Эксперимент и моделирование термодеформационных процессов в сварных соединениях жаропрочных никелевых сплавов

Приведены результаты экспериментальных и численных исследований процессов деформации и разрушения сварных соединений жаропрочных никелевых сплавов в условиях механического и термического нагружения. Исследованы структурные превращения и проведена оценка термодеформационных процессов в зоне термическ...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2012
Автори:	Ющенко, К.А., Романова, В.А., Балохонов, Р.Р., Савченко, В.С., Червяков, Н.О., Звягинцева, А.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2012
Назва видання:	Автоматическая сварка
Теми:	Научно-технический раздел
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101293
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:	Эксперимент и моделирование термодеформационных процессов в сварных соединениях жаропрочных никелевых сплавов / К.А. Ющенко, В.А. Романова, Р.Р. Балохонов, В.С. Савченко, Н.О. Червяков, А.В. Звягинцева // Автоматическая сварка. — 2012. — № 10 (714). — С. 3-10. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-101293
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1012932025-02-09T16:39:28Z Эксперимент и моделирование термодеформационных процессов в сварных соединениях жаропрочных никелевых сплавов Experiment and modelling of thermodeformational processes in welded joints of heat-resistant nickel alloys Ющенко, К.А. Романова, В.А. Балохонов, Р.Р. Савченко, В.С. Червяков, Н.О. Звягинцева, А.В. Научно-технический раздел Приведены результаты экспериментальных и численных исследований процессов деформации и разрушения сварных соединений жаропрочных никелевых сплавов в условиях механического и термического нагружения. Исследованы структурные превращения и проведена оценка термодеформационных процессов в зоне термического влияния (ЗТВ) в процессе сварочного цикла. Установлены закономерности зарождения и развития горячих трещин в металле ЗТВ вблизи линии сплавления и получены оценки локальных пластических деформаций в условиях термического цикла. С позиций физической мезомеханики проанализирована эволюция напряженно-деформированного состояния в металле ЗТВ и сделаны выводы относительно роли границ зерен в процессах зарождения и развития трещин. Results of experimental and numerical investigations of the processes of deformation and fracture of welded joints on nickel superalloys under conditions of mechanical and thermal loading are given. Structural transformations were investigated, and thermal-deformation processes in the heat-affected zone (HAZ) during the welding cycle were evaluated. The mechanisms of initiation and propagation of hot cracks in HAZ near the fusion line were determined, and local plastic strains under the thermal cycle conditions were assessed. Evolution of the stress-strain state in HAZ was analysed in terms of physical mesomechanics, and conclusions on the role of grain boundaries in the processes of initiation and propagation of cracks were made. Работа выполнена в рамках совместного проекта РФФИ с НАН Украины (№ 10-01-90403-Укр). 2012 Article Эксперимент и моделирование термодеформационных процессов в сварных соединениях жаропрочных никелевых сплавов / К.А. Ющенко, В.А. Романова, Р.Р. Балохонов, В.С. Савченко, Н.О. Червяков, А.В. Звягинцева // Автоматическая сварка. — 2012. — № 10 (714). — С. 3-10. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101293 621.791:669.24 ru Автоматическая сварка application/pdf 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 Ющенко, К.А. Романова, В.А. Балохонов, Р.Р. Савченко, В.С. Червяков, Н.О. Звягинцева, А.В. Эксперимент и моделирование термодеформационных процессов в сварных соединениях жаропрочных никелевых сплавов Автоматическая сварка
description	Приведены результаты экспериментальных и численных исследований процессов деформации и разрушения сварных соединений жаропрочных никелевых сплавов в условиях механического и термического нагружения. Исследованы структурные превращения и проведена оценка термодеформационных процессов в зоне термического влияния (ЗТВ) в процессе сварочного цикла. Установлены закономерности зарождения и развития горячих трещин в металле ЗТВ вблизи линии сплавления и получены оценки локальных пластических деформаций в условиях термического цикла. С позиций физической мезомеханики проанализирована эволюция напряженно-деформированного состояния в металле ЗТВ и сделаны выводы относительно роли границ зерен в процессах зарождения и развития трещин.
format	Article
author	Ющенко, К.А. Романова, В.А. Балохонов, Р.Р. Савченко, В.С. Червяков, Н.О. Звягинцева, А.В.
author_facet	Ющенко, К.А. Романова, В.А. Балохонов, Р.Р. Савченко, В.С. Червяков, Н.О. Звягинцева, А.В.
author_sort	Ющенко, К.А.
