Оценка механических свойств микроструктурных объектов сварных соединений
Рассмотрена методика оценки механических свойств образцов малого размера, основанная на определении микротвердости по глубине внедрения индентора Берковича при непрерывном вдавливании. Проведена оценка технических возможностей данной методики для определения свойств неразъемного соединения интермета...
Gespeichert in:
| Datum: | 2009 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2009
|
| Schriftenreihe: | Автоматическая сварка |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/39068 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Оценка механических свойств микроструктурных объектов сварных соединений / А.Я. Ищенко, Ю.А. Хохлова // Автоматическая сварка. — 2009. — № 1(669). — С. 44-47. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-39068 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-390682025-02-09T20:32:28Z Оценка механических свойств микроструктурных объектов сварных соединений Assessment of mechanical properties of microstructural objects of welded joints Ищенко, А.Я. Хохлова, Ю.А. Производственный раздел Рассмотрена методика оценки механических свойств образцов малого размера, основанная на определении микротвердости по глубине внедрения индентора Берковича при непрерывном вдавливании. Проведена оценка технических возможностей данной методики для определения свойств неразъемного соединения интерметаллида γ-TiAl при диффузионной сварке. Получены статистические данные о локальном распределении микротвердости, определены значения твердости по Берковичу, модуля Юнга и коэффициента пластичности структурных составляющих в зоне диффузионного соединения. Suggested is the procedure for evaluation of micromechanical properties of small-size specimens, based on determination of microhardness in depth of penetration of the Berkovich indenter in a case of continuous indentation. Technical capabilities of this method have been assessed by evaluating properties of the γ-TiAl joints made by diffusion bonding. Statistical data on local distribution of microhardness have been generated, and values of Berkovich hardness, Young modulus and ductility coefficient of structural components within the zone of the diffusion bond have been determined. 2009 Article Оценка механических свойств микроструктурных объектов сварных соединений / А.Я. Ищенко, Ю.А. Хохлова // Автоматическая сварка. — 2009. — № 1(669). — С. 44-47. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/39068 621.791.04:669.018 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 |
Производственный раздел Производственный раздел |
| spellingShingle |
Производственный раздел Производственный раздел Ищенко, А.Я. Хохлова, Ю.А. Оценка механических свойств микроструктурных объектов сварных соединений Автоматическая сварка |
| description |
Рассмотрена методика оценки механических свойств образцов малого размера, основанная на определении микротвердости по глубине внедрения индентора Берковича при непрерывном вдавливании. Проведена оценка технических возможностей данной методики для определения свойств неразъемного соединения интерметаллида γ-TiAl при диффузионной сварке. Получены статистические данные о локальном распределении микротвердости, определены значения твердости по Берковичу, модуля Юнга и коэффициента пластичности структурных составляющих в зоне диффузионного соединения. |
| format |
Article |
| author |
Ищенко, А.Я. Хохлова, Ю.А. |
| author_facet |
Ищенко, А.Я. Хохлова, Ю.А. |
| author_sort |
Ищенко, А.Я. |
| title |
Оценка механических свойств микроструктурных объектов сварных соединений |
| title_short |
Оценка механических свойств микроструктурных объектов сварных соединений |
| title_full |
Оценка механических свойств микроструктурных объектов сварных соединений |
| title_fullStr |
Оценка механических свойств микроструктурных объектов сварных соединений |
| title_full_unstemmed |
Оценка механических свойств микроструктурных объектов сварных соединений |
| title_sort |
оценка механических свойств микроструктурных объектов сварных соединений |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| publishDate |
2009 |
| topic_facet |
Производственный раздел |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/39068 |
