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
Опубліковано в: :	Автоматическая сварка
Дата:	2014
Автори:	Колесар, И.А., Ермолаев, Г.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2014
Теми:	Кафедре сварочного производства 55 лет
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.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	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-103486
record_format	dspace
spelling	Колесар, И.А. Ермолаев, Г.В. 2016-06-16T14:16:49Z 2016-06-16T14:16:49Z 2014 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. https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/103486 621.791.4:539.378.3 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. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Кафедре сварочного производства 55 лет Напряженно-деформированное состояние при силовом и температурном нагружении узлов из разнородных сталей с мягкой прослойкой Stress-strain state at force and temperature loading of components from dissimilar steels with a soft interlayer Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Напряженно-деформированное состояние при силовом и температурном нагружении узлов из разнородных сталей с мягкой прослойкой
spellingShingle	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
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
author	Колесар, И.А. Ермолаев, Г.В.
author_facet	Колесар, И.А. Ермолаев, Г.В.
topic	Кафедре сварочного производства 55 лет
topic_facet	Кафедре сварочного производства 55 лет
publishDate	2014
language	Russian
container_title	Автоматическая сварка
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
format	Article
title_alt	Stress-strain state at force and temperature loading of components from dissimilar steels with a soft interlayer
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.
url	https://nasplib.isofts.kiev.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.
work_keys_str_mv	AT kolesaria naprâžennodeformirovannoesostoânieprisilovomitemperaturnomnagruženiiuzlovizraznorodnyhstaleismâgkoiprosloikoi AT ermolaevgv naprâžennodeformirovannoesostoânieprisilovomitemperaturnomnagruženiiuzlovizraznorodnyhstaleismâgkoiprosloikoi AT kolesaria stressstrainstateatforceandtemperatureloadingofcomponentsfromdissimilarsteelswithasoftinterlayer AT ermolaevgv stressstrainstateatforceandtemperatureloadingofcomponentsfromdissimilarsteelswithasoftinterlayer
first_indexed	2025-11-26T23:35:12Z
last_indexed	2025-11-26T23:35:12Z
_version_	1850781480743075840
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