Как влияет увеличение сварочного тока на величину остаточных деформаций: Как влияет на величину остаточных деформаций увеличение сварочного тока?

Содержание

Влияние режима сварки на характер и величину остаточных напряжений

СВАРОЧНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИЯ

Рис. 60. Зависимость напряжений на свободной кромке от силы тока и ско­рости сварки.

Пользуясь приведенными выше эпюрами (рис. 54), можно установить влияние режима сварки на напряжения, вызываемые сваркой в любом волокне по­лосы. На рис. 60 приведены кривые изменения напряже­ний’ в крайнем продольном волокне (противоположном валику) полосы шириною h= 100 мм. Характер этих кри­вых напоминает характер кри­вых изменения кривизны по­лосы, приведенных на рис. 57.

Если же обратиться к иссле­дованиям Розенталя и Цабрса, то они представили зависи­мость этих напряжений от мощ­ности дугии скорости сварки в виде прямых, привеленныхнарис.61. Однако, если экспериментальные точки, относящиеся к различ­ным скоростям сварки, соединить плавными кривыми (рис. 62), то характер последних будет вполне соответствовать характеру кривых (рис. 60). Таким образом, по Розенталю и Цабрс, на­пряжения непрерывно возрастают с увеличением мощности, тогда как из кривых теоретических (рис. 60) и эксперименталь­ных (рис. 62) следует, что после достижения напряжениями максимальной величины при некоторой критической силе тока (или мощности) дальнейшее повышение силы тока приводит к понижению напряжений. При этом наибольшая величина на­пряжений не превосходит предела текучесіи, а критическая величина силы тока тем больше, чем больше скорость сварки.

В экспериментальных исследованиях Розенталя и Цабрса были определены напряжения и в волокнах под валиком. Однако разбросанность экспериментальных точек (рис. 63) и отсутствие какой-либо простой, бросающейся в глаза, закономерности не позволили исследователям предложить какую-либо зависимость
напряжений иод валиком от режима наплавки и вызвали лишь сомнение в правильности полученных ими экспериментальных данных (точка, соответствующая ^нанлавке со скоростью

Рис. (Л. Зависимость напряжений’’ на» свободной кромке полосы от мощности! дуги, по Розенталю и Цабрсу. л

0,665 см! сек.)-

hBtv ‘

Однако, располагая тео­ретическими данными о рас­пределении конечных де­формаций и напряжений (рис. 54), нетрудно уста­новить искомую зависи­мость напряжений под ва­ликом от режима сварки. Как отмечалось выше, на­пряжения в том или ином волокне определяются раз­ностью деформаций X’ и Д, если эта последняя не пре­вышает деформаций ел, со­ответствующих пределу те­кучести. Предполагая, что разность X’—Д’ для волокна под валиком представляет собою только упругие деформации, пропорциональные им напряжения изобразились бы для различ­ных режимов сварки кривой ОАБВГ (рис. 64). Так как в дей­ствительности разность в отдельных случаях зна­чительно превышает де­формации єт, то напряже­ния на участках, где ординаты кривой ОАБВГ превышают предел теку­чести. будут оставаться постоянными, равными пределу текучести (Ух, в связи с чем действитель­ная зависимость напря­жений под валиком от силы сварочного тока представится кривой

012Б34Г. С увеличением рис 52. Зависимость напряжений от мощ — скорости сварки напря — ности дуги по экспериментальным данным, жения будут достигать

предела текучести (при растяжении) при больших силах тока и при более сильных токах переходить из растягивающих в сжи­мающие. Для очень больших скоростей сварки обычные силы сварочного тока будут давать только первый участок 012 пред­ставленной выше зависимости.

Если, учитывая полученный характер зависимости от режима сварки напряжений под валиком, соединить экспериментальные точки (полученные после вертикальной разрезки) соответствую-
тими ломаными линиями, то, как видно из рис. 65, полученная теоретическим путем закономерность полностью подтверждается экспериментальными данными, а точка, вызывавшая наибольшие сомнения исследователей, расположится в полном соответствии с установленной зависимостью. б

9,276 Л

г cl

0J70s 0,323

— “1

с

663-

іесле — ЬертпиУалЬнйіт оазdcзо 3 t

p

Рис. 63. Зависимость » ‘напряжений под валиком от мощности дуги, по Розенталю и Цабрсу.

Из приведенных на рис. 60 и 64 зависимостей видно, что если напряжения на кром­ке, противоположной валику (рис. 60), всегда остаются одного знака и меняются от режима сварки только по ве­личине, то напряжения под валиком меняются и по вели­чине и по знаку. Таким обра­зов, могут существовать два типа эпюр напряжений: при малых силах тока или при больших скоростях сварки, т. е. при режимах, создаю­щих малую ширину зоны на­грева, эпюра напряжений будет иметь растяжение под вали­ком; при больших силах тока или малых скоростях сварки, т. е. при режимах, приводящих к относительно большой ширине зоны нагрева,—эпюра напряжений будет иметь сжатие в волок­нах под валиком.

При оценке этого или иного режима сварки, очевидно, сле­дует отдавать предпочтение режимам, приводящим ко второму

Рис. 64. Зависимость напряжений иод валиком от силы тока и скорости сварки по теоретическим данным.

типу эпюры напряжений, так как при первом типе эпюры большей частью имеют место не только упругие, но и пластические деформации растяжения, т. е. пластические свойства металла

v-‘Jt12cM/c6H

О, IЧем/сен У V

v=0,20 см/се,

частично оказываются исполь­зованными еще при изготовлении изделия. Поэтому, говоря о влия­нии режима сварки на напря­жения, необходимо сравнить не только величину напряжений (пропорциональных упругим де­формациям), но и величину пла­стических деформаций растяже­ния, которые в большей мере, чем напряжения, отражаются на работоспособности изделия. Так например, в случае выполнения сварки со скоростью, ко­торой соответствует кривая изменения напряжений 012Б34Г (рис. 64) при силе тока в 50 а и при силе тока в 100 а напря­жения в волокне под валиком будут одинаковыми и равными as. Однако при выполнении сварки током

пределу текучести
в 50 а работоспособность полосы будет понижена по сравнению со случаем сварки током в 100 а, так как в последнем случае пластические деформации будут почти отсутствовать, тогда как в первом случае они будут достигать значительной величины. Если условно напряжения определять не по величине упругих деформаций, а по суммарной величине упругих плюс пластиче­ских деформаций, то можно сказать, что в рассматриваемом случае при сварке током в 50 а напряжения будут примерно в 3 раза больше, чем при сварке током в 100 а. При таком условном пони­мании напряжений зависимость их от силы тока может быть выра­жена следующим образом: при изменении силы тока от нуля до не­которой критической величины напряжения растяжения растут,

■■

L-

от

1 і

«згз °і

J

. в *650

А-

J’/iH

7?см/іек

j

Й

336 0

‘t

Р.

7/ /

pV,!

/і>

1

1

* *

0 665

1

/

/

1

Г

/

j

О I г 3 и 5 6 7 #

піт

Рис. 65. Зависимость напряжений под валиком от мощности дуги по экспери­ментальным данным.

после чего, с дальнейшим уве­личением силы тока, напря­жения уменьшаются, дости­гают нуля и затем переходят в напряжения сжатия. С уве­личением скорости сварки критическая сила тока и сила тока, соответствующая нуле­вым напряжениям, увеличи­ваются. Поэтому, рассматри­вая наибольшие силы тока до критической его величины (рис. 64), придется признать справедливыми приведенные в начале § 19 выводы

Патона Е. О. с сотрудниками; рассматривая изменения силы тока от критического его значе­ния до соответствующего нулевым напряжениям, слелует со­гласиться с Боленратом; наконец, рассматривая изменения на­пряжений при изменении силы тока в обе стороны от крити­ческого его значения, можно принять формулировку Бюлера, согласно которой слишком высокая и слишком низкая силы тока приводят к уменьшению усадочных напряжений. Таким образом, все выводы, полученные при экспериментальных исследованиях, укладываются в намеченную зависимость и являются ее част­ными значениями.

Как отмечалось выше, при стыковании на монтаже двух сек­ций конструкции условия для выполнения сварки являются наиболее тяжелыми. Выполнение сварки всего сечения одно­временно— совершенно невозможно, а поэтому после наложения части швов …

Если на общие деформации сварных конструкций большое влияние оказывает последовательность наложения отдельных швов, то на местные деформации и деформации из плоскости свариваемых листов существенное влияние оказывает метод выполнения каждого шва. …

Как отмечалось выше, при сварке сложных составных сече­ний и конструкций характер возникающих деформаций зависит от порядка наложения швов. Поэтому одним из основных средств борьбы с деформациями при изготовлении сварных конструкций …

Величина сварочных напряжений и деформаций

С увеличением толщины свариваемых деталей и их жесткости температура подогрева обычно повышается на 100—200 против используемой при сварке конструкций относительно небольшой жесткости. Этим достигается уменьшение неравномерности распределения температур, а следовательно, и снижение величины сварочных напряжений и деформаций, обусловленных ею. В условиях сварки деталей повышенной жесткости, когда возникающие сварочные напряжения могут носить характер реактивных напряжений п. 2, глава П1), снижение величины последних за счет повышения температуры подогрева будет уменьшать опасность образования трещин.  [c.87]
Разновидности и величина сварочных напряжений и деформаций 293  
[c.293]

РАЗНОВИДНОСТИ И ВЕЛИЧИНА СВАРОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ  [c.293]

Методы снижения напряжений и деформаций в процессе сварки. Величина и характер сварочных напряжений и деформаций определяются влиянием ряда технологических и конструктивных факторов.  [c.35]

Сварка вызывает в изделиях появление напряжений, существующих без приложения внешних сил. Напряжения возникают по ряду причин, прежде всего из-за неравномерного распределения температуры при сварке, что затрудняет расширение и сжатие металла при его нагреве и остывании, так как нагретый участок со всех сторон окружен холодным металлом, размеры которого не изменяются. Вследствие структурных превращений участков металла околошовной зоны, нагретых в процессе сварки выше критических точек, в свариваемых конструкциях возникают структурные напряжения. В отличие от напряжений, действующих на конструкцию во время ее эксплуатации и вызываемых внешними силами, эти напрял ения называют внутренними (собственными) и остаточными сварочными напряжениями. Если значения сварочных напряжений достигнут предела текучести металла, они вызовут изменение размеров и формы, т. е. деформацию изделия. Деформации могут быть временными и остаточными. Если остаточные деформации достигнут заметной величины, они могут привести к неисправимому браку. Остаточные напряжения могут вызвать не только деформацию сварного изделия, но и его разрушение. Особенно сильно проявляется действие этих напряжений в условиях, способствующих хрупкому разрушению сварного соединения, которое происходит в результате неблагоприятного сочетания концентрации напряжений, температуры и остаточных напряжений. Первые два фактора меньше поддаются изменению, чем остаточные напряжения, поэтому применяют ряд мер по предотвращению и снижению сварочных напряжений и деформаций.  

[c.97]

Сварочные напряжения и деформации в процессе нагрева изменяются по величине и по знаку. Изменение активных и реактивных напряжений  [c.597]

Технологичность конструкции заключается в том, что при разработке конструкции с целью уменьшения сварочных напряжений и деформаций изделие комплектуют из отдельных сварных узлов и под-узлов. В отдельных сварных узлах и конструкциях в целом должны предусматриваться сварные швы с наименьшим объемом наплавленного металла, при этом не следует допускать концентрации и пересечения сварных швов в местах, подвергающихся растяжению, ударным и вибрационным нагрузкам. Кроме того, не следует допускать применение различных вставок, накладок и косынок, создающих замкнутые контуры, резких переходов сечений швов. Предусматривать преимущественно стыковые соединения как наиболее технологичные. Применять разделку кромок и величину зазоров по минимальным допускам, регламентируемым ГОСТом. Прерывистые Швы большого сечения нужно заменять на сплошные меньшего сечения. При конструировании необходимо широко использовать гнутые и штампованные профили, сварно-кованые и сварно-литые элементы соединений.  

[c.167]


В теории сварочных напряжений и деформаций достаточно подробно рассмотрены особенности работы элементов, имеющих начальные сварочные напряжения. Было показано, что действие внешней нагрузки вызывает в сварной конструкции местные пластические деформации и приводит к снижению начальных напряжений при первом нагружении. Последующие нагружения (если они по величине  [c.95]

Величину обратной деформации определяют расчетным или опытным путем Способ обеспечивает уменьшение сварочных деформаций По сравнению со сваркой в свободном состоянии при условии, если зона нагрева до температуры свыше 6(Ю° С не превышает 0,15 от общей ширины свариваемого элемента. В случае превышения размеров указанной зоны нагрева деформации могут увеличиться Проковка способствует снижению сварочных напряжений и деформаций. При проковке необходимо соблюдать следующие условия  

[c.362]

Величина и распределение напряжений и деформаций зависят от жесткости свариваемых конструкций, при этом большое значение имеет толщина металла. При сварке металла толщиной до 3 мм проявляются преимущественно большие деформации, а напряжения очень малы. Сварка металла толщиной 4—20 мм сопровождается значительными деформациями, одновременно с увеличением толщины металла начинают проявляться остаточные напряжения. При сварке металла толщиной свыше 20 мм деформации ничтожны, но остаточные напряжения могут достигать значительных величин. Остаточные сварочные напряжения проявляются в ближайших к шву слоях металла и резко затухают на расстоянии 50—70 мм от шва. Различают остаточные сварочные напряжения и деформации —> продольные, поперечные и угловые.  [c.86]

Величина и характер сварочных напряжений и деформаций определяются рядом факторов. Рассмотрим влияние некоторых из них.  [c.163]

Величина и характер сварочных напряжений и деформаций определяются рядом технологических и конструктивных факторов. Рассмотрим влияние некоторых из них.  [c.77]

Выбор режима сварки. Величина и характер сварочных напряжений и остаточных деформаций находятся в прямой зависимости от погонной энергии сварки, которая определяется выбранным режимом.  [c.35]

Высокая концентрация теплоты способствует сужению зоны, подвергающейся пластическим деформациям, и уменьшению деформаций конструкций. С этой точки зрения наиболее благоприятной является замена ручной сварки покрытыми электродами автоматической или полуавтоматической сваркой под флюсом или в защитных газах. Для обеспечения минимальной деформации сварной конструкции следует накладывать сварные швы наименьшего сечения и не допускать их увеличения в процессе изготовления конструкции. Величина и характер сварочных напряжений и остаточных дефор-  [c.97]

На величину и характер сварочных напряжений и остаточных деформаций влияет погонная энергия сварки и режим сварки. Увеличение сечения шва, как правило, способствует росту деформаций. Величина остаточных деформаций и напряжений зависит и от порядка наложения швов по длине и сечению. Например, при сварке листовых конструкций вначале выполняют поперечные швы отдельных поясов, а затем соединяют (сваривают) пояса между собой.  [c.91]

Величина остаточных свароч- ддд. ных напряжений или деформаций будет тем больше, чем больше сечение шва, свариваемого за один проход, т. е. больше сварочный ток и меньше скорость сварки (чем больше погонная энергия сварки). Кроме того, величина напряжений будет тем больше, чем больше разность температур между нагреваемыми и холодными участками металла при сварке. При сварке на морозе эта разность значительно больше, чем при сварке на тех же режимах летом, поэтому в первом случае величина возникающих напряжений и скорость их роста будет большей, чем во втором случае.  [c.39]

Растягивающие остаточные напряжения появлялись также при плазменно-механическом фрезеровании кромок листовых заготовок при 5 мм, тогда как при фрезеровании без нагрева в тех же условиях имели место напряжения сжатия. Различие объясняется, по-видимому, возникновением термических деформаций от плазменного нагрева, обусловливающих достаточно обширную область распространения термических растягивающих напряжений (см. рис. 30). Растягивающие напряжения на кромках листов, предназначенных для сварки, желательны, так как они уменьшают величину сварочных напряжений. При торцовом фрезеровании с плазменным нагревом, так же как и при обработке заготовок без нагрева, остаточные напряжения оказываются сжимающими (рис. 61). Уменьшение величины последних в зоне врезания зубьев фрезы  [c.120]

Внутренние напряжения и деформации, возникающие при сварке, зависят от вида сварки. При газовой сварке возникают значительно большие деформации, чем при дуговой. По направлению действия различают продольные, расположенные параллельно оси шва, и поперечные, расположенные перпендикулярно оси шва, линейные сварочные напряжения (рис. 52). Распределение продольных напряжений в стыковом шве таково, что на его концах из-за возможности свободной усадки они незначительны, а в средней части имеют достаточно большую величину, достигая предел а теку чести. При сварке встык продольные сокращения  [c.117]

Режим сварки. Величина и характер сварочных напряжений и остаточных деформаций находятся в прямой зависимости от погонной энергии сварки, которая определяется выбранным режимом сварки. С уменьшением погонной энергии деформации снижаются.  [c.77]

Мероприятия, применяемые преимущественно для снятия сварочных напряжений, влияют на деформации и, наоборот, мероприятия, применяемые преимущественно для уменьшения деформаций, влияют на величину напряжений. Рассмотрим основные способы уменьшения сварочных деформаций и напряжений.  [c.35]

Для ряда сварных изделий необходимо также учитывать коробление в процессе механической обработки или эксплуатации конструкции. Снятие припусков при механической обработке изменяет напряженное состояние изделия и приводит к нарушению взаимной уравновешенности напряжений. Для перехода в новое равновесное напряженное состояние, необходимое по условию существования сварочных напряжений без приложения внешних сил, в конструкции должны пройти определенные деформации, вызывающие ее коробление. Величина указанного коробления относительно невелика и должна учитываться лишь-в изделиях повышенной точности с несимметричным расположением сварных швов (например, в диафрагмах, цилиндрах турбин и т. п.). В указанных случаях для стабилизации размеров желательно производить термическую обработку конструкции с целью снятия напряжений.  [c.61]

Внешние наблюдаемые деформации сварных заготовок (например, укорочение пластины после сварки, соответствующее перемещению ее фани 1 в положение 4) не совпадают с внутренними упругопластическими деформациями, а их величины противоположны чем больше внешние деформации, тем меньше внутренние деформации. Величина и знак собственных сварочных напряжений определяются внутренними деформациями.  [c.275]

Деформации, напряжения и перемещения относятся к сопутствующим сварочным процессам, оказывающим отрицательное воздействие на конструкцию в процессе ее изготовления и в последующем, снижая ее эксплуатационные характеристики, ухудшая качество. Так, напряжения в сварной конструкции уменьшают величину усталостной прочности, особенно если в сварном соединении имеется концентратор напряжений. В реальных конструкциях роль надреза, т. е. концентратора напряжений, может выполнять непровар, трещина и т. п. Форма шва также определяет характер распределения напряжений наличие усиления сверху и снизу шва вызывает в месте перехода от шва к основному металлу концентрацию напряжений.  [c.498]

Деформации и напряжения при сварке стыковых соединений. По продолжительности сварочные напряжения бывают технологические и остаточные. Первые возникают во время сварки (в процессе изменения температуры), вторые — после окончания сварки и полного охлаждения изделия. По направлению действия различают продольные, расположенные параллельно оси шва, и поперечные, расположенные поперек оси шва, линейные сварочные напряжения (рис. 31). Распределение продольных напряжений при сварке в стыковом шве таково, что на его концах из-за возможности свободной усадки они незначительны, а в средней части имеют достаточно большую величину, достигают предела текучести (рис. 32). При сварке встык продольное сокращение шва вызывает не только продольные, но и поперечные  [c.91]

Сварочные напряжения вызывают остаточные деформации в сварной конструкции, величина которых может быть значительно больше допуска на готовую деталь. Действие сварочных напряжений важно учитывать при конструировании и изготовлении технологической оснастки, так как от этого зависит точность обработки и сборки. Сварочные напряжения могут быть значительно уменьшены при правильном конструировании детали (узла), рациональным выбором режима сварки, а также последующей термической правкой детали.  [c.129]

В то же время, известно, что сварочные напряжения снижают прочность конструкций из хрупких материалов, неспособных давать пластические деформации. Следовательно, в конструкциях из малоуглеродистых и низколегированных конструкционных сталей, внутренне уравновешенные сварочные напряжения могут снизить прочность сварного соединения лишь в том случае, если материал сварного соединения будет приведен в хрупкое состояние, т. е. практически полностью потеряет способность пластически деформироваться. Такое состояние материала может иметь место при температурах ниже критической температуры хрупкости, которая зависит от формы образца. В этом случае сварочные напряжения, суммируясь с напряжениями от внешней нагрузки, приведут к снижению величины разрушающей нагрузки. Однако, если этим исключительно тяжелым условиям работы предшествовала работа конструкции в более легких условиях (например, при положительной температуре), то снижения разрушающей нагрузки не произойдет вследствие смягчения остроты концентратора напряжений за счет пластических деформаций, происшедших при предшествующих нагружениях. Этим и объясняется то обстоятельство, что в реальных конструкциях при статических нагрузках практически не наблюдается снижения прочности от действия остаточных напряжений.  [c.97]

Выбор источника тепла. На величину сварочных деформаций и напряжений оказывает влияние степень концентрации тепла источника. Например, при автоматической и полуавтоматической сварке деформации и напряжения будут меньше, чем при ручной дуговой сварке при электронно-лучевой сварке — меньше, чем при автоматической.  [c.88]