| citation_txt |
Оценка механических свойств микроструктурных объектов сварных соединений / А.Я. Ищенко, Ю.А. Хохлова // Автоматическая сварка. — 2009. — № 1(669). — С. 44-47. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
| series |
Автоматическая сварка |
| work_keys_str_mv |
AT iŝenkoaâ ocenkamehaničeskihsvoistvmikrostrukturnyhobʺektovsvarnyhsoedinenii AT hohlovaûa ocenkamehaničeskihsvoistvmikrostrukturnyhobʺektovsvarnyhsoedinenii AT iŝenkoaâ assessmentofmechanicalpropertiesofmicrostructuralobjectsofweldedjoints AT hohlovaûa assessmentofmechanicalpropertiesofmicrostructuralobjectsofweldedjoints |
| first_indexed |
2025-11-30T13:19:33Z |
| last_indexed |
2025-11-30T13:19:33Z |
| _version_ |
1850221555753156608 |
| fulltext |
УДК 621.791.04:669.018
ОЦЕНКА МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МИКРОСТРУКТУРНЫХ
ОБЪЕКТОВ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Чл.-кор. НАН Украины А. Я. ИЩЕНКО, Ю. А. ХОХЛОВА, инж. (Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины)
Рассмотрена методика оценки механических свойств образцов малого размера, основанная на определении микрот-
вердости по глубине внедрения индентора Берковича при непрерывном вдавливании. Проведена оценка технических
возможностей данной методики для определения свойств неразъемного соединения интерметаллида γ-TiAl при
диффузионной сварке. Получены статистические данные о локальном распределении микротвердости, определены
значения твердости по Берковичу, модуля Юнга и коэффициента пластичности структурных составляющих в зоне
диффузионного соединения.
К л ю ч е в ы е с л о в а : диффузионная сварка, сплав γ-TiAl,
алюминид титана, фольга, сварное соединение, механичес-
кие испытания, индентор Берковича, микротвердость, мо-
дуль Юнга, коэффициент пластичности
Развитие новых способов сварки перспективных ма-
териалов требует новых подходов к оценке их ме-
ханических свойств. Полученные сварные соеди-
нения характеризуются малыми размерами и
многообразием структурных составляющих. Испы-
тания таких объектов на прочность обычными раз-
рушающими методами весьма проблематичны, что
сопряжено с влиянием дополнительных внутренних
напряжений, возникающих при изготовлении
изделий, что снижает точность результатов иссле-
дования. В связи с этим предлагается методика
оценки механических свойств диффузионных сое-
динений, основанная на определении микротвер-
дости по глубине внедрения индентора Берковича
при непрерывном вдавливании [1–5]. Указанная ме-
тодика применима для неразрушающего контроля
изделий и позволяет изучать локальные изменения
свойств материалов, включая градиент микротвер-
дости в зонах термического влияния сварных со-
единений.
Для определения механических свойств диф-
фузионных соединений на микрострук-
турном уровне использовали трехгран-
ный индентор Берковича [6]. Он пред-
ставляет собой алмазную пирамиду с
основанием в виде равностороннего
треугольника; ребра пирамиды образу-
ют с осью угол 76°54′, а грани — угол
65°. Преимуществом индентора такой
формы является его остроконечность,
т. е. отсутствие гребня на вершине, не-
избежного для пирамид Виккерса и
Кнупа. Наличие такого гребня приводит
к нарушению геометрического подобия
отпечатков и в свою очередь — к от-
клонению микротвердости от действительных ее
значений в области микроотпечатков. Основными
преимуществами трехгранной пирамиды являют-
ся простота его изготовления и остроконечность,
позволяющая измерять микротвердость таких
твердых тел, как алмазы. При этом отпечатки мо-
гут иметь минимальные размеры. Индентор Бер-
ковича стандартизирован (ISO 14577-2) как инс-
трумент для микро- и наноиндентирования. По
данным работы [7], тестирование микротвердости
таким индентором является наиболее применяе-
мым аналитическим методом контроля меха-
нических свойств современных материалов с тон-
кими структурами. Точность цифровой техники
позволяет осуществлять исследование механичес-
ких свойств микронеоднородностей структуры
материала. Во время испытаний регистрируется
зависимость глубины внедрения индентора от наг-
рузки на него как при ее росте, так и при сни-
жении. Это позволяет получить значения «невос-
становленной» твердости, что исключает влияние
упругого восстановления материала на фактичес-
кое значение микротвердости [8, 9].
