Стилоскопирование металла и сварных швов: что это такое и с какой целью проводят

Монотонные механические свойства образцов основного металла и сварного металла перечислены в таблице 3.

Испытания на усталость в условиях одноосного, синфазного и несинфазного нагружения под углом 90 ° проводятся при полностью обращенном нагружении с контролируемой деформацией и постоянной амплитудой.Применяемые формы сигналов как для основного металла, так и для сварного металла являются синусоидальными. Три пути деформации при испытании показаны на рисунке 3. По горизонтальной оси отложена осевая деформация, а по вертикальной оси — деформация сдвига. Корреляция горизонтальной оси и вертикальной оси выводится из критерия фон Мизеса, в котором эквивалентная деформация фон Мизеса.

Испытания на усталость проводились на машине растяжения-кручения MTS при контролируемой нагрузке с использованием экстензометра деформации растяжения-кручения с измерительной длиной 25 мм, который установлен в центре наружной части измерительной секции образца для измерения механической нагрузки. реакции напряжения.Частота нагрузки для испытаний с постоянной амплитудой составляет 1,0 Гц. Предполагается, что усталостная долговечность — это количество циклов, в течение которых наблюдается снижение на 30% по сравнению с максимальным напряжением растяжения или сдвига при одноосном испытании.

3. Результаты и обсуждение

Стабильные петли гистерезиса образцов основного металла и сварного металла при одноосном, синфазном и противофазном нагружении на 90 ° при разной амплитуде деформации представлены на рисунках 4–6. соответственно. Можно заметить, что поведение деформации многоосного цикла для условия синфазного нагружения в основном такое же, как и для одноосного, в то время как поведение деформации многоосного цикла для условия несинфазного нагружения значительно изменилось.Максимальные отклики на сдвиг и осевое напряжение, а также сдвиговые и осевые деформации являются одновременными в условиях синфазного нагружения как для основного металла, так и для образца сварного металла. Однако максимальные значения реакции на циклическое напряжение и деформацию не всегда возникают одновременно при несинфазном нагружении на 90 °, что указывает на то, что пластическая текучесть металла при несинфазном нагружении на 90 ° различна. от того под одноосным.

Прочность металлов и сплавов (ICSMA 7)

• О Эльзевире
  • О нас
  • Elsevier Connect
  • Карьера
• Продукты и решения
  • Решения НИОКР
  • Клинические решения
  • Исследовательские платформы
  • Исследовательский интеллект
  • Образование
  • Все решения
• Сервисы
  • Авторы
  • Редакторы
  • Рецензенты
  • Библиотекарей

Механическое поведение сварных швов из дисперсионно-упрочненных алюминиевых сплавов

1.Введение

Благодаря своей относительно низкой плотности и высокой прочности, алюминиевые сплавы серий 2 xxx , 6 xxx и 7 xxx широко используются в транспортной промышленности для производства структурных каркасов и компонентов. Эти сплавы находят применение в условиях искусственного старения, что позволяет получить высокие механические свойства, т.е. предел текучести алюминиевого сплава 7075-Т651 до 500 МПа. Однако, когда сварочные процессы используются для выполнения соединения, большое количество подводимого тепла рассеивается за счет теплопроводности через основной материал вблизи сварочного валика.Это рассеяние тепла приводит к образованию локализованных изотермических участков, на которых температурный градиент оказывает важное и пагубное влияние на микроструктуру и, следовательно, на механические свойства сварного соединения (образование мягкой зоны). Это изменение микроструктуры влияет на эксплуатационные характеристики сварных соединений, поскольку механические свойства резко ухудшаются по сравнению с основным материалом.

В этой главе представлена ​​информация о механическом поведении сварных соединений алюминиевых сплавов с точки зрения свойств, определяемых испытаниями на растяжение, вдавливание и усталость, а также об условиях роста усталостной трещины в различных зонах сварных соединений.

1.1. Осаждение и механические свойства алюминиевых сплавов

Процесс дисперсионного твердения требует, чтобы второй компонент в алюминиевом сплаве был достаточно растворим, чтобы обеспечить широкое растворение при повышенной температуре (температура солюбилизационной обработки) и чтобы растворимость значительно снижалась при более низких температурах. так обстоит дело с сплавами Al-Cu (рис. 1) [1].

Согласно рисунку 1, чтобы вызвать дисперсионное твердение, сплав нагревают до температуры, превышающей температуру сольвуса, для получения гомогенного твердого раствора α, позволяющего растворить вторую фазу θ и устраняя сегрегацию сплава.Как только температура солюбилизации достигается, сплав охлаждается с высокой скоростью, чтобы ограничить процесс диффузии атомов в направлении потенциальных центров зародышеобразования. Наконец, перенасыщенный твердый раствор α _ss нагревают до температуры ниже температуры сольвуса. При этой температуре атомы обладают способностью диффундировать на короткие расстояния. Поскольку фаза α _ss нестабильна, атомы Cu диффундируют в нескольких местах зарождения, и может образоваться контрольное преципитация.Осадочное упрочнение металлов выполняется для получения дисперсии частиц вторых фаз и создания препятствий для движения дислокаций. Степень упрочнения зависит от металлической системы, объемной доли и размера частиц, а также от взаимодействия частиц с дислокациями. Взаимодействие осевших частиц с дислокациями очень важно с точки зрения величины упрочнения. Были установлены некоторые механизмы, включающие обход частиц с помощью петли Орована, обходное скольжение или сдвиг частиц.На рис. 2 показаны силы, действующие на подвижную дислокацию в напряженном металле, содержащем дисперсию частиц второй фазы.

