blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2018-2-128-134blackmet-1244Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEДЕФОРМАЦИЯ ЛЮДЕРСА В СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХLUDERS DEFORMATION IN WELD SEAMSДаниловВ. И.DanilovV. I.

Доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник, профессор кафедры сварочного производства.

634055, Томск, пр. Академический, 2/4;  652057, Кемеровская обл., Юрга, ул. Ленинградская, 26

 

Dr. Sci. (Phys.-math.), Professor, Chief Researcher, Professor of the Chair of Welding Production.

 

dvi@spms.tsc.ruСмирновА. Н.SmirnovA. N.

Доктор технических наук, профессор кафедры «Технология машиностроения».

 

Dr. Sci.(Eng.), Professor of the Chair “Engineering Technology”.

 

 

galvas.kem@gmail.comГорбатенкоВ. В.GorbatenkoV. V.

Кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник.

 

Cand. Sci. (Phys.-math.), Senior Researcher.

 

gvv@ispms.tsc.ruОрловаД. В.OrlovaD. V.

Кандидат физико-математических наук, младший научный сотрудник, доцент кафедры общей физики.

634055, Томск, пр. Академический, 2/4;  634050, Томск, пр. Ленина, 30

 

Cand. Sci. (Phys.-math.), Junior Researcher, Assist. Professor of the Chair of General Physics.

 

dvo@ispms.tsc.ruДаниловаЛ. В.DanilovaL. V.

Младший научный сотрудник, магистрант.

 

Junior Recearcher, MA Student.

 

lidaakvo@rambler.ruИнститут физики прочности и материаловедения СО РАН; Юргинский технологический институт-филиал Томского политехнического университетаРоссияInstitute of Strength Physics and Materials Science SB RAS; Yurga Technological Institute of National Research Tomsk Polytechnic UniversityRussian FederationКузбасский государственный технический университет им Т.Ф. ГорбачеваРоссияKuzbass State Technical University named after T.F. GorbachevRussian FederationИнститут физики прочности и материаловедения СО РАНРоссияInstitute of Strength Physics and Materials Science SB RASRussian FederationИнститут физики прочности и материаловедения СО РАН; Национальный исследовательский Томский политехнический университетРоссияInstitute of Strength Physics and Materials Science SB RAS; National Research Tomsk Polytechnic UniversityRussian FederationИнститут физики прочности и материаловедения СО РАН; Национальный исследовательский Томский государственный университетРоссияInstitute of Strength Physics and Materials Science SB RAS; National Research Tomsk State UniversityRussian Federation201807032018612128134Copyright © Данилов В.И., Смирнов А.Н., Горбатенко В.В., Орлова Д.В., Данилова Л.В., 20182018Данилов В.И., Смирнов А.Н., Горбатенко В.В., Орлова Д.В., Данилова Л.В.Danilov V.I., Smirnov A.N., Gorbatenko V.V., Orlova D.V., Danilova L.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1244

Рассматривается процесс упругопластического перехода в сварных образцах из малоуглеродистой стали. Использованы два способа ручной дуговой сварки плавящимся электродом: традиционный стационарной дугой и импульсная сварка с контролируемым тепловложением. Показано, что по получаемым структурным характеристикам и механическим свойствам оба способа идентичны. В обоих случаях наблюдается растянутый упругопластический переход путем зарождения и распространения полос Чернова–Людерса. Однако в зависимости от способа сварки он реализуется по разным сценариям. При использовании традиционной сварки стационарной дугой в  нагружаемом образце зародыш полосы Чернова–Людерса формируется в наплавленном металле сначала в виде диффузных областей локализации деформации, которые заполняют шов и переводят его в пластически деформированное состояние. Подвижные фронты полосы окончательно оформляются в зонах термического влияния и переходят в основной металл. Скорости фронтов и их морфология идентичны характеристикам фронтов в однородных объектах из аналогичной стали. В случае применения импульсной дуговой сварки зарождение полос Чернова–Людерса происходит на удалении от сварного шва у захватов нагружающего устройства. До зон термического влияния морфология и скорости фронтов соответствуют данным для основного металла. На границе сплавления фронт останавливается и формирует зародыш новой полосы, который прорастает в металл шва. Эта новая полоса сначала переводит в деформированное состояние наплавленный металл, а затем создает подвижный фронт в противоположной зоне термического влияния. Скорости фронтов в наплавленном и  основном металлах отличаются на порядок. Сварной шов детерминирует процесс зарождения полос Чернова–Людерса. Предложено объяснение разных сценариев упругопластического перехода в зависимости от способа сварки. При использовании традиционного способа сварки стационарной дугой в зонах термического влияния локальные дальнодействующие напряжения значительно выше, чем в основном металле, поэтому здесь как релаксационный процесс происходит зарождение полосы. В случае использования импульсной дуговой сварки эти напряжения выше в основном металле, где и происходит зарождение полос Чернова–Людерса. Полученные результаты могут быть использованы для обоснования параметров испытания теплоэнергетического оборудования.