При охлаждении полоса / будет стремиться укоротиться на величину полученной деформации сжатия Д/пл. но этому препятствуют полосы // и III. После полного охлаждения лист в целом получит усадку Д ост. меньшую, чем Д/пл- Вместе с этим в полосе I возникнут остаточные напряжения растяжения, в полосах И и /// — остаточные напряжения сжатия. Поле остаточных сварочных напряжений в листе в целом будет находиться в равновесии.  [c.354]

Изменение размеров и формы сварной конструкции в некоторых случаях снижает ее работоспособность и портит ее внешний вид. Если остаточные деформации достигают заметной величины они могут привести к неисправимому браку. При разработке, технологии сборки и сварки конструкции следует учитывать необходимость снижения остаточных деформаций до величины, при которой они не отражаются на работоспособности и внешнем виде конструкции и не затрудняют сборку отдельных элементов. Если величина остаточных деформаций выходит за допускаемые пределы, следует проводить правку конструкции. Правка конструкции является весьма трудоемкой операцией, требует высокой квалификации рабочих, и ее так же, как и снятие сварочных напряжений, следует проводить только в случае действительной необходимости.  [c.163]

Режим сварки. Величина и характер сварочных напряжений и остаточных деформаций находятся в прямой зависимости от погонной энергии сварки,-которая определяется режимом сварки и зависит от сечения шва или слоя. Увеличение сечения шва или слоя приводит к заметному росту величины остаточной деформации. Для обеспечения минимальной деформации сварной конструкции следует назначать наименьшие (допустимые из условий прочности конструкции) сечения швов и не допускать их увеличения в процессе изготовления конструкции. В отношении уменьшения сечения шва наиболее рациональной является двусторонняя рюмкообразная разделка рис. 4-18). На зависимости между величиной остаточной деформации и режимом сварки (погонной энергией) основан расчетный метод определения остаточных деформаций.  [c.164]

В сварочной лаборатории МВТУ им. Баумана разработан метод определения объемных остаточных напряжений в стыковых сварных соединениях большой толщины. Метод позволяет определять напряжения как в глубине сварного соединения (объемные напряжения), так и на его поверхности (двухосные напряжения). Сущность его состоит в следующем в сварном соединении большой толщины сверлят специальные ступенчатые отверстия, ориентированные по главным осям поля напряжений или под некоторым углом к ним. В эти отверстия помещают специальные цилиндрические вставки с наклеенными на их поверхность тензодатчиками сопротивления. Перед установкой в образец вставки тарируют на машине для испытаний на растяжение. Коме того, перед проведением измерения напряжений вставке сообщают определенный предварительный натяг, который дает возможность регистрировать его деформации обоих знаков. После установки вставки и снятия прибором показания соответствующего напряжения предварительного натяга из образца вырезают столбик с отверстием и вставкой. Затем снимают повторное показание прибора. Практика измерений показала, что оптимальными размерами вырезаемого столбика является размер АОХА мм. Увеличение этого размера ведет к увеличению степени осреднения искомого компонента напряжения, а его уменьшение — к усилению влияния отверстия на результат измерения деформации. По разности произведенных замеров определяют величину упругой деформации, вызванной снятием остаточных напряжений, и подсчитывают величину этих напряжений.  [c.215]

Нагрев изделия в процессе отпуска до 650—750° в зависимости от марки стали приводит к снятию сварочных напряжений за счет прохождения процесса релаксации. Однако в процессе охлаждения после отпуска в разнородных соединениях, в отличие от однородных, вновь возникают остаточные напряжения, но уже вызванные не неравномерностью нагрева при сварке, а разностью коэффициентов линейного расширения контактируемых материалов. Так, при охлаждении аустенитная составляющая стремится получить большее укорочение, чем перлитная, за счет того, что коэффициенты линейного расширения аустенита на 20—40% больше, чем перлита. Наличие в сварном соединении жесткой связи между ними препятствует свободной деформации отдельных составляющих и вызывает появление в сварных соединениях L новых остаточных напряжений. Вслед- в,кГ1мм г ствие этого в аустенитных ободе и шве возникают напряжения растялнапряжения сжатия, причем в зоне сплавления наблюдается скачок величины напряжений с переменой их знака.  [c.49]

Сварочные напряжения относятся к группе так называемых внутренних напряжений, существующих в изделии без приложения внешних сил. Внутренние напряжения возникают практически при всех технологических про-щёссах изготовления конструкций (литье, ковке, прокатке, сварке, механической и термической обработке), достигая в ряде случаев значительной величины (предела текучести) и вызывая заметные деформации изделий. Основными причинами их развития могут являться неравномерный разогрев изделия Б процессе изготовления, неравномерное распределение усилий, а также структурные изменения, приводящие к появлению в отдельных участках пластических или термопластических деформаций. Отличительной особенностью внутренних напряжений является их взаимная уравновешенность в пределах изделия.  [c.59]

Другим технологическим приемом снижения реактивных напряжений является проколачивание сварных швов. При проколачивании зона шва подвергается принудительному расширению, что несколько снижает жесткость изделия, а следовательно, и величину реактивных напряжений. Использование проколачивания является в ряде случаев полезным и с точки зрения уменьшения сварочных деформаций. Эта операция является желательной в сварных соединениях перлитных сталей.  [c.64]

Рассмотренный кратко термодеформационный цикл сварки, обусловливая появление уравновешенных упругих деформаций в зоне сварного соединения, приводит к возникновению остаточных сварочных напряжений в сварном соединении. В зонах, где должны происходить деформации сжатия, возникают растягивающие остаточные напряжения, а уравновешивающие их сжимающие напряжения соответственно появляются в зонах с деформацией растяжения. На величину и распределение остаточных напряжений кроме неравномерных деформаций изменения объема металла при охлаждении оказывают влияние и объемные изменения, протекающие ниже температуры распада аустенита. Эти изменения у различных сталей протекают по-разиому и зависят от содержания в стали углерода и легирующих элементов. На рис. 4 представлена схема распределения остаточных напряжений в сварном соединении. Уровень напряжений и размеры растянутых и сжатых зон зависят от условий сварки и состава свариваемой стали. По данным табл. 2 можно судить о роли состава стали в возникновении остаточных напряжений в сварном соединении. Экспериментально определенные величина и распределение остаточных напряжений в сварных соединениях труб с толщиной стеики 30—36 м.м из стали 15ХМ, выполненных ручной дуговой сваркой с получением металла шва близкого состава, приведены на рис. 5.  [c.408]

Влияние остаточных сварочных напряжений возрастает по мере перехода от пластических форм разрушения, т. е. разрушений, характеризуюш,ихся значительной степенью пластической деформации, предшествуюш,ей разрушению, к хрупким формам разрушения с малой степенью пластической деформации. При кратковременных испытаниях пластических материалов достаточно малых величин пластических деформаций, чтобы произошла релаксация остаточных напряжений. Поэтому при значительной обш,ей деформации значение релаксационных деформаций мало. В случае низкой деформационной способности материала, вызванной как внутренними факторами (низкая исходная пластичность материала, снижение пластичности вследствие закалочных явлений, деформационного старения, насыщения вредными примесями и др.), так и внешними (жесткая схема напря-жений, низкие температуры и др.), остаточные напряжения, суммируясь с эксплуатационными, неблагоприятно влияют на прочность. Влияние остаточных напряжений растет с уменьшением значения рабочих напряжений и с увеличением длительности испытаний. При длительных испытаниях, при повторно-статических нагружениях, которые характеризуются весьма малым значением общей пластической деформации и локализацией деформации в концентраторах, значение остаточных напряжений возрастает. Упругая энергия их, локализуясь в концентраторе, может вызвать значительную местную пластическую деформацию, достаточную для коррозионного разрушения.  [c.516]

В процессе сварки конструкции в ней возникают напряжения в результате неравномерных объемных изменений, вызванных неодинаковым нагревом основного и наплавленного металлов, усадкой расплавленного металла после сварки, структурными изменениями металла из-за быстрого охлаждения, жестким закреплением деталей или изделия в ходе их изготовления. Появление указанных натряжений в сварном соединении может обусловливаться также и изменением растворимости газов, окружающих сварной шов при охлаждении. Эти напряжения в отличие от напряжений, действующих на конструкцию во время ее эксплуатации и вызываемых внешними силами, называют внутренними или остаточными сварочными напряжениями. Внутренние напряжения могут вызвать не только деформацию сварного изделия, но и его разрушение. Величина оста-  [c.119]

Стойкость сварных соедипений протпв образования трещпн характеризует способность составляющих его материалов образовывать соединение без трещин и является комплексной характеристикой, зависящей как от технологических свойств металлов, так и от интенсивности и величины сварочных деформаций или напряжений. Ее определяют путем сварки образцов технологических проб отраслевого назначения, включающих основной и сварочный материалы, тип и жесткость сварного соедпнения, термические и климатические условия сварки, применительно к определенному виду сварных конструкций. Степень (или группа) стойкости оценивается указанным выше комплексо.м условий сварки образца пробы, при которых еще не образуется трещин.  [c.190]


Погонная энергия — сварка — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 3

Погонная энергия — сварка

Cтраница 3

При этом практически во всем диапазоне рассмотренных значений погонной энергии сварки ( 6000 — — 7500 кал / см) получались примерно одинаковые характеристики металла шва.  [31]

Для определения затраты тепла при сварке пользуются понятием погонной энергии сварки, которой называют количество теплоты, вводимой в металл в процессе сварки в единицу времени, отнесенное к единице длины шва.  [32]

Одновременное увеличение мощности источника и скорости сварки при постоянной погонной энергии сварки q / v качественно влияет на форму и размеры зон так же, как и при сварке пластин.  [34]

Сталь низкоуглеродистая нелегированная, зона термического влияния широкая ( малая погонная энергия сварки), охлаждение после сварки медленное.  [35]

С одной стороны, отмеченное является результатом увеличения эффекта вной погонной энергии сварки, а с другой — увеличением объема металла, аккумулирующего теплоту.  [36]

Для компенсации усиленного теплоотвода из зоны шва можно увеличить погонную энергию сварки пропорционально понижению температуры.  [37]

На величину и характер сварочных напряжений и остаточных деформаций влияет погонная энергия сварки и режим сварки. Увеличение сечения шва, как правило, способствует росту деформаций. Величина остаточных деформаций и напряжений зависит и от порядка наложения швов по длине и сечению. Например, при сварке листовых конструкций вначале выполняют поперечные швы отдельных поясов, а затем соединяют пояса между собой.  [38]

На величину и характер сварочных напряжений и остаточных деформаций влияет погонная энергия сварки и режим сварки. Увеличение сечения шва, как правило, способствует росту деформаций. Величина остаточных деформаций и напряжений зависит и от порядка наложения швов по длине и сечению. Например, при сварке листовых конструкций вначале выполняют поперечные швы отдельных поясов, а затем соединяют ( сваривают) пояса между собой.  [39]

Характер распространения тепла и распределения температур в изделии зависит от погонной энергии сварки и от физических свойств свариваемого металла.  [40]

Увеличение скорости дуговой сварки и уменьшение сварочного тока ( уменьшение погонной энергии сварки), равно как и понижение температуры свариваемого металла, наоборот, приводят к увеличению скорости кристаллизации и повышению склонности шва к образованию пор.  [42]

На величину и характер сварочных напряжений и остаточных деф ормаций влияет погонная энергия сварки и режим сварки. Увеличение сечения шва, как правило, способствует росту деформаций. Величина остаточных деформаций и напряжений зависит и от порядка наложения швов по длине и сечению. Например, при сварке листовых конструкций вначале выполняют поперечные швы отдельных поясов, а затем соединяют ( сваривают) пояса между собой.  [43]

Авторами работы [63 ] было проведено исследование свойств сварных соединений при разных значениях погонной энергии сварки. При этом подразумевалось, что выбранные значения погонной энергии должны обеспечить требуемое формирование шва, стабильное протекание процесса сварки, отсутствие в металле шва дефектов и оптимальные свойства шва, ЗТВ и всего сварного соединения в целом.  [44]

Страницы:      1    2    3    4

Билет № 16 Тестирование по экзаменационным билетам сварщика

Билет № 16

    Инструкция

  • Выберите один из вариантов в каждом из 10 вопросов;
  • Нажмите на кнопку «Показать результат»;
  • Скрипт не покажет результат, пока Вы не ответите на все вопросы;
  • Загляните в окно рядом с номером задания. Если ответ правильный, то там (+). Если Вы ошиблись, там (-).
  • За каждый правильный ответ начисляется 1 балл;
  • Оценки: менее 5 баллов — НЕУДОВЛЕТВОРИТЕЛЬНО, от 5 но менее 7.5 — УДОВЛЕТВОРИТЕЛЬНО, 7.5 и менее 10 — ХОРОШО, 10 — ОТЛИЧНО;
  • Чтобы сбросить результат тестирования, нажать кнопку «Сбросить ответы»;
  1. Укажите место возбуждения и гашения дуги при ручной дуговой сварке кольцевых соединений.
    На поверхности изделия на расстоянии не менее 20мм.
    В разделке кромок или на ранее выполненном шве.
    На внутренней поверхности трубы на расстоянии не менее 10мм.
  2. Какие углеродистые стали относятся к удовлетварительно свариваемым?
    С содержанием углерода до 0,25 %.
    С содержанием углерода от 0,25 % до 0,35 %.
    С содержанием хрома и марганца от 0,4% до 1,0%.
  3. Влияет ли род и полярность тока на величину провара при ручной дуговой сварке?
    Не влияет.
    Влияет незначительно.
    Влияет существенно.
  4. К каким последствиям может привести чрезмерное увеличение угла разделки свариваемых кромок?
    К прожогу металла.
    К увеличению трудоемкости сварки и расхода сварочных материалов.
    К несплавлению кромок
  5. Как влияет величина объема металла, наплавленного в разделку за один проход, на величину деформации сварных соединений?
    С увеличением объема увеличивается деформация сварного соединения.
    С увеличением объема уменьшается деформация сварного соединения.
    Объем наплавленного металла практически не влияет на деформация сварного соединения.
  6. Как влияет содержание серы и фосфора на свариваемость?
    Не влияет.
    Повышает свариваемость, при условии предварительного подогрева стали.
    Их повышение способствует появлению трещин, ухудшает свариваемость стали.
  7. При какой форме разделки кромок под сварку величина остаточных деформаций сваренных между собой листов (плит) окажется меньше?
    X- образная.
    U- образная.
    V- образная.
  8. Какой дефект сварного соединения называют наплывом?
    Дефект в виде металла, натекшего на поверхность сваренного металла и не сплавившегося с ним.
    Неровности поверхности металла шва или наплавленного металла.
    Несплавление валика металла шва с основным металлом.
  9. Можно ли использовать электроды, хранившиеся зимой в сухом не отапливаемом помещении?
    Нельзя
    Можно после прокалки в печи.
    Можно.
  10. С какой целью уменьшают величину сварочного тока при сварке в потолочном положении?
    Чтобы исключить появление прожогов в сварном соединении
    Чтобы исключить появление непроваров в сварном соединении.
    Чтобы уменьшить объем расплавленной ванны металла.
      

Деформации сварных соединений

Многие начинающие и даже опытные сварщики часто сталкиваются с проблемой деформации сварных соединений (искривлений рабочей поверхности из-за теплового воздействия дуги). Деформации могут приводить ко многим неприятностям, самая опасная из которых — это риск получить  конструктивно ненадежные соединения. Эта статья поможет лучше понять, что представляют собой деформации, как они происходят, какое влияние оказывают на соединение и как их контролировать.

Что такое деформации сварного соединения?
Деформация сварного соединения происходит из-за расширения и сужения наплавленного металла во время нагревания и остывания в ходе сварки. Если проводить сварку только с одной стороны детали, то это приведет к большему уровню деформаций, чем при чередовании обеих сторон. Во время цикла нагревания и охлаждения на сужение и деформацию металла влияет множество факторов, в частности, изменение физических и механических свойств металла по мере поступления тепла. Например, по мере роста температуры в зоне сварки предел прочности, эластичность и теплопроводимость стали падают, а тепловое расширение и удельная теплоемкость возрастают (Рис. 3-1). Эти изменения, в свою очередь, влияют на теплоотдачу и однородность распределения тепла.

 

Рис. 3-1 Изменение свойств стали в зависимости от температуры усложняет анализ сварочного цикла и понимание причин деформации швов


Причины деформаций
Чтобы понять, как и почему происходят деформации во время нагревания и остывания металла, рассмотрим брусок стали, показанный на Рис. 3-2. При равномерном нагревании брусок начнет расширяться во всех направлениях, как это показано на Рис. 3-2(a). После того, как металл начнет остывать, он равномерно сузится до исходного размера.

 

 

Рис. 3-2 Если равномерно нагреть незафиксированный стальной брусок, как на рисунке (a), он расширится во всех направлениях и затем при охлаждении вернется к исходным размерам. Но если брусок зафиксирован, как на рисунке (b), он сможет расшириться только в вертикальном направлении — при этом увеличится его толщина. При охлаждении брусок равномерно сожмется, как на рисунке (c), и поэтому останется деформированным. Это самое простое объяснение деформаций в сварных соединениях.

 


Но если брусок зафиксирован — например, в тисках, как показано на Рис. 3-2(b) — боковое расширение будет невозможно. Но так как при нагревании материал все же должен расширяться, брусок расширится в вертикальном направлении (увеличится его толщина). Несмотря на это, когда брусок начнет остывать, он сузится равномерно, как показано на Рис. 3-2 (c). В результате брусок станет короче, но толще. Он получит необратимую деформацию (для простоты на рисунках выше показано только изменение толщины. В действительности также схожим образом изменится длина бруска)

Точно такие же силы сжатия и расширения действуют на наплавленный и основной металл. Когда наплавленный металл затвердевает и сплавляется с основным, он находится в расширенном состоянии. При остывании он пытается сжаться до объема, который он бы обычно имел при низкой температуре, но не может этого сделать из-за примыкающего основного металла. Из-за этого между наплавленным и основным металлом возникают напряжения. В этот момент из-за изменения объема при остывании сварной шов удлиняется и сужается. Но при этом снижаются только те напряжения, которые превышают предел текучести наплавленного металла. К моменту, когда металл остынет до комнатной температуры — при условии полной фиксации для предотвращения сдвигов — наплавленный металл будет иметь внутреннее растягивающее напряжение, примерно равное пределу текучести металла. Если снять фиксацию (зажимы или иную силу, препятствующую сжатию), остаточные напряжения будут частично сняты, потому что они заставят металл сдвинуться и деформировать соединение.



Контроль сжатия — как сократить деформации

Чтобы предотвратить или сократить деформации при нагревании и остывании сварного соединения, нужно использовать определенные конструкторские и сварочные приемы. Сжатие нельзя предотвратить, но его можно контролировать. Существует несколько методов сокращения деформаций из-за сжатия металла::

1.  Избегайте излишне большого сечения шва
 Чем больше металла, тем больше силы сжатия. Правильное сечение шва позволит не только сократить искажения, но и сэкономить время и сварочные материалы. Объем наплавленного металла в угловом соединении можно снизить за счет плоского или немного выпуклого шва, в стыковом — за счет правильной подготовки кромок и подгонки. Избыточный металл в сильно выпуклом шве не позволит повысить допустимую нагрузку, но определенно увеличит силы сжатия.

При сварке пластин большого сечения (больше 2,5 см) создание одностороннего или даже двухстороннего скоса кромок позволить значительно снизить объем наплавленного металла, что автоматически означает намного меньший уровень деформаций.

Как правило, когда не стоит опасаться деформаций, нужно выбирать самое экономичное соединение. Если деформации могут представлять собой проблему, подберите соединение, в котором остаточные напряжения будут друг друга компенсировать или соединение, для которого требуется наименьшее количество наплавленного металла.

2. Сделайте прерывистый сварной шов
Еще один способ снизить объем наплавленного металла — по возможности вести прерывистую сварку, как показано на Рис. 3-7(c). Например, при добавлении на стальную пластину ребер жесткости прерывистая сварка позволяет снизить объем наплавленного металла на 75% и в то же время обеспечить необходимую прочность.

 

 

Рис. 3-7 Деформации можно предотвратить или минимизировать с помощью приемов, которые позволяют преодолеть или конструктивно использовать эффект нагревания и охлаждения.

 


3. Делайте как можно меньше проходов

Меньшее число проходов за счет материалов большего диаметра, Рис. 3-7(d) оказывается более предпочтительным в случаях, когда следует опасаться поперечных деформаций. Сжатие от каждого прохода суммируется, поэтому при большом числе проходов сжатие усиливается.

4. Прокладывайте шов возле нейтральной оси
Деформации можно сократить, если уменьшить плечо рычага для сил сжатия, которые могут сместить пластины. Это показано на Рисунке 3-7(e). Для контролирования деформаций можно эффективно использовать как строение шва, так и сварочную процедуру.

 

 

Рис. 3-7 Деформации можно предотвратить или минимизировать с помощью приемов, которые позволяют преодолеть или конструктивно использовать эффект нагревания и охлаждения.

 


5. Располагайте швы на нейтральной оси

Этот метод, показанный на Рис. 3-7(f), позволяет уравновесить силу сжатия с одной стороны изделия силой сжатия с другой стороны. Для этого также важны строение соединения и процедура сварки.