Рисунок 1.

Фазовая диаграмма алюминия и меди с высоким содержанием алюминия, показывающая процесс солюбилизации и осаждения [1].

Рисунок 2.

Баланс сил, действующих при сопротивлении частицы движению дислокации [1].

Рассматривая силы равновесия между линейным натяжением T дислокации и силой сопротивления частицы второй фазы F , получаем:

По мере увеличения F увеличивается изгиб дислокаций, i .е. θ увеличивается. Величина F важна для управления последовательностью событий. Сила натяжения линии дислокации максимальна при θ = 90 º. Если частица твердая, например, F может быть больше 2 T , то дислокации будут обходить частицу либо за счет петли Орована, либо за счет поперечного скольжения, и частица останется неизменной, то есть недеформированной (Рисунок 3).

Рисунок 3.

Дислокация встречается с твердыми недеформируемыми частицами второй фазы: высвобождение дислокации при более высоких напряжениях может происходить за счет образования петель Орована или поперечного скольжения [1].

Фактическая сила частицы в этом случае становится несущественной, поскольку операция обхода становится зависимой только от расстояния между частицами. Если, однако, сила частицы такова, что максимальная сила сопротивления достигается до sin θ = 1, тогда частицы будут раздвигаться, и дислокация пройдет через частицу (рис. 4).

Рисунок 4.

Движение дислокации может продолжаться через частицы второй фазы (разрезание частиц).

Следовательно, из этого следует, что при заданном расстоянии между частицами (заданная объемная доля и размер частиц) твердые частицы будут давать максимальное дисперсионное твердение, и это условие определяет максимально достижимую степень твердения.Мягкие частицы дают меньшую степень затвердевания. Рассмотрение зависимости между приложенным напряжением и изгибом дислокации, следуя Оровану [2], приводит к уравнению Орована:

, где Δ τ _y — увеличение предела текучести из-за частиц, G модуль сдвига матрицы, b вектор Бюргерса дислокации и L расстояние между частицами. L в уравнении Орована обычно считается расстоянием между частицами, расположенными на квадратной сетке в плоскости скольжения.

Эшби [3] развил свое уравнение, чтобы учесть расстояние между частицами и эффекты статистически распределенных частиц. Соотношение Эшби-Орована имеет вид:

Применение фактора Тейлора для поликристаллических материалов, выражающее микроструктурные параметры в терминах объемной доли и реального диаметра и преобразуя напряжение сдвига в растягивающее напряжение, урожайность [4]: ​​

, где Δ σ _y — увеличение предела текучести (МПа), G — модуль сдвига (МПа), b — вектор Бюргерса (мм), f — объемная доля частиц, а X — реальный (пространственный) диаметр частиц (мм).В таблице I представлен эффект упрочнения с точки зрения предела текучести для некоторых алюминиевых сплавов в отожженном (O) и в условиях искусственного старения (T6).

Приращения упрочнения в алюминиевых сплавах [5].

1.2. Сварка в закаленном от старения состоянии

Известно, что алюминиевые сплавы 2 xxx , 6 xxx и 7 xxx имеют сильную тенденцию к износу во время сварки, особенно в полностью состаренном состоянии (T6). Схематическое изображение микроструктурных изменений при сварке алюминиевых сплавов показано на рисунке 5 [6]. Во время сварки металл, прилегающий к зоне плавления (сварной валик), нагревается, а зона термического влияния (ЗТВ) состоит из двух основных зон.Зона с более низкой температурой рядом с основным металлом подвергается воздействию диапазона температур, в котором могут возникать явления старения и износа. Зона с более высокой температурой обрабатывается путем солюбилизации, предполагая высокую скорость охлаждения, эффекты менее серьезны, поскольку микроструктура материала будет стареть естественным образом. Однако внутри ЗТВ появляется изотермическая зона, для которой полученная температура находится между двумя четко определенными температурами, то есть температурой искусственного старения сплава и температурой сольвуса.В результате происходит микроструктурная трансформация из-за термодинамической нестабильности выделений. Например, в случае сплава 6061-T6, чрезмерное старение в ЗТВ вызывается преобразованием выделений β » (игольчатой ​​формы) в выделения β ‘(стержневой формы) в соответствии со следующей последовательностью выделения [ 7]:

αss → кластеры растворенных веществ → зоны GP → β » (игла) → β ‘(стержень) → β

Рис. 5.

Схематическое изображение изменений микроструктуры в термообрабатываемых алюминиевых сплавах во время процесса сварки плавлением а) термический цикл охлаждения от пиковой температуры; б) микроструктура сварного соединения при температуре окружающей среды [8].

На рисунке 6 показаны термические циклы сварки для процесса газовой дуговой сварки (GMAW) сплава 6061-T6 (Al-Si-Mg) при различных условиях предварительного нагрева и их корреляция между кривой осаждения C. В этом смысле Myhr et al. [9] изучали эволюцию микроструктуры во время термического цикла охлаждения сварного шва в сплавах Al-Si-Mg (рис. 7). Они определили, что когда пиковая температура T _p приближается к 315 ° C в течение периода времени 10 с, микроструктура состоит из смеси крупнозернистых стержневидных β ‘и тонких игольчатых β’ ‘осадков. как показано на рис. 7b и c.Превращение β ’’ в β ’преципитатов происходит в большей степени с увеличением пиковых температур. При температуре T _p , равной 390 ° C, β ’является доминирующим микроструктурным компонентом, как показано на Фигуре 7d.

