CC BY
32
152 МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 620.1
А.В. Погодаев, Е.С. Неминущий
ПОГОДАЕВ Антон Васильевич - аспирант, инженер кафедры сварочного производства Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: pogodaev-av@mail.ru НЕМИНУЩИЙ Евгений Сергеевич - аспирант, инженер кафедры сварочного производства Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток).
© Погодаев А.В., Неминущий Е.С., 2012
Исследование прочностных характеристик зон
сварного соединения методом кинетического индентирования
Предлагается метод кинетического индентирования как избыточный для определения механических характеристик металлов, в том числе сварных соединений, взамен дорогостоящих методов разрушающего контроля.
Ключевые слова: кинетическоеиндентирование, прочностные характеристики, сварные соединения, твердость, микротвердость.
Research strength characteristics of welds areas by kinetic indentation. Anton V. Pogodaev, Evgeniy S. Neminuschiy - School of Engineering (Far Eastern Federal University, Vladivostok).
We propose a method of kinetic indentation as a method of determining the excess mechanical properties of
metals, including welded joints instead of costly destructive testing methods.
Key words: kinetic indentation, strength properties, welds, hardness, microhardness.
Зона, прилегающая к металлу шва и получившая изменение структуры и свойств, носит название зоны термического влияния сварки (ЗТВ). Обычно рассматривают пять участков ЗТВ. Размеры зоны термического влияния зависят от вида сварки, режима, скорости ее проведения, а также от химического состава свариваемого металла. Линейные размеры участков околошовной зоны зависят от физических свойств свариваемого металла. По абсолютной величине ширина ЗТВ при дуговой сварке обычно составляет 1-5 мм. Свойства сварного соединения определяются как свойствами металла шва, так и изменившимися свойствами основного металла, расположенного в зоне термического влияния. Нагрев и охлаждение металла в околошовных участках отличаются от обычной термообработки металлов и сплавов кратковременностью теплового воздействия и нагревом металла до высоких температур вплоть до температуры плавления. Такая своеобразная термическая обработка при сварке вызывает различные структурные и химические изменения металлов и сплавов, оказывая серьезное влияние на свойства металла в околошовных участках. Следовательно, изменение структуры в участках зоны термического влияния приводит в большинстве случаев к ухудшению механических свойств металла и может явиться причиной его последующего быстрого разрушения [2]. Определение механических свойств зон сварных соединений металлов является очень сложным процессом. Анализ деформативных и прочностных свойств конструкционных материалов подтверждает четко выраженную взаимосвязь в системе: химический состав - структура - физико-механические свойства (рис. 1).
Оценка механических свойств зон сварного соединения по твердости является более предпочтительной, чем механические испытания на растяжение, поскольку испытания на растяжение требуют дорогостоящего оборудования и больших затрат времени. Между твердостью пластичных металлов, определяемой способом вдавливания, и другими механическими свойствами (главным образом, временным сопротивлением) существует количественная зависимость. Величина твердости характеризует временное сопротивление металлов, получающих в испытаниях на растяжение сосредоточеннуюплас-тическую деформацию (шейку). Твердость - это характеристика материала, отражающая его пластичность и прочность, его способность сопротивляться
Рис. 1. Механизмы деформации
МАШИНОСТРОЕНИЕ 153
пластической деформации. Твердость и предел текучести в какой-то мере сравнимые характеристики: обычно при увеличении одной из них увеличивается и другая. Твердость связана четкой корреляционной зависимостью с модулем Юнга.
Среди обычных методов механических испытаний есть распространенные методы измерения твердости, но они не пригодны для измерения твердости по зонам сварного соединения. Более пригодным для этих целей является измерение микротвердости. Измерение микротвердости относится к микромеханическим методам, которые были разработаны для металлографических исследований свойств отдельных структурных составляющих сплавов. В приборе для измерения микротвердости металлографический шлиф, предварительно протравленный для выявления структуры, исследуется под микроскопом, выбирается место для исследования, к этому месту подводится алмазный индентор, прикладывается нагрузка, после чего нагрузка снимается, шлиф возвращается в поле зрения объектива микроскопа и проводится измерение отпечатка. В микромасштабе сложно измерять глубину вдавливания индентора, легче измерить размеры отпечатка в плоскости шлифа. Если индентор имеет форму шарика, конуса или пирамиды, то по диаметру или диагонали отпечатка можно вычислить его глубину и определить твердость, как это делается при макромеханических испытаниях. Этот метод стандартизирован, широко используется, но тоже имеет свои ограничения. В настоящее время начинает применяться метод кинетического индентирования. Точнее, это комплекс методов микромеханических испытаний, позволяющих определять не только твердость, но и еще несколько десятков механических и функциональных характеристик материалов в микро- и наношкале. Оно реализуется путем приложения микронагрузки к специально аттестованному алмазному зонду и прецизионного измерения деформации материала с разрешением порядка 1 нм. Способы представления данных, полученных методом нормального кинетического индентирования, показаны на рис. 2. Рядом авторов предлагались различные методы обработки Р-А-диаграмм с целью корректного извлечения величин Е к Н. Однако все они имели ограниченную область применения (по диапазону испытываемых материалов, величине нагрузки, форме индентора и др.). В итоге мировое материаловедческое сообщество признало наиболее универсальной и удобной для индентирования пирамидальными инденторами методику Оливсра-Фарра (МОФ) [1].
В данной работе используется уникальное оборудование — динамический ультрамикротвердомер DUH-211S (Dynamic UltraMicroHardness TesterDUH-211S) фирмы Shimadzu (Япония). Благодаря широкому диапазону используемых при тестировании нагрузок (от 0,1 до 1960 мН), возможности варьирования скорости на-гружения и представительному арсеналу используемых при исследовании индентеров (Берковича, Викерса, Кнуппа), динамический микротвердомер позволяет оценивать микротвердость тонких слоев, в том числе и мягких материалов. Более того, DUH-211S дает возможность регистрировать поведение образца в процессе нагружения и разгружения.
С помощью этих методов получены сведения о микромеханизмах деформации в микроконтактах в различных зонах сварных соединений конструкционных материалов. Полученные данные позволили количественно определить долю деформации, реализующуюся по тому или иному механизму. Они также явились вкладом в изучение твердости металлов при различных условиях микроконтактного взаимодействия и имеют важное значение для углубления понимания природы приповерхностной прочности металлов, их пластичности, стойкости к износу и многого другого.
Работа выполнена в рамках АВЦП "РНП", проект № 2.1.2/11393 «Исследование нано- и микромеханизмов разрушения сварных соединений при совместном действии двухчастотного нагружения и низкой температуры».
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Головин Ю.И., Тюрин А.П. Микро- и наноконтактное взаимодействие твердых тел // Природа. 2003. № 4. С. 42-45.
2. Чепрасов Д.П. Металловедение сварки и термическая обработка сварных соединений: уч. пособие / Алт. гос. тех. ун-т им. И.И. Ползунова. Барнаул, 2011. 108 с.
Рис. 2. Процесс кинетического индентирования и способ представления его данных
