CC BY
10УДК 539.4
Ю. М. Т е м и с, Х. Х. А з м е т о в, Д. С. Тимофеев
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ДЕФЕКТОВ ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКИ НА МАЛОЦИКЛОВУЮ УСТАЛОСТЬ НЕОДНОРОДНЫХ СТРУКТУР
Выполнено моделирование образования дефектов при диффузионной сварке. Методами математического моделирования показано, что дефекты в области сварки и их ориентация существенно влияют на циклическую долговечность соединения. Оценено влияние микроструктурной неоднородности материала на циклическую долговечность соединения, траекторию и скорость распространения трещины.
E-mail: jmt@newmail.ru
Ключевые слова: дефект, диффузионная сварка, циклическая долговечность, распространение трещины.
Диффузионная сварка — технологический процесс соединения как одинаковых, так и разнородных материалов без расплавления, причем получаемое соединение может обладать характеристиками до 95.. .99 % от соответствующих показателей исходного материала. Однако даже тщательно проведенная сварка не лишена дефектов. В зоне соединения из-за неправильного выбора или нанесения stop-off — вещества, препятствующего сварке отдельных областей заготовок, и образования хрупкого оксидного слоя могут образовываться непровары, сколы и микротрещины. Моделирование их формирования и влияния на характеристики соединения затруднительно, так как зависит от конкретных условий сварки. Поэтому рассмотрим наиболее распространенные дефекты — микропоры, образование которых связано с шероховатостью соединяемых поверхностей. К порам отнесем замкнутые полости (рис. 1, а, б) в зоне соединения, не содержащие оксидов и stop-off. За счет поверхностной диффузии материала при сварке они приобретают близкую к сферической форму и могут быть аппроксимированы сферическими полостями.
Модели закрытия пор. В первой модели принимаются во внимание лишь микропоры, и полагается, что их закрытие связано только с ползучестью и диффузией [1]:
/da\ /da\ ^ /da\
V dt / total V dt / creep \dt J diffusion
1 \ П ( + Pext
da
dta(t) =--№- ' (2)
dt J diffusion kla
Рис. 1. Вариант соединения путем диффузионной сварки:
а — отдельно расположенные поры; б — сгруппированные поры
^a(t)^ = -3Kia (2а0 Ь (a) + 2Y - Pint + Peat) . (3)
Здесь a(t) — средний радиус пор [см]; Dv — коэффициент диффузии [см/с]; T — температура [K]; k — постоянная Больцмана [Дж/K]; Pext и Pint — внешнее и внутреннее давления на стенки поры, соответственно [Па]; y — поверхностная энергия материала стенки поры [Дж/см2]; Q — объем вакансии [см3]; d — коэффициент диффузии [см2/с]; K1, ^о — константы материала [1/Па с, МПа]. В качестве начального условия для уравнения (1) используется средняя высота неровностей поверхности. В расчете (рис. 2) предполагалось, что рабочий газ установки попадает в поры, причем процесс закрытия пор полагался изотермическим.
а, см 0,018
0,014
0,01
0,006
1
\ Cr—0— \ \ 2а
0 4000 8000 t, с
Рис. 2. Изменение среднего радиуса микропоры
6
--О00000О---оОООООО---
п
Рис. 3. Модель протяженных пор:
а — модель контактирующих поверхностей; б — этапы схлопывания пор
Вторая модель учитывает как малые, так и существенные по протяженности неровности контактирующих поверхностей (рис. 3, а). На рис. 3, б представлены этапы схлопывания пор: I — первичный контакт и начало закрытия протяженных полостей; II — формирование групп микропор и их закрытие. В пользу этой модели говорят экспериментальные исследования соединений [1] (рис. 1, б).
Численное моделирование циклической долговечности соединения. Расчетная схема (рис. 5) моделировала цепочку пор. Ориентация цепочки пор (рис. 6) может варьироваться. Проведена численная оценка циклической долговечности цепочки пор с использованием модели малоцикловой усталости и технологии "умирающих элементов" [2-4]. Максимальные напряжения в зоне соединения действуют в радиальном направлении. К границе области в зависимости от направления цепочки пор (рис. 6) прикладывалось перемещение, соответствующего напряжению отнулевого цикла.