title	Эксперимент и моделирование термодеформационных процессов в сварных соединениях жаропрочных никелевых сплавов
title_short	Эксперимент и моделирование термодеформационных процессов в сварных соединениях жаропрочных никелевых сплавов
title_full	Эксперимент и моделирование термодеформационных процессов в сварных соединениях жаропрочных никелевых сплавов
title_fullStr	Эксперимент и моделирование термодеформационных процессов в сварных соединениях жаропрочных никелевых сплавов
title_full_unstemmed	Эксперимент и моделирование термодеформационных процессов в сварных соединениях жаропрочных никелевых сплавов
title_sort	эксперимент и моделирование термодеформационных процессов в сварных соединениях жаропрочных никелевых сплавов
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate	2012
topic_facet	Научно-технический раздел
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101293
citation_txt	Эксперимент и моделирование термодеформационных процессов в сварных соединениях жаропрочных никелевых сплавов / К.А. Ющенко, В.А. Романова, Р.Р. Балохонов, В.С. Савченко, Н.О. Червяков, А.В. Звягинцева // Автоматическая сварка. — 2012. — № 10 (714). — С. 3-10. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.
series	Автоматическая сварка
work_keys_str_mv	AT ûŝenkoka éksperimentimodelirovanietermodeformacionnyhprocessovvsvarnyhsoedineniâhžaropročnyhnikelevyhsplavov AT romanovava éksperimentimodelirovanietermodeformacionnyhprocessovvsvarnyhsoedineniâhžaropročnyhnikelevyhsplavov AT balohonovrr éksperimentimodelirovanietermodeformacionnyhprocessovvsvarnyhsoedineniâhžaropročnyhnikelevyhsplavov AT savčenkovs éksperimentimodelirovanietermodeformacionnyhprocessovvsvarnyhsoedineniâhžaropročnyhnikelevyhsplavov AT červâkovno éksperimentimodelirovanietermodeformacionnyhprocessovvsvarnyhsoedineniâhžaropročnyhnikelevyhsplavov AT zvâgincevaav éksperimentimodelirovanietermodeformacionnyhprocessovvsvarnyhsoedineniâhžaropročnyhnikelevyhsplavov AT ûŝenkoka experimentandmodellingofthermodeformationalprocessesinweldedjointsofheatresistantnickelalloys AT romanovava experimentandmodellingofthermodeformationalprocessesinweldedjointsofheatresistantnickelalloys AT balohonovrr experimentandmodellingofthermodeformationalprocessesinweldedjointsofheatresistantnickelalloys AT savčenkovs experimentandmodellingofthermodeformationalprocessesinweldedjointsofheatresistantnickelalloys AT červâkovno experimentandmodellingofthermodeformationalprocessesinweldedjointsofheatresistantnickelalloys AT zvâgincevaav experimentandmodellingofthermodeformationalprocessesinweldedjointsofheatresistantnickelalloys
first_indexed	2025-11-28T01:05:37Z
last_indexed	2025-11-28T01:05:37Z
_version_	1849994199021125632
fulltext	УДК 621.791:669.24 ЭКСПЕРИМЕНТ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕРМОДЕФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ Академик НАН Украины К. А. ЮЩЕНКО (Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины), В. А. РОМАНОВА, Р. Р. БАЛОХОНОВ, доктора физ.-мат. наук (Ин-т физики прочности и материаловедения СО РАН, г. Томск, РФ), В. С. САВЧЕНКО, д-р техн. наук, Н. О. ЧЕРВЯКОВ, А. В. ЗВЯГИНЦЕВА, кандидаты техн. наук (Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины) Приведены результаты экспериментальных и численных исследований процессов деформации и разрушения сварных соединений жаропрочных никелевых сплавов в условиях механического и термического нагружения. Исследованы структурные превращения и проведена оценка термодеформационных процессов в зоне термического влияния (ЗТВ) в процессе сварочного цикла. Установлены закономерности зарождения и развития горячих трещин в металле ЗТВ вблизи линии сплавления и получены оценки локальных пластических деформаций в условиях термического цикла. С позиций физической мезомеханики проанализирована эволюция напряженно-деформированного состояния в металле ЗТВ и сделаны выводы относительно роли границ зерен в процессах зарождения и развития трещин. К л ю ч е в ы е с л о в а : дуговая сварка, жаропрочные нике- левые сплавы, сварные соединения, термическое нагруже- ние, межзеренные границы, горячие трещины, численное моделирование Жаропрочные сплавы на никелевой основе отли- чаются высокими механическими характеристи- ками, но характеризуются низкой свариваемос- тью. Они проявляют предрасположенность к образованию горячих трещин в условиях свароч- ного цикла. Экспериментальные данные [1–4] сви- детельствуют о том, что термический цикл сварки приводит к существенным