6. Обратноступенчатая сварка
При сварке обратноступенчатым способом общее направление сварки может быть, например, слева направо, но каждый отдельный валик накладывается в направлении справа налево, как это показано на Рис. 3-7(g). При наложении очередного сегмента валика  его нагретые края расширяются, что временно раздвигает пластины в точке B. Но как только тепло переходит по пластине в точку C, расширение вдоль внешних краев CD опять сдвигает пластины вместе. Это расстояние больше всего в момент создания первого валика. При последующей сварке пластины расширяются меньше и меньше за счет силы сжатия предшествующих валиков. Обратноступенчатая сварка подходит не для каждой задачи и она слишком неэкономичная при автоматической сварке.

 

 

Рис. 3-7 Деформации можно предотвратить или минимизировать с помощью приемов, которые позволяют преодолеть или конструктивно использовать эффект нагревания и охлаждения.

 


7. Прогнозирование сил сжатия
С помощью предварительной подгонки деталей (с первого взгляда может показаться, что это относится только к потолочной или вертикальной сварке, что не всегда так) можно использовать силы сжатия конструктивно. На Рис. 3-7(h) показано несколько примеров такой подгонки деталей. При этом методом проб и ошибок нужно подобрать зазоры, необходимые для того, чтобы силы сжатия стянули пластины в нужное положение.

Предварительные подгибка, подгонка и обратная деформация, Рис. 3-7(i) — это самые распространенные примеры компенсирования деформаций при сварке. При предварительной подгонке удлиняется верхняя часть кромок под сварку — где будет расположена большая часть наплавленного металла. Из-за этого шов в готовом виде получается несколько длиннее, чем было бы в нижнем положении. Когда после сварки зажимы будут сняты, пластины опять примут плоскую форму, что снизит продольное усадочное напряжение за счет укорачивания шва. Эти две силы компенсируют друг друга и пластины принимают желаемую плоскую форму.

Еще один распространенный прием компенсирования сил сжатия — это сварка парных идентичных сегментов, Рис. 3-7(j), жестко скрепленных зажимами. После завершения сварки обоих изделий им позволяют остыть и затем снимают зажимы. Этот метод можно совмещать с подгибкой, когда перед наложением зажимов в определенные места между деталями вставляются клины.

В случае швов большого сечения жесткость элементов и их расположение относительно друг друга позволяют должным образом сбалансировать все воздействующие силы. Если это невозможно, нужно найти другой способ компенсировать силы сжатия в наплавленном металле. Этого можно добиться, если с помощью зажимов погасить силы сжатия за счет противоположной силы. Этой противоположной силой могут быть: другие силы сжатия; сдерживающие силы зажимов, тисков или фиксаторов; сдерживающие силы из-за определенного расположения элементов; или провисание одного из элементов благодаря гравитации.

8.  Процедура сварки
Хорошо продуманная процедура сварки предусматривает поочередную сварку в разных местах конструкции, потому что когда она сжимается в одном месте, она противодействует силам сжатия в уже готовых соединениях. В качестве примера, сварку можно поочередно вести с двух сторон нейтральной оси стыкового соединения, как показано на Рис. 3-7(k). Еще один пример, для стыкового соединения, предусматривает поочередную сварку в последовательности, показанной на Рис. 3-7(l). В этих примерах сжатие от шва №1 компенсирует сжатие от шва №2.

 

 

Рис. 3-7 Деформации можно предотвратить или минимизировать с помощью приемов, которые позволяют преодолеть или конструктивно использовать эффект нагревания и охлаждения.

 


Наверное, самый распространенный способ контроля деформаций в мелких деталях — это зажимы, тиски и другие крепежные приспособления, которые фиксируют детали в нужном положении до завершения сварки. Выше уже было упомянуто, что сдерживающая сила зажимов увеличивает внутреннее напряжение в наплавленном металле до тех пор, пока не будет достигнут предел текучести. В большинстве случаев сварки низкоуглеродистой стали он составляет около 310 МПа. Было бы логично предполагать, что это напряжение приведет к значительному смещению или деформации после того, как деталь освободят от тисков или зажимов. Однако на самом деле этого не происходит, так как это напряжение (сужение детали) намного ниже смещения, которое произошло бы без использования фиксации во время сварки.

9.  Снижение сил сжатия после сварки
Проковка — это один из доступных способов противостоять силам сжатия во время остывания шва. По сути, проковка шва позволяет удлинить шов и сделать его тоньше, тем самым снизив (с помощью пластических деформаций) напряжение из-за остывания при охлаждении металла. Но этим методом нужно пользоваться с осторожностью. Например, нельзя проковывать корневой шов из-за риска скрыть или вызвать появление трещины. Как правило, проковка не допускается при последнем проходе, потому что это может скрыть трещину и помешать визуальному осмотру, и потому что она оказывает нежелательный эффект механического упрочнения. Поэтому применимость этого метода несколько ограничена, хотя бывают  случаи, когда проковка между проходами оказалась единственным подходящим решением проблем с деформациями или растрескиванием. Перед проведением проковки на нее сначала нужно получить конструкторское разрешение.

Еще один метод снятия сил сжатия — это термическое снятие напряжения, контролируемое нагревание соединения до определенной температуры с последующим контролируемым соединением. Иногда для этого скрепляют вместе два идентичных соединения, после чего проводится сварка и снятие напряжения. Это позволяет свести к минимуму остаточное напряжение, которое деформировало бы соединения.

10.  Сокращение времени сварки
Так как для распространения тепла необходимо время, оно оказывает большое влияние на деформации. В большинстве случае предпочтительно завершить сварку как можно скорее, до того, как нагреется и расширится большой объем металла. Сжатие и деформирование сварного шва зависят от используемого процесса сварки, типа и диаметра сварочных материалов, силы тока и скорости сварки. Механизированное сварочное оборудование позволяет сократить продолжительность сварки и объем затронутого тепловым воздействием металла, как следствие, сократив уровень деформаций. Например, для создания сварного шва определенного размера на пластине большого сечения с настройками 175А, 25В и 7,5 см/мин. требуется 87 500 джоулей энергии (тепловложения) на линейный дюйм шва. Для создания такого же шва с настройками 310А, 35В и 20 см/мин. требуется 81 400 джоулей на линейный дюйм. Большое тепловложение обычно приводит к большим деформациям шва (примечание: мы специально не используем слова «избыточное» и «больше необходимого» потому что сечение шва тесно связано с тепловложением. В большинстве случаев сечение углового шва (в дюймах) равняется квадратному корню тепловложения(кЖд/дюйм), поделенному на 500. Поэтому эти два соединения скорее всего будут иметь разный размер.

Другие методы контроля деформаций

Тиски с жидкостным охлаждением
Для борьбы с деформациями было разработано несколько методов. Например, при сварке листового металла иногда используется жидкостное охлаждение (Рис. 3-33), которое позволяет быстро отводить жар от свариваемых компонентов. Для этого к медным крепежным зажимам припаиваются медные трубы и во время сварки через эти трубы подается вода. Кроме того, деформации также удается сократить за счет сдерживающей силы зажимов.

 

 

Рис. 3-33 Система жидкостного охлаждения для отведения жара при сварке.

 


Укрепляющая накладка

«Укрепляющие накладки» — это еще один полезный прием для снижения деформаций при сварке стыковых соединений, Рис. 3-34(a). К кромкам одной из пластин приваривают скобы и в них вставляют клины, которые выравнивают кромки и удерживают их во время сварки.

 

 

Рис. 3-34 Различные конфигурации укрепляющих накладок для снижения деформаций при стыковой сварке.

 


Термическое снятие напряжения

Снятие напряжение нагреванием используется для снижения деформаций только в исключительных случаях. Однако бывают случаи, когда это необходимо для предотвращения дальнейшей деформации материала до завершения сварки.


Обзор: контрольный список для снижения деформаций
Этот список поможет Вам избежать деформаций:

Избегайте чрезмерного сечения швов
Контролируйте подгонку
Если это возможно и приемлемо с точки зрения конструкторских требований используйте прерывистую сварку
При угловой сварке делайте как можно более короткие отрезки.
При сварке с разделкой кромок старайтесь уменьшить объем наплавленного металла. Обдумайте возможность использования двухсторонних соединений.
При многопроходной сварке по возможности ведите сварку поочередно с обеих сторон соединения.
Насколько это возможно, сократите число проходов.
Используйте процедуры с низким тепловложением. Обычно для этого требуется большая производительность наплавки и высокая скорость сварки
Используйте сварочные манипуляторы, чтобы как можно больше увеличить долю сварки в нижнем положении. Сварка в нижнем положении позволяет использовать сварочные материалы большого диаметра и процедуры сварки с высокой производительностью наплавки
Располагайте швы рядом с нейтральной осью изделия
Как можно равномернее распределяйте тепло с помощью продуманной процедуры сварки и расположения швов
Ведите сварку по направлению к незафиксированной части изделия
Пользуйтесь для подгонки деталей зажимами, тисками и укрепляющими накладками
Предварительная подгонка и подгибка позволит силам сжатия придать изделиям нужную форму
Соединяйте изделия и узлы таким образом, чтобы сварные соединения компенсировали друг друга вдоль нейтральной оси секции

 

Эти приемы помогут свести влияние деформаций и остаточного напряжения к минимуму.

Повышение — скорость — сварка

Повышение — скорость — сварка

Cтраница 2

Скорость сварки в большой мере зависит от квалификации сварщика; с повышением скорости сварки возрастает необходимый сварочный ток и минимально необходимый расход аргона, поэтому режимы сварки могут меняться в широких пределах.  [16]

Швы с катетом 8 мм сваривают в лодочку для улучшения формирования шва и повышения скорости сварки.  [18]

Уменьшение угла раскрытия кромок сказывается положительно на сокращении расхода наплавляемого электродного металла, повышении скорости сварки, уменьшении угловых деформаций.  [20]

Производительность автоматической сварки ( по сравнению с ручной) увеличивается за счет повышения силы сварочного тока, повышения скорости сварки, уменьшения количества наплавляемого металла и возможности варить швы большого сечения в один проход.  [21]

При малых скоростях сварки ( 1 — 1 5 м / ч) глубина провара минимальная. Повышение скорости сварки до некоторого значения приводит к увеличению глубины провара. Дальнейшее возрастание скорости приводит к уменьшению глубины провара. В пределах наиболее часто применяемых режимов сварки глубина провара изменяется незначительно с изменением скорости сварки.  [22]

С увеличением силы тока ширина зоны упругопластических деформаций увеличивается, поэтому деформации сварного соединения, как правило, с увеличением тока возрастают. Повышение скорости сварки приводит к сужению этой зоны и, следовательно, к уменьшению величины сварочных деформаций.  [24]

Скорость сварки оказывает влияние на положение столба дуги по отношению к поверхности сварочной ванны, что способствует изменению формы шва. При повышении скорости сварки наблюдается отклонение столба дуги в сторону, обратную перемещению электрода. Это приводит к некоторому увеличению горизонтальной составляющей давления дуги на расплавленную ванну, что оттесняет ее из-под оси электрода. Поэтому глубина проплавления основного металла растет до определенного предела, а татем уменьшается. С увеличением скорости сварки ширина проплавления непрерывно падает, причем в относительно больших размерах, чем глубина проплавления. Поэтому коэффициент формы провара шва с уве-личением скорости сварки снижается, но доля участия основного, металла в шве непрерывно растет. Небольшая скорость сварки при-водит к получению излишне широкого валика, а большая — способствует появлению краевых несплавлений.  [25]

Снижение тепловой мощности дуги ( ручная сварка) или увеличение скорости охлаждения уменьшает величину зон расплавления и термического влияния, увеличивает температурный градиент ( крутизну кривой падения температуры) и способствует появлению закалочных структур, а следовательно, и появлению холодных трещин. Так же действуют повышение скорости сварки ( без увеличения тепловой мощности дуги) и сварка при низкой температуре. Во время сварки при низкой температуре возможность хрупких разрушений усугубляется уменьшением вязкости и пластичности основного металла. Однако сварка хорошего качества при низких температурах вполне возможна.  [26]

Снижение тепловой мощности дуги ( ручная сварка) или увеличение скорости охлаждения уменьшает величину зон ра сплавления и термического влияния, увеличивает температурный градиент ( крутизну кривой падения температуры) и способствует появлению закалочных структур, а следовательно, и появлению холодных трещин. Так же действуют повышение скорости сварки ( без увеличения тепловой мощности дуги) и сварка при низкой температуре. Во время сварки при низкой температуре возможность хрупких разрушений усугубляется уменьшением вязкости и пластичности основного металла. Однако сварка хорошего качества при низких температурах вполне возможна. Весьма существенное значение имеет тщательное выполнение концов шва без подрезов и других мест концентрации напряжений. Большинство повреждений сварных конструкций при низких температурах вовремя сварки или после сварки связано с концентрацией напряжений у подрезов металла и непроваров, а также с появлением холодных трещин. Сварка при низких температурах снижает ударную вязкость металла, не отражаясь на его временном сопротивлении.  [27]

Для обычных режимов при сварке конструкционных углеродистых сталей под кремнемарганцовистыми флюсами по экс перименталышм данным qHM может быть принят равным 30 кал / см — сек. Следует отметить, что при повышении скорости сварки и увеличении количества электродов ( для данной толщины металла) величина днм возрастает.  [28]

Существуют различные схемы процесса многоэлектродной дуговой сварки ( см. гл. I и II), применяемые с целью повышения скорости сварки, для наплавочных работ и для других специальных задач.  [30]

Страницы:      1    2    3    4

Как влияет увеличение объема наплавленного металла на величину деформации

Главная » Разное » Как влияет увеличение объема наплавленного металла на величину деформации

Билеты экзамена для проверки знаний специалистов сварочного производства 1 уровень

БИЛЕТ 8

ВОПРОС 1. Какие основные параметры характеризуют режим ручной дуговой сварки?

1. Род тока, полярность, толщина свариваемого металла.

2. Величина сварочного тока, диаметр электрода, род тока и полярность.

3. Напряжение на дуге, марка свариваемого металла.

ВОПРОС 2. Какой буквой русского алфавита обозначают титан и хром в маркировке стали?

1. Титан-Т, хром-Х.

2. Титан-В, хром-Ф.

3. Титан-Т, хром-Г.

ВОПРОС 3. Какие стали относятся к высокохромистым сталям?

1. 03Х16Н9М2, 15Х1М1Ф, 10Х18Н9.

2. 08Х13, 06Х12Н3Д, 1Х12В2МФ.

3. 10Х2М, 20ХМА, 10ХН1М.

ВОПРОС 4. Какая причина образования кратера?

1. В результате резкого отвода дуги от сварочной ванны.

2. Кратер образуется на месте выделения газов в процессе сварки.

2. Кратер образуется из-за значительной усадки металла в процессе кристаллизации.

ВОПРОС 5. Что необходимо предпринять, если установленный режим сварки не обеспечивает заданную глубину проплавления?

1. Увеличить длину дуги при сварке.

2. Увеличить скорость сварки.

3. Увеличить силу тока.

ВОПРОС 6. С какой целью производят подогрев свариваемых кромок при низких температурах?

1. Чтобы увеличить глубину проплавления кромок.

2. Чтобы сплавления между собой основного и наплавленного металла.

3. Чтобы снизить скорость охлаждения шва после сварки и избежать появления трещин.

ВОПРОС 7. Для какого класса сталей применяют при сварке электроды типов Э70, Э85, Э100, Э125, Э150?

1. Для сварки теплоустойчивых сталей.

2. Для сварки конструкционных сталей повышенной и высокой прочности.

3. Для сварки углеродистых и низколегированных конструкционных сталей.

ВОПРОС 8. Укажите роль шлакообразующих веществ в электродном покрытии?

1. Защищают расплавленный металл от взаимодействия с воздухом.

2. Легируют наплавленный металл.

3. Защищают расплавленный металл от разбрызгивания.

ВОПРОС 9. Для чего нужна спецодежда сварщику?

1. Для защиты сварщика от тепловых, световых, механических и других воздействий сварочного процесса.

2. Для защиты сварщика от поражения электрическим током.

3. Для защиты сварщика от выделяющихся вредных аэрозолей.

ВОПРОС 10. Укажите наиболее полный перечень требований поверхности свариваемых элементов?

1. Горячекатаный метал разрешается применять в состоянии поставки.

2. Поверхность свариваемых кромок должна быть чистой, без окалины, ржавчины, масла, смазки и грязи.

3.Поверхность свариваемых элементов не должна иметь следов влаги.

ВОПРОС 11. Укажите место возбуждения и гашения дуги при ручной дуговой сварке кольцевых соединений.

1. На поверхности изделия на расстоянии не менее 20мм.

2. В разделке кромок или на ранее выполненном шве.

3. На внутренней поверхности трубы на расстоянии не менее 10мм.

ВОПРОС 12. Какие углеродистые стали относятся к удовлетварительно свариваемым?

1. С содержанием углерода до 0,25 %.

2. С содержанием углерода от 0,25 % до 0,35 %.

3. С содержанием хрома и марганца от 0,4% до 1,0%.

ВОПРОС 13. Влияет ли род и полярность тока на величину провара при ручной дуговой сварке?

1. Не влияет.

2. Влияет незначительно.

3. Влияет существенно.

ВОПРОС 14. К каким последствиям может привести чрезмерное увеличение угла разделки свариваемых кромок?

1. К прожогу металла.

2. К увеличению трудоемкости сварки и расхода сварочных материалов.

3. К несплавлению кромок.

ВОПРОС 15. Как влияет величина объема металла, наплавленного в разделку за один проход, на величину деформации сварных соединений?

1. С увеличением объема увеличивается деформация сварного соединения.

2. С увеличением объема уменьшается деформация сварного соединения.

3. Объем наплавленного металла практически не влияет на деформация сварного соединения.

ВОПРОС 16. Как влияет содержание серы и фосфора на свариваемость?

1. Не влияет.

2. Повышает свариваемость, при условии предварительного подогрева стали.

3. Их повышение способствует появлению трещин, ухудшает свариваемость стали.

ВОПРОС 17. При какой форме разделки кромок под сварку величина остаточных деформаций сваренных между собой листов (плит) окажется меньше?

1. X- образная.

2. U- образная.

3. V- образная.

ВОПРОС 18. Какой дефект сварного соединения называют наплывом?

1. Дефект в виде металла, натекшего на поверхность сваренного металла и не сплавившегося с ним.

2. Неровности поверхности металла шва или наплавленного металла.

3. Несплавление валика металла шва с основным металлом.

ВОПРОС 19. Можно ли использовать электроды, хранившиеся зимой в сухом не отапливаемом помещении?

1. Нельзя.

2. Можно после прокалки в печи.

3. Можно.

ВОПРОС 20. С какой целью уменьшают величину сварочного тока при сварке в потолочном положении?

1. Чтобы исключить появление прожогов в сварном соединении.

2. Чтобы исключить появление непроваров в сварном соединении.

3. Чтобы уменьшить объем расплавленной ванны металла.

Для перехода на следующую страницу, воспользуйтесь постраничной навигацией ниже

Страницы: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

научных принципов

научных принципов

Структура металлов:

Металлы составляют около двух третей всех элементов и около 24% массы планеты. Они повсюду вокруг нас в таких формах, как стальные конструкции, медная проволока, алюминиевая фольга и золотые украшения. Металлы широко используются благодаря своим свойствам: прочности, пластичности, высокой температуре плавления, тепловой и электрической проводимости и ударной вязкости.

Эти свойства также дают ключ к разгадке структуры металлов.Как и все элементы, металлы состоят из атомов. Прочность металлов предполагает, что эти атомы удерживаются вместе прочными связями. Эти связи также должны позволять атомам двигаться; иначе как металл можно было забивать в листы или вытягивать в проволоку? Разумной моделью будет модель, в которой атомы удерживаются вместе прочными, но делокализованными связями.

Склеивание

Такие связи могут образовываться между атомами металлов, которые имеют низкую электроотрицательность и не сильно притягивают свои валентные электроны.Это позволило бы наиболее удаленным электронам быть общими для всех окружающих атомов, в результате чего положительные ионы ( катионов, ) были окружены морем электронов (иногда называемым электронным облаком).

Рисунок 1: Металлическое соединение .

Поскольку эти валентные электроны являются общими для всех атомов, они не считаются связанными с каким-либо одним атомом. Это сильно отличается от ионных или ковалентных связей, где электроны удерживаются одним или двумя атомами.Таким образом, металлическая связь получается прочной и однородной. Поскольку электроны притягиваются ко многим атомам, они обладают значительной подвижностью, что обеспечивает хорошую теплопроводность и электропроводность металлов.

Выше точки плавления металлы являются жидкостями, их атомы расположены беспорядочно и относительно свободно перемещаются. Однако при охлаждении ниже точки плавления металлы перестраиваются, образуя упорядоченные кристаллические структуры.

Рисунок 2: Расположение атомов в жидкости и твердом теле.

Кристаллы

Чтобы сформировать самые прочные металлические связи, металлы упаковываются как можно плотнее. Возможны несколько вариантов упаковки. Вместо атомов представьте шарики, которые нужно упаковать в коробку. Шарики помещали на дно коробки аккуратными упорядоченными рядами, а затем начинали второй слой. Второй слой шариков не может быть помещен непосредственно поверх других шариков, поэтому ряды шариков этого слоя перемещаются в промежутки между шариками первого слоя.Первый слой мрамора может быть обозначен как A, а второй слой как B, давая двум слоям обозначение AB.

Слой «A» Слой «B» AB упаковка
Рисунок 3: AB упаковка сфер. Обратите внимание, что сферы слоя B помещаются в отверстия в слое A.

