CC BY
33
ОЦЕНКА ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ПРОЧНОСТИ СОЕДИНЕНИЯ МЕТАЛЛОВ НА ЭТАПЕ СХВАТЫВАНИЯ ПРИ СВАРКЕ
ДАВЛЕНИЕМ Латыпова Гюльнара Рашитовна, старший преподаватель (e-mail: latipov46@mail.ru) Латыпов Рашит Абдулхакович, д.т.н., профессор
(e-mail: latipov46@mail.ru) Московский государственный машиностроительный университет, г.Москва, Россия Булычев Всеволод Валериевич, д.т.н., профессор, (e-mail: k4kf1@rambler.ru) Калужский филиал МГТУ им. Н.Э. Баумана, г.Калуга, Россия Агеев Евгений Викторович, д.т.н., профессор (e-mail: ageev_ev@mail.ru) Юго-Западный государственный университет, г.Курск, Россия
Рассмотрены энергетические условия активации поверхностей соединяемых сваркой давлением металлов, образования активных центров, обоснован механизм увеличения плотности активных центров в условиях термического разупрочнения соединяемых металлов. Получены математические зависимости для расчетной оценки размеров активных центров и их площади, а также относительной прочности получаемого сварного соединения на стадии схватывания.
Ключевые слова: сварка давлением, прочность соединения, относительная прочность, модель.
В работах [1-4] показано, что в процессе образования соединения без расплавления соединяемых материалов можно выделить три основные стадии: образование физического контакта, активация контактных поверхностей и объемное развитие взаимодействия.
Физический контакт образуется в результате сближения соединяемых материалов на расстояние, соответствующее расстоянию между частицами при физическом взаимодействии, обусловленном силами Ван-дер-Ваальса, или на расстояние, при котором возникает слабое химическое взаимодействие.
Активация контактных поверхностей сводится к тому, чтобы создать на этих поверхностях такие условия, при которых энергетическое состояние атомов соединяемых материалов в зоне контактирования достигло уровня, который необходим для разрыва старых и образования новых химических связей. Согласно активация контактных поверхностей происходит в результате выхода свежих дислокаций на соединяемые поверхности и образования в этих зонах активных центров взаимодействия. Авторы работы [3,4] под активными центрами твердофазного взаимодействия понимают более широкий спектр дефектов: дислокации с полем упругих искажений,
вакансии, примесные атомы и др., при этом указывается на важность и эффективность термического (температурного) канала активации.
Третья стадия состоит в развитии взаимодействия как в плоскости контакта (схватывание металлов), так и в объеме зоны контакта. Стадия объемного взаимодействия происходит в результате релаксации упругого поля искажений (в той степени, которая необходима для сохранения образовавшихся связей) и протекания процессов гетеродиффузии.
Следует отметить, что в настоящее время вопросы активации поверхностей соединяемых металлов и формирования активных центров является теоретически малоизученными. В частности, остается открытым вопрос влияния абсолютных величин и соотношений термического и механического видов энергии на размеры образующихся активных центров.
В основу разработанной модели [5-9] схватывания металлов при сварке давлением положены энергетическая и дислокационная гипотезы образования соединения металлов.
Следуя работе [10] приняли также следующие допущения и упрощения:
- в качестве дефекта кристаллической решетки, приводящей к образованию активного центра, рассматривали только краевую дислокацию;
- поле упругих искажений вокруг вышедшей на поверхность дислокации характеризуется осевой симметрией;
- для образования активного центра достаточно выхода дислокации на одну из контактирующих металлических поверхностей;
- скорость валентного межатомного взаимодействия между возбужденными атомами не учитывали, т.е. полагали, что процесс схватывания происходит мгновенно;
- образованные химические связи между поверхностными атомами в дальнейшем не разрушаются.
Учитывая результаты исследований, выполненных в работах [7-8], приняли допущение о эквивалентности термического и механического видов этих видов энергии, что позволяет рассматривать общую энергию активации, как их сумму.
При определении подходов к расчетной оценке энергии активации приняли внимание, что с увеличением температуры нагрева роль пластической деформации в образовании сварного соединения снижается [6,7]. В связи с этим приняли допущение, что при достижении температуры плавления механический канал активации не требуется. Тогда энергия активации может быть определена через температуру плавления соединяемых металлов.