структурным измене- ниям материала в зоне термического влияния (ЗТВ), примыкающей к линии сплавления. В этой зоне преимущественно образуются горячие тре- щины. Для выяснения причин образования горячих трещин в условиях сварочного цикла необходимо иметь достаточно четкие представления о кине- тике деформационных процессов и эволюции нап- ряженно-деформированного состояния в различ- ных зонах сварного соединения. Пока об этом направлении известно немного, поскольку экспе- риментальные исследования чрезвычайно трудо- емки и требуют больших затрат средств и вре- мени. В настоящей работе экспериментально и чис- ленно исследованы процессы деформации и раз- рушения в сварных соединениях никелевых спла- вов в условиях термического нагружения. Экс- периментальными способами в металле ЗТВ ис- следованы структурные превращения и проведе- ны оценки термодеформационных процессов в металле ЗТВ во время сварочного цикла, уста- новлены закономерности зарождения и развития горячих трещин в условиях термосилового воз- действия, а также проведены оценки локальных пластических деформаций в металле ЗТВ при сварке аустенитных никелевых сплавов. На основе полученных экспериментальных данных разработаны модели исследуемых мате- риалов с учетом внутренней структуры и прове- дено моделирование деформационных процессов в условиях термоциклирования. Построение мо- дели материала предполагает определение в яв- ном виде зависимости физико-механических свойств от температуры. На уровне поликристал- лической структуры источниками концентрации напряжений, зарождения пластических сдвигов и микротрещин являются границы зерен. В рамках модели на мезомасштабном уровне зеренная структура вводилась в явном виде, а струк- турные превращения, зафиксированные в металле ЗТВ в процессе сварочного цикла, учитывали через феноменологические зависимости механических свойств от температуры. Численно была исследо- вана эволюция напряженно-деформированного сос- тояния в различных участках ЗТВ в условиях тер- мического цикла нагрев–охлаждение. Исследование деформационных процессов и особенностей структурных превращений в ме- талле ЗТВ в условиях сварочного цикла. Ис- © К. А. Ющенко, В. А. Романова, Р. Р. Балохонов, В. С. Савченко, Н. О. Червяков, А. В. Звягинцева, 2012 10/2012 3 следования проводили на никелевом сплаве IN738LC. Экспериментально было показано, что в участке ЗТВ, где распространяются трещины, происходят фазовые изменения по схеме γ′+γ→γ→γ+γ′. В области ЗТВ, примыкающей к сварному шву, происходит выделение мелкодис- персной γ′-фазы. Размеры частиц γ′-фазы в ос- новном металле и ЗТВ составляют соответственно 0,4…0,9 и 0,05…0,15 мкм (рис. 1). С помощью бесконтактного лазерного дила- тометра определена температура начала раство- рения частиц γ′-фазы (T = 630 °С) и полного рас- творения частиц γ′-фазы (T = 1100 °С). Показано, что размеры области, где наблюдаются структур- ные изменения, соответствуют температурному интервалу TL – TSolvus. Статистические исследова- ния наличия дефектов в сварных соединениях по- казали, что наиболее вероятным местом распо- ложения трещин является зона, примыкающая ко шву. В общем виде схема преимущественного об- разования трещин в околошовной зоне сварных соединений никелевых сплавов с γ′-упрочнением и ее связь со структурными изменениями в ме- талле ЗТВ приведена на рис. 2. Продвижение образовавшейся горячей трещи- ны по границам зерен из I зоны (рис. 2) в сторону основного металла тормозится релаксацией ло- кальных напряжений и пластической дефор- мацией в устье трещины (рис. 3, а). Из схемы на рис. 3, б видно, что в этом случае имеет место состояние плоской деформации. Полученные ре- зультаты подтверждаются оптической интерфе- ренционной металлографией поверхности устья горячей трещины после сварки. На рис. 3, в, где приведена интерференционная картина, а также в районе искусственной деформации от царапины на поверхности шлифа, видно, что ход интерфе- ренционных линий в районе устья трещины и ца- рапины имеет тенденцию к перемещению вверх. Поскольку царапина представляет собой углуб- ление в металле, то и зона металла перед тре- щиной переместилась вниз относительно плоскос- ти шлифа, т.