CC BY
54
УДК 621.791
Е.А. Кривоносова E.A. Krivonosova
Пермский национальный исследовательский политехнический университет Perm National Research Politechnic University
ОЦЕНКА РАЗМЕРОВ ЗОНЫ ПОВЫШЕННОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ ПРИ УСТАЛОСТНОМ РАЗРУШЕНИИ МЕТАЛЛА СВАРНОГО ШВА
DIMENSION OF HIGHT DEFORMAITION ZONE ON THE FATIGUE DESTRUCTION OF WELDED JOINTS
Приведены результаты исследования изменения микротвердости, совмещенные с динамикой роста трещины при усталостном разрушении металла сварных швов. Подтверждена неравномерность распределения зон упрочнения и разупрочнения по мере продвижения усталостной трещины по металлу сварного шва, а также оценен размер зоны повышенной пластической деформации в вершине усталостной трещины.
Ключевые слова: сварные швы, усталость, микротвердость, трещины, ферритная и перлитная фаза.
Results of research the changing of microhardness according to dynamics of cut grooves on the fatigue destruction of welded joints. Nongomogeniusly in deformaition distribution of cut grooves are obtain. Dimension of Hight deformaition zone in head of cut on the fatigue destruction of welded joints.
Keywords: welded joints, fatigue destruction, microhardness, cut, ferritic phase and pearlite
phase.
Проблема усталости металла сварных швов остается важным аспектом прочности материалов в связи с задачей повышения долговечности и надежности конструкций, работающих под действием различных видов циклических нагрузок [1-5].
Поскольку процесс усталости во всей массе металла сварного шва протекает неоднородно, большое значение имеет применение методов оценки процессов, происходящих в локальных обьемах металла. Для оценки размеров зоны повышенной пластической деформации при усталостном разрушении металла сварного шва был применен метод микротвердости. Результаты измерения микротвердости, совмещенные с динамикой роста трещины, позволили установить неравномерность распределения зон упрочнения и разупрочнения по мере продвижения трещины по металлу сварного шва.
Сварные швы выполнялись электродами типа Э46 в канавку на полосах стали 3 толщиной 6 мм за один проход. Для исследований из металла сварных швов изготавливали образцы Шарпи (ГОСТ 9454-78, тип 14). Вид концентратора - У-образный, длина 55 мм, ширина 2,5±0,05 мм, высота 8±0,01 мм. Надрез ориентировали таким образом, чтобы трещина прошла через шов параллельно направлению сварки. Метод реализовался на приборе ПМТ-3 следующим способом. Образцы фиксировались в оправке в положении, показанном на рис. 1. На кромку разрушения образцов на расстоянии 0,1 мм от края излома наносилась серии наколов с шагом 0,1 мм по длине трещины и с шагом 0,05 мм перпендикулярно трещине. Линии замеров микротвердости содержали 40-50 наколов, нагрузка - 5 г.
Рис. 1. Схема расположения линий замеров микротвердости на кромке усталостного излома образцов металла шва
Результаты измерения микротвердости, совмещенные с динамикой роста трещины для швов, выполненных несколькими однотипными электродами, представлены на рис. 2 и 3. Для каждой из зависимостей характерно, что интервалы ускоренного роста трещины совпадают с зоной повышенной микротвердости. Если для материала основы характерно среднее значение микротвердости ферритной фазы 820-850 МПа и перлитной 930-980 МПа, то в зоне распространения усталостной трещины наблюдается упрочнение до 900-950 и 1050-1200 МПа соответственно.
Характерно, что для металла шва всех электродов наблюдается упрочнение в начальной стадии роста трещины, повышение твердости в моменты ускоренного роста трещины и снижение твердости в заключительный период разрушения. Эффект упрочнения в начальный период обьясняется наличием зоны пластической деформации у вершины усталостной трещины. С увеличением скорости роста трещины возрастает и степень пластической деформации в вершине, что вызывает дополнительное упрочнение. Это наблюдение хорошо согласуется с данными работ В.С. Ивановой, в которых показано,
что при низких напряжениях величина твердости монотонно возрастает и разрушение образца происходит при максимуме твердости. При более высоких напряжениях твердость вначале возрастает, а после стадии насыщения несколько снижается. Этот вывод сделан только для некоторых отожженных металлов.
