Механические характеристики сварных соединений из титана при циклическом нагружении

Размещено на http://www.allbest.ru/

Механические характеристики сварных соединений из титана при циклическом нагружении

Исследования процесса разрушения сварных соединений из титана, имитирующих элементы сварных конструкций искусственных клапанов сердца, а также выбор на их основе оптимальных режимов термической и термоциклических обработок с целью повышения эксплуатационной долговечности представляют особый интерес, так как это непосредственно касается здоровья и жизни человека.

Снижение усталостных характеристик сварных соединений из титана, как правило, связывается с влиянием концентрации напряжений, которую оценивают в связи с изменением форм (геометрии) шва и внутренних дефектов (пор, включений и т.д.), остаточных напряжений, а также с образованием в процессе сварки крупнозернистой околошовной зоны.

Качественное проведение сварки с использованием защитной газовой атмосферы, правильное оформление шва (наличие галтельных переходов) сводят к минимуму отрицательную роль концентраторов напряжений, вносимых сваркой, в снижении сопротивления усталостному разрушению сварных соединений. Влияние же остаточных напряжений на механические свойства металлических материалов со сварным швом в этом случае во многом будет определяться механической неоднородностью (неравномерностью распределения механических свойств по длине сварного соединения) и также структурным состоянием участка зоны термического влияния, по которому, как правило, идет локализация пластической деформации и разрушение. сварной соединение титан усталость

Ранее нами было показано [1], что оценить длительность периодов усталости, скорость и интенсивность накопления повреждений в материале можно по изменению прогиба цельного образца в процессе его циклического нагружения. В работе исследовались сварные образцы из титана ВТ1-0. Т-образный образец из проволоки диаметром 2 мм приваривался к квадратной пластине (12х12х1 мм) в вакуумной камере электронно-лучевой установки типа ЭЛУ-4 при остаточном давлении 133.10-4 …135.10-5 Па. Перед сваркой стержень подвергался холодному волочению до степени деформации 55% и отжигу в терморегулируемой вакуумной печи (остаточное давление 133.10-4…135.10-5 Па) при температурах предварительного отжига t _пдо = 450…900 С⁰ в течение 2 часов. Отжиг осуществлялся.

Термоциклическую обработку (ТЦО) проводили по наиболее предпочтительным режимам, позволяющим за меньшее число циклов измельчить крупнозернистую (перегретую) структуру технически чистого титана по методике [2]: нагрев в расплаве нейтральных солей (50% NaCl + 50% KCl) со скоростью 15 град/с, резкое охлаждение в соленой воде, рекристаллизационный отжиг - нагрев со скоростью 15 град/с в соляной ванне до 850 С⁰, выдержка 2 мин, охлаждение на воздухе.

Механические характеристики определялись на разрывных машинах “Instron-1115”. Усталостные испытания проводились в физиологическом растворе Рингера-Локка (мг/ л: NaCl - 80, KCl - 20, CaCl2 - 20, MgCl2 - 10, C6H12O - 100) по “мягкой” схеме консольного циклического изгиба при частоте 50 Гц на электромагнитной резонансной установке. Оригинальная конструкция установки позволяла регистрировать изменение прогиба образца в процессе нагружения [3]. Микроструктура исследовалась на оптических микроскопах “МИМ-8”.

В результате исследований были получены механические характеристики материала при статическом растяжении, кривые усталости и кинетические диаграммы изменения относительной стрелы прогиба образца (рис. 1),где f_i=L_i/L₀ , L₀ ,L _i - соответственно текущее и начальное значения стрелы прогиба. Установлено, что процесс усталости сварных соединений характеризуется двумя основными периодами:

1 - циклического деформирования до момента раскрытия и распространения усталостной макротрещины

2 - с момента раскрытия усталостной трещины до полного ее распространени по сечению образца. При этом долговечность определяется в основном длительностью первого периода, который, в зависимости от режимов термической и термоциклической обработок, составляет 55…90% от общего числа циклов до полного разрушения.

a)

б)

Рис. 1. Изменение относительной стрелы прогиба образца в функции времени испытания в зависимости от режима термической (а) и термоциклической (б) обработок, у = 245 МПа

При t_псо= 600⁰ С , по-видимому, происходит смена термически активируемого механизма, контролирующего скорость процесса усталости, так как разупрочнение сменяется упрочнением и долговечность образцов, исходный металл которых до сварки деформирован, является наибольшей.

Таким образом, выявлено, что в процессе циклического нагружения сварные образцы из титана могут как разупрочняться, таки упрочняться в зависимости от режима их обработки и структурно - энергетического состояния. Возможность преобладания того или другого эффекта можно объяснить конкуренцией процессов упрочнения и разупрочнения, скорости которых контролируются тем или иным термически активируемым меха-низмом и следовательно, каждый из которых характеризуется своим потенциальным барьером.[3]

Пластическое деформирование материалов в области равномерных деформаций снижает неоднородность качества поверхности и приводит к уменьшению величины показателя упрочнения А. Это, в свою очередь, повышает релаксационную способность металлов и сплавов, уменьшает величину коэффициента концентрации напряжений и, вследствие этого, истинную (локальную) амплитуду деформации. Что в итоге обусловливает повышение отношения их коррозионной долговечности к долговечности на воздухе.

Данная зависимость позволяет прогнозировать сопротивление коррозионно-усталостному разрушению пластически деформированных материалов и оптимизировать технологию обработки с целью повышения эксплуатационных свойств металлических изделий.

Список литературы

1. Ануфриев В.П., Богачев И.Е., Векслер Ю.Г.Влияние термоциклирования на изменение свойств титановых сплавов.// Изв. вузов. Цветная металлургия. 1980. № 2.

2. Гущин А.Н., Перимов Ю.А., Соколов Л.Д.Исследование влияния отжига деформированной титановой проволоки на долговечность сварных элементов искусственных клапанов сердца // Прикладные проблемы прочности и пластичности. Статика и динамика деформируемых систем: Всесоюзный межвузовский сборник /Горький: ГГУ, 1983.

3. Пачурин Г.В., Гущин А.Н., Пачурин К.Г.,Пименов Г.В. Технология комплексного исследования разрушения деформированных металлов и сплавов в разных условиях нагружения. Н. Новгород: Нижегород. гос. ун-т, 2005.

4. Пачурин К.Г., Пачурин Г.В., Гущин А.Н.Возможность оценки кинетики усталостного разрушения металлов по кривым прогиба // Известия Самарского научного центра РАН. 2005. № 2.

Размещено на Allbest.ru