СОЕДИНЕНИЕ МЕТАЛЛОВ В ТВЕРДОЙ ФАЗЕ

РОСТ ПРОЧНОСТИ СОЕДИНЕНИЙ ПРИ СВАРКЕ С ЦИКЛИЧЕСКИМ НАГРУЖЕНИЕМ

Анализ кинетических закономерностей всех стадий процесса образования соединения при сварке с подогревом и статическим нагружением показывает, что они определяются характером раз­
вития пластической деформации соединяемых материалов в при - контактной зоне, физико-химическим состоянием контактных поверхностей и скоростью диффузионных процессов.

Ранее было показано, что длительность образования полного физического контакта определяется интенсивностью пластической деформации материала в зоне соединения, а длительность процесса образования межатомных связей по всей площади взаимодействия определяется частотой выхода дислокации в зону физического контакта и площадью активного центра, т. е. не только необходи­мой для этого величиной накопленной деформации, но и скоростью деформации и физико-химическим состоянием поверхности. От скорости пластической деформации материала в зоне соединения и объемной самодиффузии зависит интенсивность уменьшения размеров дефектов первого типа до критического размера, т. е. процессов формирования структуры сварного соединения.

Из сказанного выше следует, что на процесс соединения в твер­дой фазе основное влияние оказывает величина сопротивления деформации свариваемых материалов, а также их релаксационные свойства, определяющие интенсивность процессов возврата.

Схема пластического деформирования материалов в условиях сварки давлением с подогревом (например, при диффузионной сварке) аналогична схеме деформирования материалов при пол­зучести.

Поэтому кинетику образования соединения в работах 134, 104, 110, 146, 230, 231 ] предложено анализировать на основе пол­зучести соединяемых материалов в условиях сварки. Такой анализ позволяет выявить только качественную сторону явления, так как не учитывает всех особенностей поверхностной пластической деформации и, в частности, то, что материал в зоне соединения подвергается более интенсивному деформационному упрочнению (прн одинаковой скорости процессов возврата), чем материал в объеме свариваемых деталей. Кроме того, происходит непре­рывное уменьшение контактного напряжения при постоянном расчетном.

Однако такой анализ показывает, что наиболее интенсивный рост прочности соединения происходит в первоначальные моменты времени, т. е. в период активной деформации и на стадии неуста­новившейся ползучести. Далее, по мере приближения к стадии установившейся ползучести, когда интенсивность пластической деформации уменьшается, скорость роста прочности также умень­шается. Данные рис. 21, 95, 96 также подтверждают, что наиболее существенный рост FK, а и а происходит при малых объемных деформациях. По мере накопления деформации производные в точках зависимостей FK (е), а (є) и а (є) уменьшаются (при любых Р,).

Следовательно, если в процессе образования соединения инициировать интенсивную пластическую деформацию соединяе­мых материалов, то должен наблюдаться и быстрый рост прочности соединения. Интенсифицировать развитие пластической деформа­ции соединяемых материалов при сварке давлением с подогревом можно, например, путем циклического воздействия нагрузки [123, 124].

Поведение материала при ползучести в значительной степени зависит от его исходного состояния, внешних условий (темпера­туры, давления) и контролируется термически активируемыми процессами. В температурной области, в которой обычно осуще­ствляется сварка в твердой фазе давлением с подогревом (>U,5 Тпл), наступление установившейся ползучести следует рассматривать как начало равновесия между скоростью возврата барьеров и скоростью их возникновения в результате деформации при пол­зучести. Если на стадии неустановившейся ползучести на опре­деленное время снять приложенное давление (т. е. исключить возможность образования барьеров), то ввиду того, что при температурах выше 0,5 Тп„ процесс самодиффузии идет со значи­тельной скоростью, может наблюдаться полный или частичный возврат (диффузионный уход барьеров для движения дислокаций). Новое приложение нагрузки после этого вызовет интенсивную деформацию соединяемых материалов.

