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

    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

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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

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

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).

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.

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.

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.

 Platinum 

 Золото 

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)

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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:

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:

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:

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

Хрупкое разрушение — Вопросы и ответы по материаловедению

• 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

2. Образование
3. Математика
4. Статистика
5. 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 .

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

, 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.

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.