Конструкционные углеродистые стали отличаются повышенными физико-механическими свойствами, однако получению сварной конструкции, включающей элементы, выполненные из таких сталей, в немалой степени, препятствует высокий углеродный эквивалент. Этот параметр определяет склонность к образованию пор и трещин, появляющихся в результате внутренних напряжений, что приводит к усложнению технологии получения сварного соединения. В этой связи использование трудносвариваемых углеродистых сталей для получения сварных конструкций ограничено и определяет недостаток информации о влиянии локального нагрева на структуру и физико-механические свойства материала пластины из углеродистой стали. Необходимость получения неразъемного соединения с высокими прочностными и эксплуатационными характеристиками определяет актуальность поиска вариантов формирования и прогнозирования свойств материала, наплавляемого на поверхность стали с высоким углеродным эквивалентом. В работе представлены результаты изучения влияния точечного высокоинтенсивного нагрева на формирование остаточных напряжений в материале пластины, выполненной из стали 45. Приведена математическая модель, построенная на основе модели Прандтля – Рейса, где в качестве закона пластического течения принимается условие Ишлинского – Ивлева, в котором введены слагаемые, учитывающие упрочнение и вязкость. Предел текучести и упругие модули принимаются зависимыми от температуры. В качестве фазового перехода полагается условие фиксирования упругих модулей при наивысшей температуре. Рассчитанные значения остаточных напряжений сравниваются с практическими, полученными с поверхности пластины, деформируемой в процессе нагрева, в ходе натурного эксперимента.
Structural carbon steels are distinguished by enhanced physical and mechanical properties, however, a high carbon equivalent impedes the production of a welded structure including elements made of such steels to a large extent. This parameter determines the tendency to form pores and cracks resulting from internal stresses, which complicates the technology for producing a welded joint. In this regard, the use of hard-to-weld carbon steels to obtain welded structures is limited and determines the lack of information about the influence of local heating on the structure and physicomechanical properties of the material of the carbon steel plate. The need to obtain an integral connection with high strength and operational characteristics determines the relevance of the search for options for the formation and prediction of the properties the material deposited on the surface of steel with high carbon equivalents. The paper presents the results of studying the influence of high-temperature heating on the formation of residual stresses in the material of a plate made of steel 45. A mathematical model based on the Prandtl-Reis model is presented, where the Ishlinsky-Ivlev condition is accepted as the law of plastic flow, in which the terms are introduced taking into account hardening and viscosity. The yield strength and elastic moduli are assumed to be temperature dependent. As a phase transition, the condition for fixing elastic modules at the highest temperature is assumed. The calculated values of the residual stresses are compared with the practical that obtained from the surface of a plate deformed during heating received from the full-scale experiment.
1. Ерофеев В.В., Игнатьев А.Г. Обоснование режимов электронно-лучевой сварки изделий оболочкового типа из нагартованных сплавов АМГ6Н и АМГ6НПП // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Машиностроение. 2015. Т. 15. № 4. С. 53–61.
2. Полетаев Ю.В., Полетаев В.Ю. Влияние термического цикла сварки и повторного нагрева на структурно-фазовые изменения низколегированной CR-NI-MO-V стали // Вестник Донского государственного технического университета. 2016. Т. 16. № 4 (87). С. 96–103.
3. Никоненко Е.Л., Смирнов А.Н., Попова Н.А., Абабков Н.В., Князьков К.В. Структурно-фазовые изменения в зоне термического влияния стали 12ХН10Т после сварки модулированным током // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. 2019. Т. 21. № 3. С. 100–109.
4. Лешковцев В.Г., Покровский А.М. Расчёт закалочных напряжений в стальных деталях с учётом упруговязкопластических свойств и изменения фазового состава // Известия Российской академии наук. Механика твёрдого тела. 1999. № 2. С. 101–107.
5. Леонов В.П., Мизецкий А.В. Влияние локальных остаточных сварочных напряжений на начальную стадию развития трещин в сварных соединениях // Вопросы материаловедения. 2008. № 4 (56). С. 54–65.
6. Пазилова У.А., Ильин А.В., Круглова А.А., Мотовилина Г.Д., Хлусова Е.И. Влияние температуры и скорости деформации на структуру и характер разрушения высокопрочных сталей при имитации термического цикла сварки и послесварочного отпуска // Физика металлов и металловедение. 2015. Т. 116. № 6. С. 642.
7. Абашкин Е.Е., Жилин С.Г., Комаров О.Н., Ткачева А.В. Влияние теплового режима совместного электродугового и алюмотермического воздействия на формирование структуры и свойств наплавляемого металла // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. 2018. Т. 20. № 2. С. 62–74.
8. Буренин А.А., Ткачева А.В., Щербатюк Г.А. К использованию кусочно-линейных пластических потенциалов в нестационарной теории температурных напряжений // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Физико-математические науки. 2018. Т. 22. № 1. С. 23–39.
9. Буренин А.А., Каинг М., Ткачева А.В. К расчету плоских напряженных состояний в теории неустановившихся температурных напряжений в упругопластических телах // Дальневосточный математический журнал. 2018. Т. 18. № 2. С. 131–146.
10. Величко И.Г. Аналитический метод решения задач термоупругости с периодическими условиями для многослойных оснований // Механика машин, механизмов и материалов. 2015. № 4 (33). С. 42–49.
11. Артемов М.А., Барановский Е.С., Якубенко А.П. Соотношения изотропии и ассоциированный закон течения вестник ВГУ. Серия: Физика. Математика. 2014. № 4. С. 81–90.
12. Быковцев Г.И., Ивлев Д.Д. Теория пластичности // Владивосток: Дальнаука, 1998. 528 с.
13. Хаустов С.В., Харламов В.О., Кузьмин С.В. Численное моделирование тепловых процессов в сварке: учеб.-метод. пособие. Волгоград, 2016. 60 с.
14. Полянин А.Д., Зайцев В.Ф. Справочник по нелинейным уравнениям математической физики: Точное решение. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002. 432 с.
15. Проскурин В.Д., Майстренко Н.Ю. Повышение экономической эффективности дуговой сварки углеродистых сталей в защитной среде путем внедрения смеси газов // Промышленность: новые экономические реалии и перспективы развития: сборник статей I Всероссийской научно-практической конференции (с международным участием): в 2-х частях. 2017. С. 257–261.