В качестве оценки прочности получаемого соединения приняли относительную прочность т в виде
Т = Ра*. (1)
где - плотность активных центров, ^ - средняя площадь одного активного центра.
Из вышеизложенного следует, что образование химических связей между металлами происходит в некоторой окрестности активного центра с
и > ЕЕ
уровнем энергии а , где а - энергия активации образования сварно-
и = Е
го соединения [10]. Значению а соответствует окружность с услов-
ным радиусом ^и, образующая очаг схватывания. Тогда
5 = лНЦ} . (2)
На основании принятого допущения об эквивалентности термического и механического видов энергии являются эквивалентными. Тогда энергия атомов кристаллической решетки вблизи дефекта может быть разложена на три составляющие (рис. 1):
и = и д + ит + и м, (3)
где ид - энергия упругого поля дефекта кристаллической решетки;
ит - тепловая энергия; им - механическая энергия упругого сжатия соединяемых объемов металла сварочным усилием.
Оценку величины ид, создаваемой краевой дислокаций, выполнили воспользовавшись моделью Пайерлса-Набарро [13]. После ряда преобразований получили выражение
ид =
'оь3 V
ч 8л~2 а )
1 - ооб
ж + 2arctg
2г (1 -)
а
л л
)))
(4)
где 0 - модуль сдвига, ь - вектор Бюргерса; а - межатомное расстояние, у - коэффициент Пуассона.
и
Рис.1 Схема распределения энергетических полей вокруг дефекта
кристаллической решетки [6]
Тепловую составляющую энергии сварки ит определили как
ит = кТ
где к - постоянная Больцмана; т - температура.
Механическую энергию Uм упругого сжатия свариваемых поверхностей определили на основании закона Гука
U м =
3 2
a' Рсв 2 E
(6)
где Рсв - давление сварки, E - модуль упругости.
Подставив (4), (5) и (6) в (3), получили
U =
Г Gb3 V
у 8ж2а у
1 - cos
ж + 2arctg
2r (1 -ß)
a
w
+ kT +
3 2
a3 pce
2 E
(7)
На основании принципа эквивалентности теплового и механического
видов энергии можно записать, что энергия активации
E = ^
а 111 пл
тп
E„
составляет
(8)
где пл - температура плавления.
Приравняв правые части (7) и (8), после преобразований получили зна-
г = Я
чение радиуса активного центра
г \
Ru =
a
2(1 -м)
tg
0,5arccos
4ж2 (k (T - T)) -1
Gb3
С учетом (2) и (9) площадь активного центра составит
4ж2 (k(T - T)) ^
Gb3 1
(9)
s = ж
a
2 (1 -м)
tg2
0,5arccos
(10)
Выполним количественную оценку величины
Du = 2 RU
для сварки
77 _ л i г\5
давлением железа при a — 0,28 нм, модуле упругости E — 2,17'10 МПа и G — о 89• 105
модуле сдвига ' МПа. Учитывали примерно 2-х кратное сни-
жение модулей упругости и сдвига при нагреве железа до температуры плавления и аппроксимировали его линейной зависимостью. Расчеты показали, что энергия активации, рассчитанная по уравнению (8), составила
E ~ и
a ~ 0,15 эВ. Оценка м по зависимости (6) дала весьма малые значения
3
(~10° эВ), что указывает на преобладающую роль в активации поверхностей дислокаций с энергией ядер порядка 0,1Qd [13-17], т. е. более 0,3...0,5 эВ.
