CC BY
9
I СТРУКТУРОУТВОРЕННЯ. ОП1Р РУЙНУВАННЮ ТА Ф1ЗИКО-МЕХАН1ЧН1 ВЛАСТИ ВОСТ1
УДК 621.791:669.71
Д-р техн. наук I. О. Вакуленко1, д-р техн. наук О. А. М^яев2, С. О. Пл^ченко1
1 Днтропетровський нацюнальний ушверситет зал1зничного транспорту ¡м. академ1ка В. Лазаряна,
м. Днтропетровськ
2 Запор1зький нац1ональний техн1чний уыверситет, м. Запор1жжя
ПРО СТРУКТУРЫI ПЕРЕТВОРЕННЯ ПРИ ЗВАРЮВАНН1 ТЕРТЯМ З ПЕРЕМ1ШУВАННЯМ АЛЮМ1Н1СВОГО СПЛАВУ
РозглянутI питання оцгнки субструктурних перетворень при зварюваннI тертям з перемгшуванням алюмгнгевого сплаву. Виявлено свгдчення впливу дислокацгйного механизму змгцнення при використаннг технологизварювання тертям з перемгшуванням.
Ключовi слова: температура, зварювання тертям з перемгшуванням, структура, дислокацИ.
Вступ
Ш^вняно з технолопями зварювання, коли форму-вання нероз'емного з'еднання обумовлене розвитком процеав розплавлення i кристалiзацi!, технолопя зварювання тертям з перемiшуванням не передбачае змiну агрегатного стану металевих матерiалiв [1]. За характером впливу на процеси структурних перетворень в об'емах металу зварного шва, у першому наближеннi, наведена технолопя може бути ввднесена до технологш електричного контактного зварювання. На шдо:^ цьо-го пiдтримка незмшними умови оптимального спiввiдношення м1ж температурою розiгрiву з'еднуваль-них кромок i швидк1сними параметрами роботи спец-iального iнструменту е запорукою формування яшс-ного зварного шву Дiйсно, як сввдчить аналiз величез-ного експериментального матерiалу [1-3], незначнi ввдхилення ввд оптимального спiввiдношення мiж тем-пературно-швидшсними характеристиками процесу супроводжуються рiзким зниженням мiцностi зварного з'еднання. На пiдставi цього можна з певною упев-ненiстю вважати, що досягнення необхiдного рiвня якостi зварного з'еднання, сформованого за техноло-гiею тертя з перемiшуванням, буде визначатися спро-можнiстю металу до пластично! течи. У бiльшостi ви-падов при застосуванш наведено! технологi! температура розiгрiву з' еднувальних кромок сягае до 80.. .90 % вiд температури розплавлення металу [2]. З урахуван-ням цього, рiвень пластичностi металу повинен неодм-iнно визначатися спiввiдношенням мiж процесами
змшнення та анiгiляцi! дефекпв кристалiчно! будови, що беруть участь у забезпеченш умов безперервностi роз-повсюдження пластично! деформаци.
Мета роботи
Метою роботи е оцшка розвитку процесiв структурних змiн при формувант зварного з' еднання за тех-нологiею тертя з перемiшуванням.
Матерiал i методика досл1джень
Як матерiал для проведення дослiджень був викори-станий сплав на основi алюмшш марки АМг5 з хiмiчним складом 4,8 % 0,5 % Мп, 0,36 % Бе, решта А1. Зва-рювання проводили на пластинах товщиною 2,5 мм. Процес зварювання за технолопею тертя з пере-мiшуванням проводили на спещально пристосовано-му верстатi для свердлiння. У патронi верстата фшсува-ли розроблений робочий iнструмент (рис. 1). Шсля ре-тельно! пiдготовки кромок пластини фжсувалися на столi верстата, який спроможний перемiщуватися в по-трiбному напрямку i з заданою швидюстю. Пiсля включения верстата робочий шструмент, що обертаеться, тд дiею необхвдного рiвня навантаження занурюеться в метал по лiнi! з'еднання пластин. Шсля торкання по-верхт пластин заплечиком (рис. 1, позн. 2), стш верстата починае перемiщуватися таким чином, щоб штифт (рис. 1, позн. 1) при обертанш рухався уздовж з'едну-вальних кромок [1, 2].
