ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ УСТАНОВЛЕНИЕ КОРРЕЛЯЦИОННЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ ОБОБЩЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МЕЖАТОМНОЙ СВЯЗИ МЕТАЛЛА СТАЛЬНЫХ СВАРОЧНЫХ ПРОВОЛОК С ПРОЧНОСТЬЮ НАПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА

EXPERIMENTAL DETERMINATION OF CORRELATION DEPENDENCIES OF GENERALIZED CHARACTERISTICS OF INTERATOMIC BOND OF METAL OF STEEL WELDING WIRES WITH STRENGTH OF WELD METAL

Evgeny Protopopov

assistant of the Tula State University,

Russia, Tula

АННОТАЦИЯ

Представлены основные результаты вероятностно-детерминированного планирования эксперимента при получении сварного соединения пластин из стали 09Г2С, в котором преобладает доля наплавленного металла, сваркой в защитном газе (аргон, углекислый газ и их смеси) стальными низколегированными проволоками (Св-08Г2С, Св-08ГСНТ, Св-08ГНМ, Св-08ХНМ) различных производителей.

Установлено существование значимых регрессионных зависимостей между обобщенной степенью металличности совокупности межатомных связей в растворе замещения и обобщенной степенью ковалентности, характеризующей все связи между атомами в растворе внедрения в металле сварочных проволок с временным сопротивлением, условным пределом текучести, относительным удлинением и относительным сужением металла сварного шва.

ABSTRACT

The main results of the probabilistic-deterministic planning of the experiment in obtaining a welded joint of plates of steel 09G2S, in which the share of weld metal predominates, by welding in shielding gas (argon, carbon dioxide and their mixtures) with steel low-alloyed wires (Sv-08G2S, Sv-08GSNT, Sv-08HNM, Sv-08HNM) of various manufacturers, are represented.

The existence of significant regression dependencies between the generalized degree of metallicity of the set of interatomic bonds in the substitution solution and the generalized degree of covalence characterizing all the bonds between atoms in the interstitial solution in the metal of welding wires with temporary resistance, conditional yield point, relative elongation and relative narrowing of weld metal, was determined.

Ключевые слова: стальные сварочные проволоки; наплавленный металл; обобщенные характеристики межатомной связи; обобщенная степень металличности; обобщенная степень ковалентности.

Keywords: steel welding wires; weld metal; generalized characteristics of interatomic bond; generalized degree of metallicity; generalized degree of covariance.

Введение

Стальные низколегированные сварочные проволоки широко используются при изготовлении сварных металлических конструкций из низко- и среднеуглеродистых сталей. При этом одной из наиболее употребительных является сварочная проволока Св-08Г2С [1]. Данная проволока имеет скрытый резерв для улучшения прочностных показателей наплавляемого металла, связанный с возможностью оптимизации химического состава при ее изготовлении [2]. Сварочные проволоки относятся к готовым и серийно выпускаемым изделиям. Для таких изделий параметры технологических переделов постоянны и стабильны, а процессом, определяющим формирование механических свойств, который подлежит оптимизации при варьировании химического состава, является твердорастворное упрочнение [3]. Такая оптимизация может быть реализована на основе установления корреляционных зависимостей между обобщенными компонентами межатомной связи и механическими свойствами низколегированных сталей.

Целью работы является экспериментальное установление корреляционных зависимостей прочности наплавленного металла с обобщенными характеристиками резонирующей межатомной связи в металле использованных при сварке стальных низколегированных сварочных проволок.

Методика исследований и результаты

Сварные образцы изготавливались путем сварки в защитном газе пластин длиной 300 мм, шириной 60 мм и толщиной 6 мм, вырезанных из горячекатаной листовой стали 09Г2С, рис. 1 на экспериментальной сварочной установке, рис. 2.

Рисунок 1. Внешний вид сваренного образца

Рисунок 2. Сварочная экспериментальная установка: 1 – сварочный выпрямитель ВДГ-303; 2 – модернизированный сварочный шланговый полуавтомат А-1230 М; 3 – механический стенд; 4 – перемещаемый стол; 5 – приспособление для закрепления свариваемых пластин; 6 – баллон с аргоном; 7 – баллон с углекислым газом

Из сварного шва экспериментальных образцов механически вырезались образцы для проведения механических испытаний, в том числе, на статическое растяжение.

Сварка образцов осуществлялась в соответствии с планом вероятностно-детерминированного эксперимента 3⁵ [4]. Факторами служили: скорость охлаждения металла шва w_6/5, К/с; содержание СО₂ в защитной газовой смеси, % об. и различные сварочные проволоки, прочность которых различается преимущественно за счет твердорастворного упрочнения: Св-08Г2С-О, производства АО «Стальметиз» (Украина), АО «Белорецкий металлургический комбинат» (Россия) и ОАО ИТЦ «Прометей» (Россия), а также Св-08ГСНТ и OK Aristorod 13.09, имеющие различные значения обобщенных характеристик межатомной связи  и . Где обобщенная степень металличности всей совокупности межатомных связей в растворе замещения и обобщенная степень ковалентности, характеризующую в целом все связи между атомами в растворе внедрения , определяются по уравнениям [3]:

,                                                (1)

,                                                   (2)

где j – индекс химической связи в твердом растворе замещения; ;  – степень металличности j-й межатомной связи; X_j – мольные доли атомов в твердом растворе замещения, вычисляемая без учета атомов внедрения в химическом составе стали или сплава; l – индекс химической связи в твердом растворе внедрения; ;  – степень ковалентности l межатомной связи; X_l – мольные доли элементов в твердом растворе внедрения, определяемые без учета наличия атомов замещения в составе матрицы.