Укладка мрамора в третий слой требует решения. Снова ряды атомов будут гнездиться в полостях между атомами во втором слое, но существуют две возможности.Если ряды мрамора уложены так, что они находятся непосредственно над первым слоем (A), то расположение можно описать как ABA. Такое устройство насадки с чередующимися слоями будет обозначено как ABABAB. Такое расположение ABAB называется гексагональной плотной упаковкой (HCP).

Если ряды атомов упакованы в этом третьем слое так, чтобы они не лежали над атомами в слое A или B, то третий слой называется C. Эта последовательность упаковки будет обозначена ABCABC и также известна как гранецентрированный кубик (ГЦК).Оба устройства обеспечивают максимально плотную упаковку сфер, оставляя пустой лишь около четверти доступного пространства.

Наименьший повторяющийся массив атомов в кристалле называется элементарной ячейкой. Третье распространенное устройство упаковки в металлах, элементарная ячейка с объемно-центрированным кубом (ОЦК), имеет атомы в каждом из восьми углов куба плюс один атом в центре куба. Поскольку каждый из угловых атомов является углом другого куба, угловые атомы в каждой элементарной ячейке будут разделены между восемью элементарными ячейками.Элементарная ячейка ОЦК состоит из двух атомов, одного в центре и восьми восьмых от углов.

В схеме FCC также есть восемь атомов в углах элементарной ячейки и по одному центру на каждой из граней. Атом в грани делится с соседней ячейкой. Элементарные ячейки FCC состоят из четырех атомов, восемь восьмых по углам и шесть половин на гранях. В таблице 1 показаны стабильные кристаллические структуры при комнатной температуре для нескольких элементарных металлов.

Таблица 1: Кристаллическая структура некоторых металлов (при комнатной температуре) 900 40
Алюминий FCC
 
Никель FCC
Кадмий HCP
 
Ниобий BCC
Хром BCC
 Platinum 
FCC
Кобальт HCP
 
Серебро FCC
Медь FCC
 
Титан HCP
 Золото 
FCC Ванадий BCC
Железо BCC
 
Цинк HCP
Свинец FCC
 
Цирконий HCP
Магний HCP

Структуры элементарных ячеек определяют некоторые свойства металлов.Например, структуры FCC с большей вероятностью будут пластичными, чем BCC (объемно-центрированная кубическая) или HCP (гексагональная плотноупакованная). На рисунке 4 показаны элементарные ячейки FCC и BCC. (См. Активность кристаллической структуры)

Телоцентрированный кубический Лицоцентрированный кубический
Рисунок 4: элементарных ячеек для BCC и FCC.

Когда атомы расплавленного металла начинают собираться вместе, образуя кристаллическую решетку в точке замерзания, группы этих атомов образуют крошечные кристаллы.Эти крошечные кристаллы увеличиваются в размере за счет постепенного добавления атомов. Получающееся в результате твердое вещество представляет собой не один кристалл, а на самом деле множество более мелких кристаллов, называемых зернами. Эти зерна растут до тех пор, пока не столкнутся с соседними растущими кристаллами. Образовавшаяся между ними граница раздела называется границей зерен. Иногда зерна бывают достаточно большими, чтобы их можно было увидеть под обычным световым микроскопом или даже невооруженным глазом. Блестки, которые видны на недавно оцинкованном металле, представляют собой зерна. (См. Модель активности металлов с помощью частиц). На рисунке 5 показан типичный вид металлической поверхности с множеством зерен или кристаллов.

Рисунок 5: зерен и границ зерен металла.

Дефекты кристалла:

Металлические кристаллы не идеальны. Иногда встречаются пустые места, называемые вакансиями, где отсутствует атом. Другим распространенным дефектом металлов являются дислокации, которые представляют собой линии дефектного соединения. На рисунке 6 показан один тип дислокации.

Рисунок 6: Поперечное сечение краевого дислокации, которое распространяется на страницу. Обратите внимание, как плоскость в центре заканчивается внутри кристалла.

Эти и другие дефекты, а также наличие зерен и границ зерен определяют многие механические свойства металлов. Когда к металлу прикладывается напряжение, возникают дислокации, которые перемещаются, позволяя металлу деформироваться.

Механические свойства:

Когда к металлам прикладываются небольшие нагрузки (напряжения), они деформируются и возвращаются к своей исходной форме при снятии нагрузки. Сгибание стального листа является примером, когда скрепления изгибаются или растягиваются только на небольшой процент.Это называется упругой деформацией и включает временное растяжение или искривление связей между атомами.

Рисунок 7: Упругая деформация металлического стержня.

При приложении более высоких напряжений возникает остаточная (пластическая) деформация. Например, если скрепку сильно согнуть, а затем отпустить, она останется частично согнутой. Эта пластическая деформация включает разрыв связей, часто в результате движения дислокаций. См. Рис. 8. Дислокации легко перемещаются в металлах из-за делокализованной связи, но не перемещаются легко в керамике.Это во многом объясняет, почему металлы пластичны, а керамика — хрупка.

Рисунок 8: Движение дислокации в кристалле.

Если поместить под слишком большое напряжение, металлы будут механически разрушаться или ломаться. Со временем это также может быть результатом множества небольших нагрузок. Самая частая причина (около 80%) выхода металла из строя — усталость. Благодаря приложению и снятию небольших напряжений (до миллионов раз) по мере использования металла в нем образуются небольшие трещины, которые медленно растут.Со временем металл деформируется или ломается (ломается). (См. Деятельность по обработке металлов)

Обработка:

В промышленности расплавленный металл охлаждают для образования твердого тела. Затем твердому металлу механически формируют конкретный продукт. Очень важно, как выполняются эти этапы, поскольку нагрев и пластическая деформация могут сильно повлиять на механические свойства металла.

Влияние размера зерна:

Давно известно, что свойства некоторых металлов можно изменять путем термической обработки.Зерна в металлах имеют тенденцию увеличиваться в размерах по мере нагрева металла. Зерно может увеличиваться в размерах за счет миграции атомов из другого зерна, которые в конечном итоге могут исчезнуть. Дислокации не могут легко пересекать границы зерен, поэтому размер зерен определяет, насколько легко дислокации могут перемещаться. Как и ожидалось, металлы с мелкими зернами прочнее, но менее пластичны. На рис. 5 показан пример зеренной структуры металлов.

Закалка и закалка:

Есть много способов термической обработки металлов.Отжиг — это процесс размягчения, при котором металлы нагревают, а затем дают медленно остыть. Большинство сталей можно закалить путем нагрева и закалки (быстрого охлаждения). Этот процесс использовался довольно рано в истории обработки стали. Фактически, считалось, что биологические жидкости лучше всего гасят жидкости, и иногда использовалась моча. В некоторых древних цивилизациях раскаленные лезвия меча иногда вонзались в тела несчастных заключенных! Сегодня металлы закаливают в воде или масле.На самом деле закалка в растворах соленой воды происходит быстрее, поэтому древние не совсем ошибались.

В результате закалки металл становится очень твердым, но также хрупким. Осторожно нагревая закаленный металл и давая ему медленно остыть, вы получите металл, который останется твердым, но менее хрупким. Этот процесс известен как отпуск. (См. «Обработка металлов»). Это приводит к появлению большого количества мелких выделений Fe 3 C в стали, которые блокируют движение дислокаций, тем самым обеспечивая упрочнение.

Холодная обработка:

Поскольку пластическая деформация возникает в результате движения дислокаций, металлы можно упрочнять, предотвращая это движение. Когда металл изгибается или приобретает форму, возникают и перемещаются дислокации. По мере увеличения количества дислокаций в кристалле они будут запутываться или скрепляться и не смогут двигаться. Это укрепит металл и усложнит его деформацию. Этот процесс известен как холодная обработка. При более высоких температурах дислокации могут перестраиваться, поэтому упрочнение происходит незначительно.

Можно попробовать со скрепкой. Разогните скрепку и несколько раз согните одну из прямых частей вперед-назад. Представьте себе, что происходит на атомарном уровне. Обратите внимание, что металл сложнее согнуть в одном месте. Вывихи образовались и запутались, увеличивая прочность. Скрепка со временем сломается на изгибе. Очевидно, что холодная обработка работает только до определенной степени! Слишком большая деформация приводит к спутыванию дислокаций, которые не могут двигаться, поэтому металл вместо этого ломается.

Отопление устраняет последствия холодной обработки. При нагревании холоднодеформированных металлов происходит перекристаллизация. Новые зерна образуются и растут, чтобы потреблять холодно обработанную часть. В новых зернах меньше дислокаций, и восстанавливаются первоначальные свойства.

Сплавы:

Наличие в металле других элементов также может изменить его свойства, иногда резко. Расположение и вид связи в металлах позволяет добавлять другие элементы в структуру, образуя смеси металлов, называемые сплавами.Даже если добавленные элементы являются неметаллами, сплавы могут иметь металлические свойства.

Медные сплавы начали производить в самом начале нашей истории. Бронза, сплав меди и олова, была первым известным сплавом. Его было легко получить, просто добавив олово к расплавленной меди. Орудия и оружие из этого сплава были прочнее, чем из чистой меди. Добавление цинка к меди дает еще один сплав — латунь. Хотя латунь труднее производить, чем бронзу, она была известна и в древние времена.(См. «Золотая» Пенни Активность) Типичный состав некоторых сплавов приведен в Таблице 2.

Таблица 2: Состав нескольких сплавов.
Сплав Состав
Латунь Медь, цинк
Бронза Медь, цинк, олово
Олово Олово, медь
Припой Свинец, олово
Alnico Алюминий, никель, кобальт, железо
Чугун Железо, углерод, марганец, кремний
Сталь Железо, углерод (плюс небольшое количество легирующих элементов)
Нержавеющая сталь Железо, хром, никель

Сплавы представляют собой смеси, и их процентный состав может варьироваться.Это полезно, потому что свойствами сплавов можно управлять, варьируя состав. Например, электрикам нужен припой с другими свойствами, чем у сантехников. Электрический припой очень быстро затвердевает, образуя почти мгновенное соединение. Это будет непрактично для сантехников, которым нужно время, чтобы установить соединение. Электрический припой содержит около 60% олова, тогда как припой для сантехников — около 30%.

Изначально олово содержало свинец, а поскольку олово использовалось для изготовления тарелок и кубков, вероятно, оно было источником отравления свинцом.Изготовленный сегодня олово не содержит свинца. Расширение знаний о свойствах металлов также приводит к созданию новых сплавов. Некоторые латуни образуют сплавы с памятью формы, которые можно сгибать и возвращать к своей исходной форме при осторожном нагревании. Цинковые сплавы, используемые в качестве покрытия на стали, замедляют коррозию (оцинкованная сталь). Сплавы кадмия находят широкое применение в солнечных элементах. Способность мельхиора противостоять образованию отложений делает его полезным в садках в рыбоводстве.

Чугун и сталь:

Углеродистые стали различаются по процентному содержанию углерода.Количество углерода влияет на свойства стали и ее пригодность для конкретного использования. Стали редко содержат более 1% углерода. Конструкционная сталь содержит около 0,1-0,2% углерода по весу; это делает его немного более пластичным и менее склонным к разрушению во время землетрясений. Сталь, используемая для изготовления инструментов, содержит около 0,5-1% углерода, что делает ее более твердой и износостойкой. Чугун содержит от 2,5 до 4% углерода и находит применение в недорогих приложениях, где его хрупкость не является проблемой. Удивительно, но чистое железо чрезвычайно мягкое и используется редко.Увеличение количества углерода приводит к увеличению твердости металла, как показано на следующем графике. В медленно охлаждаемых сталях углерод увеличивает количество твердого Fe 3 C; в закаленных сталях он также увеличивает твердость и прочность материала.

Рисунок 9: Зависимость твердости стали от% углерода. Рисунок 10: BCC железа, показывающее расположение межузельных атомов углерода.

Заколки для бобби и скрепки обрабатываются практически одинаково, но содержат разное количество углерода.Заколки и скрепки изготовлены из холоднокатанной стальной проволоки. Скрепка, содержащая мало углерода, в основном состоит из чистого Fe с некоторым количеством частиц Fe 3 C. Заколка для шкворня имеет больше углерода и, следовательно, содержит большее количество Fe 3 C, что делает ее намного более твердой и прочной.

Свойства стали можно адаптировать для специальных целей путем добавления в сплав других металлов. Титан, ванадий, молибден и марганец входят в число металлов, добавляемых к этим специальным сталям.Нержавеющая сталь содержит минимум 12% хрома, который останавливает дальнейшее окисление, образуя защитный оксид на поверхности.

Коррозия:

Коррозия металлов может быть серьезной проблемой, особенно для долговременных конструкций, таких как автомобили, мосты и корабли. В большинстве случаев коррозия носит электрохимический (гальванический) характер. Для возникновения коррозии должны присутствовать анод (более легко окисляемая область) и катод (менее легко окисляемая область). Это могут быть разные типы металлов или просто разные участки одного и того же металла.Также должен присутствовать какой-то электролит, который может обеспечивать перенос электронов. Коррозия включает высвобождение электронов на аноде из-за высокого окислительного потенциала атомов на аноде. Когда электроны высвобождаются, образуются катионы металлов, и металл распадается. Одновременно катод, который имеет больший восстановительный потенциал, принимает электроны, либо образуя отрицательные ионы, либо нейтрализуя положительные ионы.

В случае серии активности или электродвижущей силы металл, такой как цинк, реагирует с водородом и служит как анодом, так и катодом.(См. Activity Series Activity) Уравнение этой реакции:

2 Zn + 2 H + -> 2 Zn 2+ + H 2

Пузырьки водорода на катоде при разрушении анода. Неровности поверхности, наличие примесей, ориентация зерен, локализованные напряжения и вариации окружающей среды — вот некоторые из факторов, определяющих, почему один кусок металла может служить обоими электродами. Например, головка и острие гвоздя обработаны холодной обработкой и могут служить анодом, а корпус — катодом.(См. Коррозия от активности железа)

Хотя окисление на аноде и восстановление на катоде являются одновременными процессами, коррозия обычно происходит на аноде. Катод почти никогда не разрушается. В 1824 году Дэви разработал метод защиты корпусов кораблей от коррозии с помощью цинка, который можно периодически заменять. Цинк более активен, чем сталь в корпусе, и будет служить анодом и подвергаться коррозии; им приносят в жертву защиту стальной конструкции. Сталь, которая была бы и анодом, и катодом, обычно служит катодом.Это называется катодной защитой. Трубопроводы также защищены более активным металлическим магнием. Иногда электрические токи поддерживаются в коротких отрезках трубопроводов с такой же металлической проволокой, которая используется в качестве жертвенного анода.

Коррозия — серьезная проблема, которую необходимо решить для эффективного использования металлов. Железо соединяется с кислородом воздуха, образуя оксид железа (ржавчину), что в конечном итоге разрушает полезность металла. (См. Дополнительно: действие химического обогрева рук). К счастью, некоторые металлы, такие как алюминий и хром, образуют защитное оксидное покрытие, предотвращающее дальнейшее окисление (коррозию).Точно так же медь соединяется с серой и кислородом, образуя знакомую зеленую патину.

Понимание химии металлов ведет к разработке методов уменьшения и предотвращения коррозии. Атомы хрома примерно того же размера, что и атомы железа, и могут замещать их в кристаллах железа. Хром образует оксидный слой, который позволяет нержавеющей стали противостоять коррозии. Металлы можно окрашивать или покрывать другими металлами; оцинкованная (оцинкованная) сталь является примером. Когда эти два металла используются вместе, более активный цинк корродирует, жертвуя собой ради сохранения стали.

Металлические руды:

Золото, серебро и медь были первыми металлами, которые использовались, поскольку они находятся в свободном или элементарном состоянии. Большинство металлов, встречающихся в природе, сочетаются с другими элементами, такими как кислород и сера. Энергия необходима для извлечения металлов из этих соединений или руд. Исторически сложилось так, что легкость, с которой данный металл может быть извлечена из руды, наряду с доступностью, определялась при его использовании, отсюда и раннее использование меди, олова и железа.Формулы для некоторых руд приведены ниже:

Habgar
Гематит Fe 2 O 3 Рутил TiO 2
Магнетит Fe 3 O 4 Циркон ZrSiO ZrSiO Пирит FeS 2 Касситерит SnO 2
Халькоцит Cu 2 S Боксит Al 2 O
Галена PbS

Эти руды представляют собой ионные соединения, в которых металлы существуют в виде положительных ионов.Например, степень окисления железа в гематите +3; степень окисления меди в халькоците +1. Извлечение металлов из их руд представляет собой окислительно-восстановительную (окислительно-восстановительную) реакцию. В элементарном состоянии металлы состоят из атомов, а не ионов. Поскольку у атомов нет общего заряда, ионы металлов в реакции приобретают электроны; они уменьшены.

Общая реакция восстановления меди из халькоцита:

Cu 2 S + O 2 + Энергия -> 2 Cu + SO 2

Это только общая реакция.Весь процесс не так прост. Восстановление металлов из их руд обычно требует ряда химических и механических процессов. Обычно они энергетически дороги, потребляют большое количество тепла и / или электроэнергии. Например, около пяти процентов электроэнергии, потребляемой в Соединенных Штатах, используется для производства алюминия. Изготовление алюминиевой консервной банки, начиная с руды, стоит примерно в сто раз дороже, чем плавление и формирование переработанного алюминия. Извлечение металлов из руд может также приводить к образованию загрязняющих веществ, таких как диоксид серы, указанный выше.По возможности, переработка и переработка металлов имеет смысл.

Относительная сложность извлечения металлов из руд указывает на то, что это их предпочтительное состояние. После удаления из руд и в элементарном состоянии большинство металлов проявляют значительную тенденцию реагировать с кислородом и серой и возвращаться в свое естественное состояние; они разъедают! При коррозии металл окисляется. Он теряет электроны, становясь положительным ионом. (См. Раздел «Коррозия металлов»)

Сводка по металлам

Металлы обладают полезными свойствами, включая прочность, пластичность, высокие температуры плавления, термическую и электрическую проводимость и ударную вязкость.Они широко используются в конструкциях и электротехнике. Понимание структуры металлов может помочь нам понять их свойства.

Атомы металлов связаны друг с другом прочными делокализованными связями. Эти связи образованы облаком валентных электронов, которые разделяются между положительными ионами (катионами) металлов в кристаллической решетке. В таком расположении валентные электроны обладают значительной подвижностью и могут легко проводить тепло и электричество. В кристаллической решетке атомы металлов плотно упакованы вместе, чтобы максимизировать прочность связей.Настоящий кусок металла состоит из множества крошечных кристаллов, называемых зернами, которые касаются границ зерен.

Из-за делокализованной природы связей атомы металла могут скользить мимо друг друга, когда металл деформируется, вместо того, чтобы разрушаться, как хрупкий материал. Это движение атомов осуществляется за счет образования и движения дислокаций в решетке. Методы обработки, которые изменяют связь между атомами или влияют на количество или подвижность дислокаций, могут иметь большое влияние на механические свойства металла.

Упругая деформация металла — это небольшое изменение формы при низком напряжении, которое можно восстановить после снятия напряжения. Этот тип деформации включает растяжение металлических связей, но атомы не скользят друг мимо друга. Пластическая деформация возникает, когда напряжение достаточно для постоянной деформации металла. Этот тип деформации включает разрыв связей, обычно за счет движения дислокаций.

Пластическая деформация приводит к образованию большего количества дислокаций в металлической решетке.Это может привести к снижению подвижности этих дислокаций из-за их тенденции запутываться или скрепляться. Пластическая деформация при температурах, достаточно низких, чтобы атомы не могли перегруппироваться (холодная обработка), может упрочнять металл в результате этого эффекта. Одним из побочных эффектов является то, что металл становится более хрупким. При использовании металла трещины имеют тенденцию к образованию и росту, что в конечном итоге приводит к его разрушению или разрушению.

Дислокации не могут легко пересекать границы зерен. Если металл нагреть, зерна могут стать больше, а материал станет мягче.Нагревание металла и быстрое охлаждение (закалка) с последующим легким нагревом (отпуском) приводит к более твердому материалу из-за образования множества мелких выделений Fe 3 C, которые блокируют дислокации.

Смешивание металлов с другими металлами или неметаллами может привести к получению сплавов с желаемыми свойствами. Сталь, изготовленная из железа и углерода, может существенно различаться по твердости в зависимости от количества добавленного углерода и способа ее обработки. Некоторые сплавы обладают более высокой устойчивостью к коррозии.

Коррозия — основная проблема большинства металлов. Это окислительно-восстановительная реакция, в которой атомы металла образуют ионы, вызывающие ослабление металла. Один из методов, который был разработан для борьбы с коррозией в конструкциях, включает прикрепление расходуемого анода, сделанного из металла с более высоким окислительным потенциалом. В этом случае анод подвергается коррозии, оставляя катод, конструктивную часть, неповрежденным. Образование защитного покрытия на внешней стороне металла также может противостоять коррозии.Стали, содержащие металлический хром, образуют защитное покрытие из оксида хрома. Алюминий также устойчив к коррозии благодаря образованию прочного оксидного покрытия. Медь образует знакомую зеленую патину, реагируя с серой и кислородом в воздухе.

В природе можно найти лишь несколько чистых металлов. Большинство металлов существует в виде руд, соединений металла с кислородом или серой. Для отделения чистого металла от руды часто требуется большое количество энергии в виде тепла и / или электричества. Из-за такого большого расхода энергии имеет смысл по возможности утилизировать металлы.