е. произошла утяжка металла за счет реализации механизма пластической деформации. Анализ распределения межзеренной дефор- мации в сварном соединении проводили путем наблюдения рельефа полированной поверхности основного металла после сварки, характера раз- рушения оксидных пленок, а также свободной по- Рис. 1. Микроструктура с частицами γ′-фазы в различных участках, примыкающих к сварному шву: а — зона образо- вания горячих трещин; б — зона основного металла Рис. 2. Схема преимущественного образования трещин в ме- талле ЗТВ сварных соединений жаропрочных сплавов с уп- рочняющей γ′-фазой: I — зона полного превращения γ′+γ→γ→γ+γ′; II — зона неполного превращения; III — зона, не претерпевающая превращения Рис. 3. Торможение горячей трещины в металле ЗТВ под влиянием пластической деформации [5]: а — поверхность металла в устье трещины (×400); б — схема распределения пластической деформации в полях напряжений; в — пласти- ческие деформации в устье горячей трещины 4 10/2012 верхности металла шва, сваренного электронным лучом. Межзеренные деформации (смещения) при сварке концентрируются у зоны сплавления, за- тухая при удалении от нее (рис. 4, а). Характер межзеренной деформации металла в околошовной зоне в значительной мере зависит от его фазового состава. Исследования деформационных процессов в металле ЗТВ никелевого сплава в условиях сва- рочного цикла выполняли на предварительно от- полированных пластинах с нанесенной на повер- хность сеткой. Сетку наносили алмазным инстру- ментом в специальном приспособлении на базе инструментального микроскопа БМИ-1, обеспе- чивающим толщину линии 0,010…0,020 мм. На рис. 4, б приведен фрагмент поверхности с полосами скольжения, возникшими при плас- тической деформации металла в ЗТВ, которая раз- вивается по плоскостям скольжения в пределах зерна. При переходе к другому зерну система скольжения изменяется. При пластической дефор- мации в зернах возникают ориентационные по- вороты. Для понимания кинетики возникновения го- рячих трещин было проведено численное иссле- дование термодеформационных процессов в ме- талле ЗТВ. Для сравнительного расчетного ана- лиза выбрали никелевый сплав (Cr9–Co9–Mo1– W10–Al6–Ti1–Nb2–Ni основа) и стабильно аус- тенитную сталь (Cr20–Ni16–Mn6–Fe основа), не склонную к образованию горячих трещин. Задачу термомеханики в двумерной постанов- ке решали численно с привлечением метода ко- нечных элементов. Подробная формулировка за- дачи и метод решения приведены в работе [6]. При расчетах упругопластических деформаций и напряжений экспериментальные данные, в том числе модуль упругости E, предел текучести σ0,2 и коэффициент линейного расширения α опре- деляли в интервале температур выше 1200 °С. Предел текучести σ0,2 оценивали на установке ИМАШ 20-75 «Ала-Тоо» (типа «Gleeble») в ваку- уме. Коэффициент линейного расширения α опре- деляли бесконтактным методом с использованием лазерного луча. Численное моделирование выпол- няли для случая сварки неплавящимся электродом в среде защитного газа. Размеры пластин и по- гонную энергию сварки при моделировании тер- модеформационных процессов принимали одина- ковыми. Расчет температурных полей при сварке контролировали путем прямого измерения термо- парами термических циклов в металле ЗТВ. Установлено, что максимальные пластические деформации возникают вблизи линии сплавления на расстоянии до 2 мм. Зависимости термических напряжений от деформаций в точке на расстоянии 0,5 мм от линии сплавления при сварке никеле- вого сплава и аустенитной стали приведены на рис. 5. На стадии нагрева (от точки 0 до точки 2) материал подвержен сжимающим напряжениям и деформациям. Точка 1 определяет момент дос- тижения предела текучести материала. Точка 2 соответствует максимальной температуре на тер- мическом цикле и максимуму пластической де- формации сжатия. После точки 2 начинается про- цесс охлаждения и, следовательно, разгрузка, ко- торая длится до точки 3, где упругие деформации и напряжения равны нулю. Из точки 3 до точки 4 растет упругая деформация растяжения и в точке 4 начинается вторая пластическая деформация, но уже противоположного знака. Состояние в точке 5 соответствует полному остыванию пластины. Расчетные исследования показали, что при сварке никелевого сплава на погонной энергии более 350 Дж/мм в металле ЗТВ на расстоянии до 2 мм от линии сплавления возникают значительные пластические деформации (свыше 3 %) и растя- гивающие напряжения, значение которых дости- гает предела текучести материала. Рис. 4. Локализация пластической деформации в металле ЗТВ у линии сплавления (а) и развитие полос скольжения внутри зерен в процессе сварки (×125) (б) Рис. 5. Изменение напряжений и деформаций в точке на расстоянии 0,5 мм от линии сплавления для никелевого спла- ва (сплошная линия) и аустенитной стали (штриховая): 1–5 см. в тексте 