Исследование влияния механической неоднородности на прочность н пластичность сварного соединения

1. Цель работы

Определение зависимости коэффициента контактного упрочнения от относительной толщины мягкой прослойки на образцах-имитаторах и сварных соединениях и влияния толщины прослойки на переход от вязкого разрушения к хрупкому.

2.Общие положения

Сварные соединения представляют собой элементыконструкции, в которых весьма значительна неоднородность механических свойств особенно в перпендикулярном к оси шва направления. Различают, так называемые, мягкие и твердые прослойки. Рассмотрим их на примере сварки стали высокой прочности с использованием присадочного металла такого же состава, что и основной металл (рисунок 6.1).

Рисунок 6.1 – эскиз образца

В этом варианте зоны отпуска будут мягкими прослойками, а шов, с примыкающими к нему с зонами закалки, (твердой прослойкой). При испытании поперек шва в большинстве случаев прочность сварного соединение определяется свойствами наименее прочной зоны с пониженным значением предела текучести и временного сопротивления (предела прочности). В этой зоне в первую очередь начинается пластическая деформация, возникает утонениеи возможно разрушение.

Под вязким обычно понимают разрушение, сопровождаемое развитыми пластическими деформациями по всем сечениям(для идеально пластичного материала это отвечает предельному состоянию).

Хрупким разрушением а общем случае называют такое разрушение, которое происходит при напряжениях меньше предела текучести материала, Однако когда перед разрушением пластические деформации хотя и имеют место, но сильно стеснены, и их величины порядка упругих деформаций, как, например, в тонких мягких прослойках, разрушение также называют хрупким. С инженерной точки зрения это вполне оправдано, так как в подобных случаях обнаруживаются все характерные признаки хрупкости: кристаллический излом, отсутствие заметного поперечного сужения сечения в месте излома и некоторые другие.

Известно, что при нагружении соединения с мягкой прослойкой при определенной толщине прослойки имеет место так называемый эффект "контактного упрочнения".

Рассмотрим работу мягкой прослойки при растяжении стыкового соединения поперек шва. В упругой стадии нагружения мягкая прослойка и соседние участки деформируются одинаково. При достижении предела текучести материала мягкой прослойки в ней возникает пластическая деформация, в то время как соседние участки остаются в упругом состоянии, В результате этого коэффициент поперечной деформации (коэффициент Пуассона) будет приближаться к значению 0,5, в то время как в упругих частях (μ=0,3) из-за неодинаковой поперечной пластической деформации возникают касательные напряжения, максимальные на плоскостях раздела. Они будут препятствовать поперечному сужению прослойки в направлении толщины листа, т.е. напряженное состояние в прослойке по мере нагружения будет приближаться к объемному. В результате возникает препятствие поперечному сужению прослойки в направлении толщины листа. Чем уже прослойка, т.е. чем меньше ее относительная толщина X = h/s, тем меньшее поперечное сужение получает прослойка к моменту возникновения в ней истинных разрушающих напряжений. Таким образом, в более узких мягких прослойках площадь утоненного поперечного сечения прослойки Fy к моменту разрушения будет больше, а следовательно будет больше и разрушающая сила. В этом заключается эффект контактного упрочнения,)

Повышение разрушающей силы не может происходить беспредельно. т.к. соседние с мягкой прослойкой более прочные участки также при определенных условиях начнут пластически деформироваться и возможно разрушение по более прочному металлу.

При плоской деформации временное сопротивление соединения σ_в с мягкой прослойкой можно определить по формуле:

σ_в^к = σ_вм K.

где σ_вм - временное сопротивление металла мягкой прослойки,

К - коэффициент контактного упрочнения.

Прочность соединения достигает прочности соседнего, более прочного основного металла, если σ_в^к достигнет значения временного сопротивления основного металла. При этом:

К_хпред = σ_в^к / σ_вм

Для приближенного определения коэффициента контактного упрочнения Кх ивлияния на него относительной толщины мягкой прослойки (X = h/d) могут быть использованы образцы специальной формы, например, цилиндрические с проточкой определенной ширины (рисунок 6.2).

Для случая осесимметрической деформации К_х можно определить по формуле:

K_x = π / 4 + 1 /(3√3x).

Рисунок 6.2 - Эскиз образца

Порядок выполнения работы

1. Получить партию гладких и надрезанных образцов из стали типа Ст 3 и замерить диаметр и ширину проточки. Рассчитать относительную ширину прослойки X = h/d и коэффициент контактного упрочнения. Результаты записать в таблицу.

2. Рассчитать площадь сечения образцов в зоне проточки F_0, mm².

3. Провести испытания двух-трех стандартных гладких образное (без проточки) на разрывной машине и определить максимальную нагрузку N. Подсчитать среднее значение временного сопротивления σ_в = N/Fo.

Замерить диаметр каждогообразца после разрушения в месте образования шейки и определить среднее значение поперечного сужения

4. Провести испытания на растяжение образцов с проточками и определить значения σ_в^к (также, как по п.3 ).

5. Для каждого образца подсчитать значения коэффициента контактного упрочнения Кх', полученные в результате экспериментов.

6. Построить зависимости: Kx=f(x), К_х^! =f(x), σ_в^к =f(x).

7. Определить приближенноезначение относительной толщины проточки,при которой разрушение от вязкого переходит в хрупкое.

8. Повторить п.п. 3-7 двух образцов из стали типа 45.

9. По результатам исследований сделать выводы, вкоторых отразить, почему и для какого материала разрушение по типу хрупкого начинается при большей ширине проточки, а также с чем связаны различия в расчетных и экспериментальных значениях коэффициента контактного упрочнения и для какого материала эти различия больше.