшении также сначала уменьша-ется, но затем, когда реализуется повышение прочности, возрастает, поскольку в пластическую деформацию в большей мере вовлекается ос-новной металл.

При испытании сварных соединений с мягкой прослойкой на разру-шение изгибом разрушающий момент М_р, при котором появляются трещи-ны в прослойке, не зависит от относительной толщины прослойки

(рис. 6.8). Это объясняется тем, что разрушение при изгибе не связано с образованием шейки и изменением размеров поперечного сечения. Поэтому касательные напряжения, действующие вблизи границ мягкой прослойки, хотя и влияют на процесс пластической деформации во время нагружения, но не изменяют существенным образом толщину образца и ее момент сопротивления.

Рисунок 6.8 – Схематическое распределение напряжений при изгибе

полосы с мягкой прослойкой

Разрушение наступает, если максимальное напряжение в крайнем волокне достигает истинного разрушающего напряжения металла мягкой прослойки s_р. Если принять, что зависимость напряжения s от де-формации при s > s_т имеет линейный характер и к моменту разрушения эпюра напряжений в сечении выглядит, как показано на рис. 6.8, то разру-шающий момент равен:

М_р = W (s_р + 0,5s_т), (6.9)

где W – момент сопротивления сечения;

s_т – предел текучести металла мягкой прослойки.

Дата добавления: 2014-11-16