Рис. 6.

Корреляция между термическими циклами сварных швов в газовой дуговой сварке с тремя различными режимами предварительного нагрева и кривой осаждения C для алюминиевого сплава 6061-T6 [8].

Рис. 7.

Изображения микроструктур в светлом поле с помощью просвечивающего электронного микроскопа, наблюдаемые в ориентации оси зоны <100> Al после искусственного старения и моделирования Gleeble (серия 1), (а) игольчатые преципитаты β », которые образуются после искусственного старения, (b) смесь крупных стержневидных β´частиц и тонких игольчатых выделений β´´, которые образуются после последующего термоциклирования до Tp = 315 ° C (время выдержки 10 с), (c) крупный план тех же выделений. в (b) выше, и (d) крупные стержневидные β ‘частицы, которые образуются после термоциклирования до Tp = 390 ° C (время выдержки 10 с) [9].

Помимо микроструктурных преобразований, после сварки также могут существовать пористость и ликвационное растрескивание, которые напрямую влияют на механическое поведение сварных соединений.

Пористость сварных швов алюминиевых сплавов очень сложно контролировать из-за высокой диффузии водорода в жидком алюминии (рис. 8), взаимодействия с окружающей средой и высокой скорости затвердевания.

Рисунок 8.

Растворимость водорода в алюминии [10].

Когда выполняется процесс сварки плавлением алюминия, диффузия водорода в расплавленном металле может достигать 1.00 см ³ / г, это приводит к образованию пузырьков газа. Если мы рассмотрим образование пузырьков в жидком металле, схематически представленное на рисунке 9, пузырь начинает подниматься, когда поверхностное натяжение преодолевается выталкивающей силой, которая стремится подтолкнуть пузырь к свободной поверхности.

Рисунок 9.

Рост пузырьков газа из-за диффузии в жидкой фазе.

Критический радиус r _c для отрыва пузырька от границы твердое тело-жидкость может быть определен с помощью следующего выражения [11]:

, где κ — угол отрыва пузырька, σ * — межфазная энергия между жидкостью и газом (~ 1 Джм ^-2 для большинства системы газ-металл), г постоянная сила тяжести и ρ _л -ρ _г разница между плотностями жидкости и газа. Учитывая, что плотности жидкого алюминия и водорода при температуре плавления алюминия составляют примерно 2380 кгм ^-3 и 0,0256 кгм ^-3 , соответственно, и κ = 100 °, r _c составляет примерно 700 мкм. .Это означает, что пузырьки газа, образующиеся в процессе сварки, должны иметь размер более 700 мкм, чтобы преодолеть поверхностное натяжение границы раздела твердое тело-жидкость. Кроме того, требуется низкая скорость затвердевания, чтобы позволить пузырькам газа слиться и достичь этого критического значения. Однако в реальной ситуации тепловой цикл охлаждения зоны плавления при сварке происходит очень быстро, как показано в [8] (Рисунок 10), и образование пористости присутствует, как показано на рисунке 11.

Рисунок 10.

Профиль температуры, измеренной в сварочной ванне сварного шва GMAW из алюминиевого сплава 6061-T6 [8].

Рис. 11.

Пористость сварочной ванны на алюминиевом сплаве 6061-T6, сваренном методом GMAW.

Покрытие сварных швов алюминиевых сплавов может происходить в зоне частичного плавления (ПМЗ). PMZ — это область за пределами зоны плавления, где происходит ликвация границ зерен во время сварки. На рисунке 12 показана часть PMZ в GMAW алюминия 6061-T6, изготовленного с присадочным металлом с высоким содержанием кремния (ER4043).

Рис. 12.

Микроструктура алюминия 6061-T6, сваренного методом GMAW с присадочным металлом ER4043, показывает PMZ и ликвацию границ зерен.

Явление ликвации происходит вдоль границы зерен, хотя оно может проявляться внутри зерен. Когда присутствует ликвация, по границе зерен может происходить растрескивание из-за деформаций растяжения, возникающих во время сварки. Состав металла сварного шва определяется составом основного металла и присадочного металла, а также степенью разбавления. Коэффициент разбавления связан с количеством присадочного металла, разбавленного основным металлом для образования металла шва. Метцгер [12] наблюдал ликвационное растрескивание при полном проплавлении, газо-вольфрамовую дуговую сварку (GTAW) на сплаве 6061, сделанном с присадочным металлом Al-Mg при высоких степенях разбавления, но не в аналогичных сварных швах, выполненных с присадочными металлами Al-Si при любом коэффициенте разбавления .Хуанг и др. [13] провели исследования ликвационного растрескивания в ПМЗ сварных швов с полным проплавлением сплава 6061. Они обнаружили, что ликвационное растрескивание происходит в сварных швах GMAW при использовании присадочного металла ER5356 (Al-Mg), но не при использовании ER4043 (Al-Si).