© I. О. Вакуленко, О. А. М1тяев, С. О. Пл1тченко, 2014 8
СТРУКТУРОУТВОРЕННЯ. ОП1Р РУЙНУВАННЮ ТА Ф1ЗИКО-МЕХАН1ЧН1 ВЛАСТИВОСТ1
Рис. 1. Схематичний вигляд робочого шструменту: 1 - штифт, 2 - заплечик
Оцшку процеав структурных змш у метал1 тсля формування зварного з'еднання здшснювали з викори-станням метод1в рентгешвського структурного анал1зу. Визначали густину дислокацш, стутнь викривлень шшого роду, розм1р областей когерентного розаюван-ня.
Результати дослiджень i Ух обговорення
У результат взаемодп штифта робочого шструмен-ту з металом кромки з' еднувальних пластин по всш тов-щиш роз1гр1ваються до надпластичного стану. При цьо-му !х пластичних властивостей повинно бути достат-ньо, щоб забезпечити необх1дний р1вень перемшування металу (переносу в1д одше! пластини до шшо!). Роль, яку виконуе заплечик, - це шдтримка необхвдного р1вня заглажування роз1гриого металу при формуванш зони зварного шва. Зовшшнш вигляд сформованого зварного шва за технолопею тертя з перем1шуванням наведено на рис. 2. Сл1ди в1д взаемодп заплечика робочого шструменту з поверхнею з'еднувальних пластин, що в1зуально спостер1гали, дозволяють ошнити яшст по-казники зварного шва.
При температурах нижчих ввд оптимального значен-ня Т0, коли пластичних властивостей металу не достат-ньо для досягнення потр1бного р1вня його перем1шу-вання, слвди стають груб1шими, з явними ознаками ви-рив1в дисперсних фрагменпв (рис. 2, а). В додаток до цього, в зварному шв1 можна спостер1гати д1лянки з ввдсутшстю сущльносп металу по кромках з'еднання.
Рис. 2. Зовшшнш вигляд поверхш зварного шва залежно вщ умов роботи iнструмента:
а - температура суттево нижча вщ оптимального значення (Т0), б - наближаеться до Т0
За умов, коли досягаеться перегр1в металу до температур вищих в1д оптимального значення, як показано в роботах [1], зона терм1чного впливу 1 область шва ма-ють властивосп мщносп значно нижчого р1вня пор1вня-но з вихвдним станом.
Таким чином, як недостатнш роз1гр1в металу по з' еднувальних кромкам, так 1 перегр1в, негативно впли-вають на як1сть зварного з'еднання за умов реал1зацп технологи тертя з перемшуванням.
Анал1з ввдомих [1, 2] 1 отриманих результата указуе, що головним показником, який визначае як1сть зварного з'еднання, сл1д вважати стутнь перем1шування металу. Дшсно, якщо уявити, що формування зварного шва визначаеться не ильки величиною пластичних властивостей, але й забезпеченням необхщного р1вня перемшування металу ввд роботи шструменту, виникнен-ня внутр1шшх порожнин може розглядатися як сввдчен-ня порушення умов безперервносп розповсюдження деформацп. З шшого боку, наявшсть ознак розвитку процеав деформацшного змщнення при високих температурах пластичного деформування [4] вказують на часткову участь дислокацшного мехашзму при зварю-ванш тертям з перем1шуванням. При збшьшенш тем-ператури пластично! деформацп роль процеав деформацшного змщнення на характер поведшки металу зни-жуеться, а пом'якшення зростае.
Напруження течи металу (ст) за умов досягнення надпластичного стану визначаеться за стввщношенням
[4]:
ст = Кё"
(1)
де К - коефщент, що визначае вплив типу кристал1ч-но! решики, ё - розм1р зерна металево! матрищ, Ь -показник ступеня.
З анал1зу наведеного сшввщношення визначаеться роль розм1ру зерна в досягненш високих р1вшв плас-тичносп. З урахуванням того, що для бшьшосп метале-вих матер1ал1в Ь ^ 1, зменшення ё буде супроводжу-ватися зниженням р1вня дшчого напруження. При по-рушенш балансу м1ж накопиченням дислокацш у процеа пластично! течп 1 розвитком !х атпляцп, буде вщбуватися вщхилення в1д оптимальних умов деформацп, як1 в свою чергу мають вигляд:
(2)
2ст
де т - коефщент чутливосп до швидкосп деформацп, ст^ - певне напруження, за ф1зичним зм1стом дор1внюе напруженню необерненого руху дислокацш (ст0). У свою чергу величина ст0 входить до складу р1вняння
криво! деформацп (ст = ст0 + кг" ) [5]. Шсля замши ст1 на ст0 , умови (2) можна переписати:
кг" 2ст :
(3)
ст-ст
т =
1607-6885 Новi матерiали i технологи в металургп та машинобудувант №1, 2014
9
Враховуючи пропорцшний зв'язок величини m з пластичтстю металевих матерiалiв [4], наближення до надпластичного стану досягають збшьшенням m. Так, з аналiзу (3) випливае, що максимальне значення показ-ника ступеня m буде дорiвнювати 0,5 за умов, коли n = 0 i k ист. З шшого боку, виконання залежностi (3) вказуе на юнування впливу ввд дислокацiйного мехашзму пластично! деформацii при досягненш максимально! пла-стичностi.
Рис. 3. Вигляд фрагмента фольги (1), який видавлений з тд заплечика при проходженш робочого шструменту
Оц1нка параметрiв тонкокристалiчно! будови досл> джуваного сплаву проводили по двох штерференщях (111) i (311), на фрагментi тонко! фольги, що була видав-лена шсля проходження робочого iнструменту (рис. 3). З урахуванням вiдсутностi розвитку процесiв полiмор-фного перетворення при охолоджент фольги, порiвня-но з вихвдним станом збiльшення щiльностi дислокацш (Р) (приблизно в 2,5 рази) i викривлень шшого роду (Ц ) в 1,5 раза, сввдчать про вплив приросту шлькосп дефекгiв кристалiчно! будови. Одночасно з цим розмiр областей когерентного розсшвання (l) залишився практично незмiнним.
Таким чином, за ощнками ствввдношення мiж про-цесами змiцнення i пом'якшення можна визначати тех-нологiчнi параметри зварювання тертям з перемiшу-ванням за потрiбних умов: перебiльшення або знижен-ня характеристик мiцностi металу шва порiвняно з вихвдним станом.
Висновки
1. У процесi формування зварного з' еднання за тех-нолопею тертя з перемiшуванням визначений вплив дислокацшного механiзму на розвиток процеав струк-турних перетворень у метaлi шва.
2. Змiною спiввiдношення мiж процесами накопи-чення дефекпв кристалчно! будови i !х aнiгiляцiею можна досягати потрiбного комплексу властивостей мета-лу зварного шва.
Список лтератури
1. Dawes C.J. An introduction to friction stir welding and its development // Weld and Metal Fabr. - 1995. - № 1. -P. 13-16.
2. Kallee S. Causing a stir in the future // Welding and Joining / Kallee S., Nicholas D. - 1998. - № 2. - P. 18-21.
3. Вакуленко I. О. Роль температури при зварюванш тертям з перемшуванням сплаву на основi алюмшто / Вакуленко I. О., Плтенко С. О. // Проблеми та перспекти-ви розвитку зaлiзничного транспорту. - Дншропет-ровськ : ДНУЗТ, 2012. - С. 248-249.
4. Вакуленко И. А. Морфология структуры и деформационное упрочнение стали / Вакуленко И. А., Большаков В. И. - Днепропетровск : Маковецкий, 2008. -196 с.
5. Бабич В. К. Деформационное упрочнение стали / Бабич В. К., Гуль Ю. П., Долженков И. Е. - М. : Металлургия, 1972. - 320 с.
Одержано 26.03.2014
Вакуленко И.А., Митяев А.А., Плитченко С.А. О структурных превращениях при сварке трением с перемешиванием алюминиевого сплава
Рассмотрены вопросы оценки субструктурных превращений при сварке трением с перемешиванием алюминиевого сплава. Обнаружено свидетельство влияния дислокационного механизма упрочнения при использовании технологии сварки трением с перемешиванием.
Ключевые слова: температура, сварка трением с перемешиванием, структура, дислокации.
Vakulenko L, Mityayev A., Plitchenko S. Structural transformations during friction stir welding of the aluminum alloy
The questions of assessment of substructural transformations of the aluminum alloy during friction stir welding have been observed. The evidence of the dislocation strengthening mechanism's influence during the application of friction stir welding technology has been discovered.
Key words: temperature, friction stir welding, structure, dislocations.