The article considers the process of elastic-plastic transition in welded samples from low-carbon steel. Two methods of manualarc welding with a consumable electrode are used: traditional fixed arc and pulse welding with controlled heat input. It is shown that both methods are identical with respect to the obtained structural characteristics and mechanical properties. In both cases, a stretched elastic-plastic transition is observed by the nucleation and propagation of the Luders bands. However, depending on the welding method, it is realized in different scenarios. When using traditional welding with a stationary arc in a loaded sample, the Luders band nucleus is formed in the weld metal first in the form of diffuse deformation localization regions that fill the seam and transfer it to a plastically deformed state. Movable fronts of the band are finally formed in the heat-affected zones and pass into the base metal. The velocities of fronts and their morphology are identical to those of fronts in similar objects of similar steel. In the case of pulsed arc welding, the nucleation of the Luders bands occurs at a distance from the weld seam at the clamps of the loading device. Up to the heat-affected zones, the morphology and the velocity of the fronts correspond to the data for the parent metal. At the fusion boundary, the front stops and forms the nucleus of a new band that sprouts into the weld metal. This new band first transforms the weld metal into a deformed state, and then creates a movable front in the opposite heat-affected zone. The velocities of the fronts in the deposited and base metals differ by an order of magnitude. The welded seam determines the process of nucleation of the Luders band. The explanation of different scenarios of elastic-plastic transition is offered depending on the welding method. When using the traditional method of welding with a stationary arc in heat affected zones, the local long-range stresses are much higher than in the base metal, so here, as a relaxation process, the band originates. In the case of pulsed arc welding, these stresses are higher in the base metal, where the Luders bands originate. The obtained data can be used to justify the parameters of the heat-and-power equipment test.