Вопросы для обсуждения

1. Как руды добываются из земли?

2. Назовите 4 сплава и металлы, из которых они сделаны.

3. Какое влияние оказывает «холодная обработка» на металлы?

4. Какой процесс делает металлы твердыми, но хрупкими?

5. Какой процесс делает металлы более мягкими и удобными в обработке?

6. Назовите три метода уменьшения коррозии.

7. Дайте 2 ценных результата переработки.

Проблема

Предположим, что радиус одного атома железа равен 1,24 Ангстрема (1 Ангстрем = 1 x 10 -8 см). Какой будет плотность объемно центрированного кубического (ОЦК) железа в граммах на кубический сантиметр? Подсказка: найдите массу и объем одной элементарной ячейки. Не забудьте считать только долю каждого атома в ячейке.

Добавочный номер:

Максимальная растворимость углерода в железе ОЦК составляет один атом на каждые 5000 атомов железа.Какой будет плотность стали при максимальном растворении углерода?


Решение

= m / V = ​​# атомов x (масса / атом) / объем ячейки

В ОЦК-железе на элементарную ячейку приходится два атома железа. (8 х 1/8 + 1)

Один атом железа имеет массу 55,85 а.е.м. или 9,27 x 10 -23 граммов.

Общая масса одной элементарной ячейки составляет 1,85 x 10 -22 граммов.

Пусть (r) будет радиус атома железа.Атомы в углах контактируют с атомом в середине, в результате чего диагональ коробки равна (4r).

Если мы назовем одну сторону коробки (L), диагональ грани куба будет равна (квадратный корень из 2) умноженным на (L).

Одна сторона, диагональ грани куба и диагональ прямоугольника образуют прямоугольный треугольник. Используя теорему Пифагора, (L) 2 + (квадратный корень 2 x (L)) 2 = (4r) 2 .

Решая для L и подставляя для (r), мы находим, что L = 2.86 ангстрем или 2,86 x 10 -8 см.

Объем куба (элементарной ячейки) равен (л) 3 = 2,34 x 10 -23 см 3 . Разделив массу на объем, получим:

Плотность = 7,91 г / см 3 .

Следующая тема: Список литературы

Металлы Содержание МАСТ Домашняя страница.

Хрупкое разрушение — Вопросы и ответы по материаловедению

перейти к содержанию Меню
  • Дом
  • разветвленных MCQ
    • Программирование
    • CS — IT — IS
    • ECE — EEE — EE
    • Гражданский
    • Механический
    • Химическая промышленность
    • Металлургия
    • Горное дело
    • Приборы
    • Аэрокосмическая промышленность
    • Авиационная
    • Биотехнологии
    • Сельское хозяйство
    • Морской
    • MCA
    • BCA
  • Тест и звание
    • Sanfoundry Tests
    • Сертификационные испытания
    • Тесты для стажировки
    • Занявшие первые позиции
  • Конкурсы
  • Стажировка
  • Обучение
.

1. Что такое остаточная деформация и почему она нам не нравится

1.1. Постоянная деформация и влияющие на нее факторы

Деформация определяется как изменение длины, выраженное как функция от изменяемой длины, т.е.
Деформация, ε = (изменение длины) / (исходная длина)

В упругом материале деформация линейно увеличивается с увеличением напряжения

В линейно-упругом материале деформация линейно увеличивается в зависимости от увеличения напряжения.

Аналогично в 100% эластичном материале, когда напряжение уменьшается, деформация восстанавливается по той же линейной траектории.

Деформация идеально эластичного материала полностью устранима. Когда напряжение больше не действует, объект возвращается к своей исходной форме.

Деформация идеально эластичного материала полностью компенсируется, например, при прохождении большой нагрузки на колесо.

Деформация определяется в точке, а деформация определяется как само изменение.На тротуаре нас обычно интересует вертикальное изменение положения на поверхности (например, из-за проезжающего транспортного средства). В этом случае деформация поверхности представляет собой сумму всех вертикальных деформаций в каждой точке под поверхностью. Они могут быть результатом сжимающих сил, сил растяжения, сдвига, изгиба или скручивания (скручивания).

Пластическая деформация не исправима. Однако объект в диапазоне пластической деформации сначала подвергнется упругой деформации, которую можно исправить, поэтому объект частично вернется к своей исходной форме.

На дороге с малым объемом движения реакция на большую нагрузку на колеса всегда представляет собой сочетание упругой деформации и очень небольшой доли остаточной деформации.

Материалы для дорожного строительства не идеально эластичны, и они будут накапливать некоторую остаточную деформацию в результате каждого приложения нагрузки.

Сочетание упругой и остаточной деформации при повторяющихся НИЗКИХ уровнях напряжения. Красная горизонтальная линия указывает уровень разрушающего напряжения.В начале нагружения приращение деформации сначала высокое из-за начального уплотнения заполнителя, но вскоре стабилизируется до постоянного низкого уровня.

Результаты лабораторных испытаний, полученные как в ходе (проекта ROADEX), так и в других случаях, показывают, что ключевые факторы, влияющие на скорость накопления остаточной деформации, включают:

  • Гранулометрический состав материала, особенно доля мелкозернистых частиц и их качество
  • степень уплотнения i.е. плотность материала в сухом состоянии,
  • количество свободной воды, содержащейся в материале и
  • — напряженные условия, которым подвергается материал, особенно интенсивность касательных напряжений. При низком уровне напряжения сдвига остаточная деформация может стабилизироваться, тогда как при высоком уровне напряжения сдвига она может постоянно накапливаться.

Сочетание упругой и остаточной деформации при ВЫСОКИХ уровнях напряжения, близких к уровню напряжения разрушения (горизонтальная красная линия).Прирост деформации высокий с начала нагружения и продолжает непрерывно накапливаться.

1.2. Проблемы, вызванные необратимой деформацией

Проект ROADEX показал, что в Северной Периферии постоянная деформация является основной причиной нежелательной колейности на дорогах с низкой интенсивностью движения, но, согласно недавним результатам, полученным в Финляндии, она также играет большую роль в развитии колейности на дорогах с интенсивным движением. Эта колейность создает множество проблем для участников дорожного движения и владельцев дорог.

Проблемы безопасности дорожного движения и здоровья водителя грузовика

Глубокие колеи могут представлять угрозу безопасности дорожного движения. Они собирают воду, которая может привести к риску аквапланирования во время дождя и риску заноса из-за льда зимой. Постоянная деформация, особенно на обочинах дорог, также может вызывать коробление тяжелых транспортных средств. Это может нанести вред здоровью водителей в долгосрочной перспективе из-за нездоровой вибрации

Пониженная несущая способность

Колейность слоев щебня и / или земляного полотна на дороге может привести к разрушению верхних слоев асфальта.

Там, где это происходит, вместо того, чтобы стекать, поверхностная вода в колее проникает в дорожные конструкции и земляное полотно под тротуаром, вызывая их размягчение.

Из-за этого колейность редко бывает равномерной по всей длине дороги, и могут возникать неровности дорожного покрытия, приводящие к более высоким уровням неровностей и дискомфорту пользователя.

Более высокие расходы на пользователей дорогами

Высокая колея также может стать причиной дополнительных расходов для участников дорожного движения.Увеличивается трение о боковую поверхность шины, что приводит к более высокому расходу топлива и износу шин.

Глубокие колеи вызывают более быстрый износ боковых сторон шин, увеличивая транспортные расходы для владельцев грузовиков.

Расходы владельца дороги выше

Колеи создают и другие проблемы для владельцев дорог. В Скандинавии, где используются шипованные шины, скорость износа асфальтового покрытия значительно увеличивается. Это приводит к образованию глубоких колей, которые собирают воду и сокращают срок службы покрытия.

Стоячая вода на дне колеи увеличивает степень износа колеи на транспортное средство и, таким образом, сокращает срок службы дорожного покрытия.

Колеи также создают проблемы для удаления льда и уплотненного снега зимой. Это может быть очень сложной операцией с грейдерами или подножками и может привести к повреждению дорожного покрытия.

.

Как размер выборки влияет на погрешность

  1. Образование
  2. Математика
  3. Статистика
  4. Как размер выборки влияет на погрешность

Дебора Дж. Рамси

В статистике две наиболее важные идеи, касающиеся размер выборки и предел погрешности: во-первых, размер выборки и предел погрешности имеют обратную зависимость; и, во-вторых, после определенного момента увеличение размера выборки сверх того, что у вас уже есть, дает вам меньшую отдачу, потому что повышение точности будет незначительным.

Связь между погрешностью и размером выборки проста: по мере увеличения размера выборки погрешность уменьшается. Эта связь называется обратной, потому что они движутся в противоположных направлениях. Если подумать, логично, что чем больше у вас информации, тем точнее будут ваши результаты (другими словами, тем меньше будет ваша погрешность). (Это, конечно, предполагает, что данные были собраны и обработаны должным образом.)

Предположим, что в последнем опросе Gallup Organization была отобрана 1000 человек из США, и результаты показывают, что 520 человек (52%) считают, что президент делает хорошую работу, по сравнению с 48%, которые так не думают.Во-первых, предположим, что вам нужен уровень уверенности 95%, поэтому вы найдете z * , используя следующую таблицу .

z * — Значения для выбранной (процентной) уверенности
уровней
Доверие в процентах z * -Значение
80 1,28
90 1,645
95 1,96
98 2.33
99 2,58

Из таблицы видно, что z * = 1,96.

Число американцев в выборке, заявивших, что они одобряют президента, составило 520. Это означает, что в выборке доля

составляет 520/1000 = 0,52. (Размер выборки n, составлял 1000.) Предел погрешности для этого вопроса опроса рассчитывается следующим образом:

По этим данным, вы с 95% уверенностью заключаете, что 52% всех американцев одобряют президента плюс-минус 3.1%.

Используя ту же формулу, вы можете посмотреть, как резко изменяется предел погрешности для образцов разного размера. Предположим, что в президентском опросе одобрения n было 500 вместо 1000. Теперь погрешность для уверенности 95% составляет

, что эквивалентно 4,38%. Если n увеличить до 1500, предел погрешности (с тем же уровнем достоверности) станет

или 2,53%. Наконец, когда n = 2000, погрешность составляет

или 2.19%.

Глядя на эти разные результаты, вы можете видеть, что большие размеры выборки уменьшают погрешность, но после определенного момента вы получаете уменьшенную доходность. Каждый раз, когда вы опрашиваете еще одного человека, стоимость вашего опроса увеличивается, и переход от размера выборки, скажем, 1500 к размеру выборки 2000 снижает вашу погрешность всего на 0,34% (треть одного процента!) — от 0,0253 до 0,0219. Дополнительные затраты и хлопоты, связанные с получением этого небольшого уменьшения погрешности, могут не иметь смысла.Больше — не всегда лучше!

Об авторе книги

Дебора Дж. Рамси, доктор философии, , профессор статистики и специалист по статистике в области образования в Университете штата Огайо. Она является автором книги статистики для чайников, статистики II для чайников, и вероятности для чайников .

.

факторов, влияющих на остаточное напряжение и деформации, вызванные сваркой в ​​сталях для сосудов под давлением, и методы их уменьшения: обзор

Сосуды под давлением составляют критически важное производственное оборудование в рамках промышленных операций. Тот факт, что судно работает под давлением и может нести токсичное, опасное или опасное содержимое, требует принятия мер для обеспечения безопасности людей, эксплуатирующих его, и окружающей среды, в которой оно работает. Остаточное напряжение, возникающее при сварке конструкций сосудов высокого давления, отрицательно влияет на усталостную долговечность такой конструкции за счет снижения вязкости разрушения.Образование остаточных напряжений во время сварки происходит, когда неравномерный нагрев металлических поверхностей вызывает значительные температурные градиенты, которые, в свою очередь, вызывают пластическую деформацию различных частей материала сварной детали, тем самым подвергая его внутренним напряжениям после охлаждения, которые могут его ослабить. Был проведен ряд исследований параметрического анализа сварки с помощью планирования экспериментов (DoE), математического программирования, эволюционных алгоритмов и методов конечных элементов с целью количественной оценки влияния сварочных факторов на результирующее остаточное напряжение.Цель этого обзора — систематизировать такую ​​литературу по конкретным областям анализа, чтобы расширить доступ к ней и выяснить ее актуальность для целей справочной работы и дальнейших исследований. В статье определены три категории влияющих факторов: условия предварительной сварки, параметры в процессе и условия после сварки. Показано, что условия предварительной сварки, такие как выбор процесса сварки, должны выбираться в соответствии с характером свариваемых материалов, эксплуатационным применением конструкции и компромиссом между сроком службы и производственными затратами.Поглощение тепла (которое является функцией напряжения дуги, сварочного тока и скорости движения) является наиболее влиятельным параметром процесса, связанным с машиной, в создании остаточного напряжения во время сварки. Также отмечается, что при применении смягчающих факторов следует проявлять осторожность, чтобы не усугубить ситуацию остаточного напряжения из-за неоптимальной параметрической настройки.

(PDF) Влияние параметров сварки на остаточные напряжения в разнородном соединении нержавеющей стали с углеродистой сталью

Akbari et al.В [8] разработана модель для изучения влияния подводимой теплоты сварки

на остаточные напряжения в стыковых швах

разнородных соединений труб, в которых в качестве основного металла использовались ферритные и аустенитные нержавеющие стали

.

Что касается опубликованных работ по сварке разнородной дугой-

ing, необходимы дальнейшие исследования для оценки термо-

механических реакций сварного изделия, особенно при

различных условиях сварки, а также последовательностях сварки.

В данном исследовании используется термомеханическая модель

для оценки влияния параметров сварки, последовательности сварки

и разбавления на остаточные напряжения в разнородных стыковых соединениях

углеродистой и нержавеющей сталей, полученных сваркой TIG

. процесс. Для этого используется конечноэлементное программное обеспечение

ANSYS для решения основных задач

о теплопередаче и упруго-пластической деформации

.Чтобы проверить результаты моделей, прогнозы

сравниваются с экспериментальными данными

, полученными на основе оптического макрографа участка сварного шва и измерений дифракции рентгеновских лучей

.

Математическая модель

Прогнозирование температурных циклов в сварочных операциях

является основным моментом при определении остаточных напряжений при сварке и

соответственно, проблема теплопроводности в сварном шве должна быть решена в первую очередь.Следующее уравнение можно использовать для описания колебаний температуры внутри деталей

:

o

oxkoT

ox



þo

oykoT

oy

2

ozkoT

oz



¼qCoT

otð1Þ

здесь T обозначает температуру, k теплопроводность,

C, удельную теплоту, q плотность, направление двойного поперечного сечения сварки 9000 и z, 9000 direction и направление толщины

соответственно.В начале процесса

, т.е. t = 0, вся модель находилась при комнатной температуре

, а во время сварки учитывались следующие граничные условия —

. Конвекция–

граничные условия проводимости были приняты на поверхности

границ, за исключением области, затронутой сваркой

дугой, как показано в уравнении. 2:

koT

on¼hðTTaÞð2Þ

, где n обозначает нормальное направление к поверхности

границы, T

a

— температура окружающей среды, а h — con-

векторный коэффициент теплопередачи.Коэффициент конвекции

был принят равным 15 Вт / м

2

K для поверхностей, контактирующих с окружающим воздухом

. Для поверхностей, которые находятся в контакте с опорной пластиной

, конвекция коэффициент фи Cient был взят

800 Вт / м

2

K.

Обратите внимание, что на верхней поверхности образца, где в фл и-

добрый десяток движущейся дугой, граничное условие задается

как уравнение. 3:

koT

oy¼qrðÞ¼gVI

2pr02exp 1

2

r

r0



2

 3

, где направление поверхности

обозначает нормальное направление поверхности 9000 ‘

Граница

, q (r) — поверхностный тепловой поток от дуги

, эффективность процесса сварки gis, сварочное напряжение Vis, сварочный ток

I, ‘r’ — расстояние от центра источника тепла

и «r0» — параметр гауссова распределения

, который представляет собой радиус области, в которую входит 95% энергии

[1].В этом исследовании «r0» было принято равным 1,5 мм

, а g было принято равным 0,6 [9].

Следует отметить, что программное обеспечение конечных элементов

ANSYS используется для решения вышеуказанной проблемы теплопроводности

. Что касается термического отклика свариваемого материала

, ожидается, что он будет создавать сильный температурный градиент

вблизи сварочной дуги, и поэтому для достижения точных результатов

требуются очень тонкие элементы

в области сварочной ванны.Таким образом, сетка создается таким образом, что размер элементов

экспоненциально увеличивается в поперечном направлении

, то есть по оси x. Используемая сеточная система

показана на рис. 1.

Чтобы учесть влияние скорости сварки, была разработана подпрограмма

для моделирования движущегося источника тепла в модели.

Была определена система координации, и ее источник находился в

центре подвижной дуги. Эта программа также использовалась для

расчета расстояний между элементами поверхности от

начала координатной системы.На каждом временном шаге это начало отсчета

переносилось в положение » z ± il

z

», где

» i » — номер временного шага, а » l

z

» — длина элемента

в z-направлении.

В то же время, механический отклик сварного шва

следует определять с использованием уравнения равновесия

, как указано в уравнении. 4.

Рис. 1 Используемая сеточная система в модели

3226 J Mater Sci (2011) 46: 3225–3232

123

Что такое остаточное напряжение? — TWI

Остаточные напряжения — это напряжения, которые остаются в объекте (в частности, в сварном элементе) даже при отсутствии внешней нагрузки или температурных градиентов.В некоторых случаях остаточные напряжения приводят к значительной пластической деформации, приводящей к короблению и деформации объекта. В других случаях они влияют на предрасположенность к переломам и утомляемость.

Нажмите здесь, чтобы увидеть наши последние подкасты по технической инженерии на YouTube .

Содержание

Остаточные напряжения возникают, когда объект (особенно сварной элемент) подвергается напряжению, превышающему предел упругости, что приводит к пластической деформации.Эти напряжения возникают по трем основным причинам:

Температурные вариации

Когда объект охлаждается от высокой температуры (например, после сварки), часто наблюдается большая разница в скорости охлаждения по всему телу. Разница в скорости охлаждения поверхности и внутренней части объекта приводит к локализованным вариациям теплового сжатия. Разные термические сжатия приводят к возникновению неоднородных напряжений. Во время охлаждения поверхность остывает быстрее, сжимая нагретый материал в центре.Поскольку материал в центре пытается остыть, его сдерживает более холодный внешний материал. Следовательно, внутренняя часть будет иметь остаточное напряжение растяжения, а внешняя часть компонента будет иметь остаточное напряжение сжатия.

Фазовые преобразования

Когда материал претерпевает фазовое превращение, возникает разница в объеме между вновь образованной фазой и окружающим материалом, который еще не претерпел фазовое превращение. Разница в объеме вызывает расширение или сжатие материала, что приводит к остаточному напряжению.

Механическая обработка

Остаточное напряжение также возникает, когда пластическая деформация неоднородна по поперечному сечению объекта, подвергающегося производственному процессу, например, изгибу, вытяжке, экструзии и прокатке. Когда материал деформируется, одна часть становится упругой, а другая — пластичной. Как только нагрузка снимается, материал пытается восстановить упругую часть деформации, но его полное восстановление затруднено из-за соседнего пластически деформированного материала.

В зависимости от области применения остаточные напряжения могут быть положительными или отрицательными. Например, остаточные напряжения реализованы в конструкциях некоторых приложений для получения положительных эффектов. Это может быть достигнуто с помощью лазерной упрочнения, при которой на поверхность объекта передаются остаточные напряжения сжатия, что позволяет упрочнять тонкие сечения или упрочнять хрупкие поверхности.

Однако обычно остаточные напряжения имеют отрицательные последствия. Остаточные напряжения часто незаметны для производителя, если они не приводят к значительным деформациям, но могут отрицательно повлиять на целостность конструкции.Например, толстостенные конструкции в состоянии после сварки более склонны к хрупкому разрушению, чем конструкции, в которых снято напряжение.

Нежелательные напряжения также влияют на усталостные характеристики.

Давно признано, что для несварных материалов в условиях усталостного нагружения только растягивающие части приложенного цикла напряжений способствуют росту усталостной трещины (см. Нижнюю часть рисунка 1). И наоборот, для соединений в асфальте. При сварке необходимо добавить эффекты остаточного напряжения сварки к приложенному циклическому напряжению, в результате чего весь цикл усталости (растяжение и сжатие) вызывает усталостное повреждение (см. верхнюю часть рисунка 1).

Рисунок 1 Влияние остаточного напряжения сварки на усталостное повреждение.

К счастью, влияние остаточных напряжений при сварке как на разрушение, так и на усталость было записано в правилах и стандартах таким образом, что большинство пользователей не знают о них и не должны учитывать их явно. Тем не менее, есть частные случаи, когда необходима количественная оценка остаточных напряжений.

Существует множество методов измерения остаточных напряжений.В целом они делятся на три области: разрушительные, полудеструктивные и неразрушающие. Используемый подход часто зависит от требуемой информации. Из-за сложности некоторых методов измерения измерения должны выполняться в специализированном помещении. Это особенно верно для многих неразрушающих методов.

Три основные категории перечислены ниже:

Разрушительный

Эти методы включают разрушение объекта измерения и обычно используются с точки зрения исследований и разработок.Разрушающий контроль зачастую намного дешевле в реализации, чем неразрушающий.