10/2012 5 Моделирование термодеформационных про- цессов в металле ЗТВ в условиях термического цикла нагрев–охлаждение с учетом поликрис- таллической структуры. Математическая пос- тановка задачи. В общем случае этапы модели- рования включают разработку структурно-меха- нической модели материала, задание начальных и граничных условий и численное решение сис- темы уравнений континуальной механики с уче- том внутренних границ раздела. Общая система динамических уравнений континуальной механи- ки в декартовой системе координат без учета мас- совых сил включает следующие: уравнение движения ρUi ⋅ = σij, j, (1) уравнение неразрывности V⋅ V – Ui, i = 0, (2) уравнение баланса энергии ρE⋅ = σijεij ⋅ + q(e)⋅ , (3) соотношения для компонент тензора скорости полных деформаций εij ⋅ = 12(Ui, j + Uj, i), (4) определяющие соотношения, задающие связь между компонентами тензоров напряжений и де- формаций σij = f(εij). (5) Здесь Ui = xi ⋅ — компоненты вектора скорости; xi — координаты; V = ρ0/ρ — удельный относи- тельный объем материала; ρ0, ρ — соответственно начальная и текущая плотности; E — внутренняя энергия; q(e) — вектор притока тепла от внешних источников; εij — компоненты тензора полной де- формации. Точка над символом означает произ- водную по времени, запятая после индекса — про- изводную по соответствующей координате, по повторяющимся индексам i, j, k = 1…3 проводится суммирование. Тензор напряжений удобно представить в виде суммы шаровой и девиаторной частей: σij = –Pδij + Sij , (6) где P — давление; Sij — компоненты девиатора напряжений; δij — символы Кронекера. Для описания шаровой части тензора напря- жений используем уравнение Дюамеля–Неймана, учитывающее термическое расширение: P = –3Kεkk + αt(T – T0), (7) где εkk — объемная деформация; K — модуль объемного сжатия; αt — коэффициент термичес- кого расширения; T0, T — начальная и конечная температуры. Соотношения, связывающие компоненты тен- зоров девиатора напряжений и девиатора дефор- маций в области упругого нагружения, запишем в скоростях в виде Sij ⋅ = 2μ ⎛⎜ ⎝ εij ⋅ – 13δijεkk ⋅ ⎞ ⎟ ⎠ , (8) где μ — модуль сдвига. Упругопластический переход описывали кри- терием текучести Мизеса, согласно которому ма- териал переходит в пластическое состояние при условии SijSij > 23σ0 2. (9) В этом случае компоненты девиатора напря- жений приводятся на поверхность текучести ум- ножением Sij на величину σ0 √⎯⎯3 SijSij , где σ0 — пре- дел текучести материала с учетом деформацион- ного упрочнения. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что упругопластические характеристики жаропрочных сплавов на никелевой основе де- монстрируют нелинейные зависимости от темпе- ратуры и размера γ′-фазы. На основе эксперимен- тальных данных для сплава IN738LC [3, 4] опре- делены аппроксимационные зависимости для мо- дулей упругости и предела текучести как функции температуры, объемной доли и размера частиц γ′- фазы (рис. 6, б). Модельный образец с периодической полик- ристаллической структурой (рис. 6, а) был сге- нерирован методом пошагового заполнения [7] на сетке 100×150×100 с шагом 2 мкм. Периодич- ность предполагает бесконечную трансляцию структуры в соответствующих направлениях. При последующем решении задачи механики на со- ответствующих поверхностях могут быть заданы периодические граничные условия, необходимые для более реалистичного моделирования условий стесненной деформации. Влияние кристаллографической ориентации на механический отклик зерен учитывалось через разброс упругих модулей и характеристик теку- чести относительно средних значений в пределах 20 %. При этом внутри зерна механические харак- теристики остаются постоянными, но меняются при переходе через межзеренную границу. 6 10/2012 Систему уравнений (1)–(9), дополненную на- чальными и граничными условиями, решали чис- ленно конечно-разностным методом [8]. Гранич- ные условия на шести поверхностях расчетного образца в задаче механики соответствовали ус- ловиям стесненной деформации при адиабатичес- ком нагреве. На каждой поверхности нормальные компоненты вектора перемещений полагались равными нулю. Касательные смещения соответ- ствовали условиям отсутствия внешних сил. Результаты моделирования. Согласно экспе- риментальным данным в процессе термического цикла нагрев–охлаждение происходит изменение объемной доли и размера частиц γ′-фазы. В ос- новном металле размер частиц γ′-фазы составляет 0,4…0,9 мкм. При температуре 630 °С начина- ется растворение γ′-фазы, которое полностью за- канчивается при