В работе проведена оценка технических возмож-
ностей индентирования для определения микроме-
ханических свойств диффузионных соединений γ-
© А. Я. Ищенко, Ю. А. Хохлова, 2009
Рис. 1. Макет диффузионного сварного соединения интерметаллидного
сплава γ-TiAl
44 1/2009
TiAl, полученных с применением наноструктур-
ных метастабильных присадочных фольг (рис. 1).
γ-TiAl — жаропрочный материал (ГЦТ решетка сох-
раняется при 1440 °С) с высоким уровнем сопро-
тивления окислению и горению при температуре
до 900 °С, с низкой плотностью (3,8…4,0 г/см3) и
повышенным модулем упругости (160…175 ГПа
при комнатной температуре и 150 ГПа при
900…1000 °С) является новым перспективным ма-
териалом для производства авиакосмической тех-
ники и альтернативой титановым и никелевым су-
персплавам. Однако его промышленное использо-
вание сдерживается по причине его хрупкости, низ-
кой пластичности и большого сопротивления де-
формированию.
Используемые в соединении присадочные
фольги Cu/Al, Ni, Ti/Al являются многослойными
метастабильными наноструктурами [10], состоя-
щими из чередующихся нанослоев различных ма-
териалов, толщина слоев составляет менее 100 нм,
их количество — несколько тысяч (рис. 2). Бла-
годаря возможности плотного сопряжения слоев
из различных материалов такие наноламинаты яв-
ляются уникальными материалами, сочетающими
качество как слоистых систем, так и специфи-
ческие свойства нанообъектов. Такие многослой-
ные метастабильные структуры состоят из ком-
понентов, которые могут вступать в экзотерми-
ческое взаимодействие между собой [11]. При оп-
ределенных температурных условиях
в такой системе инициируется про-
цесс самораспространяющегося высо-
котемпературного синтеза (СВС). В
результате этого исходная слоистая
структура исчезает, уступая место фа-
зам новых химических соединений,
образованных вследствие взаимо-
действия продуктов синтеза.
Многослойные метастабильные
материалы отличаются рядом преи-
муществ: монолитностью исходной
структуры и отсутствием пор в про-
дуктах реакции; высокой однородностью состава
продукта реакции; малой толщиной исходных
слоев, что позволяет реализовать процессы СВС
с очень высокой скоростью; отсутствием между
слоями оксидных пленок и хорошим контактом
между слоями. Перечисленные выше особенности
делают перспективным их применение в техно-
логии соединения материалов в твердой фазе, ос-
нованной на СВС.
Объектом исследования является четырех-
слойное сварное соединение сплава γ-TiAl (тол-
щина листов 4 мм), полученное диффузионной
сваркой (ДСВ) в течение 20 мин при 600 °С с
применением наноструктурированных метаста-
бильных присадочных фольг Cu/Al, Ni/Al и двой-
ной присадки Cu/Al+Ti/Al. Толщина внутренних
слоев фольги Ti/Al для титана равна 23 нм, для
алюминия — 24 нм. Толщина присадочных фольг
в соединениях в среднем составляет от 0,015 до
0,050 мм.
В исследованиях используется прибор «Мик-
рон-гамма» (рис. 4), предназначенный для опре-
деления механических свойств материалов мето-
дами непрерывного вдавливания индентора, ска-
нирования индентором (склерометрия), металло-
графии и топографии [12].