С повышением температуры T и вектора Бюргерса b площадь очагов
s ~10
-13
схватывания возрастает и достигает ° см . Такие значения совпада-
ют с оценочными величинами площадей ^, приведенными в работе [10]. Как показано ранее, для теоретической оценки относительной прочности
т соединения металлов, получаемого без их расплавления, необходимо
рассчитать плотность активных центров Ра. По Зегеру главный вклад в упрочнение металлов вносят дальнодействующие упругие взаимодействия скользящих дислокаций с застрявшими дислокациями первичной системы скольжения. Вследствие слабой температурной зависимости упругих констант вклад в упрочнение процессов упругого взаимодействия также мало зависит от температуры [18]. Сказанное указывает на однозначную связь между плотностью дислокаций и напряжением деформирования независимо от конкретной температуры деформации. Известно, что повышение
плотности дислокаций Р в металлах приводит к повышению напряжений
Тт
их деформирования т [14,15, 19, 20]
Тт -Т0 = ЛЬОГр
(11)
где Т° _ напряжение, необходимое для продвижения дислокации через
решетку при отсутствии других дислокаций; равная 0,3...0,6.
Тт >> Т0
• А _
численная константа,
Полагая т >> 0 , выражение (11) представили в виде
Тт = МО^ . В то же время, на основании критерия Треска
Тт 0,5®т
(12) (13)
где т - предел текучести.
Для расчетной оценки влияния температуры Т на предел текучести воспользовались зависимостью [12]
т ит,0
1 -Т
Т
V пл у
(14)
т,0
где - предел текучести при 0 Подставив (14) в (13) получили
Тт = 0,5о"т,0
Т0 = 20 °С
1 - Т
Т
V пл у
(15)
Приравнивая правые части выражений (12) и (15) после преобразований получим зависимость плотности дислокаций Р от температуры пластического деформирования Т
Р =
ч2/
т,0
V АЬО у
Т
1 -
Т
V пл у
(16)
В начальный момент времени деформирования плотность активных центров равна плотности дислокаций Ра = Р . После образования очагов схватывания соответствующие дислокации в поверхностном слое металла ан-
нигилируются. Термически активируемое переползание дислокаций способствует их аннигиляции и в объеме деформируемого металла [14, 18,19, 21, 22]. В то же время, для развития пластического деформирования привариваемого металла необходимо образование новых дислокаций. Таким образом, в течение термомеханического цикла сварки осуществляется многократная перестройка дислокационных полей свариваемых металлов. В результате перестроек дислокационных полей в процессе деформирования на свободные поверхности соединяемых металлов выходят новые дислокации, приводящие к образованию новых активных центров. Таким образом, из-за пластического деформирования металла плотность активных центров оказывается большей, чем плотность дислокаций. На основании вышеизложенного, учет величины деформирования соединяемых металлов
на плотность активных центров выполнили посредством суммирования количества образующихся активных центров на каждом элементарном
этапе осаживания ^. В итоге, после ряда преобразований получили зависимость для расчета плотности активных центров
Р. =
Nf ^ V ( T А6
¿=1
V AbG J
1--iT
V пл J
Щ
, (17)
где В - поправочный коэффициент, учитывающий погрешности схематизации принятой модели изменения , N = количество элементарных
Л 1 Т1
циклов осадки металла на величину ' при температуре '.
Значения относительной прочности, рассчитанные по зависимости (1) и с использованием выражений (10) и (17), были использованы для выявления общих закономерностей механизма образования соединения металлов при сварке давлением на стадии схватывания. На рисунке 2 представлены качественные зависимости плотности активных центров, средней площади активного центра и относительной прочности соединения от температуры сварки при постоянном давлении. В общем случае кривая зависимости относительной прочности от температуры состоит из 3-х характерных участков.
Область 1 характеризуется интенсивным приростом относительной прочности, обеспечивающимся в основном за счет роста плотности активных центров при мало меняющихся размерах очагов схватывания. В области 2 интенсивность прироста несколько ниже за счет уменьшения интенсивности образования активных центров. В области 3 интенсивность прироста относительной прочности снова возрастает за счет интенсивного увеличения размеров очагов схватывания при мало меняющейся плотности активных центров. Полученная зависимость показывает, что с повышением температур для достижения 1 =1 требуется меньшая плотность активных центров и, соответственно, меньшая степень пластической деформации соединяемых металлов.
Т ' Ра Т= 1
Ра^
s Т
/ I II III
Т
Рис. 2. Зависимости плотности Ра активных центров, средней площади s активного центра и относительной прочности Т от температуры Т
Выводы
1. На основании допущения об эквивалентности механического и термического видов энергий получены математические зависимости, позволяющие выполнить расчетную оценку энергии активации сварки давлением и размеров активных центров.
