Компьютерное моделирование вязкого разрушения сварного соединения в образце Шарпи
Предлагаемая модель учитывает изменение предела текучести поперек сварного соединения на основе распределения твердости по Виккерсу. Свойства основного металла (модуль Юнга, предел текучести, кривая деформационного упрочнения) получены в ходе эксперимента по растяжению гладких цилиндрических образцо...
Збережено в:
| Дата: | 2014 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2014
|
| Назва видання: | Техническая диагностика и неразрушающий контроль |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/103600 |
| 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: | Компьютерное моделирование вязкого разрушения сварного соединения в образце Шарпи / И.В. Мирзов // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2014. — № 4. — С. 32-35. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-103600 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1036002016-06-21T03:03:03Z Компьютерное моделирование вязкого разрушения сварного соединения в образце Шарпи Мирзов, И.В. Научно-технический раздел Предлагаемая модель учитывает изменение предела текучести поперек сварного соединения на основе распределения твердости по Виккерсу. Свойства основного металла (модуль Юнга, предел текучести, кривая деформационного упрочнения) получены в ходе эксперимента по растяжению гладких цилиндрических образцов из стали 10Г2ФБ. Разработанная модель включает критерий вязкого разрушения, связывающий критические деформации с жесткостью напряженного состояния. Корректность модели вязкого разрушения материала проверена путем сравнения диаграммы растяжения гладкого образца в реальном опыте с результатами численного расчета. Получена расчетная зависимость энерговложений в испытаниях по разрушению образца Шарпи от ширины разупрочненной зоны в диапазоне от 0,5 до 6,0 мм. Проведенные расчеты показывают, что меньшие значения ударной вязкости соответствуют сварным соединениям с меньшей шириной зоны соединения. Установлено, что вариация ширины зоны соединения влияет на величину критического прогиба: чем уже зона соединения, тем при меньшем прогибе инициируется разрушение. Модель может быть использована для изучения напряженно-деформированного состояния сварных соединений, полученных контактной сваркой оплавлением. Proposed model allows for the change of yield point across the welded joint based on Vickers hardness distribution. Base metal properties (Young’s modulus, yield point, deformation strengthening curve) were determined during the experiment on stretching smooth cylindrical samples from 10G2FB steel. Developed model includes tough fracture criterion, correlating critical deformations with stressed state stiffness. Correctness of the model of tough fracture of material was verified by comparison of the diagram of smooth sample stretching in a real experiment with the results of numerical computation. Calculated dependence of energy input in rupture testing of Charpy sample on softened zone width in the range from 0.5 up to 6.0 mm was derived. Presented calculations show that impact toughness values correspond to welded joints with narrower joint zone. It is established that variation of joint zone width affects the extent of critical sagging: the narrower the joint zone the smaller the sagging at which fracture is initiated. The model can used to study the stress-strain state of welded joints produced by resistance welding. 2014 Article Компьютерное моделирование вязкого разрушения сварного соединения в образце Шарпи / И.В. Мирзов // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2014. — № 4. — С. 32-35. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 0235-3474 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/103600 620.19.14 ru Техническая диагностика и неразрушающий контроль 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 |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел |
| spellingShingle |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел Мирзов, И.В. Компьютерное моделирование вязкого разрушения сварного соединения в образце Шарпи Техническая диагностика и неразрушающий контроль |
| description |