На рис. 7 для различной ориентации цепочек пор показаны расчетные усталостные диаграммы до начала развития трещины. Из результатов расчета видно, что при размахах деформаций более 0,5 % допус-
а, мкм 160 120 80 40
0 0,5 1,5 2,5 ч
Рис. 4. Изменение среднего радиуса поры
Рис. 5 Сетка конечных элементов
Рис. 6. Расчетная схема и результаты расчета для различной ориентации пор
РЧ
О. 75
0.70
O.Ö5
О. во
О. 55
0.50
О. 45
0.40
О. 35
О.ЗО
К \ V
\ N \
■ч. \ Y
ч
л. По Ра П € 1Р а еч ль на ■нг 1я орие 1я -орие +нта нта ци: ци; Ч \ v
N
\ \
1
100
lOOO
Рис. 7. Расчетная усталостная диаграмма цепочки пор до начала развития трещины
Рис. 8. Численный расчет развития трещины в структурированных образцах:
1 — микропоры, 2 — условные зерна, 3 — материал между зернами, 4 — трещина. а — жесткое условное зерно, б — жесткий материал между зернами
каемый ресурс циклической долговечности соединения до начала развития магистральной трещины составляет не более 2 000 циклов. При этом скорость развития трещины и ресурс соединения существенным образом зависят от взаимного положения микропор и протяженности их цепочки.
Приведенные выше результаты были получены в предположении однородности материала. Однако, размеры микропор сравнимы с размерами зерна металла, следовательно, микроструктура металла оказывает существенное влияние на развитие трещины. Поэтому были рассмотрены две принципиально различные структуры материала: в первом случае более жестким полагалось условное зерно (рис. 8, а), во втором — материал между зернами (рис. 8, б). Кривые деформирования в области пластичности для "жесткого" и "мягкого" материалов отличались на 3.. .5 %. В соответствующих численных экспериментах рассматривались структурированные образцы, к которым прикладывалась циклическая нагрузка, направленная перпендикулярно цепочке пор. Результаты расчетов приведены на рис. 8. Из результатов расчета видно, что микроструктура материала и ее характер оказывают существенное влияние на распространение трещины. Прямолинейное развитие трещины становится невозможным в образце, обладающем микроструктурой. Тот факт, что трещина в своем развитии должна преодолевать препятствия, в зависимости от характера структуры, в виде условных зерен или же материала между ними, позволяет предположить, что ее распространение будет затруднено по сравнению с трещиной в однородном материале.
Вычислительные эксперименты, призванные проверить данное предположение, проводились на одной и той же сетке конечных элементов как для образцов, обладающих неоднородной структурой, так и для однородных образцов. В качестве материала однородного образца были поочередно выбраны "жесткий" и "мягкий" материалы.
Рис. 9. Расчетная усталостная диаграмма цепочки пор в неоднородной (■ — "жесткое"; ▲ — "мягкое" зерно) и однородной (Н — "жесткий"; А — "мягкий" материал) структурах при отнулевом цикле с максимальной деформацией
Моделирование частично подтвердило выдвинутое предположение: распространение трещины затруднено в образце, обладающем неоднородной структурой, но лишь по сравнению с однородным образцом из "мягкого" материала; образец из "жесткого" материала показал более высокую циклическую долговечность (рис. 9). Характер развития магистральных трещин от инициирующих их микропор показан на рис. 8. Следует отметить, что в образце с "жесткими" зернами трещина развивается в межзеренном пространстве. В образце с "мягкими" зернами трещина развивается как в зернах, так и в межзеренной области.
Выводы. Выполнено моделирование образования дефектов при диффузионной сварке. Методами математического моделирования показано, что дефекты в области сварки и их ориентация существенно влияют на циклическую долговечность соединения. Оценено влияние микроструктурной неоднородности материала на циклическую долговечность соединения, траекторию и скорость распространения трещины. Результаты моделирования могут стать основой для настройки диагностического оборудования по оценке качества и ресурса готовых изделий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Garmong G., Paton N. E., Argon A. S. Attainment of Full Interfacial Contact During Diffusion Bonding // Metallurgical Transactions. 1975. V. 6, No. 6. P. 1269-1279.
2. Т е м и с Ю. М. Пластичность и ползучесть в инженерных расчетах // Аналитические и численные методы в решении граничных задач пластичности и вязкоупругости. Свердловск: АН СССР, 1986. С. 100-106.
3. Т е м и с Ю. М. Моделирование процессов неизотермического упругопласти-ческого деформирования в деталях энергосиловых установок / В кн.: Машиностроение. Энциклопедия. Ред. совет: К.В. Фролов (пред.) и др. — Динамика и прочность машин. Теория Механизмов и машин. Т. 1-3 в 2-х книгах. Кн.1. Под общ. ред. К.С. Колесникова. М.: Машиностроение, 1994. С. 263-268.
4. Temis J. M., Azmetov Kh. Kh., Zuzina V. M. Low-Cycle Fatigue Simulation and Life-Time Prediction of High Stressed Structures // Solid State Phenomena. 2009. Vols. 147-149. P. 333-338.
Статья поступила в редакцию 27.07.2012