Возврат является не единственной причиной увеличения ско­рости деформации при ползучести с циклическим нагружением. Известно, что в случае испытания на ползучесть при высоких температурах снятие внешней нагрузки приводит к немедленному возврату упругой деформации, вследствие чего наблюдается зави­сящая от времени отрицательная ползучесть, являющаяся след­ствием обратных напряжений. При этом может наблюдаться разупрочнение металла, и новое приложение первоначальной внешней нагрузки может вызывать в первые моменты времени интенсивную пластическую деформацию [87].

Важным выводом из рассмотренных особенностей пластической деформации материалов с циклическим приложением внешней нагрузки (давления сварки) является то, что увеличение скорости пластической деформации соединяемых материалов при сварке их давлением с подогревом должно повысить интенсивность протека­ния всех стадий процесса образования соединения.

Ранее, на основании данных рис. 96, было показано, что умень­шение дефектов первого типа до критического размера при отно­сительно невысоких температурах сварки (900—950° С) происхо­дит в основном за счет самодиффузии. Циклическое нагружение при сварке должно приводить к более бы трому уменьшению размеров дефектов первого типа до критического за счет более интенсивной пластической деформации. При этом парциальный вклад пластической деформации для обеспечения условий, при которых возможна миграция границ, должен быть выше. Следова­тельно, появляется возможность существенного снижения темпе­ратуры сварки, что способствует повышению свойств сварного

соединения в результате образования наиболее совершенной тонкой структу ры металла. Особенно перспективен способ сварки с циклическим нагружением для соединения разноименных метал­лов, так как'снижение температуры процесса позволяет ограни­чить образование промежуточных хрупких фаз.

На рис. 109 приведены кинетические кривые развития пласти­ческой деформации и роста относительной ударной вязкости соединений никеля НВК при статическом и циклическом нагруже­нии. Сварочное давление при статическом и циклическом (в пре­делах одного цикла) воздействиях оставалось постоянным. При сварке циклическим нагружением периодически, через каждые 5 мин, давление уменьшали до нуля, выдерживали 1 мин и вновь прикладывали первоначальное давление.

Эти данные показывают, что каждое новое (после возврата) приложение нагрузки вызывает интенсивный рост деформации и ударной вязкости сварных соединений. По сравнению со статиче­ским циклическое нагружение приводит к более быстрому дости­жению ударной вязкости до уровня основного металла (при Т = = 950ь С). При температуре сварки 900° С и статическом нагруже­нии кривая роста ударной вязкости достигает насыщения при а = 0,55. Циклическое нагружение приводит к тому, что уже при длительности процесса 30 мин относительная ударная вязкость а 1. Прирост пластической деформации в результате цикли­ческого воздействия давления с повышением температуры (при одинаковой длительности нагрузки) увеличивается. Это объяс­няется тем, что при повышении температуры полнее протекают процессы возврата и увеличивается вклад термической активации в развитие пластической деформации.

Увеличение роста прочности соединения в результате непре­рывного восстановления высокой скорости пластической дефор­мации путем циклического воздействия сварочного давления наблюдается и при сварке разнородных материалов.

На рис. 110 показаны кинетические кривые развития пласти­ческой деформации и роста относительной ударной вязкости соеди­нений стали 35 со сталью ЭИ474 при статическом и циклическом воздействиях сварочного давления. Здесь также хорошо виден эффект циклического нагружения.

Эффективность использования циклического нагружения при сварке давлением с подогревом может быть существенно увели­чена путем выбора оптимальных значений продолжительности нагружения tv и возврата tB. Задача отыскания оптимальных значений tH и tB формулируется следующим образом.

Предположим, что зависимость є (t) для свариваемых мате­риалов при фиксированных значениях температуры и давления описывается уравнением [91, 108]:

Будем считать, что полный физический контакт образуется при некотором значении объемной пластической деформации е* (для конкретных Т и Р) за длительность процесса t*, а сама функ­ция е (t) определена на отрезке [0, /*], непрерывна, монотонно возрастает и выпукла на этом отрезке. В соответствии с уравне­нием (41) функция є (/) определена, непрерывна, монотонно убы­вает и вогнута на полуинтервале (О, і*).

Значения tH и tB будут оптимальными, если деформация е* при циклическом нагружении с длительностью цикла /ц - +

+ /в будет достигнута за минимальное время, меньшее чем /*.