Предлагаемая модель учитывает изменение предела текучести поперек сварного соединения на основе распределения твердости по Виккерсу. Свойства основного металла (модуль Юнга, предел текучести, кривая деформационного упрочнения) получены в ходе эксперимента по растяжению гладких цилиндрических образцов из стали 10Г2ФБ. Разработанная модель включает критерий вязкого разрушения, связывающий критические деформации с жесткостью напряженного состояния. Корректность модели вязкого разрушения материала проверена путем сравнения диаграммы растяжения гладкого образца в реальном опыте с результатами численного расчета. Получена расчетная зависимость энерговложений в испытаниях по разрушению образца Шарпи от ширины разупрочненной зоны в диапазоне от 0,5 до 6,0 мм. Проведенные расчеты показывают, что меньшие значения ударной вязкости соответствуют сварным соединениям с меньшей шириной зоны соединения. Установлено, что вариация ширины зоны соединения влияет на величину критического прогиба: чем уже зона соединения, тем при меньшем прогибе инициируется разрушение. Модель может быть использована для изучения напряженно-деформированного состояния сварных соединений, полученных контактной сваркой оплавлением. |
| format |
Article |
| author |
Мирзов, И.В. |
| author_facet |
Мирзов, И.В. |
| author_sort |
Мирзов, И.В. |
| title |
Компьютерное моделирование вязкого разрушения сварного соединения в образце Шарпи |
| title_short |
Компьютерное моделирование вязкого разрушения сварного соединения в образце Шарпи |
| title_full |
Компьютерное моделирование вязкого разрушения сварного соединения в образце Шарпи |
| title_fullStr |
Компьютерное моделирование вязкого разрушения сварного соединения в образце Шарпи |
| title_full_unstemmed |
Компьютерное моделирование вязкого разрушения сварного соединения в образце Шарпи |
| title_sort |
компьютерное моделирование вязкого разрушения сварного соединения в образце шарпи |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| publishDate |
2014 |
| topic_facet |
Научно-технический раздел |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/103600 |
| citation_txt |
Компьютерное моделирование вязкого разрушения сварного соединения в образце Шарпи / И.В. Мирзов // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2014. — № 4. — С. 32-35. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
| series |
Техническая диагностика и неразрушающий контроль |
| work_keys_str_mv |
AT mirzoviv kompʹûternoemodelirovanievâzkogorazrušeniâsvarnogosoedineniâvobrazcešarpi |
| first_indexed |
2025-07-07T14:07:16Z |
| last_indexed |
2025-07-07T14:07:16Z |
| _version_ |
1836997396773470208 |
| fulltext |
32 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №4, 2014
УДК 620.19.14
КОМПьЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЯЗКОГО РАЗРУШЕНИЯ
СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ В ОБРАЗЦЕ ШАРПИ
и. в. МирЗов
ИэС им. Е. О. Патона НАНУ. 03680, г. Киев-150, ул. Боженко, 11. E-mail: office@paton.kiev.ua
Предлагаемая модель учитывает изменение предела текучести поперек сварного соединения на основе распределения
твердости по Виккерсу. Свойства основного металла (модуль Юнга, предел текучести, кривая деформационного
упрочнения) получены в ходе эксперимента по растяжению гладких цилиндрических образцов из стали 10Г2ФБ.
Разработанная модель включает критерий вязкого разрушения, связывающий критические деформации с жесткостью
напряженного состояния. Корректность модели вязкого разрушения материала проверена путем сравнения диаграммы
растяжения гладкого образца в реальном опыте с результатами численного расчета. Получена расчетная зависимость
энерговложений в испытаниях по разрушению образца Шарпи от ширины разупрочненной зоны в диапазоне от
0,5 до 6,0 мм. Проведенные расчеты показывают, что меньшие значения ударной вязкости соответствуют сварным
соединениям с меньшей шириной зоны соединения. Установлено, что вариация ширины зоны соединения влияет на
величину критического прогиба: чем уже зона соединения, тем при меньшем прогибе инициируется разрушение. Модель
может быть использована для изучения напряженно-деформированного состояния сварных соединений, полученных
контактной сваркой оплавлением. Библиогр. 12, табл. 1, рис. 5.
К л ю ч е в ы е с л о в а : компьютерное моделирование, вязкое разрушение, образец Шарпи, сварное соединение, кон-
тактная сварка оплавлением, анизотропия
В соответствии с общепринятой мировой
практикой к ответственным сварным соедине-
ниям независимо от способа сварки предъяв-
ляются требования по вязкости разрушения,
определяемой в ходе испытаний стандартных
ударных образцов.
Разрушение происходит в результате ини-
циирования и роста дефектов в материале. При
разрушении бездефектной среды тратится на-
много больше энергии, чем при развитии уже су-
ществующих дефектов. Тщательные исследования
структуры соединений, полученных контактной
сваркой оплавлением (КСО), показывают, что ма-
териал сварного соединения не содержит явных
несплошностей, которые можно идентифициро-
вать как дефекты. этот факт дает повод ожидать
высокие значения ударной вязкости и опыты по
разрушению сварных образцов без надреза такие
ожидания оправдывают: образец не разрушается,
а лишь претерпевает сильные пластические де-
формации [1]. Однако сварные образцы с V-образ-
ным надрезом стабильно показывают низкие зна-
чения ударной вязкости.
