Напряженно-деформированное состояние при силовом и температурном нагружении узлов из разнородных сталей с мягкой прослойкой

С целью оптимизации процесса диффузионной сварки и пайки узлов из разнородных материалов с мягкими прослойками исследовано напряженно-деформированное состояние (НДС) при нагружении сжатием и изменением температуры. Соединяли материалы, которые имели отличающиеся термические коэффициенты линейного р...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2014
Автори:	Колесар, И.А., Ермолаев, Г.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2014
Назва видання:	Автоматическая сварка
Теми:	Кафедре сварочного производства 55 лет
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/103486
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Напряженно-деформированное состояние при силовом и температурном нагружении узлов из разнородных сталей с мягкой прослойкой / И.А. Колесар, Г.В. Ермолаев // Автоматическая сварка. — 2014. — № 8 (734). — С. 23-27. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-103486
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1034862016-06-20T13:02:01Z Напряженно-деформированное состояние при силовом и температурном нагружении узлов из разнородных сталей с мягкой прослойкой Колесар, И.А. Ермолаев, Г.В. Кафедре сварочного производства 55 лет С целью оптимизации процесса диффузионной сварки и пайки узлов из разнородных материалов с мягкими прослойками исследовано напряженно-деформированное состояние (НДС) при нагружении сжатием и изменением температуры. Соединяли материалы, которые имели отличающиеся термические коэффициенты линейного расширения (ТКЛР) и одинаковые модули упругости. Примером таких соединений могут быть соединения магнитных и немагнитных сталей, полученных с применением диффузионной сварки с мягкими прослойками или пайкой давлением с использованием припоев на основе меди с добавками кремния, марганца, бора. Достаточная прочность материалов в паяном узле сочетается с пластическим деформированием только прослойки. Изучены поля всех составляющих напряжений и деформаций, а также их эпюры в различных сечениях узлов. Анализ результатов моделирования показал, что касательные и эквивалентные напряжения в зоне стыка (на поверхности раздела), определяющие образование физического контакта и активацию процесса образования соединения при диффузионной сварке, при совместном нагружении узлов с мягкой прослойкой заметно увеличиваются в материале с большим ТКЛР при охлаждении и материале с меньшим ТКЛР при нагреве. При этом распределение пластических деформаций в прослойке более равномерно, т. е. термоциклирование под давлением способствует образованию физического контакта и активации процессов формирования соединения в таких узлах. 2014 Article Напряженно-деформированное состояние при силовом и температурном нагружении узлов из разнородных сталей с мягкой прослойкой / И.А. Колесар, Г.В. Ермолаев // Автоматическая сварка. — 2014. — № 8 (734). — С. 23-27. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/103486 621.791.4:539.378.3 ru Автоматическая сварка Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Кафедре сварочного производства 55 лет Кафедре сварочного производства 55 лет
spellingShingle	Кафедре сварочного производства 55 лет Кафедре сварочного производства 55 лет Колесар, И.А. Ермолаев, Г.В. Напряженно-деформированное состояние при силовом и температурном нагружении узлов из разнородных сталей с мягкой прослойкой Автоматическая сварка
description	С целью оптимизации процесса диффузионной сварки и пайки узлов из разнородных материалов с мягкими прослойками исследовано напряженно-деформированное состояние (НДС) при нагружении сжатием и изменением температуры. Соединяли материалы, которые имели отличающиеся термические коэффициенты линейного расширения (ТКЛР) и одинаковые модули упругости. Примером таких соединений могут быть соединения магнитных и немагнитных сталей, полученных с применением диффузионной сварки с мягкими прослойками или пайкой давлением с использованием припоев на основе меди с добавками кремния, марганца, бора. Достаточная прочность материалов в паяном узле сочетается с пластическим деформированием только прослойки. Изучены поля всех составляющих напряжений и деформаций, а также их эпюры в различных сечениях узлов. Анализ результатов моделирования показал, что касательные и эквивалентные напряжения в зоне стыка (на поверхности раздела), определяющие образование физического контакта и активацию процесса образования соединения при диффузионной сварке, при совместном нагружении узлов с мягкой прослойкой заметно увеличиваются в материале с большим ТКЛР при охлаждении и материале с меньшим ТКЛР при нагреве. При этом распределение пластических деформаций в прослойке более равномерно, т. е. термоциклирование под давлением способствует образованию физического контакта и активации процессов формирования соединения в таких узлах.
format	Article
author	Колесар, И.А. Ермолаев, Г.В.