Примеры методов включают:

  • Контурный метод. Метод контура определяет остаточное напряжение, разрезая объект на две части и измеряя карты высот поверхности вдоль свободной плоскости, созданной разрезом. Средний контур определяет деформации, вызванные перераспределением остаточных напряжений, и используется для расчета остаточных напряжений с помощью упругой конечно-элементной модели образца.Результатом является двухмерная карта остаточного напряжения, нормальная к плоскости измерения.
  • Продольная резка. Метод продольной резки — это метод измерения остаточного напряжения по толщине, перпендикулярного плоскости, прорезанной через объект. Он включает в себя прорезание тонкой прорези с приращением глубины по толщине заготовки и измерение результирующих деформаций в зависимости от глубины прорези. Остаточное напряжение затем рассчитывается как функция от положения по толщине, определенного путем решения обратной задачи с использованием измеренных деформаций.

Полудеструктивное

Полудеструктивные методы сравнимы с разрушающими методами в том, что они используют принцип снятия напряжения для определения остаточного напряжения. Однако удаляется лишь небольшое количество материала, что позволяет структуре лучше сохранять свою целостность.

Примеры включают:

  • Сверление глубоких отверстий. Сверление глубоких отверстий включает просверливание отверстия по всей толщине объекта, измерение диаметра отверстия, вырезание круглой прорези вокруг отверстия, чтобы удалить сердцевину материала вокруг отверстия, а затем повторное измерение диаметра отверстия.Остаточное напряжение определяется по геометрическому изменению.
  • Сверление центрального отверстия. Сверление центрального отверстия работает по принципу сверления небольшого отверстия в объекте. Когда материал, содержащий остаточное напряжение, удаляется, оставшийся материал достигает нового состояния равновесия, которое вызывает деформации вокруг отверстия. Деформации вокруг отверстия измеряются во время анализа с помощью тензодатчиков или оптических методов. Исходное остаточное напряжение в материале рассчитывается по измеренным деформациям.

Неразрушающий

Существует множество методов, используемых для неразрушающего контроля, которые включают измерение эффектов взаимосвязи между остаточными напряжениями и их материальными изменениями в интервале кристаллической решетки.

Примеры неразрушающих методов:

  • Дифракция нейтронов. Использует нейтроны для измерения шага кристаллической решетки в объекте. Нейтроны, покидающие объект, имеют энергию, сравнимую с падающими нейтронами, что позволяет определять остаточное напряжение по периоду решетки.
  • Синхротронная дифракция рентгеновских лучей. Требуется синхротрон для ускорения электромагнитного излучения, чтобы позволить сквозное понимание расстояния решетки объекта. В процессе используется аналогичный подход к дифракции нейтронов для расчета остаточного напряжения.
  • Дифракция рентгеновских лучей. Этот процесс позволяет измерять поверхностное остаточное напряжение, поскольку рентгеновское излучение проникает через поверхность объекта только на несколько сотен микрон.

Существует ряд методов, которые можно использовать для перераспределения или снятия остаточных напряжений.Соответствующий производственный дизайн и выбор параметров сварки могут снизить образование остаточных напряжений. Например, методы обработки сваркой, которые уменьшают температурный градиент внутри объекта, уменьшают величину возникающих напряжений.

После производственного процесса могут быть предприняты дополнительные шаги для значительного снижения остаточных напряжений, содержащихся в объекте. Это может быть достигнуто с помощью термической или механической обработки. Термическая обработка после сварки часто используется для снятия или перераспределения остаточных напряжений в свариваемом объекте.С механической точки зрения для достижения желаемого эффекта могут применяться такие методы, как дробеструйная обработка, холодная прокатка и растяжение.

Как TWI может помочь?

TWI в настоящее время предоставляет своим членам ряд услуг в отношении остаточных напряжений, вызванных технологическими процессами, в том числе:

  • Измерение
  • Численное моделирование
  • Рекомендации по:

    Влияние остаточных напряжений на целостность конструкции (в первую очередь, разрушение и усталость)

    Методы снижения остаточных напряжений (e.грамм. послесварочная термообработка, упрочнение и т. д.)

    Контроль деформаций

Кроме того, несколько прошлых и нынешних проектов NSIRC посвящены измерению, моделированию или интерпретации различных аспектов сварочных остаточных напряжений.

Опыт в отношении остаточного стресса в TWI, таким образом, охватывает весь спектр уровней технологической готовности (TRL), от исследований и разработок, связанных с университетами, до применения остаточных мер по смягчению на месте.

TWI имеет долгую историю сотрудничества со своими членами для преодоления проблем, связанных с остаточными напряжениями.Пожалуйста, свяжитесь с нами, чтобы узнать больше.

[email protected]

Влияние остаточного напряжения на механические свойства соединений FSW с SUS409L

Это исследование было выполнено для изучения как распределения остаточных напряжений, так и влияния остаточного напряжения, образующегося в зоне сварки, на механические свойства соединений, сваренных трением с перемешиванием. Листы из нержавеющей стали 409L. Измерение остаточных напряжений методом сверления отверстий; оценка механических свойств, включая испытание на растяжение, испытание на удар по Шарпи и испытание на усталость; и наблюдение микроструктуры.У него нет остаточных напряжений, о которых можно было бы говорить, в центральной области зоны перемешивания, потому что накопленные напряжения снимаются в процессе динамической рекристаллизации, в то время как небольшое количество сжимающих остаточных напряжений образуется в поверхностной области зоны перемешивания, потому что сильной реакции сжатия уступом инструмента. Значительное количество сжимающих остаточных напряжений образуется в зоне термомеханического воздействия из-за синергии между тепловым расширением из-за теплопроводности из зоны перемешивания и механическим сжатием инструментом.Образование остаточных напряжений демонстрирует аналогичную тенденцию между наступающей стороной и отступающей стороной. Как уменьшение остаточного напряжения в зоне перемешивания, так и образование остаточного напряжения сжатия в зоне термомеханического воздействия способствуют улучшению механических свойств сварных соединений трением с перемешиванием.

1. Введение

Когда материалы свариваются традиционными методами сварки плавлением, такими как сварка вольфрамовым электродом в среде инертного газа (TIG), сварка в среде инертного газа (MIG) и лазерная сварка, возникает несколько видов дефектов, таких как трещины затвердевания, сегрегация элементов , а хрупкие фазы обычно образуются из-за реакций плавления и затвердевания в сварных швах во время процесса сварки.Эти дефекты существенно ухудшают механические свойства сварных швов [1–9]. Остаточные напряжения, образующиеся в зоне сварки, являются одним из важнейших параметров, определяющих механические свойства сварных швов [10, 11]. Anastassiou et al. сообщили, что остаточные напряжения в зоне сварки снижают усталостную прочность и сопротивление разрушению сварных швов, полученных методом точечной сварки [12]. Они обнаружили, что минимальные остаточные напряжения при сварке были достигнуты путем выбора соответствующих параметров сварки.Тем не менее документально подтверждено, что обычные процессы сварки плавлением приводят к высоким остаточным напряжениям и, следовательно, к плохим механическим свойствам соединений. Первоначальное развитие сварки трением с перемешиванием (СТС) было сосредоточено на сварке алюминиевых сплавов [13, 14]. Твердотельный процесс СТП дает ряд преимуществ с точки зрения механических и металлургических свойств соединений. Благодаря этим преимуществам, FSW нашла применение в различных отраслях промышленности для соединения различных материалов [15, 16].В наши дни эта технология только недавно была адаптирована для соединения нержавеющих сталей. Хотя в некоторых исследованиях [17–19] изучались остаточные напряжения в алюминиевых сплавах, сваренных методом FSW, ни одно из них не фокусировалось на остаточном напряжении в нержавеющих сталях или на связи между остаточными напряжениями и механическими свойствами в нержавеющих сталях. В настоящем исследовании сварка трением с перемешиванием проводилась для изучения как образования остаточных напряжений в области сварки, так и их влияния на механические свойства соединений с листами SUS 409L.Распределение остаточных напряжений, возникающих в различных областях сварки, было количественно измерено методом сверления отверстий. Обсуждалось также формирование остаточных напряжений в каждой зоне сварки. Было точно исследовано влияние остаточного напряжения на механические свойства, такие как ударные и усталостные свойства.

2. Экспериментальные процедуры

Химический состав листов из нержавеющей стали SUS 409L, используемых в настоящем исследовании, приведен в таблице 1.Под сварку были приготовлены образцы размером 400 мм (длина) × 150 мм (ширина) × 2 мм (толщина). FSW проводился при скорости вращения инструмента 800 об / мин и скорости движения 250 мм / мин с помощью инструмента из PCBN выпуклого типа, имеющего диаметр зонда 5,5 мм и длину 1,6 мм. Угол наклона поддерживался равным нулю градусов. Вращающийся инструмент перемещался по стыковой линии между двумя сварочными образцами. Методы оптической микроскопии (OM, Olympus, GX51) и дифракции обратно рассеянных электронов (EBSD) были выбраны для наблюдения за микроструктурой области сварки и основного металла (BM).Образцы для наблюдения ОВ готовили механической полировкой с использованием суспензии кремнезема 0,5 мкм с последующим химическим травлением раствором нитала (40 мл HNO 3 + 60 мл HCl). Образцы EBSD получали механической полировкой с последующей электрохимической полировкой раствором 6% хлорной кислоты и 94% этанола. Данные ESBD были получены в сканирующем электронном микроскопе с автоэмиссией (FE-SEM, JEOL, JSM-700F, 200 кВ) и проанализированы с использованием программного обеспечения TSL OIM для получения микроструктурной информации.Образцы для испытаний были взяты из стыков в соответствии со стандартом и схематически показаны на рисунке 1. Как измерительная часть образцов для испытаний на растяжение и усталость, так и надрез образцов для испытаний на удар помещали в центр зоны перемешивания (SZ). Испытания на растяжение были выполнены с использованием машины для динамических испытаний материалов (Instron, 8801, 100 кН) с малоразмерными образцами JIS 2201 (толщина: 2 мм; расчетная длина: 30 мм) при скорости ползуна 1 мм / мин. Испытания на удар проводились с образцами KS B 0809 (толщина: 2 мм) с использованием прибора для испытаний на ударную вязкость по Шарпи (Zwick / Roell, RKP-450) со степенью удара молотком 150 °.Испытания на усталость проводились с использованием машины для испытаний на резонансную усталость с образцами ASTM E466 (толщина: 2 мм; расчетная длина: 24 мм). Максимальные использованные уровни напряжения были выбраны в зависимости от предела текучести для соединения FSW и основного металла. Были выбраны значения от 40 до 80 процентов от предела текучести. Был применен коэффициент напряжений R = 0,1. Усталостная долговечность определялась как количество циклов до отказа. Количество циклов, считающееся пределом для бесконечной жизни, составило 10 7 циклов.Для измерения остаточных напряжений в зоне сварки был выбран метод сверления отверстий. Этот метод измеряет остаточное напряжение с помощью датчиков, которые реагируют на изменение электрического сопротивления. Значение электрического сопротивления изменяется, когда остаточные напряжения, образовавшиеся в зоне сварки, снимаются путем сверления отверстия. В этом исследовании применялись манометры типа B в соответствии со стандартом ASTM E837, а отверстия диаметром 2 мм просверливались от поверхности к глубине. Остаточные напряжения измеряли при БМ, СЗ, ТМАЗ-АС, ТМАЗ-РС на 0.Сверление 1 мм.


C Si Mn Cr Ni V Ti Другие
Fe Fe Fe 0,20 11,64 0,26 0,08 0,25 0,09 Бал.


3.Результат
3.1. Микроструктура

На рис. 2 показаны макроскопические и микроскопические изображения поперечного сечения стыков FSW. При наблюдении под оптическим микроскопом не было обнаружено макро- и микросварочных дефектов. Область сварки стыков СТС состояла из зоны перемешивания (ЗС) и зоны термомеханического воздействия (ЗПВ). SZ — это динамически рекристаллизованная область, характеризующаяся гораздо более мелкими зернами, чем у BM. Расположенный между SZ и BM, TMAZ, в отличие от SZ, сохранил деформированную и / или удлиненную структуру вдоль SZ, как демонстрирует анализ EBSD, представленный в разделе «Обсуждение».По мере того как сварка TIG продолжается с плавлением и затвердеванием соединительных материалов, в FZ формируется литая структура [6]. Напротив, только рекристаллизованная и деформированная структура образовывалась без литой структуры в соединениях FSW из-за характеристик сварки в твердом состоянии, характерных для FSW. Считалось, что эти характерные микроструктуры, образующиеся в сварных соединениях, тесно связаны с развитием остаточных напряжений и их механическими свойствами. Стрелки на рисунке 3 указывают позиции измерения остаточного напряжения.Остаточные напряжения измерялись в направлении толщины от поверхности стыка до глубины 1 мм, так что точки измерения содержали SZ и TMAZ в стыках.


3.2. Распределение остаточного напряжения

Положения для измерения остаточного напряжения схематически показаны на рисунке 3. Остаточное напряжение было измерено на BM, SZ, на переднем крае TMAZ (TMAZ-AS) и на отступающей стороне TMAZ (TMAZ-RS) в зависимости от глубина от поверхности стыков.Как показано на вставке, TMAZ-AS и TMAZ-RS прошли как через SZ, так и через TMAZ. На рис. 4 показано распределение остаточных напряжений основного металла, прилегающего к области сварки. Независимо от глубины от поверхности, остаточные напряжения поперечного направления (TD) и направления сварки (WD) практически не обнаруживались. Считалось, что остаточные напряжения, возникающие в процессе прокатки, были устранены, поскольку листы основного металла были полностью отожжены на этапе термообработки. На рис. 5 показано распределение остаточных напряжений в зоне перемешивания соединения FSW.Практически все участки имели низкие остаточные напряжения при растяжении. Однако некоторая степень сжимающих остаточных напряжений была измерена на площади поверхности. Считалось, что инструмент выпуклого типа оказывает влияние на образование сжимающих остаточных напряжений на поверхности в зоне перемешивания. Остаточные напряжения как в TD, так и в WD представляли один и тот же компонент, и их значения в целом были одинаковыми. На рисунках 6 и 7 показано распределение остаточных напряжений в TMAZ-AS и TMAZ-RS соответственно.В этих областях были получены результаты, совершенно отличные от результатов в зоне перемешивания. Область, соответствующая ТМАЗ, то есть на глубинах от 0,7 мм до 0,9 мм, выражала остаточное напряжение сжатия, превышающее 200 МПа. В TMAZ-AS остаточное напряжение сжатия в WD было немного больше, чем в TD. Такая же тенденция была и на ТМАЗ-РС. Кроме того, сжимающие остаточные напряжения, измеренные в области TMAZ-RS, также были больше, чем в области TMAZ-AS. Считалось, что эти результаты были связаны с приложенной силой, и явления течения материала в области сварки включают SZ и TMAZ во время сварки трением с перемешиванием.Эти явления можно объяснить предыдущим исследованием. Зерно TMAZ-AS имеет тенденцию проявлять больше характеристик текучести материала, чем у TMAZ-RS, из-за взаимодействия TMAZ-RS и столкновения текучих металлов TMAZ-AS и TMAZ-RS, вращающихся в разных направлениях. При более сильной механической силе и более высокой температуре металл на TMAZ-AS может течь более резко, а зерна на AS легко удлиняются и демонстрируют более высокие характеристики текучести, чем TMAZ-RS [20]. Таким образом, было подтверждено, что низкий уровень остаточного напряжения растяжения и значительная величина остаточного напряжения сжатия образуются в центре зоны перемешивания и на краю зоны перемешивания соответственно.Это сильно отличается от результатов сварки TIG, которая обычно формирует растягивающие остаточные напряжения в зоне плавления [6]. Было высказано предположение, что разница в образовании остаточных напряжений в зоне сварки может влиять на механические свойства соединений.





3.3. Механические свойства

На рис. 8 показаны кривые напряжения-деформации, полученные в результате испытаний на растяжение соединения FSW и основного металла.Предел текучести и предела прочности при растяжении у них были аналогичными, хотя удлинение соединения FSW было немного ниже, чем у основного металла. Разрушение стыка СТП произошло в основном металле, а не в зоне сварки. В результате было обнаружено, что стопроцентная эффективность соединения может быть достигнута при оптимальных условиях процесса в случае листов из нержавеющей стали SUS 409L.


Результаты испытаний на ударную вязкость по Шарпи показаны на рисунке 9. Ударные свойства оценивались путем измерения энергии зарождения трещины ( E i ), энергии распространения трещины ( E p ), и полная энергия ( E t ), поглощенная до разрушения. E i двух экземпляров был почти одинаковым. Однако E p соединения FSW было выше, чем у основного металла. Такой результат необычен для сварочных работ. Как правило, ударные свойства сварных соединений, изготовленных обычным способом сварки, таким как дуговая и лазерная сварка, ниже, чем у основного металла. Для этой разницы авторы думали, что образование ультрамелких зерен в зоне перемешивания, как показано на рисунке 2, повлияло на увеличение энергии распространения трещин.Эти результаты говорят о том, что ударные свойства, превосходящие свойства основного металла, могут быть получены с помощью оптимизированных условий процесса FSW.


Усталостные свойства соединений FSW и основного металла показаны кривыми S-N (число напряжений) на рисунке 10. Кривая S-N соединения FSW была идентична кривой S-N для соединения FSW. Как для соединения FSW, так и для основного металла было обнаружено, что усталостная долговечность считается бесконечной, когда максимальное напряжение было нагружено в диапазоне 40 ~ 80 процентов от предела текучести.Предел выносливости стыков СТС, изготовленных в настоящих условиях, составлял около 150 МПа. Эти результаты показывают, что хорошие усталостные свойства, эквивалентные усталостным свойствам основного металла, могут быть получены при оптимальных условиях процесса FSW листов из нержавеющей стали SUS 409L. Как эволюция характеристической микроструктуры, так и остаточного напряжения, а также их возможное влияние на механические свойства стыков FSW обсуждались в следующем разделе.


4. Обсуждение
4.1. Развитие остаточных напряжений в соединениях FSW

Остаточные напряжения — это напряжения, которые существуют в материалах, хотя внешние силы не применяются. В частности, остаточные напряжения — это напряжения, которые существуют в конструкциях, остающихся в состоянии равновесия даже после того, как первоначальная причина напряжений была устранена. Остаточные напряжения могут возникать в результате различных механизмов, включая пластические деформации, температурные градиенты во время теплового цикла или структурные изменения с фазовым превращением.Тепло от сварки может вызвать локальное расширение, которое поглощается во время сварки либо расплавленным металлом, либо размещением свариваемых деталей. Когда готовый сварной шов остывает, зона плавления остывает и сжимается больше, чем другие. В результате остаются остаточные напряжения в соединениях, изготовленных обычными методами сварки, включая плавление и коагуляцию. Однако остаточные напряжения не образуются, если листы нагреваются с равномерным распределением температуры. Другими словами, остаточные напряжения, возникающие при сварке, образуются из-за неравномерного распределения температуры по области сварки.Следовательно, распределение остаточных напряжений определяется в соответствии с градиентом температуры в каждом направлении. Кроме того, сумма остаточного напряжения растяжения, образованного сжатием при затвердевании, и остаточным напряжением сжатия, возникающим в результате расширения при ликвидации, всегда сводится к нулю, поскольку конструкции с остаточным напряжением остаются в состоянии равновесия. Сварка трением с перемешиванием — это один из типичных процессов сварки в твердом состоянии, который не включает плавление. Следовательно, может возникнуть разница в распределении остаточных напряжений по сравнению с обычными сварочными процессами.На основании результатов, представленных на рисунках 4–7, поведение формирования остаточного напряжения в зоне сварки во время сварки трением с перемешиванием показано на рисунке 11. Во-первых, в этом исследовании рассматривается формирование остаточного напряжения в зоне перемешивания. σ x , которое является остаточным напряжением направления сварки (направление длины, x — направление), образуется в результате неоднородного распределения температуры в направлении ширины ( y — направление). В случае переднего поперечного сечения A-A (рис. 11 (b)) рядом с инструментом в качестве источника тепла при сварке, в то время как температура вокруг линии сварного шва немного повышается, температура участка, который остается далеко в направлении ширины, не повышается.Следовательно, вокруг линии сварного шва температура имеет тенденцию к расширению в продольном направлении, а на участке, удаленном от линии сварного шва, температура остается неизменной. В результате силы в направлении x уравновешиваются как давление сжатия вблизи линии шва и растягивающее напряжение вдали от линии шва. В случае поперечного сечения BB, которое представляет собой зону перемешивания, сжимающие напряжения, создаваемые начальным нагревом, становятся близкими к нулю, поскольку предел текучести и коэффициент упругости становятся очень малыми, когда температура в зоне перемешивания достигает 70% -ной степени температуры плавления. основного металла.Высокая температура достаточна для перекристаллизации зерен, накопленных в результате деформации, в зоне перемешивания. На рисунке 12 показан результат наблюдения микроструктуры в то время. Как показано на рисунках 12 (a) и 12 (b), в то время как SZ сформирована из равноосных мелких зерен, которые, как считается, образовались в результате динамической рекристаллизации во время сварки трением с перемешиванием, TMAZ демонстрирует деформированную сдвигом зеренную структуру, сформированную механическим потоком металла. Можно предположить, что напряжение, возникающее в начале процесса перемешивания трением, почти снимается в процессе динамической рекристаллизации, которая происходит в результате теплоты трения и пластического течения.Напряжение сжатия остается в TMAZ, который является границей SZ и основного металла, из-за теплового градиента, и будет возникать растягивающее напряжение вдали от линии сварного шва, чтобы достичь равновесия сил по отношению к сжимающему напряжению, остающемуся вблизи граничного участка. После прохождения поперечного сечения B-B процесс нагрева заканчивается и начинается процесс охлаждения вокруг линии сварки. Когда начинается процесс охлаждения, считается, что небольшое растягивающее напряжение формируется в поперечном сечении C-C с линией сварного шва в центре, потому что сжатие происходит упруго вокруг линии сварного шва.Эти результаты противоречат тому результату, что остаточное напряжение растяжения в значительной степени применяется к зоне плавления при обычном способе сварки. Напряжение образуется для обеспечения равновесия сил в области, удаленной от линии сварного шва. Формирование остаточного напряжения на ТМАЗ, которое является границей SZ и BM, аналогично формированию на участке A-A, но результат показывает, что напряжение сжатия более развито. Это происходит из-за синергетического эффекта как теплового расширения за счет теплопроводности от SZ, так и значительного сжимающего напряжения, возникающего в результате механического сжатия под действием нагрузки инструмента.В секции сварки трением с перемешиванием, в отличие от зоны сварного шва при традиционной сварке плавлением, на ТМАЗ создается значительное остаточное напряжение сжатия, и некоторая часть остаточного напряжения сжатия и остаточного напряжения тонкого растяжения формируется в области поверхности и в центральной области SZ, соответственно.