Целью данной работы является разработ-
ка компьютерной модели вязкого разрушения
стандартного образца Шарпи с V-образным на-
дрезом и изучение влияния анизотропии меха-
нических свойств в сварном соединении на раз-
рушение образца.
Методика эксперимента. Геометрия образ-
цов Шарпи и эксперимент описаны в работе [2].
В данной работе использован тип образцов № 11
— стандартный образец Шарпи с V-образным
надрезом.
Механические свойства материала. В основу
компьютерной модели заложены механические
свойства трубной стали 10Г2ФБ, полученные в
ходе эксперимента по растяжению гладких образ-
цов Ми12 тип 2 вдоль проката (рис. 1, таблица).
Испытания проводили на машине MTS 318.25,
программный модуль которой дает возможность
получить диаграмму растяжения на всем диапа-
зоне деформаций вплоть до разрушения. Все экс-
перименты проводили при нормальных условиях
(T = 20 °C).
В таблице Е – модуль упругости; σт – предел
текучести; εт – деформации, соответствутющие σт;
σв – временное сопротивление; εв – деформации,
соответствующие σв; (σв)ном – номинальное
временное сопротивление; (εв)ном – деформации,
Механические свойства трубной стали 10Г2Фб (образцы Ми12 тип 2, вдоль проката)
Образец E, ГПа σт, МПа εт (σв)ном, МПа (εв)ном, % σв, МПа εв δ, % Ψ F, мм²
1 223 562 2,52∙10-3 668 9,15 729 0,088 19,9 0,75 7,08
2 229 565 2,47∙10-3 Брак Брак Брак Брак Брак Брак 8,46
3 Брак Брак Брак 651 9,83 715 0,094 21,0 0,74 7,46
4 205 537 2.62∙10-3 647 10,89 717 0,103 23,6 0,77 6,55
Средние значения 219 555 2,54∙10-3 655 9,96 720 0,095 21,5 0,75 7,39
© И. В. Мирзов, 2014
33ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №4, 2014
соответствующие (σв)ном; δ – относительное удлине-
ние; ψ – относительное сужение; F – площадь попе-
речного сечения шейки после отрыва.
Для линейных участков экспериментальных
кривых на рис. 1 и участков деформационного
упрочнения получили такие значения механиче-
ских характеристик материала:
σ(ε) = Eε, σ ≤ σт: E = 219 ГПа, σт = 555 МПа,
σ(ε) = Aεn, σт ≤ σ ≤ σв: A = 853 МПа,
n = 0,072, σв = 720 МПа,
где А, n – параметры деформационного упроч-
нения.
Зависимость механических свойств материала
от скорости деформаций /d dtε = ε в численной
модели не описана, т. е. 0, 0ò â
∂σ ∂σ
= =
∂ε ∂ε
.
Модель учитывает инерционные силы.
Критерий вязкого разрушения. В работе [3]
рассматривается зависимость критических де-
формаций от жесткости напряженного состояния
(трехосности) j:
( )
( ) ( ) ( )
1 2 3
2 2 2
1 2 2 3 1 3
1, ,3
1 .
2
i
i
pj p= - = - σ + σ + σ
σ
σ = σ -σ + σ -σ + σ -σ (1)
Утверждается, что при j ≥ 0,33 разрушение но-
сит характер нормального отрыва. В работе [4]
средняя интенсивность деформаций εi в шейке
гладкого образца в момент инициирования вязкой
трещины выражается зависимостью
0 01 1 ln 1 0,46 ln 0,1 ln3i
F F
j F F
ε = + + -
, (2)
где F0 – начальная площадь сечения образца
2
2
0( 28,3 )4 ììF Dπ
= = . Сложность в определении
площади сечения шейки F связана с ее эллиптич-
ностью, так как образцы изготовлены из прокатной
стали. Значения F были получены в ходе экспери-
мента по разрыву гладких образцов (таблица).
Таким образом, была найдена связь жесткости
напряженного состояния j с интенсивностью
критических деформаций εi:
1,05
i jε = . (3)
Зависимость (3) носит характер обратной про-
порциональности и показана на рис. 2 (кривая 1).