Компьютеризированная микрозондововая сис-
тема прибора (рис. 3) включает индентор Берко-
вича, шток с датчиком регистрации глубины внед-
Рис. 2. Слоистая структура присадочной наноструктурной фольги (растровая электронная микроскопия) (а) и микрофотогра-
фия (б, 600) прослоек Ti/Al (верхний крупнозернистый слой 1) и Cu/Al (нижний слой 2) в диффузионном сварном
соединении
Рис. 3. Компьютеризированная система с индентором Берковича для испыта-
ния механических свойств диффузионных сварных соединений
1/2009 45
рения индентора, механизм нагружения с широ-
ким диапазоном нагрузок, видеокамеру с разре-
шающей способностью 5 Мпс и микроскоп (с
увеличением 200…1200), автоматизированную
систему позиционирования образца с программой
цифровой навигации по исследуемому объекту,
позволяющую произвести прицельный укол ин-
дентором в выбранный микрообъект структуры.
Для уменьшения вибрации прибор установлен на
виброизолирующей подставке. Перемещение ин-
дентора, замеренное с точностью 1 нм, позволяет
проводить испытания при нагрузке от 0,1 до 500 г
и небольшой глубине отпечатков. Полученная ди-
аграмма нагружение–разгружение состоит из 2000
точек (рис. 5, а). Обработка результатов инден-
тирования осуществляется специализированной
программой, которая позволяет автоматически оп-
ределять значения твердости и модуля Юнга при
регистрации перемещения вершины индентора.
В данном испытании твердость определяли по
максимальной глубине внедрения индентора при
нагрузке 20 г. Каждая серия уколов состояла из
16 последовательных внедрений индентора с ша-
гом 20 мкм. Скорость нагружения составляла 2 г/с
без выдержки. Испытания проводили по схеме:
нагружение/разгружение без выдержки. Расчет-
ные данные сведены в электронную таблицу.
При металлографическом анализе соединения
с наноструктурной прослойкой системы Cu/Al
обнаруживается частичная, а отдельных местах
и полная диффузия прослойки в основной
материал (рис. 5, б). Максимальное значение
микротвердости для этого соединения составило
1,2 ГПа при модуле упругости Юнга Е = 86,9 ГПа
и коффициенте пластичности kпласт = 0,755, а
минимальное — 0,536 ГПа при Е = 61,6 ГПа и
kпласт = 0,853. При металлографическом анализе
соединения с наноструктурной прослойкой Ni/Al
видимой диффузии не обнаружено (рис. 5, в). За-
метна четко выделенная рекристаллизационная
зона на границе основного материала и прослойки
с повышенными значениями микротвердости.
Максимальное значение микротвердости этой зоны
Рис. 4. Прибор «Микрон-гамма»
Рис. 5. Диаграмма нагружение–разгружение при индентировании соединения с прослойкой Ni/Al (а) и микрофотографии
( 600) наноструктурных прослоек Cu/Al (б), Ni/Al (в) и Cu/Al с Ti/Al (г) с отпечатками ( ) индентора
46 1/2009
составляет 1,905 ГПа при Е = 121,9 ГПа и kпласт =
= 0,705, а минимальное значение микротвердости
— 0,432 ГПа зафиксировано в центральной части
прослойки при Е = 89,8 ГПа и kпласт = 0,938. При
металлографическом анализе соединения с двумя
наноструктурными прослойками систем Cu/Al и
Ti/Al заметна незначительная диффузия прос-
лойки Cu/Al с образованием крупнозернистой
интерметаллидной прослойки темного цвета и
формирование однородного шва из прослойки
Ti/Al (рис. 5, г). Градиент изменения микротвер-
дости и модуля упругости для этих прослоек нез-
начительный. Среднее значение микротвердости
прослойки системы Ti/Al составило 1,972 ГПа при
усредненном Е = 159,8 ГПа и kпласт = 0,781, а прос-
лойки системы Cu/Al — 1,180 ГПа при Е =
= 120,3 ГПа и kпласт = 0,823.