2. Механическое поведение сварных швов алюминиевых сплавов

2.1. Вдавливание

Твердость материала представляет собой сопротивление пластической деформации вдавливанием. Число твердости H дается соотношением между приложенной нагрузкой P и характерной площадью A остаточного отпечатка:

Для обычного вдавливания число твердости по Виккерсу HV с использованием пирамидального квадратный индентор рассчитывается с учетом истинной площади контакта.Соотношение HV определяется следующим образом:

, где иногда HV выражается в МПа, если P задано в N, а d — диагональ отступа в мм. Но обычно HV указывается как номер и используемые условия нагрузки.

Что касается инструментальных испытаний на вдавливание (IIT), которые позволяют построить график зависимости нагрузки от глубины, при вычислении числа твердости можно использовать максимальное расстояние (максимальная глубина вдавливания h h _м , достигнутая индентора во время испытания на вдавливание) или глубину контакта, которая является глубиной вдавливания h h _c , с учетом деформации отпечатка под нагрузкой и рассчитанной с использованием метода Олив и Фарр [14].

Классическое индентирование использовалось для определения эволюции твердости в сварных швах из дисперсионно-твердеющих алюминиевых сплавов [8, 15, 16]. Амбриз и др. [8] определили профили микротвердости по Виккерсу и картирование сварных швов алюминиевого сплава 6061-T6 (рис. 13).

Рис. 13.

а) Профиль твердости по Виккерсу, определенный с 1 Н приложенной нагрузки по всему сварному соединению, и б) Карта твердости по Виккерсу по сварному соединению [8].

Наблюдалась значительная разница в твердости металла шва и ЗТВ по отношению к основному материалу.Это указывает на то, что механические свойства после сварки будут другими. Следует отметить образование мягкой зоны с обеих сторон сварного шва, снижение твердости в мягкой зоне составляет около 43% по отношению к основному материалу. Эта характеристика является результатом термодинамической нестабильности игольчатых выделений β ’’ (твердых и мелких выделений), вызванной высокими температурами, достигнутыми во время процесса сварки. Действительно, температуры, достигнутые в процессе сварки, благоприятны для преобразования β ’фазы, имеющей форму стержня в соответствии с диаграммой превращения для сплава 6061 (Рисунок 6).

Учитывая неоднородность твердости сварных соединений, инструментальные испытания на вдавливание (ИИТ) были проведены в основном металле, металле шва и в ЗТВ (мягкая зона). На рисунке 14 показано изменение приложенной нагрузки в зависимости от глубины вдавливания для сварных швов алюминиевых сплавов 6061-T6 и 7075-T651.

Рис. 14.

Кривые нагрузки-глубины для а) алюминиевого сплава 6061-Т6 (приложенная нагрузка 1 Н) и б) алюминиевого сплава 7075-Т651 (0,1 Н приложенной нагрузки).

Кроме того, с помощью инструментальных испытаний на вдавливание можно рассчитать модуль упругости, который вычисляется по обратной кривой разгрузки (1/ S ) как функцию обратной величины глубины контактного вдавливания (1/ h _c ) (уравнение 6).

, где (dhdP) — величина, обратная жесткости контакта, C _f — податливость рамы инструмента для вдавливания, геометрический фактор β, введенный в модель Оливера и Фарра [14], чтобы учесть форму индентора, и коэффициент γ, введенный Hay et al. [17] в модели Оливера и Фарра для учета приближения в контактном анализе Герца и E _R приведенного модуля.

Для расчета E _R необходимо определить поправочный коэффициент согласно Hay et al. [17]. Этот коэффициент зависит только от коэффициента Пуассона, тогда, учитывая постоянное значение ν _м = 0,3 для любой области сварного соединения (основной материал, металл шва и HAZ), получается значение 1,067. для γ. В этом состоянии наклон связан только с приведенным модулем на 0,1653 / E _R .Учитывая 1140 ГПа и 0,07 для модуля упругости и коэффициента Пуассона для материала индентора, соответственно, можно определить модуль упругости различных зон сварных соединений (Таблица II) с помощью следующего уравнения:

, где e E _м и ν _m — модуль упругости и коэффициент Пуассона материала, а E i и ν _i модуль упругости и коэффициент Пуассона индентора соответственно.

Кроме того, предел текучести σ _y и показатель упрочнения n могут быть получены путем испытаний на вдавливание (таблица II), как было предложено Амбризом и др. [18], используя следующее выражение:

, где P — приложенная нагрузка вдавливания, P ₀ нагрузка сдвига вдавливания, E модуль упругости, h истинная глубина вдавливания в материал.

Инструментальный тест на вдавливание позволяет определить свойства, указанные в таблице II. Значения предела текучести, определенные инструментальным вдавливанием, аналогичны значениям, полученным при испытании на микротягу (Рисунок 16). Это означает, что можно охарактеризовать локальную зону в свариваемом материале с помощью инструментального вдавливания, где это невозможно с помощью общего испытания (испытания на растяжение).

Механические свойства, полученные в результате инструментального испытания на вдавливание сварных швов из алюминиевого сплава 6061-T6 [18].

С другой стороны, модуль упругости, полученный инструментальным вдавливанием, не соответствует данным, полученным при испытаниях на растяжение или сжатие для алюминиевых сплавов (68–72 ГПа), и невозможно установить четкую разницу между металлом шва и ЗТВ.Фактически, в недавнем исследовании Chicot et al. В [19] установлено, что модуль упругости, полученный инструментальным вдавливанием, соответствует модулю объемного сжатия. Это объяснялось тем, что в случае вдавливания упругая и пластическая деформация является трехосной, тогда как при испытании на растяжение деформация, используемая для определения модуля упругости, является одноосной.