4.2. Взаимосвязь между остаточным напряжением и механическими свойствами в соединениях FSW

В области сварки плавлением, такой как дуговая, контактная или лазерная, обычно остаточное напряжение формируется примерно с одинаковой величиной предела текучести основного металла.Другими словами, при традиционной сварке плавлением перед добавлением внешней силы действует значительный уровень напряжения, и это остаточное напряжение влияет на механические свойства сварной конструкции. Акбари и др. экспериментально измерено и численно проанализировано остаточное напряжение в сварных швах нержавеющей стали 304L в процессе сварки TIG. В результате было сообщено, что, хотя в зоне плавления образуется остаточное напряжение растяжения, близкое к 200 МПа, в зоне термического влияния формируется соответствующее остаточное напряжение сжатия.Как правило, даже если процесс сварки оптимизирован и в зоне плавления отсутствуют дефекты, остаточные напряжения растяжения в зоне плавления значительно снижают механические свойства. Напротив, как показано на рисунках 8–10, прочность на разрыв и усталостные свойства соединений, выполненных сваркой трением с перемешиванием, превышают уровень основного металла, и установлено, что характеристика усталости равна основному металлу. Эти результаты противоречат результатам сварных швов, полученных традиционным способом сварки плавлением, упомянутым выше.Считается, что это результат разницы в составляющей остаточного напряжения, создаваемой сваркой трением с перемешиванием в зоне сварки. Другими словами, образование остаточного напряжения сжатия у поверхности зоны перемешивания, незначительный уровень остаточного напряжения растяжения в зоне перемешивания и значительный уровень остаточного напряжения сжатия в зоне термомеханического воздействия способствуют поддержанию уровня механических характеристик в равной степени. с основным металлом. В случае сварных швов, выполненных традиционным способом сварки плавлением, в которых остаточное напряжение растяжения, создаваемое в зоне плавления, близко к уровню предела текучести его материала, существует высокая вероятность пластической деформации из-за циклической сжимающей и растягивающей нагрузки или дополнительной статической растягивающей нагрузки. .Однако в случае соединений, выполненных сваркой трением с перемешиванием, где остаточное напряжение сжатия как первичное остаточное напряжение формируется в SZ и TMAZ, пластическая деформация и разрыв задерживаются при приложении дополнительных нагрузок. Считается, что механические свойства соединений СТП улучшаются как за счет образования сжимающих остаточных напряжений в ТМАЗ, так и за счет уменьшения остаточных напряжений за счет динамической рекристаллизации в СЗ.

5. Заключение

Это исследование было выполнено для изучения распределения остаточных напряжений и влияния остаточного напряжения, образовавшегося в зоне сварки, на механические свойства сварных соединений трением с перемешиванием с листами из нержавеющей стали 409L.Выводы, полученные при измерении остаточных напряжений методом сверления отверстий; оценка механических свойств, включая испытание на растяжение, испытание на удар по Шарпи и испытание на усталость; и микроструктуры следующие: (1) У него нет остаточных напряжений, о которых можно было бы говорить, в центральной области зоны перемешивания, потому что накопленные напряжения снимаются в процессе динамической рекристаллизации, в то время как небольшое количество сжимающих остаточных напряжений уменьшается. образуется на поверхности зоны перемешивания из-за сильной реакции сжатия уступом инструмента.(2) Значительное количество сжимающих остаточных напряжений образуется в зоне термомеханического воздействия из-за синергии между тепловым расширением из-за теплопроводности из зоны перемешивания и механическим сжатием инструментом. Образование остаточных напряжений демонстрирует аналогичную тенденцию между наступающей стороной и отступающей стороной. (3) Как уменьшение остаточного напряжения в зоне перемешивания, так и образование остаточного напряжения сжатия в зоне термомеханического воздействия способствуют улучшению механических характеристик. свойства сварных соединений трением с перемешиванием.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Благодарности

Эта работа была поддержана Проектом коммерциализации производственных технологий (JB170007) Корейского института промышленных технологий. Часть настоящего исследования также была поддержана Проектом (KX170002) производственной технологии для коммерциализации Корейской корпорации промышленного комплекса.

Журналы, авторы, подписчики, издатели, оповещение

Наши журналы
Как крупный международный издатель академических и исследовательских журналов Science Alert издает и разрабатывает названия в партнерстве с самыми престижные научные общества и издатели.Наша цель заключается в том, чтобы максимально широко использовать качественные исследования. аудитория.
Для авторов
Мы прилагаем все усилия, чтобы поддержать исследователей которые публикуют в наших журналах. Есть масса информации здесь, чтобы помочь вам публиковаться вместе с нами, а также ценные услуги для авторов, которые уже публиковались у нас.
Подписчикам
2021 цены уже доступны. Ты может получить личную / институциональную подписку перечисленных журналы прямо из Science Alert. В качестве альтернативы вы возможно, пожелает связаться с выбранным вами агентством по подписке. Направляйте заказы, платежи и запросы в службу поддержки. в службу поддержки клиентов журнала Science Alert.
Для обществ
Science Alert гордится своей тесные и прозрачные отношения с обществом. В качестве некоммерческий издатель, мы стремимся к самым широким возможное распространение публикуемых нами материалов и на предоставление услуг высочайшего качества нашим издательские партнеры.
Справочный центр
Здесь вы найдете ответы на наиболее часто задаваемые вопросы (FAQ), которые мы получили по электронной почте или через контактную форму в Интернете. В зависимости от характера вопросов мы разделили часто задаваемые вопросы на разные категории.
База данных ASCI
Азиатский индекс научного цитирования (ASCI) стремится предоставить авторитетный, надежный и значимая информация по освещению наиболее важных и влиятельные журналы для удовлетворения потребностей мировых научное сообщество.База данных ASCI также предоставляет ссылку к полнотекстовым статьям до более чем 25000 записей с ссылка на цитированные ссылки.

Рекомендации по свариваемости.tif

% PDF-1.6 % 69 0 объект > эндобдж 66 0 объект > поток Подключаемый модуль Adobe Acrobat 8.13 Paper Capture PScript5.dll версии 5.22010-01-26T12: 38: 18-05: 002010-01-26T09: 45: 22-05: 002010-01-26T12: 38: 18-05: 00application / pdf

  • Соображения о свариваемости.tif
  • Кима
  • uuid: 711377c5-5c32-47eb-a41e-0ddb28adabc3uuid: 5e062f59-f4fe-45d3-b748-9fa5fa63eb3f конечный поток эндобдж 63 0 объект > эндобдж 61 0 объект > эндобдж 62 0 объект > эндобдж 64 0 объект > эндобдж 65 0 объект > эндобдж 37 0 объект > / Font> / ProcSet [/ PDF / Text / ImageB] / ExtGState >>> / Type / Page >> эндобдж 41 0 объект > / Font> / ProcSet [/ PDF / Text / ImageB] / ExtGState >>> / Type / Page >> эндобдж 45 0 объект > / Font> / ProcSet [/ PDF / Text / ImageB] / ExtGState >>> / Type / Page >> эндобдж 49 0 объект > / Font> / ProcSet [/ PDF / Text / ImageB] / ExtGState >>> / Type / Page >> эндобдж 53 0 объект > / Font> / ProcSet [/ PDF / Text / ImageB] / ExtGState >>> / Type / Page >> эндобдж 57 0 объект > / Font> / ProcSet [/ PDF / Text / ImageB] / ExtGState >>> / Type / Page >> эндобдж 8064 0 объект > поток HWYs ~ @ hql ْ, Т.D «hRsa3

    Микромасштабные остаточные напряжения в нержавеющей стали аддитивного производства

    Микроструктура

    Мы использовали станок Fraunhofer L37 L-PBF с открытой архитектурой для изготовления пластин из нержавеющей стали 316L с гранецентрированной кубической структурой. Подробные условия работы лазера приведены в раздел «Методы» и дополнительная таблица 1. Изображение дифракции обратного рассеяния электронов (EBSD) на рис. 1a показывает, что зерна в отпечатанном образце равноосны при виде сверху и слегка вытянуты при виде сбоку.Средний размер зерна составляет 18 ± 9 мкм при измерении сверху. В плоскости построения выявляется довольно слабая текстура (рис. 1б). Изображения, полученные методом сканирующей просвечивающей электронной микроскопии (STEM) в высокоугловой кольцевой темнопольной области (HAADF) на рис. 1c, d, показывают незначительную химическую сегрегацию в отпечатанном образце, что подтверждается картой элементов, показанной на дополнительном рис. Изображение HAADF STEM на рис. 1d, дислокационные структуры четко не определены, так как они состоят из запутанных дислокаций и украшены некоторыми видимыми выделениями.Внутри зерен наблюдается малая плотность двойниковых границ. Для изучения влияния остаточных напряжений микромасштаба образцы были отожжены в условиях снятия напряжения (500 ° C, 4 ч) и использовались для сравнения с образцами после печати (методы и дополнительный рис. 2). В целом образцы нержавеющей стали 316L, изготовленные на машине Фраунгофера в этом исследовании, отличаются от образцов, построенных на коммерческой машине Concept, о которой сообщалось ранее 5 , поскольку последняя обладала относительно прочной текстурой, а также значительной химической сегрегацией в стенках ячеек затвердевания.

    Рис. 1

    Микроструктура напечатанной нержавеющей стали 316L. — изображение EBSD вдоль направления построения (BD) и поперечного направления (TD) соответственно. Изображение EBSD вдоль направления загрузки (LD) аналогично изображению вдоль TD. Распределение зерен по размерам получается с верхней поверхности (плоскость TD-LD) изображения. b Полярные фигуры 001, 110, 111, соответствующие изображению EBSD, сделанному вдоль BD. c Изображение HAADF STEM, вид сверху того же образца в a .Видны запутанные дислокации и несколько границ двойников (отмечены белыми стрелками); клеточные структуры определены слабо. d Изображение клеточных структур HAADF STEM с более высоким разрешением по сравнению с c . Видны некоторые выделения

    Измерение SXRD на месте

    Для исследования остаточных напряжений в микромасштабе в нержавеющей стали AM 316L мы выполнили измерения деформаций решетки в исходном образце при одноосном растяжении с помощью SXRD in situ (рис. 2а).На рис. 2b показаны инженерная и истинная кривые «напряжение – деформация» ( σ ε ) до начала образования шейки соответственно. Предел текучести при сдвиге 0,2% σ Y составляет 541 ± 11 МПа, что согласуется с более ранними результатами 5,18 . Такая высокая прочность в два-три раза выше, чем у крупнозернистых аналогов, и была приписана вызванной печатью субзеренной микроструктуре, такой как дислокационные ячейки 5 . Рисунок 2b также показывает, что дальнейшее увеличение приложенного напряжения за пределы σ Y приводит к значительному деформационному упрочнению, которое происходит из-за вызванного деформацией развития гетерогенных микроструктур 5 .{hkl} \) определяли путем отжига исходного образца при 1200 ° C в течение 1 часа. На рисунке 2c показана деформация решетки в направлении нагрузки (LD) в зависимости от макроскопического истинного напряжения для четырех репрезентативных семейств зерен {220}, {111}, {200} и {311}. Кроме того, на рис. 2d показана деформация решетки в поперечном направлении (TD) в зависимости от макроскопического истинного напряжения для четырех семейств зерен {220}, {111}, {200} и {311}. Шаг решетки как функция азимутального угла можно увидеть на дополнительном рис.3. Следует отметить, что составляющие зерна в семействе зерен { hkl } вдоль LD в значительной степени отличаются от зерен в семействе { hkl } вдоль TD, и между ними нет четкой связи 8 .

    Рис. 2

    Поведение при деформации решетки образца нержавеющей стали AM 316, измеренное с помощью SXRD in situ. a Схема установки SXRD на месте, где показаны направление нагрузки (LD), поперечное направление (TD) и нормальное направление (ND). b Инженерные и истинные кривые напряжение-деформация одноосного растяжения, построенные до начала образования шейки. c Результаты SXRD in situ деформации решетки ( ɛ hkl ) вдоль LD в четырех семействах зерен {111}, {200}, {220} и {311} соответственно, нанесенные на график в зависимости от макроскопического истинное напряжение образца. Предел текучести при сдвиге 0,2% ( σ Y ) отмечен пунктирной линией, разделяющей упругий и пластический режимы. Средняя статистическая погрешность рассчитанных деформаций составляет около 0.01%. d То же, что c , за исключением TD

    Из рис. 2c видно, что до растягивающей нагрузки семейство зерен {200} демонстрирует наибольшую величину остаточной деформации решетки (будучи отрицательной) вдоль LD. Для сравнения, семейства {111} и {220} показывают пренебрежимо малую остаточную деформацию решетки, тогда как семейство {311} демонстрирует остаточную деформацию решетки, аналогичную таковой для семейства {200}. Эти остаточные деформации решетки происходят из-за сложной термомеханической истории, связанной с обработкой L-PBF.Рисунок 2c также показывает, что при растягивающей нагрузке каждое из четырех семейств зерен демонстрирует почти линейное увеличение деформации решетки по отношению к приложенному напряжению, когда макроскопическая реакция растяжения напряжение-деформация находится в пределах линейно-упругого режима. За этим следует нелинейное поведение деформации решетки, когда приложенное напряжение приближается и превышает σ Y . Более конкретно, в упругом режиме семейство {200} показывает самую высокую скорость увеличения деформации решетки, что указывает на самый мягкий отклик.Напротив, семейство {111} демонстрирует самый жесткий отклик. Деформации решетки двух других семейств находятся между этими двумя пределами. Такие анизотропные реакции деформации решетки в различных семействах зерен можно количественно охарактеризовать с помощью упругой постоянной дифракции E hkl , которая определяется наклоном кривой зависимости деформации решетки от приложенного напряжения для каждого { hkl } зерновое семейство 8 . Соответствующие значения E hkl перечислены в таблице 1, которая отражает упругую анизотропию монокристаллов аустенитной нержавеющей стали и согласуется с измерениями деформации решетки нержавеющей стали, обработанной обычными способами 8 .Когда приложенное напряжение приближается к σ Y (обозначено вертикальной пунктирной линией на рис. 2c), семейство {200} показывает заметно нелинейное увеличение деформации решетки с увеличением приложенного напряжения, тогда как семейство {220} показывает нелинейное уменьшение деформации решетки. Нелинейные реакции на деформацию решетки семейств {311} и {111} менее выражены. Аналогичное нелинейное поведение деформации решетки было показано в предыдущих исследованиях нержавеющей стали, обработанной обычными способами 8 .Они связаны с упругой и пластической анизотропией в различных семействах зерен, которые будут дополнительно проанализированы с помощью нашего вычислительного моделирования в этой статье.

    Таблица 1 Дифракционные упругие постоянные E hkl (в ГПа) в семействе зерен { hkl } нержавеющей стали

    Подобно LD, рис. 2d показывает, что до растягивающей нагрузки {200 } имеет наибольшую величину остаточной деформации решетки (отрицательной) вдоль TD.Как отмечалось ранее, составляющие зерна в семействе { hkl } вдоль TD в значительной степени отличаются от зерен в семействе { hkl } вдоль LD, так что деформации решетки в номинально идентичных семействах зерен { hkl } вдоль LD и TD не могут быть просто связаны. Тем не менее, из-за эффекта пуассоновского сжатия первоначальное увеличение растягивающего напряжения вдоль LD приводит к линейному уменьшению деформации решетки вдоль TD. Дальнейшее нагружение вызывает нелинейный отклик деформации решетки вдоль TD.В целом результаты SXRD in situ на рис. 2c, d показывают деформации решетки в нескольких типичных семействах зерен до и во время растягивающего нагружения. Эти деформации решетки имеют упругую природу и, следовательно, пропорциональны межкристаллитным остаточным напряжениям типа II, которые будут количественно оценены с использованием микромеханики и моделей CPFE позже в этой статье. Количественная оценка этих межкристаллитных остаточных напряжений типа II обеспечивает основу для дальнейшего изучения внутрикристаллитных остаточных напряжений типа III в нержавеющей стали AM.

    Асимметрия растяжения-сжатия

    Чтобы исследовать влияние микромасштабных остаточных напряжений на механическое поведение нержавеющей стали AM, мы сравниваем зависимости напряжения-деформации от экспериментов на одноосное растяжение и сжатие (методы). Как показано на рис. 3а и дополнительном рис. 4, кривые растяжения и сжатия напечатанных образцов демонстрируют явную асимметрию в пределе текучести и деформационном упрочнении. Предел текучести при сдвиге 0,2% при одноосном сжатии составляет 600 ± 13 МПа, что на ~ 60 МПа выше, чем при одноосном растяжении 541 ± 11 МПа.Кроме того, нормализованная скорость деформационного упрочнения, ( dσ / dε ) / σ , заметно выше при сжатии, чем при растяжении (рис. 3b). Для сравнения мы также измерили кривые растяжения и сжатия (рис. 3а) для образцов после отжига для снятия напряжений при 500 ° C в течение 4 ч (методы). В этом случае предел текучести при сжатии снижается до 560 ± 14 МПа, а предел текучести при растяжении увеличивается до 554 ± 10 МПа. Эти результаты показывают, что термический отжиг может значительно уменьшить асимметрию растяжения-сжатия.Это может быть связано с релаксацией вызванных печатью неравновесных микроструктур и связанных с ними микромасштабных остаточных напряжений в образцах после печати. Если бы асимметрия была в первую очередь вызвана пустотами, вызванными печатью, эксперимент по отжигу для снятия напряжения при умеренной температуре вряд ли удалит эти пустоты, и, таким образом, асимметрия растяжения-сжатия будет мало затронута. Кроме того, поскольку наши образцы AM имеют большие размеры зерен, асимметрия растяжения-сжатия, которая обычно наблюдается в нанокристаллических материалах 26 , может быть исключена.Несмотря на одинаковый предел текучести при растяжении и сжатии после отжига, рис. 3б показывает, что скорость деформационного упрочнения при сжатии все еще выше, чем при растяжении в отожженных образцах. Более того, термический отжиг приводит к увеличению скорости деформационного упрочнения в отожженных образцах, чем в исходных образцах, как при растяжении, так и при сжатии сверх начальной текучести.

    Рис. 3

    Результаты экспериментов по изучению асимметрии растяжения – сжатия нержавеющей стали AM 316L. a Истинные кривые напряжение – деформация образцов после печати при одноосном растяжении и сжатии.Также нанесены соответствующие результаты для отожженных образцов. b Нормализованная скорость упрочнения в зависимости от истинной деформации, соответствующие четырем случаям в a . c Результаты SXRD на месте для образцов после печати и отожженных при одноосном растяжении, показывающие отклонение деформации решетки (Δ ε hkl ) как функцию приложенного истинного напряжения для зерен {200} и {220} семейства

    Далее были проведены эксперименты in situ SXRD для сравнения реакции деформации решетки между образцами после печати и отожженными образцами при одноосном растяжении.{hkl} \), где σ a — приложенное растягивающее напряжение. Δ ε hkl часто использовался для исследования постепенной податливости и твердения различных семейств зерен. Рисунок 2c показывает, что семейства {200} и {220} демонстрируют более выраженное отклонение от линейного отклика. Следовательно, Δ ε 200 и Δ ε 200 используются для дальнейшего анализа деформации решетки 8,9 в нелинейном режиме в зависимости от приложенного напряжения.Рисунок 3c показывает, что отклонение от линейного отклика происходит значительно ниже предела текучести смещения 0,2% для обоих образцов. Кроме того, ненулевое значение Δ ε hkl перед загрузкой напечатанного образца показывает заметное начальное значение деформации решетки сжатия, особенно для семейства {200}, и, таким образом, предполагает высокую величину Остаточные напряжения типа II в отпечатанном образце. После отжига такой сдвиг при сжатии существенно уменьшается, но не устраняется полностью (рис.3в). Семейство {220} также демонстрирует качественно аналогичную тенденцию, несмотря на гораздо меньшее начальное значение деформации решетки при растяжении до нагружения. Эти результаты показывают, что отжиг при умеренных температурах может уменьшить, но не полностью устранить микромасштабные остаточные напряжения.