author_facet	Колесар, И.А. Ермолаев, Г.В.
author_sort	Колесар, И.А.
title	Напряженно-деформированное состояние при силовом и температурном нагружении узлов из разнородных сталей с мягкой прослойкой
title_short	Напряженно-деформированное состояние при силовом и температурном нагружении узлов из разнородных сталей с мягкой прослойкой
title_full	Напряженно-деформированное состояние при силовом и температурном нагружении узлов из разнородных сталей с мягкой прослойкой
title_fullStr	Напряженно-деформированное состояние при силовом и температурном нагружении узлов из разнородных сталей с мягкой прослойкой
title_full_unstemmed	Напряженно-деформированное состояние при силовом и температурном нагружении узлов из разнородных сталей с мягкой прослойкой
title_sort	напряженно-деформированное состояние при силовом и температурном нагружении узлов из разнородных сталей с мягкой прослойкой
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate	2014
topic_facet	Кафедре сварочного производства 55 лет
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/103486
citation_txt	Напряженно-деформированное состояние при силовом и температурном нагружении узлов из разнородных сталей с мягкой прослойкой / И.А. Колесар, Г.В. Ермолаев // Автоматическая сварка. — 2014. — № 8 (734). — С. 23-27. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
series	Автоматическая сварка
work_keys_str_mv	AT kolesaria naprâžennodeformirovannoesostoânieprisilovomitemperaturnomnagruženiiuzlovizraznorodnyhstalejsmâgkojproslojkoj AT ermolaevgv naprâžennodeformirovannoesostoânieprisilovomitemperaturnomnagruženiiuzlovizraznorodnyhstalejsmâgkojproslojkoj
first_indexed	2025-07-07T13:55:32Z
last_indexed	2025-07-07T13:55:32Z
_version_	1836996659303677952
fulltext	238/2014 Кафедре сварочного производства 55 лет УДК 621.791.4:539.378.3 НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРИ СИЛОВОМ И ТЕМПЕРАТУРНОМ НАГРУЖЕНИИ УЗЛОВ ИЗ РАЗНОРОДНЫХ СТАЛЕЙ С МЯГКОЙ ПРОСЛОЙКОЙ И. А. КОЛЕСАР, Г. В. ЕРМОЛАЕВ Нац. ун-т кораблестроения им. Адмирала Макарова. 54025, г. Николаев, просп. Героев Сталинграда, 9. E-mail: welding@nuos.edu.ua С целью оптимизации процесса диффузионной сварки и пайки узлов из разнородных материалов с мягкими прослойка- ми исследовано напряженно-деформированное состояние (НДС) при нагружении сжатием и изменением температуры. Соединяли материалы, которые имели отличающиеся термические коэффициенты линейного расширения (ТКЛР) и одинаковые модули упругости. Примером таких соединений могут быть соединения магнитных и немагнитных сталей, полученных с применением диффузионной сварки с мягкими прослойками или пайкой давлением с использованием припоев на основе меди с добавками кремния, марганца, бора. Достаточная прочность материалов в паяном узле соче- тается с пластическим деформированием только прослойки. Изучены поля всех составляющих напряжений и дефор- маций, а также их эпюры в различных сечениях узлов. Анализ результатов моделирования показал, что касательные и эквивалентные напряжения в зоне стыка (на поверхности раздела), определяющие образование физического контакта и активацию процесса образования соединения при диффузионной сварке, при совместном нагружении узлов с мягкой прослойкой заметно увеличиваются в материале с большим ТКЛР при охлаждении и материале с меньшим ТКЛР при нагреве. При этом распределение пластических деформаций в прослойке более равномерно, т. е. термоциклирование под давлением способствует образованию физического контакта и активации процессов формирования соединения в таких узлах. Библиогр. 8, рис. 10. К л ю ч е в ы е с л о в а : диффузионная сварка, пайка, разнородные материалы, мягкие прослойки, моделирование НДС, температурное и силовое нагружение Диффузионная сварка (ДС) и пайка являются ос- новными способами соединения многих матери- алов, которые не подлежат сварке плавлением в связи с потерей структуры и свойств. Одной из важных проблем соединения разно- родных материалов этими методами является пла- стическая деформация и активация поверхности более прочного материала. Для решения суще- ствующих проблем применяют ДС с промежу- точными прокладками и с управляемым напря- женно-деформированным состоянием (НДС) [1]. В случае