Контактное упрочнение

В упругой стадии нагружения мягкая прослойка и соседние участки деформируются однородно и при достижении предела текучести материа-ла мягкой прослойки σ_т^м в ней возникает пластическая деформация, в то время как соседние участки остаются в упругом состоянии. При дальней-шем повышении нагрузки и деформации коэффициент поперечной дефор-мации в прослойке будет выше, чем у соседнего металла.

В меру развития пластической деформации в прослойке m®0,5, в то время как в упругих частях m = 0,3. Через неодинаковую поперечную де- формацию возникают касательные напряжения, максимальные на плоскос-тях растяжения. Они будут препятствовать поперечному сужению прос- лойки в направлении толщины листа. Чем уже прослойка, то есть чем ме-ньше c = h/d, тем меньшее поперечное сужение получает прослойка к мо-менту возникновения в ней средних истинных разрушающих напряжений s_ср.р. Так как среднее истинное разрушающее напряжение s_ср.р изменяется мало, то в более узких мягких прослойках площадь утоненного поперечно-го сечения прослойки F_у к моменту разрушения будет больше, а следова-тельно, будет большей и разрушающая сила P_р:

P_р= σ _ср.р F_у. (6.4)

В этом заключается эффект контактного упрочнения. Но повышение Р_р не может происходить беспредельно, так как соседние с мягкой про -

слойкой более прочные участки также при определенных условиях начнут пластично деформироваться. Чем более прочны соседние зоны, тем боль-ше эффект контактного упрочнения. Твердые прослойки, находящиеся ря-дом с мягкими, усиливают этот эффект. Идеальный случай работы мягкой прослойки, когда соседние с прослойкой участки металла считаются абсо-лютно твердыми, не способными к деформированию, соответствует вы-полнению условий плоской деформации. В этом случае временное сопро-тивление сварного соединения с мягкой прослойкой s^/_В можно опреде-лить по формуле (6.2):

Кc = (p + 1/c)/(2 3), (6.5)

где Кc – коэффициент контактного упрочнения в случае плоской деформации .

Если прослойка не идеально прямоугольная, как это бывает в свар-ных соединениях, то

c = F/ s ², (6.6)

где F – площадь поперечного сечения прослойки.

Прочность сварного соединения достигнет прочности соседнего, более прочного металла, если временное сопротивление σ_В станет равным σ_в^т более прочного металла. При этом

Кc_пр = σ_в^т/σ_в^м . (6.7)

Определим предельную относительную толщину прослойки c_пр, при которой достигается равнопрочность сварного соединения:

c_пр = 1/(2 Кc_гр – p). (6.8)

Например, если s^т_в/s_в^м = 1,2, то по формуле (6.8) получаем: c_пр = 1.

При Кc_пр>1,2 относительная толщина мягкой прослойки c_пр должна быть еще меньше. Однако повышение прочности сварного соединения с мягкой прослойкой за счет уменьшения ограничено уровнем истинного разру-шающего напряжения металла мягкой прослойки.

Из рис. 6.7 видно, что в широких прослойках, когда эффект кон-тактного упрочнения еще не наблюдается, относительное сужение Y оста-ется постоянным при уменьшении c, а относительное удлинение D посте-пенно падает по мере уменьшения доли длины участка мягкой прослойки в общей длине образца.

Рисунок 6.7 – Зависимость и от относительной

толщины прослойки

В области контактного упрочнения резко падает, так как возрас-тают поперечные касательные напряжения, препятствующие сужению про-слоек. Удлинение образца при уменьшении также сначала уменьша-ется, но затем, когда реализуется повышение прочности, возрастает, поскольку в пластическую деформацию в большей мере вовлекается ос-новной металл.

При испытании сварных соединений с мягкой прослойкой на разру-шение изгибом разрушающий момент М_р, при котором появляются трещи-ны в прослойке, не зависит от относительной толщины прослойки

(рис. 6.8). Это объясняется тем, что разрушение при изгибе не связано с образованием шейки и изменением размеров поперечного сечения. Поэтому касательные напряжения, действующие вблизи границ мягкой прослойки, хотя и влияют на процесс пластической деформации во время нагружения, но не изменяют существенным образом толщину образца и ее момент сопротивления.

Рисунок 6.8 – Схематическое распределение напряжений при изгибе

полосы с мягкой прослойкой

Разрушение наступает, если максимальное напряжение в крайнем волокне достигает истинного разрушающего напряжения металла мягкой прослойки s_р. Если принять, что зависимость напряжения s от де-формации при s > s_т имеет линейный характер и к моменту разрушения эпюра напряжений в сечении выглядит, как показано на рис. 6.8, то разру-шающий момент равен:

М_р = W (s_р + 0,5s_т), (6.9)

где W – момент сопротивления сечения;

s_т – предел текучести металла мягкой прослойки.