В результате обработки экспериментальных данных, полученных при вероятностно-детерминированном планировании эксперимента, определяется обобщенная функция (функция Протодьяконова) вида  по уравнению. [4, 5]:

,                                                          (3)

где Y_i – частная функция;  произведение всех частных функций;  – общее среднее всех учитываемых значений обобщенной функции в степени, на единицу меньшей числа n частных функций.

Согласно [4, 5] частные зависимости Y_i являются результатом усреднения выборок экспериментальных данных. Это означает, что каждая из частных (точечных) зависимостей рассматривается как полученная при изменении одного из варьируемых параметров при неизменных (средних) значениях прочих факторов. Точечные зависимости получаются путем аппроксимации соответственно сгруппированных данных эксперимента.

Для проверки значимости точечной зависимости определяется коэффициент нелинейной множественной корреляции R [4, 5]:

,                                           (4)

где N – число точек, описываемых частной зависимостью; К – число действующих факторов; Y_э – экспериментальный результат; Y_Т – теоретический (расчетный) результат; Y_cp – среднее экспериментальное значение.

При анализе частных зависимостей , так как в них учитывается влияние только одного фактора [4, 5].

Для 5 % уровня значимости частная или обобщенная зависимость является значимой, если ее значимость t_R  отвечает условию [4, 5]:

.                                               (5)

В результате обработки экспериментальных данных получены статистически значимые частные зависимости для временного сопротивления, условного предела текучести, относительного удлинения, относительного сужения. Для условного предела текучести соответствующие частные зависимости имеют вид:

;           (6)

,       (7)

где  и .

Результаты опытов и графики уравнений регрессий (6), (7), аппроксимирующие экспериментальные данные, приведены на рис. 3.

Рисунок 3. Влияние параметров

и  на условный предел текучести: линии – графики уравнений регрессий (6) – (а) и (7) – (б); точки – экспериментальные данные

Обсуждение результатов и выводы

Частная зависимость (6), см. рис. 3а, соответствует случаю, характеризуемому среднестатистическими параметрами металлической и ковалентной компонент резонирующих, динамически трансформирующихся друг в друга структур флуктуирующей химической связи. Частная зависимость (7), см. рис. 3б, отражает случай некоторого мгновенного предельного резонирующего состояния межатомной связи, имеющей наряду с металлической и ковалентной компонентами также мгновенную ионную компоненту [6].

Как видно из рис. 3а и рис. 3б углы наклона графиков уравнений регрессий (6) и (7) различаются менее 5%, что не выходит за пределы стандартных ошибок для данных углов.

Таким образом, экспериментально установлено существование значимых корреляционных зависимостей прочности наплавленного металла с обобщенными характеристиками межатомной связи в металле использованных при сварке стальных сварочных проволок.

Представленные на рис. 3а и рис. 3б результаты соответствуют основным положениям статистики: для одной генеральной совокупности наличие значимой корреляции с генеральным средним (характеризует среднестатистические параметры металлической и ковалентной составляющих резонирующих, динамически трансформирующихся друг в друга структур флуктуирующей химической связи), рис. 3а, предопределят возможность существования аналогичной значимой корреляции, рис. 3.б, с выборочным средним, которое в рассматриваемом случае характеризует промежуточное состояние резонирующей химической связи (некоторое мгновенное предельное состояние флуктуирующей межатомной связи, имеющей кроме металлической и ковалентной также и мгновенную ионную компоненту).

Вышеизложенное подтверждает также применимость теории Л. Полинга [7] и Дж.У. Уэланда [8] о существовании динамически трансформирующихся друг в друга структур флуктуирующей химической связи, в том числе, применительно к рассматриваемому случаю.

Список литературы:

1. Гульцин А.С. Повышение качества сварочной проволоки из стали марки Св-08Г2С в условиях ОАО «ММК» и ОАО «ММК-МЕТИЗ» / А.С. Гульцин, А.А. Соколов, М.В. Зайцева, Д.Р. Бакаев // Горный журнал. – 2013.– № 3 Спец. вып.– С.75-79.
2. Влияние химического состава сварочной проволоки Св-08Г2С на ударную вязкость наплавленного металла / Е.А. Протопопов [и др.] // Сварочное производство. – 2016.– № 10.– С. 3-8.
3. Метод оценки влияния твердорастворного упрочнения на механические свойства стали в готовом изделии / Е.А. Протопопов [и др.] // Проблемы черной металлургии и материаловедения. 2015. № 2. С. 44-48.
4. Малышев В.П. Математическое планирование металлургического и хими­ческого эксперимента / В.П. Малышев. – Алма-Ата: Наука, 1977. – 37 с.
5. Малышев В.П. Вероятностно-детерминированное планирование экспери­мента. – Алма-Ата: Наука, 1981. – 116 с.
6. Протопопов Е.А. Корреляционные зависимости временного сопротивления ряда сталей и сплавов с обобщенными компонентами межатомной связи. – Известия Тульского государственного университета. Технические науки. – 2018.– № 1.– С. 60-75.
7. Паулинг Л. Природа химической связи / Пер. с англ. М.Е. Десяткина; ред. Я.К. Сыркин. – М.; Л.: Гос. науч.-техн. изд-во хим. лит., 1947. – 440 с.
8. Уэланд Дж.У. Теория резонанса и ее применение в органической химии / Пер. с англ. М.Е. Дяткина; ред. Я.К. Сыркин. – М.: ГИИЛ, 1948.– 463 с.