малоуглеродистые низколегированные сталиимпульсная сваркасварные швыупругопластический переходполосы Черно-ва–Людерсатеплоэнергетическое оборудованиеиспытание повышенным давлениемmild steelslow-alloyed steelspulse weldingwelded seamselastic-plastic transitionLuders bandsheat power equipmentpressure testПрограмма фундаментальных научных исследований государственных академий наук России на 2013 – 2020 гг.; частично - грант РФФИ № 17-08-00751 а; Центр коллективного пользования «Нанотех» при ИФПМ СО РАН.The Program of fundamental scientific research of the Russian State Academies of Sciences for 2013 – 2020 and was partially supported by RFBR grant No. 17-08-00751 a; The “Nanotech” Common Use Center at the Institute of Theoretical and Applied Mechanics of the SB RAS.ReferencesГладков Э.А., Кузнецов П.С., Бродягин В.Н., Копотева Е.Н., Шолохов М.А., Алешин Н.П. Импульсные технологии управления каплепереносом при MIG/MAG сварке // Сварка и диагнос­тика. 2014. № 3. С. 43 – 47.Gladkov E.A., Kuznetsov P.S., Brodyagin V.N., Kopoteva E.N., Sholokhov M.A., Aleshin N.P. Pulse control technologies for droplet transfer during MIG / MAG welding. Svarka i diagnostika. 2014, no. 3, pp. 43–47. (In Russ.).Князьков В.Л., Князьков А.Ф. Повышение эффективности ручной дуговой сварки трубопроводов. – Кемерово: изд. КузГТУ, 2008. – 104 с.Knyaz’kov V.L., Knyaz’kov A.F. Povyshenie effektivnosti ruchnoi dugovoi svarki truboprovodov [Improving the efficiency of manual arc welding of pipelines]. Kemerovo: izd. KuzGTU, 2008, 104 p. (In Russ.).Rezinskikh V.F., Zlepko V.F. Shtromberg Yu.Yu. The main require­ments for the control of metal heat power equipment // Thermal Engineering. 1999. Vol. 46. No. 5. P. 8 – 20.Rezinskikh V.F., Zlepko V.F. Shtromberg Yu.Yu. The main requirements for the control of metal heat power equipment. Thermal Engineering. 1999, vol. 46, no. 5, pp. 8–20.Клюев В.В. Деградация диагностики безопасности. – М.: Издательский дом «Спектр», 2012. – 128 с.Klyuev V.V. Degradatsiya diagnostiki bezopasnosti [Degradation of safety diagnostics]. Moscow: ID ”Spektr”, 2012, 128 p. (In Russ.).Cottrell A.H. Dislocations and plastic flow in crystals. – Oxford: Oxford University Press, 1953. – 260 p.Cottrell A.H. Dislocations and plastic flow in crystals. Oxford: Oxford University Press, 1953, 260 p.Mazière M., Luisb C., Maraisa A., Foresta S., Gaspérini M. Expe­rimental­ and numerical analysis of the Lüders phenomenon in simple shear // International Journal of Solids and Structures. 2017. Vol. 106-107. P. 305 – 314.Mazière M., Luisb C., Maraisa A., Foresta S., Gaspérini M. Experimental and numerical analysis of the Lüders phenomenon in simple shear. International Journal of Solids and Structures. 2017, vol.  106-107, pp. 305–314.Plekhov O.A., Naimark O.B., Saintier N., Palin-Luc T. Elastic-plastic­ transition in iron: Structural and thermodynamic features // Technical Physics. 2009. Vol. 54. No. 8. P. 1141 – 1146.Plekhov O.A., Naimark O.B., Saintier N., Palin-Luc T. Elastic-plastic transition in iron: Structural and thermodynamic features. Technical Physics. 2009, vol. 54, no. 8, pp. 1141–1146.Beardsmore D.W., Quinta da Fonseca J., Romero J., English C.A., Ortner S.R., Sharples J., Sherry A.H., Wilkes M.A. Study of Luders phenomena in reactor pressure vessel steels // Materials Science and Engineering. 2013. A588. P. 151 – 166.Beardsmore D.W., Quinta da Fonseca J., Romero J., English C.A., Ortner S.R., Sharples J., Sherry A.H., Wilkes M.A. Study of Luders phenomena in reactor pressure vessel steels. Materials Science and Engineering. 2013, A588, pp. 151–166.Стали и сплавы. Марочник: Справочное издание / В.Г. Сорокин, М.А. Геврасьев, В.С. Палеев, И.В. Геврасьева, С.Я. Палева; науч. ред. В.Г. Сорокин, М.А. Геврасьев. – М.: «Интермет Инжиниринг», 2001. – 608 с.Sorokin V.G., Gevras’ev M.A., Paleev V.S., Gevras’eva I.V., Paleva  S.Ya. Stali i splavy. Marochnik: Spravochnoe izdanie [Steels and alloys. Grade guide: Reference book]. Sorokin V.G., Gevras’ev  M.A. eds. Moscow: Intermet Inzhiniring, 2001, 608 p. (In Russ.).Смирнов А.Н., Козлов Э.В., Ожиганов Е.А., Абабков Н.В., Князьков В.Л. Влияние степени деформации сварных соединений углеродистых сталей на структурно-фазовое состояние и поля внутренних напряжений // Сварка и диагностика. 2016. № 3. С. 25 – 28.Smirnov A.N., Kozlov E.V., Ozhiganov E.A., Ababkov N.V., Knyaz’kov V.L. Influence of deformation degree of welded joints of carbon steels on structuralphase state and fields of internal stresses. Svarka i diagnostika. 