СВАРОЧНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИЯ

ОТПУСК СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Высокий отпуск изделий из конструкционных сталей при тем­пературе 600—800° С предназначен в основном для устранения возможной деформации в процессе механической обработки и эксплуатации конструкций, а также для повышения сопротивляе­мости их хрупким разрушениям, в особенности при пониженных температурах.

Предупредить появление остаточных деформаций сварных кон­струкций - при обработке или эксплуатации можно, значительно слизив остаточные напряжения в процессе высокого отпуска. На рис. 127 приведены остаточные напряжения в электрошлаковой шве образца 500x500 мм из стали Ст. З толщиной 100 мм; режим отпуска: температура 675° С, выдержка 3,5—4 ч.

Повышение сопротивляемости сварных конструкций хрупким разрушениям в процессе высокого отпуска достигается в основном благодаря двум причинам. Во-первых, восстанавливается пластич­ность металла в местах, где в значительной степени произошли подкалка, пластические деформации, старение и были подготов­лены условия для начала разрушения. Для начала разрушения металл должен вновь претерпеть значительную пластическую деформацию, которую одними эксплуатационными нагрузками даже при наличии концентраторов вызвать в пластичном металле Довольно трудно. Во-вторых, снижаются остаточные напряжения 132 и запас накопленной потенциальной энергии, что приводит к устра­нению факторов, способствующих началу и распространению хруп­ких разрушений.

Результаты исследования, приведенные на рис. 128,[13] указы­вают, с одной стороны, на существенное влияние сварочного термомеханического цикла в зоне надреза на прочность и пластич­ность образцов, а с другой — на положительное влияние высокого отпуска на повышение сопротивляемости хрупким разрушениям.

Восстановление пластичности металла при высоком отпуске происходит сравнительно быстро. Например, на образцах с над-

резом из стали Ст. З [24] прочность и пластичность восстанавли­ваются после полуторачасовой выдержки при температуре вы­сокого отпуска 600° С.

Образцы из стали Ст. З с надрезом подвергали предвари­тельному загибу на угол 40°; полный угол загиба до появления трещины 68°. После отпуска в течение 2 ч при различных темпера­турах образцы снова испытывали на загиб. Начиная с температуры отпуска 600° С и выше, образцы полностью восстанавливали свою пластичность (рис. 129). Разумеется, что для других марок сталей эта температура может быть иной.

Важным является вопрос об уровне остаточных напряжений после отпуска сварных конструкций. Если не касаться влияния остаточных напряжений на прочность при переменных нагрузках, то можно дать следующие рекомендации.

Так как в большинстве машиностроительных конструкций на­пряжения от рабочих нагрузок не превышают 2/3ог, то остаточ­ные напряжения могут составлять примерно 1/3от, если ставится условие отсутствия пластических деформаций в детали при ее на­гружении.

Действительно, остаточные и рабочие напряжения в сумме составят величину, меньшую от, и никаких пластических дефор­маций не произойдет.

При нормальном припуске на механическую обработку дефор­мации от нее невелики и укладываются в допуски на точность, если даже обработку вести по металлу, в котором остаточные на­пряжения близки к ат. Это, разумеется, не относится к гибким и протяженным конструкциям.

Поэтому для большинства машиностроительных конструкций из тех, которые подвергаются отпуску и должны отвечать обычным

550 600 650 °С

Рис. 129. Угол загиба образцов после пластической деформа­ции при комнатной температуре и отпуска при различных температурах в течение 2 ч

требованиям по точности и жесткости, можно ставить условие, чтобы остаточные напряжения после отпуска не превышали 0,3аг.

Хрупкие разрушения при низких температурах в большинстве случаев начинаются от концентраторов и являются следствием не столько остаточных напряжений, сколько пластических дефор­маций в надрезе и свойств металла, изменившихся под влиянием сварки. Путем восстановления пластичности металла при отпуске значительно повышают сопротивляемость хрупким разрушениям. Если, однако, предположить, что разрушение может начаться по каким-либо причинам, то возможность его распространения будет, зависеть главным образом от уровня рабочих, а не остаточных на­пряжений. Известные в литературе данные о хрупких разрушениях связаны с напряжениями, большими чем 0,25—0,3аг. Можно ори­ентироваться на уровень остаточных разрушающих напряжений по пробе Робертсона, который до Г > —60° С не превышает 0,15— 0,25ог7.