температуре 1100 °С. При ох- лаждении происходит обратное превращение γ→γ+γ′, при этом образующиеся частицы γ′-фазы имеют размеры примерно 50…150 нм, что обес- печивает изменение механического отклика ма- териала (рис. 6, б). Полученные эксперименталь- ные данные были заложены в модель механичес- кого отклика зерен при термическом нагружении по схеме нагрев–охлаждение, приведенной на рис. 7, в в безразмерных координатах (здесь T* и t* — соответственно максимальная температура нагрева и время полного цикла). Для исследования напряженно-деформирован- ного состояния, реализующегося на разном рас- стоянии от линии сплавления, в численных экс- периментах варьировали максимальную темпера- туру нагрева T. Изменение температуры по глу- бине ЗТВ определяли из решения одномерного уравнения теплопроводности ∂T ∂t = a ∂ 2T ∂x2 , T(0, t) = f(t), T(L, t) = T0, (10) где a = 2,6 мм2⋅с–1 — коэффициент температу- ропроводности; f(t) — линейная функция темпе- ратуры, изменяющаяся от Т0 = 20 оС до Тпл = = 1470 оС. Расчеты показали, что ширина зоны полного превращения γ′+γ→γ с последующим выпадением мелкодисперсной γ′-фазы соответствует экспери- ментально определенной ширине ЗТВ при сварке Рис. 6. Модельная поликристаллическая структура (а) и ап- проксимационные расчетные зависимости механических ха- рактеристик сплава IN738LC от температуры и размера γ′-фазы (б): 1, 4 — 50…150 нм; 2, 3 — 400…900 нм; точки — эксперимент [3] Рис. 7. Расчетные зависимости, полученные для модельного поликристалла в условиях термического цикла нагрев–ох- лаждение: а — распределение температуры в металле ЗТВ в процессе нагрева; 1–7 — участки, для которых проводились расчеты поведения поликристаллической структуры; б — эволюция максимальной интенсивности напряжений в поликристаллической структуре участков 1–7 на разном рас- стоянии от линии сплавления; в — изменение температуры и приращение объемной деформации εkk: 1–5 — см. в тексте 10/2012 7 образцов, имеющих начальную температуру 20 °С. Максимальный перепад температуры в пределах 300 мкм (размер рассматриваемого по- ликристаллического фрагмента) зафиксирован в ЗТВ вблизи линии сплавления и не превышает 100 °С. Проанализируем напряженно-деформирован- ное состояние, возникающее в поликристалличес- кой структуре на расстоянии около 0,65 мм от линии сплавления. В предположении, что темпе- ратура в зоне шва достигает температуры плав- ления Tпл = 1470 °С, на расстоянии 0,45...0,65 мм от линии сплавления перепад температуры на гра- ницах поликристаллического мезообъема сос- тавил около 90 °С (см. рис. 7, а). В процессе адиабатического нагрева (участок 1-2, рис. 7, в) в поликристаллическом материале, находящемся в условиях стесненной деформации, возникают сжимающие напряжения (рис. 8, а). Границы зерен являются источниками ярко вы- раженной концентрации напряжений с самого на- чала термического нагружения (рис. 9, а). Мак- симальный уровень напряжений отмечен вблизи тройных стыков зерен с наиболее отличными ме- ханическими характеристиками. Здесь происхо- дит зарождение и развитие пластических сдвигов при последующем нагружении (рис. 9, в, г). Пер- вые пластические сдвиги наблюдаются вблизи линии сплавления. По мере нагрева в пластичес- кую деформацию вовлекаются более отдаленные от шва участки металла ЗТВ. На стадии охлаждения до комнатной темпе- ратуры (участок 3-5, рис. 7, в) средний уровень напряжений падает, однако в локальных областях поликристалла вблизи границ зерен, испытавших пластическую деформацию, остаточные напряже- ния на расстоянии 0,65 мм от линии сплавления достигают около 700 МПа (рис. 7, б). Моделирование разрушения в задачах меха- ники сред со структурой связано с определенными трудностями, поскольку такая постановка пре- дъявляет крайне высокие требования к разреше- нию расчетной сетки. Вместе с тем некоторые выводы о возникновении горячих трещин в ме- талле ЗТВ можно сделать на основе анализа эво- люции напряженно-деформированного состояния в рамках неравновесной термодинамики и физи- ческой мезомеханики [9, 10]. В этих работах эк- спериментально показано и теоретически обос- новано, что поры и микротрещины в нагруженном материале зарождаются в зонах объемного рас- тяжения. В связи с этим рассмотрим приращение объемной деформации в процессе термического цикла нагрев–охлаждение. На рис. 7, в приведены зависимости приращения максимальной и мини- мальной объемной деформации εkk от темпера- туры. Разброс относительно среднего уровня обусловлен неоднородным напряженно-деформи- рованным