2016, no. 3, pp. 25–28. (In Russ.).Гадалов В.Н., Захаров И.С., Крюков В.А., Батурин Л.В. Металлография с атласами микроструктур металлов, сплавов, покрытий и сварных соединений. – Курск: изд. Курского государственного технического университета, 2004. – 479 с.Gadalov V.N., Zakharov I.S., Kryukov V.A., Baturin L.V. Metallografiya s atlasami mikrostruktur metallov, splavov, pokrytii i svarnykh soedinenii [Metallography with atlases of microstructures of metals, alloys, coatings and welded joints]. Kursk: izd. Kurskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2004, 479 p. (In Russ.).Gorbatenko V.V., Danilov V.I., Zuev L.B. Plastic Flow Instability: Chernov–Lüders Bands and the Portevin–Le Chatelier Effect // Technical Physics. 2017. Vol. 62. No. 3. P. 395 – 400.Gorbatenko V.V., Danilov V.I., Zuev L.B. Plastic flow instability: Chernov–Lüders bands and the Portevin–Le Chatelier effect. Technical Physics. 2017, vol. 62, no. 3, pp. 395–400.Лившиц Л.С., Хакимов А.Н. Металловедение сварки и термическая обработка сварных соединений. – М.: Машиностроение, 1989. – 336 с.Livshits L.S., Khakimov A.N. Metallovedenie svarki i termicheskaya obrabotka svarnykh soedinenii [Metal science of welding and heat treatment of welded joints]. Moscow: Mashinostroenie, 1989, 336 p. (In Russ.).Трефилов В.И., Моисеев В.Ф., Печковский Э.П. Деформационное упрочнение и разрушение поликристаллических металлов. – Киев: Наукова думка, 1989. – 256 с.Trefilov V.I., Moiseev V.F., Pechkovskii E.P. Deformatsionnoe uprochnenie i razrushenie polikristallicheskikh metallov [Strain hardening and fracture of polycrystalline metals]. Kiev: Naukova dumka, 1989, 256 p. (In Russ.).Freudental A.M., Geiringer H. The Mathematical Theory of Inelas­tic Continuum. – In book: Elasticity and Plasticity. Encyclopedia of Physics. Vol. 3. – Berlin: Springer, 1958. P. 229 – 443.Freudental A.M., Geiringer H. The mathematical theory of inelastic continuum. Elasticity and plasticity. Encyclopedia of Physics. Vol.  3. Berlin: Springer, 1958, pp. 229–443.Zuev L.B. Autowave mechanics of plastic flow of solids // Phys. of Wave Phenom. 2012. Vol. 20. P. 166 – 173.Zuev L.B. Autowave mechanics of plastic flow of solids. Phys. of Wave Phenom. 2012, vol. 20, pp. 166–173.Ploskov N.A., Danilov V.I., Zuev L.B., Zavodchikov A.S., Bolo­tina I.O., Orlova D.V. Evolution of strain localization autowaves in a zirconium alloy and evaluation of plasticity margin in a rolling area // Journal of applied mechanics and technical physics. 2012. Vol. 53. No. 4. P. 611 – 615.Ploskov N.A., Danilov V.I., Zuev L.B., Zavodchikov A.S., Bolotina  I.O., Orlova D.V. Evolution of strain localization autowaves in a zirconium alloy and evaluation of plasticity margin in a rolling area. Journal of applied mechanics and technical physics. 2012, vol. 53, no. 4, pp. 611–615.Murav’ev T.V., Zuev L.B., Acoustic emission during the develop­ment of a Lüders band in a low-carbon steel // Technical Physics. 2008. Vol. 53. No. 8. P. 1094 – 1098.Murav’ev T.V., Zuev L.B. Acoustic emission during the development of a Lüders band in a low-carbon steel. Technical Physics. 2008, vol. 53, no. 8, pp. 1094–1098.Popova N., Nikonenko E., Koneva N., Kozlov E., Smirnov A., Ozhi­ganov E., Structure and phase composition on deformed heat-affected zone on the weld ST3. – In book: AIP Conference Proceedings, 13 Ser. “Prospects of Fundamental Sciences Development, PFSD-2016: Proceedings of XIII International Conference of Students and Young Scientists”. 2016. P. 030006.Popova N., Nikonenko E., Koneva N., Kozlov E., Smirnov A., Ozhiganov E., Structure and phase composition on deformed heat-affected zone on the weld ST3. In: AIP Conference Proceedings, 13 Ser. “Prospects of Fundamental Sciences Development, PFSD-2016: Proceedings of XIII International Conference of Students and Young Scientists”. 2016, pp. 030006.Popova N.A., Nikonenko E.N., Ivanov Yu.F., Gromov V.E., Budovs­ kikh E.A., Raikov S.N., Kapralov E.V., Vashuk E.S. Structure and properties of wearresistant weld deposit formed on martensitic steel using the electric-arc method // Advanced Materials Research. 2014. Vol. 1013. P. 194 – 199.Popova N.A., Nikonenko E.N., Ivanov Yu.F., Gromov V.E., Budovskikh E.A., Raikov S.N., Kapralov E.V., Vashuk E.S. Structure and properties of wear-resistant weld deposit formed on martensitic steel using the electric-arc method. Advanced Materials Research. 2014, vol. 1013, pp. 194–199.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.