Термический цикл отпуска состоит из четырех стадий: нагрева, выравнивания температуры по сечению детали и по длине, вы-

держки и охлаждения. Иногда под продолжительностью выдержки неправильно понимают период выравнивания и собственно вы­держку вместе взятые. Продолжительность периодов нагрева и выравнивания температуры зависит главным образом от сечения деталей и теплофизических свойств Металла [105]. Работ, посвя­щенных периоду выдержки при отпуске, крайне мало.

На практике в большинстве случаев продолжительность пери­ода выдержки, так же, как и периодов нагрева и выравнивания тем­пературы, назначают пропорционально сечению детали, т. е. без надлежащего учета тех физических про­цессов, которые на самом деле опреде­ляют необходимую продолжительность выдержки при отпуске. Объясняется это тем, что до последнего времени примени­тельно к отпуску не разработаны прин­ципы определения снижения напряжений, основанные на учете свойств металла и распределения остаточных напряжений.

Отпуск является процессом изменения собственных напряжений, протекающим в соответствии с законами теории ползу­чести. Это означает, что к нему могут быть применены известные положения совре­менной теории ползучести с учетом тех особенностей, которые присущи отпуску.

Основная особенность процесса изменения напряжений при отпуске заключается в том, что отпуск на первой стадии проте­кает при переменной температуре, в то время как современные гипотезы ползу­чести в основном занимаются явлениями, происходящими при постоянной температуре. Вторая особенность состоит в том, что изменение напряжений при отпуске весьма близко к процессу простой релаксации. Под простой релаксацией понимается само­произвольное изменение напряжений при постоянных полных де­формациях. Изучение и расчет релаксации напряжений при отпуске целесообразно проводить не по кривым ползучести, а по кривым простой релаксации.

Изучение простой релаксации при переменных температурах выполнено в МВТУ им. Баумана (рис. 130)[14]. Для устранения влияния температурной деформации на процесс релаксации были использованы трубчатые образцы с внутренним диаметром 15 мм, наружным 18 мм и длиной 110 мм, которые подвергали закручива­нию в начале испытания. В процессе испытания угол закручи­вания поддерживали неизменным для постоянства деформации.

Установка состоит из станины 1, печи 2, механизма нагруже­ния с двигателем 3, трубчатых тяг 4 для передачи крутящего момента, динамометров 5, соединенных стальными гибкими троси­ками с колесом 6, и механизма поддержания постоянства угла закручивания 7. При помощи гибких тросиков колесо 6 может перемещаться на несколько миллиметров вследствие нагрева образца и тяг. При этом тросики передают усилия на динамо­метры практически без искажения, так как угол подхода троси­ков к динамометрам остается близким к 90°. Для поддержания постоянства угла закручивания к концам образца сваркой прихва­чены удлинители. На концах этих удлинителей закреплены два

рычага с индикаторными головками, снабженными • электричес­кими контактами, с которыми может соприкасаться стрелка ин­дикатора в случае ее отклонения в какую-либо сторону. При замы­кании стрелки двигатель включается для вращения в соответству­ющую сторону. Величина крутящего момента регистрируется динамометрами. Установка имеет программное устройство, поз­воляющее устанавливать различные скорости нагрева и выдержи­вать их одинаковыми при получении кривых от различных начальных уровней напряжений.

При построении релаксационных кривых, полученных при различных начальных напряжениях (рис. 131), в качестве реги­стрируемой величины принято не нормальное напряжение a, a хокт, которое в теории пластичности и ползучести используется в расчетах и является определяющим для оценки протекания пла­стической деформации:

окт =

= - jj - V(о* — Oyf + (av— Ог)2 - f (ог — Ох) - f - б(тху -f - Хуг -|- Т^*)-

Для наглядности можно принять, что кривые хокт представ­ляют собой семейство кривых простой релаксации нормальных напряжений а:

а = ^- = 2,12W (212)

Кривые хокт показывают одновременно изменение напряжений под влиянием пластической деформации и вследствие изменения G от температуры (п. 50).

Релаксационные кривые на других сталях, не являющихся жаропрочными, аналогичны стали 30 (см. рис. 131). Во всех слу­чаях спустя некоторое время после достижения температуры от­пуска наступает стабилизация остаточных напряжений. Даль­нейшая выдержка не приводит к существенному снижению на­пряжений. Лишь весьма длительные выдержки (десятки часов) позволяют ощутимо снизить напряжения.

Для того чтобы судить о снижении одноосных остаточных на­пряжений в сварных соединениях и конструкциях при отпуске, можно непосредственно использовать релаксационные кривые с учетом соотношения (212). Для определения релаксации напря­жений в более сложных случаях их распределения необходимо ре­шать задачи методом, изложенным в п. 50.