2.2. Свойства при растяжении

Как можно заключить из испытания на вдавливание (Рисунок 13), механические свойства при растяжении сварных швов из алюминиевых сплавов, упрочненных осадками, неоднородны вдоль сварного соединения.Изучены свойства при растяжении сварных швов, полученных несколькими способами сварки этих сплавов. Например, В. Малин [15] исследовал связь между термическими циклами сварного шва и микроструктурным преобразованием с характеристиками растяжения сплава 6061-Т6, сваренного методом GMAW. В ходе их исследования образцы для испытаний на растяжение были взяты из сварного соединения, как показано на рисунке 15. Это означает, что во время испытания на растяжение учитывался общий структурный эффект.

Рис. 15.

(a) Влияние твердости на место разрушения HAZ в образце для растяжения 6061-T6 [15], и b) образец на растяжение, показывающий зону разрушения на алюминиевом сплаве 6061-T6.

Зона разрушения после испытания на растяжение была локализована в ЗТВ (мягкой зоне), где твердость сварного соединения минимальна, этот результат согласуется с данными Амбриза и др. [20].

С учетом эволюции профиля твердости, истинные кривые напряжения-деформации в металле шва и HAZ (мягкая зона) сварных швов из сплава 6061-T6 были определены с помощью испытания на микротягу [18]. Индивидуальное поведение представлено на Рисунке 16, а также его соответствующее сравнение с основным металлом.

Рисунок 16.

Кривые истинного напряжения-деформации для сплава 6061-T6, металла шва и ЗТВ.

ЗТВ демонстрирует снижение прочности на растяжение по сравнению с основным металлом и металлом сварного шва примерно на 41 и 19% соответственно. Этот аспект был связан с явлением чрезмерного старения и объясняется с точки зрения трансформации микроструктуры (Рисунок 5) и последовательности выпадения осадков. Хотя металл сварного шва показывает более высокий предел прочности на разрыв, чем ЗТВ, для металла шва наблюдается более низкая пластичность. Эта характеристика объясняется образованием пористости во время затвердевания и высоким содержанием кремния в присадочном металле (ER4043), который при смешивании с расплавленным основным металлом приводит к микроструктуре эвтектического кремния, который является хрупкой фазой, которая отрицательно влияет на механические свойства при растяжении сварного соединения.Сводка механических свойств при растяжении сварных швов из алюминиевых сплавов 6061-T6 и 7075-T651 представлена ​​в таблице III.

Таблица 3.

Механические свойства при растяжении сварных швов алюминиевых сплавов 6061-T6 и 7075-T651 (GMAW).

^a Лучшее линейное соответствие из кривых среднего напряжения-деформации; ^b Получено из σ = PA0; ^c , полученное из ε = lf-l0l, ^d , полученное с помощью уравнения Рамбера-Осгуда.

2.3. Усталость сварных швов из алюминиевых сплавов

Усталостное или усталостное повреждение — это последовательное изменение свойств материалов по отношению к приложению циклического напряжения, которое может привести к разрушению.В условиях одноосного циклического нагружения можно выделить соотношение напряжений R , определяемое максимальным и минимальным напряжением, следующим образом:

как функция σ _max и σ _min , мы можем получить постоянную составляющую напряжения (амплитудное напряжение σ _a ) и среднее значение напряжения (среднее напряжение σ _м ) при различных условиях нагружения (Рисунок 17).

Некоторые практические приложения включают циклическую нагрузку с постоянной амплитудой, но часто встречаются нерегулярные нагрузки как функция времени. В этом случае мы обсудим некоторые результаты в терминах нагрузки постоянной амплитуды. Простейшее испытание на усталость состоит в подвергании образца циклической нагрузке (различные уровни амплитуды напряжения σ _a ) с постоянной частотой и измерения количества циклов до разрушения N _f .Представление уровня напряжения как функции от N _f дает кривую S — N или кривую Велера. Схематическое изображение кривой Велера показано на рисунке 18.

Рисунок 17.

Требуемое нагружение при одноосной усталости, a) полностью обратное напряжение (σm = 0), b) асимметричное повторяющееся напряжение (σm ≠ 0) и c ) от нуля до напряжения растяжения (σmin = 0).

Рисунок 18.

Представление кривой Велера и различных областей усталости [21].

На рисунке 18 можно выделить различные области: (i) Малоцикловая усталость. В этом случае к образцу прилагается высокий уровень напряжения (обычно выше предела текучести материала). Из-за высокой деформации во время испытания количество циклов до разрушения обычно ниже (от 10 ² до 10 ⁴ ). (ii) Высокая циклическая усталость. Это связано с упругим поведением образца на макроуровне, то есть уровень напряжения не превышает предел текучести материала.Отказ ожидается при большом количестве циклов, например более 10 ⁵ . Фактически, граница между мало- и многоцикловой усталостью четко не определяется конкретным числом циклов. Наиболее важным отличием является то, что низкая циклическая усталость связана с макропластической деформацией при каждом цикле нагружения. Когда применяется уровень напряжения при многоцикловой усталости, отображается предел усталости или предел выносливости, который представлен асимптотой на кривой Велера. В некоторых металлических материалах это может быть получено при количестве циклов порядка от 10 ⁶ до 10 ⁷ .(iii) Гигацикл усталости. Эта область соответствует очень большому количеству циклов, и было замечено, что предел выносливости имеет тенденцию уменьшаться, когда количество циклов увеличивается.

