ОСНОВЫ ТЕОРИИ ПРОЧНОСТИ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

ТЕМПЕРАТУРНО-СКОРОСТНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМАЦИЯМ

При движении дислокации двойные перегибы перемещаются тогда, когда совместное действие температурных колебаний ато­ма на перегибе и приложенных напряжений позволяет преодолеть энергетический барьер H. В этом случае скорость пластической деформации є = дв/dt должна описываться стандартной для тер­мически активируемых процессов формулой:

н

г = г0 - е"RT, (4.36)

где R = 1,986 кал/(К^моль) — универсальная газовая постоянная; T — температура, K; є0 — постоянная материала с размерностью скорости деформации (1/сек).

В этой формуле напряжения а помогают преодолевать энерге­тический порог Н. Поэтому следует записать:

H = H • f(a)

или

H = Ho - f(a),

где Н0 — постоянная, не зависящая от приложенных напряже­ний; f(a) — функция от напряжений а, учитывающая их влияние на легкость преодоления потенциального барьера H0.

Если напряжения умножить на объем, то получается величи­на с размерностью энергии. Поэтому для оценки влияния напря­жений более подходит вторая форма записи: Н = Н0 - AV ■ а, где AV — постоянная, имеющая размерность объема. Ее обычно назы­вают активационным объемом (объемом, в котором развивается рассматриваемый процесс). Применительно к модели движения перегиба по дислокации AV s b3. Но такая форма записи для ско­рости пластических деформаций плохо описывает эксперимен­тальные результаты при пластической деформации металлов в результате внутризеренного скольжения.

Мы в своих работах достаточно успешно использовали форму­лу для этой энергии, полученную В. Д. Ярошевичем:

Н = Н0 • ln СТ(0) СТ°

(-(0

где Н0 — постоянная, зависящая от состояния металла; а(0) — напряжения, которые в этом состоянии металла вызывают пла­стическую деформацию при температуре 0 К; а0 — не зависящая от температуры часть сопротивления пластическим деформациям (как, например, член k■ d~1/2 в формуле (4.33)); а — приложенное напряжение.

Справедливость формулы (4.37) В. Д. Ярошевич проверил экс­периментально при различных степенях наклепа на армко-желе - зе, ниобии, тантале, молибдене, алюминии, никеле и титане. Кро­ме того, с помощью формулы (4.37) в наших работах достаточно хорошо описывались многочисленные результаты испытаний кон­струкционных сталей.

Применительно к пределу текучести ат формулу (4.36) можно записать в виде

Остается решить это уравнение относительно ат:

или

и получить окончательное выражение

Если скорость деформации постоянна (испытания производят­ся на одной машине), то постоянные можно объединить и запи­сать формулу (4.38) в виде

ст =с0 + Ат • e Вт Т

Ат =а(0) - а0;

Поскольку методика, по которой получают параметры темпе­ратурной зависимости предела текучести, не гостирована, а эти параметры нужны для вычислений влияния различных факторов на переходные температуры хрупкости, приведем более подроб­ное ее описание.

Чтобы найти значения постоянных ст0, Ат и Вт, в простейшем случае необходимо экспериментально определить три значения предела текучести стт1, <гт2 и стт3 при трех различных температурах Т1, Т2 и T3. Температуры следует выбрать достаточно низкими (< 20°C), чтобы в процессе растяжения образцов не происходило динамического деформационного старения металла. Кроме того, для упрощения вычислений следует назначить эти температуры с равным шагом: Т1 — Т2 = Т2 - Т3 = АТ. В этом случае система трех уравнений с экспериментальными данными решается достаточно просто:

стт1 =ст0 + Aj • e В Ті; Стт2 =^0 + Ат • e - В Т2; °т3 =°0 + Ат • e-В Тз.

Перенося ст0 в левую часть уравнений и деля их друг на друга, исключаем неизвестную А^

СТт1 ст0 _ e-В АТ. стт2 - ст0

стт2 - ст0 _ e-В АТ

Сттз Сто

Отсюда можно исключить экспоненты и найти не зависящую от температуры часть предела текучести ст0:

(СТт! — ^0) ' (стт3 — ст0) = (стт2 — ст0)2.

Раскроем скобки:

СТт1 'СТтЗ СТ0 'СТтЗ СТт1 • ^0 ^0 - 2о0 • ^т2 + ^.

Сгруппируем члены с CTq:

^0 ' (—^"т3 — °т1 ^ 2^"т2 ) — ^т2 — °т1 ' ^т3

или

_ _ (от2 ~ От1 ‘ От3 )

0 2СТт2 - СТт3 - О,/ (4.42)

Подставляя далее численное значение ст0 из (4.42) в любое урав­нение (4.41) и логарифмируя его, находим постоянную Вт. Далее, подставив полученные значения Вт и ст0 в любое уравнение (4.40), можно найти постоянную Ат.

При экспериментальном определении предела текучести (в осо­бенности на микрообразцах, вырезанных из конкретной зоны свар­ного соединения) особое внимание следует уделять следующим моментам.

1. Соосность нагружения. Стандартные шаровые опоры под головки образца на растяжение обладают высоким трением (смаз­ка выдавливается) и не дают правильной центровки. Лучшие ре­зультаты получаются при резьбовых головках, если резьба на обе­их головках сделана за один проход до вытачивания рабочей части образца.

2. Отсутствие наклепа при вырезке образцов в результате ис­пользования тупых резцов.

Для микрообразцов диаметром 1...1,2 мм после их вытачи­вания на токарном станке обязательна шлифовка поверхности рабочей части и электрополировка. С целью технологического контроля следует изготовить образцы из стали с площадкой те-

кучести и проверить ее наличие на записанной диаграмме на­гружения образца.

3. Равномерность температуры по длине рабочей части образ­ца необходимо контролировать записью в процессе испытаний по­казаний трех термопар: двух на головках образца и одной, уста­новленной посередине рабочей части. Если испытания идут при низких температурах, для получения равномерности температу­ры нужно охлаждать не только образец, но и захваты машины.

В табл. 4.2 приведены экспериментальные результаты опреде­ления параметров температурной зависимости предела текучести некоторых сталей.

Из таблицы видно, что не зависящая от температуры часть предела текучести изменяется в весьма широких пределах: от 12,2 кГ/мм2 для феррита до 94,5 кГ/мм2 для среднелегирован­ной стали 18Х2Н4ВА. Зависимость предела текучести от темпе­ратуры наибольшая для феррита (840 • е-20,5'T). У низколегиро­ванных сталей она значительно слабее (порядка 140 • е-10'T). У высокопрочной стали 18Х2Н4ВА она еще ниже (63 • е-6,3'T). Выпадает из этой закономерности сталь 14Г2, у которой темпе­ратурная зависимость предела текучести приближается к тако­вой у высокопрочной стали.