    Измерение обратного напряжения

    Выраженная асимметрия растяжения и сжатия образцов после печати предполагает развитие значительных обратных напряжений во время обработки L-PBF для нержавеющей стали.Напряжение спины является направленным и обычно связано с асимметричными реакциями на растяжение и сжатие 14,27,28,29,30 . Например, в материале, содержащем гетерогенные структуры ячеек с дислокациями, дальнодействующие внутренние напряжения (т. Е. Остаточные напряжения III типа) развиваются с прямыми напряжениями в жестких областях стенок ячеек и обратными напряжениями в мягких областях внутренних частей ячеек 31,32 . В результате обратные напряжения препятствуют прямому движению дислокаций и способствуют их обратному скольжению внутри ячейки, что приводит к более низкому пределу текучести при обратной нагрузке.Это известно как эффект Баушингера, который вызывает кинематическое упрочнение 14,27,28,29,30 . Ожидается, что обратные напряжения будут преобладать в материалах AM с неоднородной микроструктурой. Используя метод Диксона 33 , мы измерили эффективное обратное напряжение σ b ≈ 229 МПа при 3% -ной деформации при сжимающей нагрузке – разгрузке и σ b ≈ 180 МПа при 3% -ной деформации при растягивающем нагружении– разгрузка соответственно (методы и дополнительный рис.5). Эти обратные напряжения составляют значительную часть пределов текучести без деформации AM при растяжении и сжатии, отражая сильный эффект Баушингера. Что еще более важно, разница в измеренных обратных напряжениях на ~ 50 МПа между растяжением и сжатием близка к разнице пределов текучести при растяжении и сжатии ~ 60 МПа. Это наблюдение будет дополнительно изучено с использованием моделирования CPFE, чтобы выявить эффекты обратных напряжений, возникающих в результате обработки L-PBF и механической нагрузки.

    Моделирование микромеханики

    Приведенные выше результаты SXRD на месте выявили ориентационную зависимость реакции деформации решетки, которую можно охарактеризовать с помощью дифракционной упругой постоянной каждого семейства зерен 8 . Результаты SXRD in situ также показали, что различные семейства зерен начинают проявлять нелинейный отклик деформации решетки при различных приложенных напряжениях. Эту прогрессивную податливость можно понять, рассматривая максимальное разрешенное напряжение сдвига или, что то же самое, максимальный фактор Шмида в каждом семействе зерен.В этой работе мы разрабатываем модель микромеханики, которая обеспечивает аналитическое решение упругой постоянной дифракции и фактора Шмида в различных семействах зерен. Эти результаты микромеханики помогают нам понять, как деформация решетки и прогрессивная текучесть зависят от упругой анизотропии отдельных семейств зерен. Они также используются для тестирования моделирования CPFE для дальнейшего изучения нелинейных характеристик деформации решетки, а также асимметрий растяжения-сжатия в нержавеющей стали AM.

    Модель микромеханики, показанная на рис. 4а, касается только линейного упругого отклика поликристаллического агрегата. Остаточное напряжение не учитывается в зернах, поскольку известно, что дифракционная упругая постоянная не зависит от остаточного напряжения 8 . Для каждого зерна его тензор анизотропной упругой жесткости обозначается как L ( r ) , где r представляет собой семейство зерен с одинаковой кристаллографической ориентацией.Как показано на рис. 4a, элемент представительного объема (RVE) используется для представления бесконечной однородной матрицы. Учитывая предполагаемое случайное распределение ориентации зерен, этот RVE имеет эффективный изотропный упругий отклик, который характеризуется тензором изотропной упругой жесткости \ ({\ bar {\ bf {L}}} \). Как показано на рис. 4b, сферическое включение рассматривается как типичное зерно, внедренное в RVE под действием макроскопического напряжения \ (\ bar {\ boldsymbol {\ sigma}} \). Согласно раствору включений Эшелби, напряжение σ ( r ) и деформация ε ( r ) в сферическом включении однородны 34 .Метод самосогласованной микромеханики 34 используется для определения эффективных модулей поликристаллической нержавеющей стали. Эти результаты объединены для получения аналитических формул напряжений и деформаций в семействе зерен { hkl } (методы).

    Рис. 4

    Схематическое изображение микромеханической модели поликристаллического агрегата. a Поликристалл, состоящий из различных семейств зерен { hkl }, ориентированных вдоль направления одноосной нагрузки.Например, семейство зерен {111} относится к набору зерен с единичным вектором нормали n плоскостей {111} вдоль направления нагрузки. Рентгеновские лучи, отраженные плоскостями { hkl }, собираются для отслеживания среднего межплоскостного расстояния этих плоскостей { hkl } с деформацией из-за приложенного напряжения σ a . b В модели самосогласованного поликристалла каждое монокристаллическое зерно аппроксимируется как сферическое включение с анизотропным тензором упругой жесткости L ( r ) , встроенным в однородную матрицу с тензором эффективной жесткости \ ( {\ bar {\ mathbf {{L}}}} \)

    Чтобы понять реакцию решетки на деформацию и напряжение во время экспериментов SXRD на месте, мы рассматриваем приложенное одноосное растягивающее напряжение σ a и используем вышеуказанное решение микромеханики для получения соответствующей деформации решетки ε hkl и напряжения σ hkl вдоль LD в семействе зерен { hkl } в линейно-упругом режиме (методы).{{\ it {hkl}}} / \ sigma _ {\ mathrm {a}} \) среди 12 \ (\ {111 \} \ langle 110 \ rangle \) систем скольжения, чтобы определить последовательность начала пластической текучести в различных семействах зерен. Рассчитанные E hkl , α hkl и β hkl для четырех семейств зерен приведены в таблице 1. Дифракционные упругие постоянные E из модели микромеханики подтверждают, что семейства {200} и {111} являются самыми мягкими и самыми жесткими вдоль LD соответственно, что согласуется с результатами SXRD и близко соответствует результатам моделирования Clausen et al. 8 . Относительные величины растягивающего напряжения вдоль LD (заданные как α hkl ) монотонно следуют за значениями упругой постоянной дифракции. Что еще более интересно, относительные величины максимального разрешенного напряжения сдвига (заданные как β hkl ) и, следовательно, максимальный фактор Шмида не монотонно следуют за значениями дифракционной упругой постоянной и растягивающего напряжения вдоль LD. Из-за предпочтительной ориентации между плоскостью скольжения с наибольшим напряжением \ (\ {111 \} \ langle 110 \ rangle \) и LD семейство {220} имеет максимальное разрешенное напряжение сдвига и, следовательно, максимальный фактор Шмида, который подразумевает самый ранний начало пластической деформации при одноосном растяжении.Значения β hkl для семейств {311} и {111} ниже, чем для семейства {220}, что указывает на то, что текучесть для этих двух семейств происходит при более высоких приложенных напряжениях, чем для семейства {220}. . Семейство {200} по-прежнему имеет минимальное разрешенное напряжение сдвига и, следовательно, минимальный фактор Шмида, который указывает на последнее начало пластической текучести среди четырех семейств зерен. Наконец, мы отмечаем, что, хотя дифракционные упругие постоянные не зависят от вызванных печатью остаточных напряжений, которые существуют до нагрузки, эти остаточные напряжения могут влиять на напряжения и характеристики текучести в каждом семействе зерен, которые будут дополнительно проанализированы с помощью моделирования CPFE. .

    CPFE моделирование нелинейных деформаций решетки

    Мы разрабатываем модель CPFE (методы) для изучения поведения нелинейной деформации решетки, а также влияния остаточных напряжений типа II и типа III на механическое поведение нержавеющей стали AM. Основные уравнения пластичности кристаллов сформулированы в рамках зависящей от скорости и конечной деформации структуры упруго-пластической деформации для отдельных зерен кристаллов 35 . Чтобы учесть влияние остаточных напряжений типа II и типа III, мы вводим тензор собственных деформаций E * и тензор обратных напряжений B в модели пластичности кристалла соответственно.Более конкретно, E * представляет собой вызванные печатью остаточные деформации решетки и, таким образом, отражает влияние остаточных напряжений типа II. Компоненты E * для различных семейств зерен были оценены на основе измерений SXRD на месте перед загрузкой. С другой стороны, тензор обратных напряжений B представляет собой эффективные внутренние напряжения внутри зерен, возникающие из-за неоднородного распределения дислокаций, отражая, таким образом, влияние остаточных напряжений типа III 14 .Таким образом, так называемые межкристаллитные и внутригранулярные спинные напряжения в предыдущих исследованиях 27,28 в совокупности рассматриваются в данной работе как остаточные напряжения III типа. Тензор обратных напряжений B предполагается девиаторным в рамках существующей модели пластичности кристаллов, не зависящей от давления. Начальные значения тензора обратных напряжений, обозначенные как B 0 , были назначены для представления внутренних напряжений, возникающих из-за вызванных печатью гетерогенных дислокационных структур.Эти начальные значения ответственны за асимметрию растяжения-сжатия предела текучести исходных образцов. Кроме того, тензор обратных напряжений B в отдельных зернах эволюционирует с локальным пластическим сдвигом в различных системах скольжения \ (\ {111 \} \ langle 110 \ rangle \) нелинейным образом с приложенной нагрузкой. Такой нелинейный отклик отражает быстрое развитие обратных напряжений, измеренных при ~ 200 МПа при 3% -ной деформации при одноосном растяжении и сжатии, что указывает на значительное влияние обратных напряжений, вызванных деформацией, на пластические характеристики нержавеющей стали AM во время нагружения.Мы реализовали модель пластичности кристаллов в пакете моделирования методом конечных элементов ABAQUS / Explicit 36 , написав подпрограмму пользовательского материала VUMAT. Моделирование методом конечных элементов генерировало макроскопические кривые напряжения-деформации и характеристики деформации решетки в различных семействах зерен (методы).

    На рис. 5а показана истинная кривая «напряжение – деформация», полученная при моделировании одноосного растяжения CPFE, которая близко соответствует экспериментальному результату. На рисунке 5b показаны смоделированные деформации решетки вдоль LD для четырех семейств зерен {220}, {111}, {200} и {311} в зависимости от макроскопического растягивающего напряжения.Все основные характеристики смоделированных деформаций решетки согласуются с экспериментальными результатами. Соответствующие значения дифракционных упругих постоянных E hkl из моделирования CPFE (как указано в таблице 1) близки к результатам SXRD и микромеханики. Дальнейшие параметрические исследования показывают, что остаточные деформации решетки до нагружения напрямую коррелируют с тензором собственных деформаций E * и, таким образом, ответственны за межкристаллитные остаточные напряжения типа II.

    Рис. 5

    Результаты моделирования CPFE реакции на напряжение и деформацию в напечатанной нержавеющей стали при одноосном растяжении. a Сравнение истинных кривых напряжения-деформации одноосного растяжения из эксперимента (Exp) и моделирования пластичности кристаллов (CP) методом конечных элементов. b Сравнение деформаций решетки вдоль LD с макроскопическим истинным напряжением для семейств зерен {111}, {200}, {220} и {311} из экспериментов и моделирования CPFE. c Смоделированная объемная доля пластически деформированных зерен в каждом семействе по сравнению с макроскопическим истинным напряжением в напечатанном образце, демонстрируя прогрессивную пластическую пластичность между различными семействами зерен. d То же, что b , за исключением TD

    Чтобы показать прогрессивную податливость различных семейств зерен и связанные с ними нелинейные реакции деформации решетки, на рис. 5c показана объемная доля пластически деформированных зерен по сравнению с макроскопическим растягивающим напряжением для четырех зерновые семейства. Предположим, что средний предел текучести для каждого семейства зерен определяется макроскопическим напряжением, дающим 50% выходных зерен. Из рис. 5c видно, что сначала дает семейство {220}, а в последнюю очередь — семейство {200}; средний предел текучести для семейства {111} аналогичен {220}, а для семейства {311} аналогичен {200}.Эта последовательность прогрессивной текучести в основном согласуется с прогнозом микромеханической модели, то есть с относительными величинами β hkl в таблице 1. Единственным исключением является семейство {311}. Это может быть связано с большой остаточной деформацией решетки в этом семействе зерен в исходном образце (рис. 5b), который учитывается в модели CPFE, но не в модели микромеханики. Кроме того, несовместимость по локальной деформации между соседними зернами может влиять на напряженное состояние в отдельных зернах, что приводит к статистическому изменению пределов текучести отдельных зерен в каждом семействе зерен и, таким образом, к постепенному увеличению объемной доли полученных зерен для каждого семейства зерен в Инжир.5c. Сравнение рис. 5b, c также показывает, что сильно нелинейный отклик деформации решетки от приложенного напряжения для семейства {200} начинается при макроскопическом напряжении, намного меньшем, чем средний предел текучести этого семейства зерен. Это указывает на то, что нелинейная эволюция деформации решетки для семейства {200} фактически изначально связана с упругой деформацией. То есть такая нелинейность возникает из-за перераспределения напряжений в этом семействе самых мягких зерен (то есть с самой низкой дифракционной упругой постоянной, показанной в таблице 1).По мере того, как другие семейства зерен постепенно поддаются текучести, они переносят свои нагрузки на зерна семейства {200}, которые остаются эластичными.

    Кроме того, на рис. 5г показаны деформации решетки вдоль TD. Видно, что смоделированные отклики остаточной деформации решетки согласуются с экспериментальными результатами. Нелинейные деформации решетки вдоль TD в разных семействах зерен имеют такое же происхождение, как и вдоль LD. Однако линейные упругие деформации решетки вдоль TD более сложны. Например, немонотонное изменение деформации решетки в семействе {200} вокруг макроскопического предела текучести свидетельствует о сильно нелинейных взаимодействиях между этим семейством зерен и другими семействами во время сброса и перераспределения нагрузки по мере того, как другие семейства зерен становятся постепенно уступающими.

    CPFE моделирование асимметрии растяжения-сжатия

    Мы сравниваем модели CPFE одноосного растяжения и сжатия, чтобы выявить влияние микромасштабных остаточных напряжений на асимметрию растяжения-сжатия нержавеющей стали AM. Рисунок 6a показывает, что смоделированные кривые растяжения и сжатия напечатанного образца согласуются с соответствующими экспериментальными данными. Дальнейшие параметрические исследования показывают, что асимметрия предела текучести при растяжении-сжатии в основном контролируется начальными значениями тензора обратного напряжения B 0 .Как описано в разделе «Методы», мы присвоили одинаковые значения B 0 для всех зерен в смоделированном поликристаллическом агрегате, которые приблизительно представляют средний эффект внутризеренных внутренних напряжений III типа в этих зернах. То есть, чтобы согласовать результаты моделирования асимметричных пределов текучести на растяжение и сжатие с экспериментальными, начальные компоненты обратного напряжения вдоль LD и TD в плоскости построения выбираются равными 30 МПа, соответственно; начальная составляющая обратного напряжения в направлении наращивания выбрана равной -60 МПа, чтобы сделать B 0 девиаторным.Компоненты сдвига B 0 выбраны равными нулю. Нелинейная связь между напряжением спины и пластической деформацией, принятая в модели CPFE, также важна. Это связано с тем, что обратные напряжения, вызванные деформацией, быстро увеличиваются с приложенным напряжением, достигая ~ 200 МПа в пределе текучести как для растяжения, так и для сжатия. Таким образом, составляющая обратного напряжения вдоль LD при растяжении и сжатии при соответствующем пределе текучести в моделировании CPFE соответствует соответствующим экспериментальным данным.Эти результаты демонстрируют различные эффекты обратных напряжений, вызванных печатью и деформацией. Тем не менее, поскольку обратные напряжения представляют собой эффективное дальнодействующее сопротивление скольжению дислокаций внутри зерен, результаты моделирования CPFE показывают, что асимметрия пределов текучести при растяжении и сжатии в образцах после печати вызвана в первую очередь обратным напряжением, вызванным печатью, и связанным Внутризеренные остаточные напряжения III типа, возникающие из-за неоднородных дислокационных структур в исходных образцах.Кроме того, скорость асимметричного деформационного упрочнения также фиксируется в моделировании CPFE (рис. 6b) путем подбора основных параметров в нелинейной зависимости обратного напряжения от пластической деформации сдвига. Это указывает на то, что микроструктуры, вызванные печатью и деформацией, и связанные с ними внутризеренные остаточные напряжения III типа влияют на асимметричную эволюцию скорости деформационного упрочнения.

    Рис. 6

    Результаты CPFE асимметрии растяжения – сжатия нержавеющей стали AM. a Сравнение истинных кривых «напряжение-деформация» при одноосном растяжении и сжатии, полученных в результате эксперимента (сплошные линии) и моделирования (пунктирные линии) для образцов после печати и после отжига. b Сравнение скорости нормализованного деформационного упрочнения и истинной деформации при одноосном растяжении и сжатии из эксперимента (сплошные линии) и моделирования (пунктирные линии) для образцов после печати и после отжига. c Смоделированное отклонение деформации решетки (Δ ε hkl ) как функция приложенного напряжения для семейств зерен {200} и {220} для исходных и отожженных образцов при одноосном растяжении. d Смоделированная объемная доля пластически деформированных зерен в пределах каждого семейства против макроскопического истинного напряжения в отожженном образце, демонстрируя прогрессивную пластическую текучесть среди различных семейств зерен

    Для сравнения на рис.6a, b также показаны смоделированные кривые напряжение-деформация и кривые скорости деформационного упрочнения-истинного напряжения отожженного образца с использованием тензора собственных деформаций E * и начальных значений тензора обратных напряжений B 0 равняется нулю, при этом остальные параметры модели остаются неизменными. Видно, что асимметрия растяжения-сжатия в пределе текучести и деформационном упрочнении полностью устранена при моделировании CPFE. Параметрические исследования показывают, что обнуление B 0 необходимо для устранения асимметрии растяжения-сжатия.На рисунке 6c показано смоделированное отклонение деформации решетки Δ ε hkl от линейного отклика для семейств зерен {200} и {220} как в исходных, так и в отожженных образцах при одноосном растяжении. Их тенденции аналогичны соответствующим экспериментальным результатам на рис. 2c. Однако смоделированные начальные значения Δ ε hkl исчезают, и нелинейность деформации решетки уменьшается во время нагружения. Эти ответы возникают в результате обнуления E * .В целом, результаты CPFE предполагают, что термический отжиг во время эксперимента не полностью ослабил вызванные печатью гетерогенные микроструктуры для полного устранения обратных напряжений и остаточных деформаций решетки в образцах после печати. Наконец, на рис. 6d показана смоделированная объемная доля пластически деформированных зерен внутри четырех семейств зерен в зависимости от макроскопического растягивающего напряжения в отожженном образце. По сравнению с соответствующими результатами моделирования отпечатанного образца на рис. 5с, последовательность постепенного увеличения урожайности в различных семействах зерен согласуется между двумя случаями.Однако средние значения предела текучести семейств {311} и {200} в отожженном образце заметно снижаются из-за отсутствия остаточных деформаций решетки (путем обнуления E * ) в этих двух семействах зерен. Эти результаты подтверждают мнение о том, что термообработка для снятия напряжения образцов из AM может изменить их остаточные напряжения на микромасштабах.

    Таким образом, наша работа демонстрирует, что микромасштабные остаточные напряжения оказывают сильное влияние на податливость и деформационное упрочнение нержавеющей стали AM.Эксперименты SXRD на месте представляют собой мощный подход к выявлению остаточных деформаций решетки и связанных с ними межкристаллитных остаточных напряжений типа II для отдельных семейств зерен в исходной нержавеющей стали, а также их эволюции под действием приложенных нагрузок. Комбинированные результаты SXRD и моделирования проясняют влияние упругой анизотропии, прогрессивной текучести и деформационного упрочнения на степень и эволюцию деформаций решетки и связанных с ними межзеренных остаточных напряжений типа II в различных семействах зерен.Наблюдается выраженная асимметрия предела текучести при растяжении – сжатии, а также асимметричный характер деформационного упрочнения. Показано, что такая асимметрия растяжения-сжатия определяется внутризеренными остаточными напряжениями III типа и связанными с ними обратными напряжениями, которые возникают из-за неоднородного распределения дислокаций, на которое может сильно влиять как обработка L-PBF, так и механическое нагружение. Следовательно, важно различать обратные напряжения, вызванные печатью и нагрузкой. Наше моделирование CPFE показывает, что первый диктует асимметрию предела текучести при растяжении-сжатии в исходных образцах, тогда как последний может быстро нарастать во время нагрузки и тем самым влиять как на предел текучести, так и на характеристики деформационного упрочнения.Как обработка L-PBF, так и последующая механическая нагрузка могут существенно повлиять на эволюцию обратного напряжения, измеренную в эксперименте по нагрузке-разгрузке на уже отпечатанных образцах, что приводит к сильному эффекту Баушингера для нержавеющей стали AM. Кроме того, мы показываем, что термический отжиг образцов после печати может уменьшить остаточные напряжения как типа II, так и типа III, но трудно полностью стереть эти микромасштабные остаточные напряжения. В целом, наши результаты демонстрируют количественную и механистическую связь между микромасштабными остаточными напряжениями и механическим поведением нержавеющей стали AM.Дальнейшие исследования по увязке параметров печати с результирующими микроструктурными неоднородностями и связанными с ними остаточными напряжениями микромасштаба необходимы для обеспечения контроля и смягчения этих остаточных напряжений. Мы ожидаем, что наша работа будет иметь общие последствия для металлических материалов AM, поскольку многомасштабное остаточное напряжение является критической проблемой для этой быстро развивающейся технологии.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *