Оценка предельной нагрузки сварных соединений высокопрочных сталей с учетом их механической и геометрической неоднородности

Автор: Сапожников С.Б., Иванов М.А., Щербаков И.А.

Журнал: Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика @vestnik-pnrpu-mechanics

Статья в выпуске: 1, 2020 года.

Бесплатный доступ

Рассмотрены проблемы, возникающие при численной оценке предельной нагрузки сварного соединения высокопрочных сталей с незначительным упрочнением. На примере наплавки проволокой валика на пластину из высокопрочной стали смоделирован концентратор напряжений в узле перехода от наплавленного к основному металлу. Использование сварочной проволоки с пределом текучести меньшим, чем у основного металла, позволило смоделировать участки сварного соединения с неоднородными механическими свойствами. Изучена геометрия трех участков сварного соединения: металла сварного шва, зоны термического влияния (ЗТВ) и основного металла. Механические свойства всех трех участков определены расчетно-экспериментальным путем. Для этого предлагается считать материал во всех участках идеально упругопластическим, а предел текучести однозначно связать с твердостью в зоне индентирования (использован алмазный конус Роквелла). Расчеты процесса неупругого индентирования методом конечных элементов (МКЭ) в осесимметричной постановке позволили получить линейную связь твердости с пределом текучести с коэффициентом 0,418. Испытания при квазистатическом трехточечном изгибе (с растяжением в участке наплавки) проведены на образцах-балках, вырезанных перпендикулярно направлению наплавки. Получены диаграммы «усилие - прогиб», которые сравниваются с расчетными кривыми (МКЭ в трехмерной постановке с явным учетом сложной конфигурации всех участков и различных пределов текучести в участках, определенных по локальным значениям твердости). Расчетные и экспериментальные предельные нагрузки хорошо согласуются. Предлагаемая методика трехстадийного исследования (определение локальной твердости, пределов текучести в участках и предельной нагрузки) может эффективно использоваться для оценки предельных нагрузок сварных соединений ввиду малопараметричности предлагаемых моделей неупругого деформирования материалов в участках, для которых невозможно изготовление стандартных образцов для исследования механических свойств. Проведенное экспериментальное исследование влияния усиления шва с концентратором напряжений в виде угла в 90° на величину предельной нагрузки при изгибе показало, что снятие наплавленного металла не приводит к росту предельной нагрузки сварного соединения при использовании сварочной проволоки из малоуглеродистой высокопластичной стали.

Еще

Сварное соединение, высокопрочная сталь, индентирование, предельная нагрузка, мкэ, механическая неоднородность, геометрическая неоднородность

Короткий адрес: https://sciup.org/146281984

IDR: 146281984 | DOI: 10.15593/perm.mech/2020.1.08

Список литературы Оценка предельной нагрузки сварных соединений высокопрочных сталей с учетом их механической и геометрической неоднородности

Shome M., Tumuluru M. Welding and Joining of Advanced High Strength Steels –2015. – 190 p. DOI: 10.1016/C2013-0-16259-9
Phillips D.H. Welding Engineering: An Introduction. – 2015. – 275 p. DOI: 10.1002/9781119191407
Lippold J.C. Welding Metallurgy and Weldability. – 2014. – 400 p. DOI: 10.1002/9781118960332
Ueda Y., Murakawa H., Ma N. Welding Deformation and Residual Stress Prevention. – 2012. – 292 p. DOI: 10.1016/C2011-0-06199-9
Хромченко Ф.А. Сварочные технологии при ремонтных работах: справочник. – М.: Интермет Инжиниринг, 2005. – 368 с.
Лившиц Л.С., Хакимов А.Н. Металловедение сварки и термическая обработка сварных соединений. – М.: Машино-строение, 1989. – 336 с.
Шахматов М.В., Ерофеев В.В., Коваленко В.В. Работо-способность и неразрушающий контроль сварных соединений с дефектами. – Челябинск: ЦНТИ, 2000. – 227 с.
Yuan M.G., Ueda Y. Prediction of residual stresses in welded T- and I-joints using inherent strains // Journal of Engi-neering Materials and Technology, Transactions of the ASME. – 1996. – Vol. 118 (2). – Р. 229–234. DOI: 10.1115/1.2804892
Heiple C.R., Roper J.R. Mechanism for minor element effect on GTA fusion zone geometry // Welding Journal. – 1982. – Vol. 61 (4). – Р. 97–102.
Liinalampi S., Remes H., Romanoff J. Influence of three-dimensional weld undercut geometry on fatigue-effective stress // Welding in the World. – 2019. – Vol. 63. (2). – Р. 277–291. DOI: 10.1007/s40194-018-0658-7
Sonsino C.M., Bruder T., Baumgartner J. S-N lines for welded thin joints – Suggested slopes and fat values for applying the notch stress concept with various reference RADII // Welding in the World. – 2010. – Vol. 54 (11–12). – Р. R375-R392. DOI: 10.1007/BF03266752
Laitil, J., Larkiola J., Porter D. Effect of forced cooling af-ter welding on CGHAZ mechanical properties of a martensitic steel // Welding in the World. – 2018. – Vol. 62 (6). – Р. 1247–1254. DOI: 10.1007/s40194-018-0617-3
Ling K., Huang X. Discussion of HAZ crack initiation be-haviour of mismatched welded joints // Hanjie Xuebao / Transac-tions of the China Welding Institution. –2019. – Vol. 40 (1). – Р. 124–130. DOI: 10.12073/j.hjxb.2019400025
Effects of HAZ softening on the strength and elongation of resistance spot-welded joints in high-strength steel sheet in an in-plane tensile test / F. Hiroki, H. Kouichi, O. Toru, F. Hidetoshi // Welding International. – 2018. – Vol. 32 (7). – Р. 513–525. DOI: 10.1080/01431161.2017.1346890
The effect of mechanical heterogeneity and limit load of a weld joint with longitudinal weld crack on the J-integral and failure assessment curve / Y.P. Lei, Y.W. Shi, H. Murakawa, Y. Luo // Inter-national Journal of Pressure Vessels and Piping. – 1998. – Vol. 75 (8). – Р. 625–632. DOI: 10.1016/S0308-0161(98)00067-2
International Association of Classification Societies. Re-quirements concerning. Materials and Welding. – 2016. – 320 p.
Ling K., Wang Z.-D., Xuan F.-Z. Numerical Studies of Estimation of Fracture Parameters for Mismatched Welded Joints with HAZ Cracks // Journal of Iron and Steel Research Interna-tional. – 2015. – Vol. 22 (9). – Р. 846–851. DOI: 10.1016/S1006-706X(15)30079-0
Welding effect on tensile strength of grade S690Q steel butt joint / C. Chen, S.-P. Chiew, M.-S. Zhao, C.-K. Lee, T.-C. Fung // Journal of Constructional Steel Research. – 2019. – Vol. 153. – Р. 153–168. DOI: 10.1016/j.jcsr.2018.10.009
Experimental study on the behavior of mismatched butt welded joints of high strength steel / M.-M. Ran, F.-F. Sun, G.-Q. Li, A. Kanvinde, Y.-B. Wang, R.Y. Xiao // Journal of Constructional Steel Research. – 2019. – Vol. 153. – Р. 196–208. DOI: 10.1016/j.jcsr.2018.10.003
Experimental and numerical study of high-strength steel butt weld with softened HAZ / F. Sun, M. Ran, G. Li, R.Y. Xiao, Y. Wang // Proceedings of the Institution of Civil Engineers: Structures and Buildings. – 2018. – Vol. 171 (8). – Р. 583–597. DOI: 10.1680/jstbu.16.00102
Costa M.I., Rodrigues D.M., Leitão C. Analysis of AA 6082-T6 welds strength mismatch: stress versus hardness relationships // Interna-tional Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2015. – Vol. 79 (5–8). – Р. 719–727. DOI: 10.1007/s00170-015-6866-z
Макровец М.П. Определение механических свойств металлов по твердости. – М.: Машиностроение, 1979. – 191 с.
The stress-strain state and failure of structural elements with sharp stress concentrators under bending / S.B. Sapozhnikov, M.A. Iva-nov, S.I. Yaroslavtsev, I.A. Shcherbakov // PNRPU Mechanics Bulletin. – 2017. – No. 4. – P. 5–20. DOI: 10.15593/perm.mech/2017.4.04
Сталь высокопрочная 18ХГНМФР [Электронный ресурс]. – URL: https://arsenal-detal.tiu.ru/p295133361-stal-vysokoprochnaya-18hgnmfr.html (дата обращения: 04.02.2020).
Характеристики материала 08Г2С [Электронный ресурс]. – URL: http://splav-kharkov.com/mat_start.php?name_id=402 (дата обращения: 04.02.2020).

Еще

Статья научная