состоянием, реализующимся вблизи границ зерен. На стадии нагрева (участки 1-2, рис. 7, в) объемная деформация сжатия увеличи- вается в соответствии с ростом температуры, а также увеличивается разброс, связанный с лока- лизацией деформации вблизи границ зерен. На стадии охлаждения (участки 3-5, рис. 7, в) мате- риал стремится вернуться в исходное состояние, объемное сжатие уменьшается, однако разброс ло- кальных деформаций относительно среднего уровня сохраняется, что связано с развитием плас- тической деформации в процессе предыдущего нагружения. Наконец, на стадии 4-5 (рис. 7, б) локальная объемная деформация выходит в положительную область, что означает появление локальных зон объемного растяжения (рис. 8, б). Эти зоны, рас- положенные вблизи границ пластически дефор- мированных зерен (ср. рис. 8, б и 9, г), являются потенциальными источниками возникновения го- рячих трещин при условии, что интенсивность напряжений здесь достигает величины временно- го сопротивления на растяжение. Как показали расчеты, проведенные для поликристаллов, кото- рые находятся в разных областях металла ЗТВ, такие условия реализуются в пределах около 0,7 мм от линии сплавления. Эволюция напряженно-деформированного со- стояния в металле ЗТВ является крайне сложным Рис. 8. Давление в металле ЗТВ на расстоянии 0,65 мм от линии сплавления (T = 1100 °С) в точках 4 (а) и 5 (б) термического цикла (см. рис. 7, в) 8 10/2012 процессом, что связано как нелинейной зависи- мостью механических свойств от температуры, так и структурными превращениями вблизи линии сплавления. Проанализируем изменение интенсивности напряжений в металле ЗТВ в процессе термичес- кого цикла нагрев–охлаждение. Кривые макси- мальной интенсивности напряжений в различных участках металла ЗТВ приведены на рис. 7, б. Сопоставим их с изменением температуры в про- цессе термического цикла (рис. 7, в). На начальной стадии нагрева во всех рассмотренных участках ЗТВ отмечен линейный рост напряжений со ско- ростью, соответствующей скорости роста темпе- ратуры в соответствующих участках металла ЗТВ. С началом развития пластических сдвигов на всех кривых обнаружен излом, после которого кривые 1-6 на рис. 7, б демонстрируют падение напря- жений, а напряжения в области, наиболее далекой от линии сплавления, продолжают расти (кривая 7). Такой характер эволюции напряженно-дефор- мированного состояния в различных областях ме- талла ЗТВ определяется двумя конкурирующими процессами — увеличением напряжений, связан- ным с дальнейшим нагревом, и падением предела текучести в области высоких температур. При достижении максимальной температуры нагрева все кривые выходят на стационарный уровень, соответствующий участку 2-3 (рис. 7, в) терми- ческого цикла, после которого начинается охлаж- дение. В начале охлаждения ход кривых также определяется двумя конкурирующими процесса- ми, с одной стороны, со снижением температуры происходит восстановление предела текучести и материал начинает увеличивать сопротивление деформации сжатия, с другой — происходит раз- грузка, связанная как с охлаждением, так и с раз- витием пластических сдвигов. Таким образом, в различных участках металла ЗТВ в зависимости от расстояния до линии сплавления происходит увеличение или падение локальных напряжений (ср. кривые 1–7, рис. 7, б). В конце стадии ох- лаждения все кривые демонстрируют подъем, свя- занный с появлением деформаций растяжения. Наибольший уровень остаточных напряжений отмечен вблизи границ пластически деформиро- ванных зерен в пределах 0,7 мм от линии сплав- ления (кривые 4–7, рис. 7, б). Эти области являются потенциальными зонами развития го- рячих трещин, которые затем распространяются вдоль границ зерен по направлению к основному металлу. Заключение В работе экспериментально и численно исследо- вана эволюция напряженно-деформированного состояния в металле ЗТВ жаропрочного никеле- вого сплава в условиях сварочного цикла. Особое внимание уделено оценке локальных напряжений и деформаций на мезоуровне, где важную роль играют границы зерен. Экспериментальные и чис- ленные исследования показали, что в процессе нагрева в поликристаллической структуре метал- ла ЗТВ на мезоуровне возникают неоднородные сжимающие напряжения. Источниками мощной концентрации напряжений являются межзерен- Рис. 9. Интенсивность напряжений (а, б) и пластических деформаций (в, г) в металле ЗТВ на расстоянии 0,7 мм от линии сплавления (T* = 1100 °С) в точках 2 (а, в) и 5 (б, г) термического цикла (см. рис. 