Таким образом, получены статистические дан-
ные локального распределения микротвердости в
зоне термического воздействия сварного диффу-
зионного соединения сплава γ-TiAl. Точность
цифровой видеонавигации и прицельного укола
индентором позволила выявить и проинден-
тировать микронеоднородности структуры в виде
отдельных выделений интерметаллидов в прос-
лойке, а также зоны с различными значениями
микротвердости. Нежелательное изменение мик-
ротвердости необходимо рассматривать и учи-
тывать в комплексе с изменениями модуля
упругости Юнга и коэффициента пластичности.
1. Oliver W. C., Pharr G. M. An improved technique for deter-
mining hardness and elastic modulus using load and displa-
cement sensing indentation experiments // J. Mater. Res. —
1992. — № 7. — P. 1564–1570.
2. Глазов В. М., Вигдорович В. Н. Микротвердость метал-
лов и полупроводников. — М.: Металлургия, 1969. —
248 с.
3. Григорович В. К. Твердость и микротвердость металлов.
— М.: Наука, 1976. — 230 с.
4. Булычев С. И., Алехин В. П. Испытание материалов неп-
рерывным вдавливанием индентора. — М.: Машиност-
роение, 1990. — 224 c.
5. Новые принципы, техника и результаты исследования
динамических характеристик твердых тел в микро-
объемах / Ю. С. Головин, А. И. Тюрин, В. И. Иволгин,
В. В. Коренков // Журн. техн. физ. — 2000. — 70,
вып. 5. — С. 82–83.
6. www/microstartech.com.
7. NASA/TM-2002-211497. Surface characterization techniques
/ Karuhisa Miyoshi. — National Aeronautics and Space Ad-
ministration. — Glenn Research Center, 2002. — 46 p.
8. Алехин В. П. Физика прочности и пластичности поверх-
ностных слоев материалов. — М.: Наука, 1983. — 281 с.
9. Oliver W. C., Pharr G. M. Measurement of hardness and
elastic modulus by instrumented indentation: Advances in
understanding and refinements to methodology // J. Mater.
Res. — 2004. — № 9. — P. 3–20.
10. The experimental ion-assisted deposition equipment for pro-
ducing the multilayers materials / N. G. Elistratov, A. N. No-
syrev, V. I. Khvesyuk, P. A. Tsygankov // www: plasma-
lab.ru//multilayers_r.html.
11. www://vimi.ru/applphys/2001/2/f3-2/htm.
12. А. с. 373581 СССР, МКИ G 01 N 3/42. Прибор для испы-
таний материалов на микротвердость / В. В. Запорожец,
И. М. Закиев, Ю. А. Никитин. — Опубл. 07.02.93; Бюл.
№ 5.
Suggested is the procedure for evaluation of micromechanical properties of small-size specimens, based on determination
of microhardness in depth of penetration of the Berkovich indenter in a case of continuous indentation. Technical capabilities
of this method have been assessed by evaluating properties of the γ-TiAl joints made by diffusion bonding. Statistical data
on local distribution of microhardness have been generated, and values of Berkovich hardness, Young modulus and ductility
coefficient of structural components within the zone of the diffusion bond have been determined.
Поступила в редакцию 01.04.2008
ПРИМЕНЕНИЕ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ И ГНУТЫХ ПРОФИЛЕЙ
В УНИКАЛЬНЫХ СООРУЖЕНИЯХ И МАССОВОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ
12 марта 2009 г. Москва, Россия
Приглашаем Вас принять участие в Международной научно-практической конференции, которая
пройдет в Международном выставочном центре «Крокус Экспо» в рамках выставки METALBUILD
2009.
Организатор конференции: ЦНИИПСК им. Мельникова, выставочный оператор М-ЭКСПО
Спикер конференции: Эдуард Айрумян, главный специалист ЗАО «ЦНИИПСК им. Мельникова»
Основные темы
• Расчет конструкций и проектирование
• Гнутые и гнуто-сварные профили
• Изготовление, монтаж и возведение металлических конструкций
• Современные технологии изготовления и монтажа
• Защита от коррозий и огнестойкость конструкций
Контакты: +7 (495) 956 4822; +7 (903) 203 4176; www.metal-build.ru
1/2009 47
|