ОСНОВЫ СВАРКИ СУДОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ МЕТАЛЛОВ ПРИ НАГРЕВЕ

Как уже отмечалось, процесс электродуговой сварки связан с вы­сокотемпературным локальным нагревом, Диапазон температур для металлов шва и околошовных зон значительный - от отрицательных температур, например «при сварке на морозе», до температур, превы­шающих температуру плавления металла. Известно, что в таком ши­роком интервале температур существенно изменяются теплофизичес - кне и механические свойства металлов, В тоже время для качественной п количественной оценки деформаций и напряжений, возникающих при сварке, необходимо располагать экспериментальными данными о характере изменения указанных свойств металлов в большом интер­вале температур.

Из теплофизпческнх свойств металлов важными являются те, кото­рые определяют объемные изменения металлов при нагреве, К ним отно­сятся коэффициент линейного теплового расширения (сжатия) а [I / °С] и объемная теплоемкость ср [Дж/см' • °С].

Если в кубик, длина ребер которого равна я, ввести некоторое коли­чество теплоты Q, то температура кубика повысится на величину Г[со - гласно формуле (13,5)]:

J2_

ер(Г!

Повышение температуры кубика приведет к увеличению длины его ребер и соответственно объема. Длина ребер кубика после нагрева а' - =«( 1 + а'/), а объем

Vі =(я')! = я'!(1 + «7’)'! =а11 + ЗаТ + 3(аТ)2 +(аТ)

Поскольку величина коэффициента теплового расширения для ме­таллов порядка 10 '„.10 ' 1/ 'С, можно пренебречь слагаемыми, содер­жащими а в степени выше первой, как членами более высокого поряд­ка малости:

Vі =<7 !(1 + За 7'),

:<<м

Отсюда увеличение объема кубика при нагреве

_\’г ='т -У = ЗаТа

Подставляя вместо Тсс .шаченпе на (1.1.1), получим

Д'7 =:i—Q. ер

Следовательно, относительное изменение объема кубика при его нагреве

ДГ7 а ()

(15.2)

v Ф а

Таким образом, объемные изменения в металле при нагреве пропор­циональны удельному теиловложенню [Дж/см ’]. а коэффициентом

а

пропорциональности является обобщенная характеристика теплофнзи-

и.

ческих свойств металла |см’/Дж].

ер 1

а

Па рис, 15,1 представлены зависимости температуры для не­которых материалов (значения а, г и р как функции температуры взя­ты из соответствующих справочников). Анализируя эти зависимое! и, видим, что обобщенная характеристика в широком диапазоне темпе­ратур для многих материалов изменяется незначительно и может быть принята постоянной величиной, например, для малоуглеродистых и

низколегированных сталей — = 3.5 ■ 10’*’ ем!/Дж.

ер

Из механических свойств металлов важными являются предел те­кучести [МПа] и модуль нормальной упругости Е [МПа]. 11а рис. 15.2, а представлена общеизвестная из сопротивления материа­лов диаграмма растяжения образца из малоуглеродистой или низко­легированной стали (диаграмма g-е). На диаграмме наблюдается ярко выраженная площадка текучести, кроме того, известно, что для этих сталей кривые деформирования при растяжении и сжатии имеют одинаковый вид, и их можно с достаточной для инженерной практи­ки точностью идеализировать диаграммой Прандтля. т. е. считаї ь ма­лоуглеродистые и низколегированные конструкционные стали иде­ально упругонластическими материалами. Для этих сталей по

экспериментальным данным общая тенденция изменения предела те­кучести Gs и модуля нормальной упругости Е от температуры пред­ставлена на рис. 15.2, б. Анализируя кривые изменения gs и Е от тем­пературы, следует отметить, что предел текучести as с повышением температуры до 500 °С снижается очень медленно, а при температу­рах выше 600 °С значения очень малы. Снижение модуля нормаль­ной упругости Е с повышением температуры еще менее резкое, а при температурах выше 600 °С эта величина теряет физический смысл. На основании этого анализа можно допустить:

- при температурах Т< Т* (рис. 15.3, а)

М7’) = СТП

Е(Т) = Е;

a - диаграмма растяжения ( a-z ). характерная для малоуглеродистых и 11 наколе ги ринді н і мх ста. іеіі; б - изменение предела текучести су и модуля нормальной ynpvrocru /т'от температуры для малоуглеродистых и ни. жо. тегнронаннмх емлем:

« - то же для гтпаиовых сплавов

- при температурах Т> Т* (рис. 15.3, 6)

М7>0,

где Т* - температура, при которой металл теряет упругие свойства (тем­пература полного разупрочнения металла). Для малоуглеродистых и низколегированных конструкционных сталей эта температура условно принята 600 °С.

Рис. 15.3. См-мііі н шровшшыс, ш;іі ]>aiiu рас іяжеінія-еланія (ст-с)

Л-ія идеальных мір> і (иі. іастн'ісскіїч міма і. іои (літі раммм ІІраиді.'ія)' а - при ісішсраїра І < Г*.о - при іечшр. п р. іх І г Є*

Подобная идеализация неприемлема, например, для титанового сплава ВТ-5 (рис. 1.5.2, в).

Указанная выше идсалішция свойств мета, па значительно упрощает рассмотрение процесса образования деформации и напряжении it выпол­нение требуемых расчетов. Вместе с тем она обеспечивает достаточную для практических целен точность при рассмотрении деформаций и напряже­ний. возникающих при сварке малоуглеродистых н низколегированных конструкционных сталей.

Примечание: введем понятие действительной или полной деформа­ции. Эта деформация определяет действительное положение нагружае­мой ючкн. например точки А на диаграмме о-е:

• если металл работает в упругой области (рис. 15.4, а), то имеет место однозначная зависимость между деформациями и напряже­ниями: а = е£ в атом случае действительная деформация є (поло­жение точки /1 на диаграмме о-е) равна упругой є”:

< а і

є-є (15.3)

• если металл работает в упругопласгнческой области (рис. 15.4, б). го уже нет однозначной зависимости между деформациями и напряжениями, в. почт случае действительная деформация е (по­ложение точки,4 на диаграмме о-е) равна сумме упругой е и пла­стической £' деформаций:

ВЧК

<- /> а 1 Є = Є +Є' = l + £

• если металл работает в упругапластнческон области н подвер­жен тепловому нагружению, то действительная деформация є будет равна сумме упругой, пластической н температурной де­формации:

, п I O’ ,, 7 ___

є —е +є +є ~—+ £ +'о, (t.').o)

где Л =аТ.

Рис, 15,4. .Заипспмос и> мгжл> леформлцппмп и напряжениями:

а ' мгіа. і.і ряГноап в upviuii оо мені: о меи >. і рабочим и прч і он ик і пчіч кои об. їж і и

Введение понятия действительно!"! или полной деформации будет востребовано для оценки действительного состояния при сложном на­гружении н потребуется при рассмотрен!!!! истории іеплового нагру­жения металла при сварке.