Теоретическая часть. В композиционных соединениях типа твердый (Т) – мягкий (М) - самый твердый деформируемый (СТ) прочностные свойства основных металлов являются достаточно

В композиционных соединениях типа твердый (Т) – мягкий (М) - самый твердый деформируемый (СТ) прочностные свойства основных металлов являются достаточно близкими , где – временное сопротивление твердого металла; - предел текучести самого твердого металла), а коэффициент механической неоднородности

, (3.1)

где – временное сопротивление металла мягкой прослойки.

Общий характер изменения механических свойств при растяжении сварных соединений в зависимости от относительной толщины мягкой прослойки для несимметричной механической неоднородности Т –М – СТ приведен на рисунке 3.1.

При χ > χ_о эффект контактного упрочнения отсутствует и прочность соединения практически равна прочности металла мягкой прослойки . При относительной толщине мягкой прослойки, меньшей чем χ_о начинает действовать эффект контактного упрочнения, прочность соединения повышается. В случае идеальной упругости основных материалов упрочнение прослойки будет идти по кривой авс (рисунок 3.1):

(3.2)

где - временное сопротивление металла мягкой прослойки, K _χ - коэффициент контактного упрочнения, определяемый для элементов компактного сечения по формуле

(3.3)

где χ = h/d - относительная толщина мягкой прослойки.

Рис. 3.1. Зависимость механических свойств образцов с мягкими прослойками от их относительной толщины

 

Начиная с некоторого значения χ = χ_р, создаются условия неполной реализации контактного упрочнения вследствие того, что в пластическую деформацию вступают основные материалы. В результате действия "эффекта смягчения" в приконтактных областях твердого металла создаются условия для пластической деформации при средних напряжениях ниже (предела текучести твердого металла). Для учета этого явления введено понятие коэффициента реализации контактного упрочнения К _р, который для коэффициента механической неднородности К _в = ≤ 2,1 можно определить

К_р^min = 1,25 – 0,25 К _в (3.4)

Значение относительной величины прослойки χ _i, при котором её фактическая прочность становится меньше расчетной, определяется по формуле

(3.5)

Из формулы (3.5) следует, что чем больше механическая неоднородность К _в, тем в большей степени смещается граница области реализации контактного упрочнения в сторону более тонких прослоек.

С учетом реализации контактного упрочнения мягкой прослойки прочность соединения можно оценивать по формуле

(3.6)

Когда свойства основных материалов, прилегающих к прослойке, отличаются, упрочнение мягкой прослойки с уменьшением ее относительной толщины идет по кривой авfд (рисунок 3.1). Но при χ ≤ χ_кр разрушение соединения переносится на основной менее прочный металл и дальнейшее снижение χ не будет влиять на величину разрушающего напряжения. Тогда упрочнение прослойки будет происходить по кривой авfе (рисунок 3.1).

Сужение мягкой прослойки определяется формулой

(3.7)

где ψ − относительное сужение мягкой прослойки в свободном состоянии.

Относительное удлинение сварных соединений с мягкой прослойкой (для образцов компактного сечения) определяется по формуле:

+ (3.8)

где n – кратность образца; δ и ψ – соответственно, относительное удлинение и сужение металла, отвечающие данной степени нагружения соединения. Первое слагаемое формулы (3.8) описывает вклад мягкой прослойки, а второе – основного металла в общее удлинение соединения.

3.2 Пример расчета свойств композиционного материала

Определим графоаналитическим способом прочность трехслойной композиции алюминиевый сплав Д20(Т) - прослойка АД1(М) - алюминиевый сплав ВАД23 (СТ), в котором взрывное упрочнение композиции Д20 - АД1 - ВАД23 устранили отжигом сваренных заготовок при t = 300°С в течение 1 ч. Данные о механических свойствах компонентов приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1

Механические свойства сплавов

Марка сплава	Состояние материала	МПа	МПа	δ %	ψ %
АМг4	отожженный
АМг6	отожженный
Д1	Закаленный и состаренный
Д16	Закаленный и состаренный
Д20	Отожженный
Закаленный и состаренный			10,0
ВАД23	отожженный			9,0
Закаленный и состаренный			4,0
АД1	отожженный

 

Распределение микротвердости в композите после отжига показано на рисунке 3.2. В области χ > χ _i (рисунок 3.3) прочность образцов изменяется по теоретической кривой авс, описываемой уравнением

(3.9)

где −коэффициент контактного упрочнения.

Рисунок 3.2. Распределение твердости по сечению композиции Д20-АД1-ВАД23 после отпуска при 300°С в течение 1 ч

В области значений χ < χ_i экспериментальные значения прочности ложатся ниже этой кривой вследствие вовлечения в пластическую деформацию основных слоев Д20 и ВАД23 и ослабления сдерживания деформации прослойки. Расчет прочности в этой области с использованием графоаналитического метода сводится к следующему. Учитывая отсутствие в исследуемой композиции подкрепляющих участков ЗМУ (рис. 3.2), вычисляем значение коэффициента механической неоднородности из полученных значений микротвердости

(3.10)

Находим коэффициент реализации контактного упрочнения и величину χ_i, при которой фактическая прочность становится меньше расчетной, по формулам

=1,26 – 0,246 К_в (3.11)

(3.12)

Вычислив =0,63 и χ_i =0,39, последнее значение откладываем на оси абсцисс графика (рис. 3.3), а на оси ординат − значения (180 МПа), (220)и (200 МПа).

Рис. 3.3. Влияние относительной толщины мягкой прослойки на прочность композиции Д20 - АД1 - ВАД23

Положение точки D определяется пересечением прямой ЕD, параллельной оси абсцисс, ордината которой равна =200 МПа, с расчетной зависимостью (3.6). Из точки D опускаем перпендикуляр DК на ось абсцисс, и, отложив на нем значение =126 МПа, получаем точку F. Для построения кривой FB задаемся значениями К_χ в соответствующем интервале, по схеме (рисунок 3.3) находим коэффициенты К_р и, умножая на них значения прочности, взятые на кривой DВ, определяем необходимые для построения линии расчетных значений прочности EB. Точка N, на пересечении линии FB с прямой линией ТС, соответствует прочности сварного соединения, равной прочности твердого металла. Композиция Д20 - АД1 - ВАД23 будет равнопрочной сплаву Д20 при значениях χ < χ_в = 0,02.