Эту же задачу удобнее сформулировать иначе. Длительность одного цикла /ц, значения tH и tB, а также числа циклов нагруже­ния К должны быть такими (и тогда они будут называться опти­мальными), чтобы за время /* была накоплена максимальная деформация, большая чем є*.

Отыскание оптимальных значений ta, te и К будем проводить, решая задачу во второй формулировке.

С этой целью сформулируем соответствующую математическую задачу. Предположим, что значение /н выбрано, причем О < tn <

/ - Г = 950° С; 2 -900 (Рр = *.4 кгс/мм1):

< t* и, кроме того, 0 < /в + tH < t*. Заметим, что если значе­ния /н и /в выбраны, то они остаются постоянными для всех циклов (при фиксированных Т и Р).

Построим функцию є (t, ^н) следующим образом:

е(/) при ()■<:/ /н

ё(/, *„) = е(/н) при + (197)

. є (К) + е U — (*и + OJ при / > tH + tK

в достаточной близости от /н + tB.

Выбор значения /в, а следовательно, и /ц (в предположении, что tH уже выбрано) будем производить исходя из следующих двух условий:

е (^н + "f 0) е (tH tB - f - 0),

ё(/„ + /в+ 0) = піах є(0-

Из условия (198) следует, что /в ^ t„, а отсюда и из условия (199) с учетом того, что е (t) ^ є (4-0) следует, что iB = tH. Таким

SHAPE * MERGEFORMAT

'ц = 'н + 'в = 5

= 1 мин - j - 1 мин; 4 — статическое нагружение

образом, если условия (198) и (199) выполнены, то длительность на­гружения должна быть равна дли­тельности возврата.

Функцию є (/, /н) при условии можно теперь записать в виде:

/Ce(g + e(f —2 KtH) upn2KtH<t^{2K+l)tH (/С+ 1)є(/ч) при (2K+l)t„<M2K+2)tH (200)

K = 0, 1, 2 . ..

Ясно, что, увеличивая К, можно найти такое его значение К0, при котором промежуток [(2К0 — 2) 2K°tH ] еще не содержит

значение /*, а промежуток [2K°tH; (2К° + 2) /н] это значение t* содержит. Так как К0 = t/*/2/H], то из соотношения (200) полу­чим, что

ї<<*. и= [•£■] »(М + «(<*-2 [£] '.)• (201)

Задача, таким образом, сводится к тому, чтобы найти максимум функции е (t*, tH) по всем значениям tH из интервала (0, /*). Обозначив этот максимум через є (/*), получим

Г t*

(202)

С некоторым практически допустимым приближением равенство (202) можно записать в виде

t*e (t„)

e(/*) = max

tu

Отсюда следует, что максимума деформации е (/*) не суще-

Є it )

ствует, так как при /н —> 0, —^------------- >-- оо. Таким образом, не

*Н

существует и оптимальных значений /н, отличных от нуля, а прак­тические рекомендации при использовании сварки с циклическим нагружением могут быть сведены к следующему. Меньшие значе­ния длительности нагружения приводят к более эффективной реализации непрерывного поддержания высокой скорости пласти­ческой деформации. В этом и состоит основная цель способа соеди­нения в твердой фазе с циклическим приложением нагрузки.

Для подтверждения этого вывода исследовали ползучесть сплава ОТ4 при циклическом нагружении, причем длительность цикла нагружения изменяли от 1 до 5 мин. Результаты этих иссле­дований при Рр = 0,25 кгс/мм2 и различных температурах пока - 220
заны на рис. 111. Для удобства анализа зависимостей є (і) при статическом и циклическом нагружении по оси абсцисс показана длительность деформирования.

На рис. 112 по данным рис. 111 показано влияние длительности цикла нагружения на величину деформации, накопленной за длительность деформирования 15 мин. Видно, что уменьшение длительности цикла нагружения приводит к существенному увеличению накопленной деформации. Таким образом, экспе­риментальные исследования подтверждают, во-первых, эффектив­ность использования сварки с циклическим нагружением, а, во - вторых, влияние длительности цикла нагружения на величину деформации, накопленную за одинаковое время деформирования.