Точка Z соответствует значению критических де-
формаций, усредненных по образцам рис. 1. Кри-
вая 2 – расчетная.
Кривая 2 на рис. 2 и кривая 4 на рис. 1 – это
результат расчета растяжения гладкого образца в
численной модели, созданной для проверки полу-
ченного критерия вязкого разрушения (3). Резуль-
тат такой проверки свидетельствует о возможно-
сти применения критерия (3) для моделирования
вязкого разрушения, в том числе стандартного об-
разца Шарпи, полученного КСО.
Анизотропия механических свойств в сварном
соединении. Изучение структуры сварного соеди-
нения КСО обнаружило узкий участок с низким
пределом текучести в центральной области [5–10]
(рис. 3). Предполагается, что низкая ударная вяз-
кость обусловливается «запиранием» развиваю-
щейся в этой области пластической зоны между
соседними зонами термомеханического упрочне-
ния (ЗТМУ) [6].
В сварном шве КСО можно выделить несколь-
ко характерных участков, отличающихся структу-
рой металла: это плоскость соединения, которая
при рассмотрении шлифов часто видна как линия,
участок крупного зерна, участок нормализации и
участок отпуска [5].
Механические свойства материала при удале-
нии от линии сплавления непрерывно меняют-
ся. Основываясь на распределении микротвер-
дости по Виккерсу поперек сварного соединения
(рис. 3) можно получить значения предела текуче-
Рис. 2. Связь интенсивности деформаций с жесткостью
напряженного состояния: 1 – предельное состояние; 2 –
расчетная кривая
Рис. 1. Диаграммы растяжения гладких образцов Ми12
тип 2 (кривые 1–3 – экспериментальные; 4 – проверочная
расчетная)
34 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №4, 2014
сти в различных сечениях моделируемого образ-
ца Шарпи. Согласно данным работы [11] предел
текучести связан с микротвердостью по Виккерсу
линейно. Для стали 10Г2ФБ σт ≈ 2,45 HV.
В плоскости соединения обнаруживается зна-
чительное падение предела текучести (рис. 3),
участок которого можно назвать зоной соедине-
ния (ЗС). При разрушении образца Шарпи пла-
стическая область локализуется в ЗС, чем и обу-
словлено снижение значений ударной вязкости у
сварных образцов, полученных КСО.
результаты. Были проведены расчеты вязкого
разрушения стандартного образца Шарпи для не-
скольких значений ширины ЗС. Величина энергии
разрушения и критические прогибы образца при-
ведены на рис. 4, 5.
Связь полной энергии разрушения сварного
образца Шарпи с шириной ЗС нелинейна и тем
меньше, чем меньше ширина ЗС (рис. 4).
В работе [12] прогиб образца Шарпи в момент
инициирования трещины – критический прогиб
– используют как характеристическую величи-
ну для сравнения напряженно-деформированного
состояния (НДС) образцов. Расчеты показали, что
чем уже ЗС, тем при меньшем прогибе иницииру-
ется разрушение (рис. 5).
Корректность разработанной модели вязко-
го разрушения образца Шарпи была проверена
на образцах, изготовленных из основного метал-
ла: и эксперимент, и расчетная модель показы-
вают значения энергии разрушения на уровне
294…300 Дж.
выводы
На основании полученных эксперименталь-
ных данных определены механические свойства
основного металла стали 10Г2ФБ и коэффици-
ент в выражении (3), описывающий связь крити-
ческих деформаций с жесткостью напряженного
состояния.
Предлагаемая модель вязкого разрушения об-
разца Шарпи учитывает изменение предела те-
кучести материала вдоль образца, основанное на
распределении твердости в сварном соединении
КСО. Модель включает критерий вязкого разру-
шения и позволяет отследить инициирование и
рост трещины во времени, т. е. получить дина-
мическую картину НДС при вязком разрушении
образца. Численная модель экспериментально
верифицирована на гладких образцах и образцах
Шарпи, изготовленных из основного металла ста-
ли 10Г2ФБ.
Получена расчетная зависимость энерговложе-
ний в ударных испытаниях от ширины разупроч-
ненной ЗС в диапазоне от 0,5 до 6,0 мм. Проведен-
ные расчеты показывают, что меньшие значения
ударной вязкости соответствуют сварным соедине-
ниям с меньшей шириной ЗС (рис. 4).