2. Обоснован механизм роста плотности активных центров при увеличении степени пластического деформирования вследствие температурного разупрочнения соединяемых металлов из-за многократной перестройки дислокационных полей.
3. На основе вскрытых закономерностей изменения размеров и плотности активных центров получена обобщенная кривая зависимости относительной прочности от температуры сварки.
Список литературы
1. Красулин Ю.Л. Дислокации как основные центры в топохимических реакциях // Теоретическая и экспериментальная химия, АН УССР. 1967. Т. III. Вып. 1. С. 58.
2. Красулин Ю.Л. Взаимодействие металла с полупроводником в твердой фазе. М.: Наука, 1971. 119 с.
3. Молчанов Б. А. Исследование закономерностей контактной пластической деформации и кинетики процесса образования твёрдофазного соединения разнородных металлов. Автореф. дис. на соиск. ... канд. техн. наук. М., 1974. 25 с.
4. Мазур А.И., Алехин В.П., Шоршоров М.Х. Процессы сварки и пайки в производстве полупроводниковых приборов. М.: Радио и связь, 1981. 224 с.
5. Булычев В.В., Латыпов Р. А. К вопросу о формировании соединения при электроконтактной приварке // Международный технико-экономический журнал. 2010. №5. С.59-65.
6. Латыпов Р.А., Булычев В.В., Молчанов Б.А. Энергетическая оценка прочности соединения металлов при электроконтактной приварке //Теоретические исследования металлургических процессов. М.: МГВМИ, 2011. С. 67-96.
7. Булычев В.В.Латыпов Р.А. Формирование очагов схватывания однородных металлов при электроконтактной приварке // Сварочное производство, 2012, №5, С. №3035.
8. Латыпов Р.А., Булычев В.В. Расчетная оценка энергетических условий схватывания при электроконтактной приварке // Технология металлов. 2011. №1. С.32-36.
9. Латыпов Р.А., Булычев В.В. Энергетическое обоснование критических размеров очагов схватывания при электроконтактной приварке // Технологии ремонта, восста-
новления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня: Материалы 12-й международной научно-практической конференции. СПб., 2010. С.141-148.
10. Каракозов Э.С. Сварка металлов давлением. М.: Машиностроение, 1986. 275 с.
11. Гельман А.С. Основы сварки давлением. М.: Машиностроение, 1970. 312 с.
12. Кочергин К. А. Контактная сварка. Л.: Машиностроение, 1987. 240 с.
13. Ван Бюрен. Дефекты в кристаллах. М.: Изд-во иностранной литературы, 1962. 584 с.
14. Коттрелл А. Дислокации и пластическое течение в кристаллах. М.: Государственное научно-техническое издательство литературы по черной и цветной металлургии, 1958. 268 с.
15. Коттрел А. Теория дислокаций. М.: Мир, 1969. 96 с.
16. Физика кристаллов с дефектами / А. А. Предводителев [и др.]. М.: Изд-во МГУ, 1986. 240 с.
17. Шульце Г. Металлофизика. М.: Мир,1971. 503 с.
18. Бернен Р., Кронмюллер Г. Пластическая деформация монокристаллов. М.: Мир,1969. 272 с.
19. Бернштейн М.Л. Структура деформированных металлов. М.: Металлургия, 1977. 432 с.
20. Физика кристаллов с дефектами / А. А. Предводителев [и др.]. М.: Изд-во МГУ, 1986. 240 с.
21. Хоникомб Р. Пластическая деформация металлов. М.: Мир, 1972. 406 с.
23. Штремель М.А. Прочность сплавов. Деформация. М.: МИСИС, 1997. 527 с.
21. Латыпов РА., Латыпова Г. Р., Булычев В. В. Исследование деформирования и проскальзывания проволоки при ее электроконтактной приварке к цилиндрическим поверхностям // Современные материалы и технологии, 2015, №1, с. 127-134.