применения пайки промежуточной про- кладкой часто является сам припой, который мо- жет иметь разные физико-механические свойства (ФМС) как до пайки, так и после взаимодействия с основным материалом. В последние годы уделяется большое внима- ние исследованию НДС при ДС и пайке узлов из разнородных материалов [2–7], поэтому иссле- дование влияния соотношений прочности соеди- няемых материалов и прослойки на НДС узлов и установление общих закономерностей актуально. Цель настоящей работы – установление влия- ния низкой прочности материала промежуточных прокладок (прослоек) по сравнению с соединяе- мыми материалами (мягкие прослойки) и форми- рование НДС как в процессе ДС, так и при осты- вании после сварки и пайки. Исследования проводили методом компью- терного моделирования с использованием ли- цензионного программного комплекса ANSYS (10 версии). Решали осесимметричные задачи с использованием конечных элементов (КЭ) типа PLANE 182. Адекватность результатов моделиро- вания ранее проверена экспериментально [8]. Исследовали типы узлов, которые наиболее ча- сто встречаются при ДС и пайке: втулка-втулка (В–В) и цилиндр–цилиндр (Ц–Ц). Последний тип узла можно рассматривать как частный случай первого, когда обращается в нуль внутренний диа- метр. Общий вид физических и КЭ моделей пока- зан на рис. 1. Толщину прослойки принимали рав- ной 1 мм, общую высоту всех узлов 2h — 20 мм, радиус цилиндра и толщину втулки 10 мм. Исследование выполняли на узлах из материа- лов одинаковой жесткости (модуль упругости E = = 2·105 МПа) и прочности (предел текучести σт ≥ ≥ 200 МПа) с прослойками такой же жесткости, но меньшей, чем у основных материалов, проч- ности σт = 38 МПа). Для материала 1 термиче- ский коэффициент линейного расширения (ТКЛР) α·106 = 20 град-1; для материала 2 — 10; прослой- ки —15. ФМС материалов и уровень нагрузок подбирали так, чтобы пластически деформировал-© И. А. Колесар, Г. В. Ермолаев, 2014 24 8/2014 Кафедре сварочного производства 55 лет ся только материал прослойки, при этом деформи- рование охватывало большую часть прослойки. Рассматривалось силовое (сжатие 40 МПа), температурное (охлаждение на 100 °С, когда НДС создается за счет отличия ТКЛР соединяемых ма- териалов) и совместное температурно-силовое на- гружение узла (после образования соединения). Очевидно, что полученные при таком нагружении результаты имеют место и при смене охлаждения нагревом (при сварке с термоциклированием), но материалы 1 и 2, имеющие разные ТКЛР, при этом поменяются местами. Результаты моделирования сравнивали с аналогичными узлами при разных видах нагружения и между собой. Анализировали поля и эпюры всех составля- ющих напряжений и пластических деформаций узлов. Как показал анализ результатов модели- рования в узлах Ц-Ц и В-В характер НДС в це- лом соответствует общим принципам механики и закономерностям, установленным ранее [2, 5–7], при этом НДС узлов Ц-Ц и В-В отличается толь- ко вблизи внутренней поверхности втулки, кото- рая отсутствует в узлах Ц-Ц. Поэтому на рис. 2–4 приводятся только поля в узлах В-В. В области прослойки создается объемное на- пряженное состояние, наиболее выраженное при температурном и совместном температурно-сило- вом нагружениях. При чисто силовом нагружении напряженное состояние меняется незначительно, оставаясь близким к линейному. В узлах обоих типов эффекты температурно- го и силового нагружения алгебраически сумми- руются, в результате чего поля радиальных и окруж- ных напряжений остаются практически такими же, как при чисто температур- ном нагружении. Осевые сжимающие напряжения в материале 1 увеличивают- ся, а растягивающие в ма- териале 2 уменьшаются на величину сжимающей на- грузки (рис. 2). Касательные напряже- ния заметно увеличива- ются на границе раздела мягкой прослойки и ма- Рис. 1. Физические (а, в) и КЭ (б, г) модели узлов типа Ц-Ц (а, б) и В-В (в, г) с прослойкой (1–3 — соответственно материал 1, материал 2 и прослойка) Рис. 2. Поля осевых напряжений в узлах В-В с мягкой прослойкой при температурно-сило- вом (а), температурном (б) и силовом (в) нагружении 258/2014 Кафедре сварочного производства 55 лет териала 1 и уменьшают- ся на границе раздела с материалом 2 (рис. 3) по сравнению