Хорошо известно, что усталостное повреждение является поверхностным явлением, на что указывает Форсайт [22], который определил наличие рельефов, связанных с образованием полос локализационной деформации, названных стойкими полосами. Топография поверхности определяется образованием интрузий и выдавливаний, как схематично показано на Рисунке 19.

Рис. 19.

Формирование внедрений и выдавливаний на свободной поверхности из-за переменного скольжения, зарождения микротрещин и образования основных трещин из микротрещин [21].

При испытании на одноосное растяжение эти полосы приводят к образованию микротрещин (состояние I на рисунке 19), которые ориентированы под углом 45 градусов по отношению к оси тяги. Эти полосы влияют только на определенные зерна. Устойчивая ориентация полос и образование трещин в состоянии I важны в случае одноосного и многоосного нагружения.Браун и Миллер [23, 24] ввели полезные обозначения в мультиаксиальном нагружении для фасетов A и B, которые схематически изображены на рисунке 20.

Рисунок 20.

Направленный аспект усталостного повреждения. Важность ориентации поля напряжений относительно поверхности планов и свободной поверхности материала (зон штриховки) [23, 24].

Фасеты типа B обеспечивают вектор сдвига, который проникает в материал, и они более опасны, чем фасеты типа A, от которых вектор сдвига касается свободной поверхности образца.Образование внедрений и выдавливаний, связанных с устойчивыми к скольжению полосами, а также микропространство трещин в состоянии I представляют интерес на расстоянии от размера зерна (небольшие усталостные трещины). Таким образом, с учетом того, что микротрещины связаны с кристаллографическим аспектом, как только трещина встречает первую границу зерна, она начинает раздваиваться в соответствии с состоянием II, и достигается распространение в перпендикулярном направлении главного напряжения.

В дополнение к упомянутому ранее механизму усталостного разрушения в случае сварки особое значение имеет коэффициент концентрации напряжений, обусловленный геометрией сварного валика.В этом смысле Амбриз и др. В [20] было количественно оценено влияние сварочного профиля, созданного методом модифицированной непрямой электрической дуги (MIEA), на усталостную долговечность алюминиевого сплава 6061-T6. Для определения коэффициента концентрации напряжений K _t в сварных швах MIEA был измерен характерный профиль сварки, как указано на рисунке 21.

Рисунок 21.

Точки концентрации напряжений в сварных швах MIEA и их соответствующие размеры. α = угол, образованный усилением сварного шва пластинами, r = радиус надреза, t = высота усиления сварного шва, w = ширина сварочного профиля и h = толщина пластин.

Затем было проведено испытание на одноосную усталость с циклическим нагружением с синусоидальной формой волны на частоте 35 Гц и соотношении нагрузки R = 0,1 в атмосферном воздухе при комнатной температуре. Предел выносливости (77 МПа) был рассчитан с использованием метода Локати, а кривая Велера (рисунок 22) была построена между 77 и 110 МПа.

Рис. 22.

Кривая Велера для сварных швов алюминиевого сплава 6061-T6, выполненная MIEA, и данные из литературы [25] для соединения с одной V-образной канавкой.

На рисунке 22 показано максимальное напряжение σ _max в зависимости от числа циклов до разрушения N _f , полученное в результате испытания сварных соединений на усталость.Экспериментальные результаты были подогнаны согласно следующему выражению:

, где A, и b — экспериментальные значения, определенные с помощью аппроксимирующей кривой.

Что касается геометрии сварочного профиля, сравнение усталостных характеристик сварных швов MIEA с результатами, приведенными в литературе [25] для конфигурации с одним V-образным соединением для того же алюминиевого сплава, показывает значительное улучшение усталостной долговечности для MIEA. сварные образцы. Влияние K _t на зарождение трещины и разрушение показано на рисунке 23.

Рисунок 23.

Типичный макрос усталостного разрушения сварных швов MIEA.

Учитывая, что если условия нагружения способствуют образованию основной трещины (Рисунок 19), она будет расти в соответствии с областью степенного закона, как схематически показано на Рисунке 24.

Рисунок 24.

Режимы роста усталостной трещины как функция ΔK.

Скорость роста усталостной трещины d a / d N в зависимости от диапазона коэффициента интенсивности напряжений Δ K в различных зонах сварного соединения (основной металл, металл шва и ЗТВ) изучалась ранее [26 , 27].Результаты были проведены на образцах компактного типа (КТ) с приложением постоянной амплитуды циклической нагрузки с синусоидальной формой волны на частоте 20 Гц, коэффициентом нагрузки R 0,1 и диапазоном нагрузок 2,5 кН в атмосферном воздухе при комнатной температуре. . Δ K был вычислен с помощью следующего уравнения:

, где a — длина трещины в образце (начальная трещина 8 мм), W — ширина распространения трещины и B — толщина образца (5 мм в данном случае).

Учитывая область устойчивого роста трещины, показанную на рисунке 24, экспериментальные результаты для a были нанесены на графики d a / d N в зависимости от Δ K согласно следующему выражению:

где C и м — константы, полученные из аппроксимирующей кривой. В таблице IV приведены наиболее подходящие значения для C и м , а также их коэффициент корреляции.

Таблица 4.

Константы подгонки, полученные из экспериментальных значений (рисунок 25) [27 ].