Установлено, что вариация ширины ЗС влияет
на величину критического прогиба: чем уже ЗС,
тем при меньшем прогибе инициируется разруше-
ние (рис. 5).
Разработанная модель может быть использова-
на для изучения НДС образцов Шарпи, изготов-
ленных из сварных соединений КСО.
1. К методологии контроля соответствия назначению свар-
ных соединений трубопроводов, полученных контактной
сваркой оплавлением / С. И. Кучук-Яценко, В. И. Кирьян,
Рис. 3. Распределение микротвердости по Виккерсу и преде-
ла текучести поперек сварного соединения
Рис. 4. Расчетная зависимость энергии разрушения сварного
образца Шарпи от ширины зоны соединения
Рис. 5. Результаты расчетов критического прогиба сварного
образца Шарпи при вариации ширины ЗС
35ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №4, 2014
Б. И. Казымов, В. И. Хоменко // Автомат. сварка. – 2006.
– № 10. – С. 3–9.
2. ГОСТ 9454–78. Металлы. Метод испытания на ударный
изгиб при пониженных, комнатной и повышенных тем-
пературах. – Введ. 01.01.1979
3. Teng X., Wierzbicki T. Numerical simulation of the Taylor
test with fracture // Impact & Crashworthiness Lab,
Massachusetts Institute of Technology, 2008.
4. Копельман Л. А. Сопротивляемость сварных узлов хруп-
кому разрушению. – Л.: Машиностроение, 1978 – 232 с.
5. Кучук-Яценко С. И. Контактная стыковая сварка оплав-
лением / Отв. ред. В. К. Лебедев. – Киев: Наук. думка,
1992. – 236 с.
6. Особенности испытаний на ударную вязкость сварных
соединений труб, выполненных автоматической контакт-
ной стыковой сваркой оплавлением / С. И. Кучук-Яцен-
ко, В. И. Кирьян, Б. И. Казымов и др. // Автомат. сварка.
– 2008. – № 10. – С. 5–11.
7. Lobanov L. Welded Structures. Taylor & Francis, 1997. –
300 p.
8. INNOTRACK Integrated Project no. TIP5-CT-2006-031415.
D4.6.1 – The influence of the working procedures on
the formation and shape of the HAZ of flash butt and
aluminothermic welds in rails. – 2008/11/07.
9. Tatsumi K., Mineyasu T., Minoru H. Development of SP3
Rail with High Wear Resistance and Rolling Contact Fatigue
Resistance for Heavy Haul Railways. JFE TECHNICAL
REPORT No. 16 (Mar. 2011).
10. Trends in Rail Welding Technologies and Our Future
Approach / K. Saita, K. Karimine, M. Ueda et al. // Nippon
Steel & Sumitomo Metal Technical Report. – 2013. – № 12.
Р. 84–92.
11. Марковец М. П. Определение механических свойств ме-
таллов по твердости. – М.: Машиностроение, 1979. –
191 с.
12. Siewert T. A. Pendulum impact machines: procedures and
specimens for verification // ASTM International. – 1995. –
298 p.
Proposed model allows for the change of yield point across the welded joint based on Vickers hardness distribution. Base
metal properties (Young’s modulus, yield point, deformation strengthening curve) were determined during the experiment on
stretching smooth cylindrical samples from 10G2FB steel. Developed model includes tough fracture criterion, correlating critical
deformations with stressed state stiffness. Correctness of the model of tough fracture of material was verified by comparison of
the diagram of smooth sample stretching in a real experiment with the results of numerical computation. Calculated dependence
of energy input in rupture testing of Charpy sample on softened zone width in the range from 0.5 up to 6.0 mm was derived.
Presented calculations show that impact toughness values correspond to welded joints with narrower joint zone. It is established
that variation of joint zone width affects the extent of critical sagging: the narrower the joint zone the smaller the sagging at
which fracture is initiated. The model can used to study the stress-strain state of welded joints produced by resistance welding.
12 References, 1 Table, 5 Figures.
K e y w o r d s : computer modeling, tough fracture, Charpy sample, welded joints, flash-butt welding, anisotropy
Поступила в редакцию
31.01.2014
|