7, в) 10/2012 9 ные границы, причем максимальный уровень нап- ряжений зафиксирован в окрестности тройных стыков зерен вблизи линии сплавления. В этих областях происходит зарождение пластических сдвигов. На стадии охлаждения вблизи границ пластически деформированных зерен появляются локальные зоны объемного растяжения, в которых происходит зарождение и развитие горячих тре- щин. Микротрещины, зародившиеся у линии сплавления, распространяются вдоль границ зерен по направлению к основному металлу. Рост тре- щин прекращается на таком расстоянии от линии сплавления, где уровня локальных напряжений недостаточно, чтобы обеспечить их дальнейшее продвижение. Рассмотренные модели учитывают далеко не все эффекты, связанные со сложнейшими процес- сами, протекающими в условиях сварочного цик- ла. Разрушение в металле ЗТВ происходит в условиях высокотемпературной ползучести и под действием моментных напряжений. Эти процессы могут быть промоделированы методом возбуди- мых клеточных автоматов с учетом возникающих моментных напряжений. Ведущим механизмом деформации в этом случае являются потоки ло- кальных структурных превращений вдоль линии сплавления в металле ЗТВ, а также по границам зерен в зоне полного превращения γ′+γ→γ→γ+γ′. Эти проблемы будут рассмотрены в дальнейшем. Работа выполнена в рамках совместного про- екта РФФИ с НАН Украины (№ 10-01-90403- Укр). 1. Ющенко К. А., Савченко В. С., Звягинцева А. В. Влияние термообработки и степени легирования на структурные изменения никелевых сплавов // Автомат. сварка. — 2004. — № 7. — С. 14–16. 2. Ющенко К. А., Савченко В. С., Звягинцева А. В. Влияние структурных изменений при высокотемпературном наг- реве на характеристики пластичности никелевых спла- вов // Там же. — 2001. — № 4. — С. 14–18. 3. Ibekwe S. R. , Gabb T. Impulse excitation study of elasticity of different precipitated microstructures in IN738LC at high temperatures // J. of Materials Eng. and Performance. — 2005. — 14. — P. 188–193. 4. Balikci E., Mirshams R. A., Raman A. Tensile strengthening in the nickel-base superalloy IN738LC // Ibid. — 2000. — 9, № 3. — P. 324–329. 5. Характер образования горячих трещин при сварке ли- тых жаропрочных никелевых сплавов / К. А. Ющенко, В. С. Савченко, Н. О. Червяков, А. В. Звягинцева // Ав- томат. сварка. — 2004. — № 8. — С. 35–40. 6. Махненко В. И. Расчетные методы исследований кинети- ки сварочных напряжений и деформаций. — Киев: Наук. думка, 1976. — 320 с. 7. Романова В. А., Балохонов Р. Р. Численное исследование деформационных процессов на поверхности и в объеме трехмерных поликристаллов // Физ. мезомеханика. — 2009. — 12, № 2. — С. 5–16. 8. Wilkins M. Computer simulation of dynamic phenomena. — Berlin: Springer-Verlag, 1999. — 265 p. 9. Панин В. Е., Егорушкин В. Е. Физическая мезомеханика и неравновесная термодинамика как методологическая основа наноматериаловедения // Физ. мезомеханика. — 2009. — 12. — № 4. — С. 7–26. 10. Панин В. Е., Егорушкин В. Е., Панин А. В. Эффект кана- лирования пластических сдвигов и нелинейные волны локализованной пластической деформации и разруше- ния // Там же. — 2010. — 13, № 5. — С. 7–26. Results of experimental and numerical investigations of the processes of deformation and fracture of welded joints on nickel superalloys under conditions of mechanical and thermal loading are given. Structural transformations were investigated, and thermal-deformation processes in the heat-affected zone (HAZ) during the welding cycle were evaluated. The mechanisms of initiation and propagation of hot cracks in HAZ near the fusion line were determined, and local plastic strains under the thermal cycle conditions were assessed. Evolution of the stress-strain state in HAZ was analysed in terms of physical mesomechanics, and conclusions on the role of grain boundaries in the processes of initiation and propagation of cracks were made. Поступила в редакцию 06.07.2012 НОВАЯ КНИГА Акустична емісія при діагностуванні стану сховищ аміаку ВАТ «Одеський при- портовий завод» / За ред. проф. А.Я. Недосєки. — К.: ІНДПРОМ, 2012.— 96 с. — Укр. яз. Альбом може бути корисним для широкого загала інженерів та наукових співробітників технічних спе- ціальностей, а також студентів та аспірантів, що вив- чають явища акустичної емісії. По вопросам реализации просьба обращаться в редакцию журнала «Автоматическая сварка» 10 10/2012

Эксперимент и моделирование термодеформационных процессов в сварных соединениях жаропрочных никелевых сплавов

Репозитарії

Схожі ресурси