На рис. 25 показан рост усталостной трещины основного металла (6061-T6) при прокатке и поперек направления прокатки.

Рис. 25.

Скорость роста усталостной трещины в зависимости от ΔK: a) основной металл 6061-T6, b) металл шва и c) HAZ.

Этот график показывает, что микроструктурные характеристики (анизотропия) не оказывают существенного влияния на рост усталостных трещин, как можно было бы ожидать, учитывая, что предел текучести в направлении прокатки выше, чем в поперечном направлении.Однако это не относится к металлу сварного шва и ЗТВ (рисунки 25b и c), в которых трещина имеет тенденцию распространяться быстрее, чем в основном металле. В случае металла шва (рис. 25b) более высокая скорость роста трещины по сравнению с основным металлом связана с низкой ударной вязкостью из-за высокого содержания кремния (~ 5,5 мас.%), Обеспечиваемого присадочным металлом во время сварки. Аналогичным образом, для HAZ можно наблюдать, что трещины растут быстрее, чем основной металл, аспект, который объясняется микроструктурным преобразованием тонких игольчатых выделений β ’’ в выделения крупнозернистой формы брусков β ’, образованных тепловым эффектом.

Международная промышленная выставка «Металл-Экспо»

А.Г. Романов

Председатель оргкомитета «Металл-Экспо»

Форум производителей стали, который в этом году отмечает свое 25 -летие, является уникальным событием не только для черной металлургии, но и для мировой экономики в целом. За последние несколько лет выставка стала ведущей деловой площадкой для сталелитейных компаний, производителей труб, производителей проволочной сетки, производителей алюминиевого проката и сплавов, трейдеров стали, сервисных центров металлопродукции, а также ключевых потребителей металлопродукции: строителей, инженеры, нефтегазовые компании, транспортно-логистические компании и др.

Металл-Экспо — территория с особой атмосферой. Все эти годы выставка была стартовой площадкой для новых масштабных проектов, стартапов и новых профессиональных инициатив. Выставка, без преувеличения, как зеркало отражает всю новую историю российской черной металлургии и основные тенденции мирового производства стали.

Форум стал обязательным для всех крупнейших мировых сталелитейных и металлургических компаний. Экспозиция и количество участников растут с каждым годом, демонстрируя весь спектр современных материалов, оборудования и решений для сталелитейной промышленности, металлообработки и металлопотребления.В этом году «Металл-Экспо’2019» демонстрирует множество инновационных решений для металлургической отрасли.

Приглашаем участников и посетителей юбилейной «Металл-Экспо» принять участие в насыщенных мероприятиях, посвященных всем ключевым аспектам черной металлургии, включая металлообработку, тяжелое машиностроение, а также наиболее актуальным проблемам экономики, маркетинга и т.д. дискуссии и конкурсы образуют Неделю металла в Москве.

Кроме того, форум — прекрасная возможность для установления новых деловых контактов, поиска новых ниш и направлений развития бизнеса.

Желаем всем участникам и посетителям Металл-Экспо’2019 успехов, хорошей работы, новых бизнес-идей и хороших деловых партнеров. Пусть выставка зарядит вас энергией успеха!

Услуги по прядению, формовке и сварке металла

Прядение металла, также называемое формованием, представляет собой процесс металлообработки, с помощью которого создаются высокопроизводительные осесимметричные детали. В отличие от других процессов формования металла, которые разрезают и удаляют материал для получения желаемой формы, прядение металла преобразует металлический диск или трубу, вращая диск или трубу и превращая ее в оправку, зажимая ее на горизонтальном или вертикальном токарном станке и создавая коническую , тороидальной или другой круглой формы.Процесс может быть горячим или холодным, в зависимости от конкретного пряденного материала.

Процесс прядения металла осуществляется посредством автоматического прядения с ЧПУ или ручного прядения. Наиболее подходящий тип прядения металла выбирается с учетом объема производства и требуемой сложности получаемых деталей.

Преимущества прядения металла

Прядение металла предлагает ряд преимуществ тем, кто ищет универсальный и оптимизированный процесс, в том числе:

По сравнению с инструментами, используемыми в альтернативных методах формования, инструменты для прядения металла обычно составляют 10% от стоимости.

Процесс прядения металла позволяет значительно сократить время выполнения работ — инструменты и детали могут быть доступны в течение недель, а не месяцев.

• Максимальная гибкость конструкции

Инструменты для прядения металла можно быстро и легко заменить в соответствии с изменяющимся дизайном продукции, обеспечивая гибкость, когда это больше всего необходимо.

• Бесшовная высококачественная конструкция

Прядение металла позволяет получать гладкие, прочные изделия без швов и сварных швов, поскольку детали требуют особой прочности и великолепного внешнего вида.

Совместимые металлы

Прядение металлов совместимо с широким спектром металлов, каждый из которых дает уникальный набор преимуществ. Предполагаемое применение и требования проекта влияют на выбор материала. Несколько распространенных материалов для прядения металла включают:

Высокая коррозионная и термостойкость, а также отличное соотношение прочности к весу нержавеющей стали, особенно серии 300 и 400, делают ее одним из наиболее распространенных материалов, используемых при прядении металла, и идеальным выбором для промышленных деталей и оборудование, посуда, высокоточные инструменты, декоративные детали и многое другое.Нержавеющая сталь проста в изготовлении и является одним из самых экономически эффективных металлов.