а
Нц, МПа
И, циклов б
Рис. 2. Изменение микротвердости металла сварного шва электродов 1 (а) и 2 (б) в процессе испытания на усталость: 1 - микротвердость Нц (локальные значения - серый цвет и среднее значение - черный цвет); 2 - длина
трещины Ь
Разупрочнение на последнем этапе испытаний для нашего случая нагружения может быть обьяснено тем, что при уменьшении рабочего сечения образца схема изгиба, выполняющаяся в начале испытания, нарушается, деформирование становится возможным в нескольких направлениях и эффект сосредоточенности деформации исчезает. Снижается степень деформации в зоне, близкой к вершине трещины, о чем в итоге свидетельствует пониженное значение микротвердости.
Измерение микротвердости в направлении, перпендикулярном линии излома, позволило оценить глубину зоны повышенной пластической деформации вблизи усталостной трещины. Замеры проводились на двух уровнях:
- на расстоянии 2 мм от вершины надреза, соответствующем начальному интервалу распростренения трещины;
- на расстоянии 4 мм от вершины надреза, соответствующем интервалу ускоренного роста трещины.
Рис. 3. Изменение микротвердости металла сварного шва электрода 3 (а) и ОК-46 (б) в процессе испытания на усталость: 1 - микротвердость Нц;
2 - длина трещины Ь
На рис. 4 представлены результаты измерения микротвердости для этих двух линий замеров. Замеры микротвердости сгруппированы отдельно для
ферритной и перлитной фаз. Анализ полученных зависимостей свидетельствует о том, что в начальный момент распространения трещины зона повышенной пластической деформации невелика, ее протяженность составляет 0,07-0,10 мм в направлении, перпендикулярном трещине. По мере развития трещины зона повышенной деформации увеличивается в размерах и достигает 0,10-0,25 мм.
Расстояние перпендикулярно линии излома, мм
0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0
___________________________________________ Нр МПа
500
2-я линия замера (4 мм от вершины надреза)
--------------------------------------------------------------------------------------1
1500
1350 1-я линия замера
1200 (2 мм от вершины
надреза)
1050
900
750
1_______
Надрез
______________________________________/
Рис. 4. Изменение микротвердости металла сварного шва в направлении, перпендикулярном линии излома: 1 - микротвердость Нц перлитной фазы; 2 - микротвердость Нц ферритной фазы
Форма зоны повышенной пластической деформации непосредственно в ходе развития трещины довольна сложная, даже если рассматривать ее вариант для плоского напряженного состояния. Исследования С. Коцаньда [4], а также расчетные данные Дж. Ирвина [6] о радиусе зоны пластической деформации для плоского напряженного состояния дают значения гпо от 0,04 мм до
0,30 мм в зависимости от коэффициента интенсивности напряжений.
Размеры зоны повышенной пластической деформации в наших исследованиях по методу микротвердости достаточно близки к результатам работ Дж. Ирвина, хотя, различие весьма ожидаемо, поскольку расчетных данные получены для момента роста трещины (т.е. до разрушения образца), а наши измерения сделаны после разрушения, и, очевидно, имели место некоторые процессы релаксации. Тем не менее достаточная сравнимость результатов этих
работ с нашими экспериментальными измерениями свидетельствует о надежности оценки размеров зоны повышенной пластической деформации по методу микротвердости.
Таким образом, результаты изменения микротвердости, совмещенные с динамикой роста трещины, позволили установить неравномерность распределения зон упрочнения и разупрочнения по мере продвижения усталостной трещины по металлу сварного шва, а также оценить размер зоны повышенной пластической деформации в вершине усталостной трещины.
Список литературы
1. Терентьев В.Ф. Усталостная прочность металлов и сплавов. - М.: Ин-термет Инжиниринг, 2002. - 288 с.
2. Иванова В.С., Терентьев В.Ф. Природа усталости металлов. - М.: Металлургия, 1975. - 456 с.
3. Механика разрушения и прочность материалов. Справочное пособие: в 4 т. Т. 4. Усталость и циклическая трещиностойкость конструкционных материалов. - Киев: Наукова думка, 1990. - 679 с.
4. Коцаньда С. Усталостное растрескивание металлов / под ред. С.Я. Яремы. - М.: Металлургия, 1990. - 623 с.
5. Petershagen H. The influence of undercut on the fatigue strength of welds - a literature survey // Weld. World. - 1990. - № 7-8. - C. 114-125.
6. Irwin G.R. Seventh Sagamor Ordnanace Material Conference, Syracuse University Research Institute. - 1960. - Vol. IV. - P. 63-79.
Получено 27.04.2012