с чисто темпе- ратурным нагружением. Здесь наглядно проявля- ется алгебраическое сум- мирование эффектов от разности ТКЛР и пласти- ческого деформирования прослойки. Аналогично изменяет- ся и поле эквивалентных напряжений (рис. 4). По- следние при совместном нагружении заметно уве- личиваются в материале 1 и уменьшаются в ма- териале 2 по сравнению с чисто температурным нагружением. В соответствии с эк- вивалентными напряже- ниями изменяется и поле пластических деформа- ций (рис. 5). Как и при чисто температурном на- гружении максимум по- следних сосредоточен вблизи внешней поверх- ности узла, но заметно изменяется их распреде- ление по толщине про- слойки. Они максимальны на границе раздела с материалом 1 и уменьшаются по мере удаления от нее. Характер эпюр распределения радиальных, окружных и касательных напряжений в соединя- емых материалах при совместном температурном и силовом нагружении совпадает с характером со- ответствующих эпюр при чисто температурном нагружении. При этом максимальные радиальные напряжения в соединяемых материалах снижают- ся на 15…20 МПа, а окружные на 10…15 МПа. Эпюры осевых напряжений смещаются в сторону сжатия на 40 МПа (рис. 6). Максимальные касательные напряжения вбли- зи внешней цилиндрической поверхности уве- личиваются со стороны материала 1 на 10 МПа (рис. 7, а) и уменьшаются на 10 МПа со стороны материала 2 (рис. 7, б). Соответственно изменяются и эпюры экви- валентных напряжений. Уровень этих напряже- ний растет на величину приложенного давления 40 МПа в материале 1 и снижается на 40 МПа в материале 2 (рис. 8). Распределение их в обо- их соединяемых материалах остается близким к равномерному. В материале мягкой прослойки, деформиру- ющемся пластически, величина эквивалентных напряжений на большей части стыка остается на уровне около 40 МПа со стороны материала 2. Со стороны материала 1 распределение неравномерное, имеются четко выраженные зоны застоя (вблизи оси узлов Ц-Ц и на 1/3 толщины от внутренней поверх- ности узлов В-В), в которых эквивалентные напря- жения снижаются до 10…25 МПа. Вблизи внешней поверхности узлов они напротив увеличивают- ся за счет наклепа при больших пластических деформациях. Анализ эпюр пластических деформаций в мате- риале мягкой прослойки также показывает, что они распределены неравномерно, постепенно увеличи- ваясь от близких к 0 в зоне застоя до 1 % и более вблизи наружной поверхности. При этом на границе с материалом 1 в этой зоне при совместном нагру- жении они в несколько раз больше, чем при чисто температурном нагружении (рис. 9, а). На границе с материалом 2, напротив, распределение более равно- Рис. 3. Поля касательных напряжений в узлах В-В с мягкой прослойкой при температур- но-силовом (а), температурном (б) и силовом (в) нагружении Рис. 4. Поля эквивалентных напряжений в узлах В-В с мягкой прослойкой при температур- но-силовом (а), температурном (б) и силовом (в) нагружении 26 8/2014 Кафедре сварочного производства 55 лет мерное, чем при чисто температурном нагружении (рис. 9, б), но уровень их ниже. Таким образом, совместное силовое (сжатие) и температурное (охлаждение) нагружение соз- дает более благоприятные условия для развития пластических деформаций в мягкой прослойке, чем чисто термическое. Со стороны материала 1 (с большим ТКЛР) увеличивается их уровень и неравномерность распределения, со стороны ма- териала 2 (с меньшим ТКЛР) они уменьшаются, но распределение становится более равномерным. Очевидно, что при смене охлаждения нагревом материалы меняются местами, т. е. термоцикли- рование под давлением должно способствовать образованию физического контакта и активации процессов формирования соединения. Для удобства сравнения на рис. 10 приведены диаграммы максимальных по модулю напряжений Рис 5. Поля пластических деформаций в мягкой прослойке узлов В-В при температурно-силовом (а), температурном (б) и силовом (в) нагружении Рис. 6. Эпюры осевых напряжений вдоль внешней (а) и вну- тренней (б) поверхностей узла В-В с мягкой прослойкой при температурно-силовом (1), температурном (2) и силовом (3) нагружении Рис. 7. Эпюры касательных напряжений по стыкам соединя- емых материалов 1 (а) и 2 (б) с прослойкой в узлах В-В при температурно-силовом (1), температурном (2) и силовом (3) нагружении Рис. 8. Эпюры эквивалентных напряжений в соединяемых материалах 1 (а) и 2 (б) по стыкам с прослойкой в узлах В–В при температурно-силовом (1), температурном (2) и силовом (3) нагружении 278/2014 Кафедре сварочного производства 55 лет в соединяемых материалах и прослойке при раз- ных вариантах нагружения. Анализ диаграмм подтверждает, что эффект со- вместного температурного и силового нагружения узлов с мягкими прослойками проявляется в не- котором увеличении радиальных и тангенциаль- ных напряжений во всех материалах, увеличении эквивалентных в материале 1 и прослойке и осе- вых в соединяемых материалах и, соответственно, уменьшении эквивалентных в материале 2 и осе- вых в материале прослойки, касательные напря- жения при этом остаются практически такими же, как при чисто температурном нагружении. Выводы 1. Касательные и эквивалентные напряжения в зоне стыка (на поверхности раздела), определяющие об- разование физического контакта и активацию про- цесса образования соединения при диффузионной сварке, при совместном нагружении узлов с мягкой прослойкой заметно увеличиваются в материале с большим ТКЛР при охлаждении и материале с мень- шим ТКЛР при нагреве. При этом распределение эквивалентных напряжений близко к равномерно- му, т. е. термоциклирование под давлением должно способствовать образованию физического контакта и активации процессов формирования соединения в узлах с мягкой прослойкой. 2. Пластические деформации в материале мяг- кой прослойки на границе с материалом с мень- шим ТКЛР при совместном нагружении сжатием и охлаждением распределены более равномерно, но уровень их ниже, чем при чисто температур- ном нагружении. При совместном сжатии и на- греве то же происходит на границе с материалом с большим ТКЛР, т. е. сварка с термоциклирова- нием под давлением в узлах с мягкой прослойкой обеспечивает более равномерное распределение пластических деформаций в прослойке. 1. Пат. 81583 Україна, МПК В23К 20/14. Спосіб дифузій- ного зварювання матеріалів / В. В. Квасницький, М. В. Матвієнко, Г. В. Єрмолаєв та ін. – Нац. ун-т кораблебуду- вання ім. Адмірала Макарова. – Заявл. 21.11.2006. Опубл. 10.01.2008. Бюл. 1. 2. Квасницкий В. В., Ермолаев Г. В., Матвиенко М. В. Зако- номерности формирования напряженно-деформирован- ного состояния при диффузионной сварке разнородных материалов применительно к узлам цилиндр-цилиндр и втулка–втулка // Зб. наук. праць НУК. – 2007. – № 5. – С. 57–65. 3. Zhong Z., Zhou Z., Ge C. Residual stress distribution and effect of interlayer in doped graphite/ copper joints // Welding Technology. – 2004. – № 6. – P. 14–16. 4. Zhong Z., Zhou Z., Ge C. Brazing of doped graphite to Cu using stress relief interlayers // J. Materials Processing Technology. – 2009. – 209. – P. 2662–2670. 5. Махненко В. И., Квасницкий В. В. Напряженно-деформи- рованное состояние узлов цилиндрической формы при диффузионной сварке // Автомат. сварка. – 2009. – № 2. – С. 5–10. 6. Махненко В. И., Квасницкий В. В. Особенности формиро- вания напряжённо-деформированного состояния соеди- нений разнородных материалов, полученных диффузи- онной сваркой // Там же. – 2009. – № 8. – С. 11–16. 7. Квасницький В. В., Єрмолаєв Г. В., Колесар І. А. Напряже- но-деформований стан зварних та спаяних з’єднань різ- норідних матеріалів однакової жорсткості з проміжними прошарками / // Зб. наук. праць НУК. – 2011. – № 5. – С. 36–43. 8. Экспериментальное исследование деформации сварно- го узла типа втулка-втулка из разнородных материалов / В. В. Квасницкий, Ю.Г. Золотой, А. В. Лабарткава и др. // Зб. наук. праць НУК. – 2008. – № 4. – С. 65–73. Поступила в редакцию 30.05.2014 Рис. 9. Эпюры пластических деформаций в материале про- слойки на стыке с соединяемыми материалами 1 (а) и 2 (б) в узлах В-В при температурно-силовом (1), температурном (2) и силовом (3) нагружении Рис. 10. Максимальные (по модулю) напряжения в материале 1 (а), 2 (б) и мягкой прослойки (в) узлов В–В при температур- но-силовом (1), температурном (2) и силовом (3) нагружении

Напряженно-деформированное состояние при силовом и температурном нагружении узлов из разнородных сталей с мягкой прослойкой

Репозитарії

Схожі ресурси