очень популярна для изготовления жестких деталей, ее легко красить и покрывать. Он не имеет минимальных требований к хрому, никелю, титану, вольфраму, молибдену и другим элементам. Чем больше добавлено углерода, тем выше долговечность получаемого материала. При прядении металла совместимы как холоднокатаная, так и горячекатаная углеродистая сталь — горячекатаный прокат имеет тенденцию быть более пластичным и гибким.Прядильная обработка углеродистой стали приводит к получению прочных, однородных и экономичных продуктов, которые также можно полностью перерабатывать.

Когда при выборе материала в первую очередь учитываются вес продукта и стоимость, присущие алюминию свойства делают его идеальным выбором. Его чрезвычайно низкая плотность, пластичность и высокая коррозионная стойкость используются в строительстве, на транспорте и в аэрокосмической промышленности. Обычно производится прядение алюминия серий 2000, 3000, 5000, 6000 и 7000.

Медь, немагнитный металл, используется для изготовления как твердых, так и эстетически привлекательных металлических формующих деталей — идеально подходит для приложений, требующих функциональности, красоты или отличного баланса обоих. Его устойчивость к потускнению и коррозии, а также высокая пластичность и технологичность делают его лучшим выбором для прядения металла. Кроме того, медь обладает прекрасной теплопроводностью и электропроводностью, а также естественными антимикробными свойствами.

Другие металлы, которые можно использовать при прядении металла:

Инконель, также известный как высокопрочная сталь, содержит железо и хром (с более высоким содержанием хрома).Поскольку существуют различные серии сплавов Inconel, наиболее подходящий тип необходимо выбирать в соответствии с требованиями приложения. Высокая прочность, превосходная стойкость к коррозии и окислению, а также устойчивость к воздействию высоких температур и высоких давлений являются отличительными качествами Inconel.

Экзотический металлический сплав, обладающий высокой устойчивостью к коррозии, хастеллой очень хорошо работает в средах с высокими нагрузками, которые другие традиционные металлы могут не выдержать. Хастеллой состоит из более чем 22 элементов в различных соотношениях, включая, помимо прочего, хром, железо, кобальт, медь, молибден и марганец.

Подобно алюминию, титан отличается впечатляющим соотношением прочности и веса, низкой плотностью и высокой коррозионной стойкостью. Его прочность на разрыв часто лучше, чем у стали, хотя, как правило, при более высоких затратах. Долговечность и легкий вес титана используются для изготовления деталей и применений в аэрокосмической отрасли, которые зависят от стабильной и долговечной работы.

Бронза, известная своей эстетической ценностью и механической прочностью, является еще одним металлом с высокой коррозионной стойкостью, используемым при прядении металла.Бронза, металл примерно на 10% тяжелее стали, обладает уникальным набором характеристик благодаря сочетанию сплавов — меди и олова. Применения, требующие более высокой прочности материала, чем одна только медь, могут выиграть от долговечных свойств бронзы. Он также известен своей теплопроводностью и электропроводностью, устойчивостью к коррозии и способностью выдерживать высокие температуры и высокое трение. Бронза предназначена для бесшовной обработки и сварки.

Большая часть меди по теплопроводности, обрабатываемости, антимикробности и коррозионной стойкости также проявляется в латуни, сплаве, обычно состоящем из меди и цинка.Однако она прочнее чистой меди, и все разновидности бронзы обладают пластичностью, пластичностью и низким коэффициентом трения. Эстетическая привлекательность — это заметное преимущество при выборе латуни.

Применения для прядения металла

Прядение металла представляет собой экономичную и универсальную возможность для широкого спектра коммерческих и промышленных применений, в том числе:

• Детали самолетов
• Оборудование для общепита
• Архитектура и освещение
• Посуда
• Газовые баллоны и сосуды под давлением
• Компоненты тяжелой промышленности для масел, автомобилей и наземного транспорта
• Музыкальные инструменты

Услуги по прядению металла и оснастка в Helander

Helander создает металлические компоненты, изготовленные методом фильерного производства, в соответствии со спецификациями наших клиентов.Мы прядем детали размером до 60 дюймов между центрами, а наше оборудование обрабатывает детали диаметром до 100 дюймов. Мы также можем работать с материалами различной толщины, в том числе:

• Нержавеющая сталь от 0,018 дюйма до 0,375 дюйма
• Углеродистая сталь от 0,018 до 0,375 дюйма
• Алюминий от 0,018 дюйма до 2,00 дюйма

Помимо формования металла, Helander также предлагает инструменты собственного производства, сварку, абразивную полировку и гидроформование, что помогает снизить ваши расходы и оптимизировать производство.Более быстрое время выполнения работ и более низкие затраты — два наиболее привлекательных преимущества прядения металла. Возможность формовать компоненты очень большой толщины и большого диаметра с однородностью и высоким качеством при малых и больших количествах — более привлекательные причины для рассмотрения формования металла.

Чтобы узнать, будет ли прядение металла полезным для вашей области применения или конечного продукта, свяжитесь с нами сегодня.

Вместимость

До 0.250 «Нержавеющая сталь
До 0,375″ Углеродистая сталь
До 0,750 «Алюминий

Ручное прядение (ручное прядение)
Прядение с ЧПУ
Формование на двухвалковых ножницах
Закрывание концов труб (горячее прядение)

Урок 9 — Оценка и сравнение затрат на металл сварного шва