22. Восстановление и упрочнение деталей автотракторной техники порошками, полученными электроэрозионным диспергированием отходов твердых сплавов/ Агеев Е.В., Латыпов Р.А.// Международный научный журнал. 2011. № 5. С. 103-106.
23. A 'three-increase model' for the origin of the marginal reversal of the koitelainen layered intrusion, Finland/ Latypov R., Hanski E., Havela T., Lavrenchuk A., Huhma H.// Journal of Petrology. 2011. Т. 52. № 4. С. 733-764.
24. Метод получения наноструктурных порошков на основе системы WC-СО и устройство для его осуществления/ Агеев Е.В., Семенихин Б.А., Латыпов Р.А.//Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2010. № 5. С. 39-42.
25. Исследование микротвердости порошков, полученных электроэрозионным диспергированием твердого сплава/ Агеев Е.В., Семенихин Б.А., Латыпов Р.А.// Вестник Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина. 2011.№ 1 (46). С. 78-80.
26. Перспективный метод переработки отходов спеченных твердых сплавов/ Агеев Е.В., Семенихин Б.А., Латыпов Р.А.// В сборнике: Экономика природопользования и природоохраны Сборник статей XII Международной научно-практической конференции. под редакцией В.В. Арбузова. 2009. С. 58-62.
27. Получение и исследование порошков из отходов вольфрамсодержащих твердых сплавов электроэрозионным диспергированием/ Агеев Е.В., Латыпов Р.А., Агеева Е.В., Давыдов А. А.// Курск, 2013.
28. On the development of internal chemical zonation in small mafic dykes/ Chistyakova S., Latypov R.// Geological Magazine. 2010. Т. 147. № 1. С. 1-12.
29. Fine-scale chemical zonation in small mafic dykes, kestio island, SW Finland/ Chis-tyakova S., Latypov R.// Geological Magazine. 2009. Т. 146. № 4. С. 485-496.
30. Получение и исследование заготовок твердого сплава из порошков, полученных электроэрозионным диспергированием вольфрамсодержащих отходов/ Агеев Е.В., Латыпов Р.А.// Известия высших учебных заведений. Цветная металлургия. 2014. № 5. С.
50-53.
31. Исследование свойств электроэрозионных порошков и твердого сплава, полученного из них изостатическим прессованием и спеканием/ Агеев Е.В., Латыпов Р.А., Агеева Е.В.// Известия высших учебных заведений. Цветная металлургия. 2014. № 6. С.
51-55.
32. Оценка эффективности применения твердосплавных порошков, полученных электроэрозионным диспергированием отходов твердых сплавов, при восстановлении и упрочнении деталей композиционными гальваническими покрытиями/ Агеев Е.В., Се-менихин Б.А., Агеева Е.В., Латыпов Р.А.// Упрочняющие технологии и покрытия. 2011. № 9. С. 14-16.
33. Конструкционные материалы, используемые в машиностроении/ Агеева Е.В., Горохов А.А.// Учебное пособие для студентов вузов / Курск, 2014.
Latypova Gulnara Rashitovna, senior lecturer (e-mail: latipov46@mail.ru)
Moscow state engineering University, Moscow, Russia
Latypov Rashit Abdulhakovich, doctor of technical Sciences, Professor
(e-mail: latipov46@mail.ru)
Moscow state engineering University, Moscow, Russia
Bulychev Vsevolod Valerievich, doctor of technical Sciences, Professor,
(e-mail: k4kf1@rambler.ru)
Kaluga branch of MSTU. N. Uh. Bauman, Kaluga, Russia Ageev Evgeny Viktorovich, doctor of technical Sciences, Professor (e-mail: ageev ev@mail.ru) South-West state University, Kursk, Russia
THE ASSESSMENT OF THE RELATIVE STRENGTH OF WELDED JOINTS AT THE STAGE OF SETTING DURING PRESSURE WELDING
Abstract: Considered energy the activation conditions of the surfaces joined by pressure welding of metals and the formation of active centers, as well as the mechanism of the increased density of active centers under conditions of thermal softening of the connected metals. Mathematical dependences for calculating the size of the active centers and their area, as well as the relative strength of the resulting welded joint at the seizure stage. Key words: pressure welding, the joint strength, the relative strength model.
