СВАРОЧНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИЯ

СВАРОЧНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИЯ

Г. Б. Талыпов

В настоящей работе рассматривается один из практически важ­них и сложных классов температурных задач упруго-пластиче­ских деформаций.

Более 100 лет назад Дюгамель и Нейман дали обобщение ос­новных уравнений теории упругости для класса температурных нідач, имеющего важное практическое значение и характери­зующегося условиями:

1) температурное поле тела от начального состояния, которое обычно является равномерным, изменяется неравномерно в таких достаточно узких пределах, что физико-механические характери­стики его материала практически остаются неизменными и отно - UI тельное температурное расширение пропорционально темпера­туре;

2) с определенного момента температурное поле неизменно во времени;

3) деформации во всех точках тела остаются упругими.

11ри этих условиях стационарного температурного поля /' (v, у, z) температурная задача теории упругости сводится к ее обычной задаче путем введения дополнительных объемных и по­верхностных сил. Изложение математического аппарата и под­робный обзор исследований, посвященных этому классу тем­пературных задач, можно найти в монографиях [59, 67].

Развитие техники обусловило необходимость изучения напря­жений и деформаций в элементах конструкций, вызываемых неста­ционарными температурными полями Т (х, у, г, і).

Каждое такое температурное поле вызывает напряженное со - ( юипие, изменяющееся с течением времени t, и задача определе­ния поля напряжений (деформаций) в таких случаях является динамической. При этом, если деформации не сопровождаются вы делением или поглощением тепла, т. е. если температурное поле вызывается только внешними и внутренними источниками, при которых не имеет места переход механической энергии в тепловую в уравнение теплопроводности не будет содержать члена, завися­щего от деформаций, то задачи определения полей температур и напряжений (деформаций) решаются независимо друг от друга (несвязанные температурные задачи деформируемого тела).

Если же само изменение деформации сопровождается измене­нием температуры, то имеем связанную температурную задачу деформируемого тела, где задачи определения полей температур и деформаций (напряжений) должны решаться одновременно. Но, как показывают исследования [140, 143], влияние выделяемого в процессе деформации тепла на температурное поле от источников весьма мало и связанная температурная задача деформируемого тела может иметь значение только в тех случаях, когда внешние источники отсутствуют и температурное поле вызывается самим процессом деформации. В настоящей монографии рассматриваются температурные задачи, где температурные поля вызываются внеш­ними источниками, т. е. несвязанные температурные задачи де­формируемого тела.

За последние 20—25 лет бурное развитие ядерной техники, энер­гетики, ракетостроения, самолетостроения, судостроения и т. д. как в Советском Союзе, так и за границей привело к усилению исследований нестационарных температурных напряжений (дефор­маций) при высоких уровнях температур и значительных темпе­ратурных градиентах. Изложение теории квазистационарных и нестационарных температурных напряжений приведено в мо­нографиях [8, 26, 80, 92]. К сожалению, в этих монографиях недостаточно отражены работы советских исследователей. , В мо­нографии [8] приведен список работ по температурным напря­жениям, появившихся на русском языке, составленный редак­тором перевода Э. И. Григолюком.

Настоящее исследование посвящено классу температурных за­дач, который характеризуется условиями:

1) температура в весьма ограниченной области тела изменяется в широких пределах; например, для металлов она может быть вблизи температуры их кипения;

2) в неподвижной системе координат температурное поле по­движно и температура в каждой точке зоны нагрева изменяется во времени, охватывая весь цикл нагрева и остывания;

3) в силу подвижности температурного поля оказываются по­движными зоны упругих, упруго-пластических и чисто пластиче­ских деформаций;

4) в зоне более интенсивного нагрева физико-механические характеристики материала изменяются в широких пределах и важнейшие из них, например механические характеристики, в ре­зультате нагрева и остывания могут получить существенные необ­ратимые изменения;

5) после полного остывания тело, будучи свободным от внеш­них сил, находится в упруго-пластическом деформированном состоянии; при последующем приложении внешних сил оно может частично оказаться в условиях сложного нагружения [44].

Этот класс температурных задач возник в связи с применением сварки, которая в настоящее время является основным способом неразъемного соединения элементов конструкций практически во ш v к отраслях промышленности и строительства и почти целиком ныгсснила клепку. К этому же классу относятся задачи, связанные с процессом упруго-пластических деформаций в металле, вызы­ваемых газовой резкой.

1J связи с применением сварки возникает ряд проблем [1]. В ча­стости:

1) рациональное конструирование, т. е. разработка такой свар­ной конструкции, где сварочные деформации и напряжения ока­лывали бы минимальное влияние на ее эксплуатационную проч­ность;

2) обоснование технологических допусков на сварные кон-

I грукции; обеспечение предусмотренных чертежами форм и раз­меров сварных конструкций;

Л), прочность сварных конструкций.

Несмотря на наличие многочисленных работ по всем этим воп­росам эти проблемы нельзя считать разработанными в достаточной м< ре. Первые две из этих проблем не требуют специального пояс­нения. По третьей проблеме до настоящего времени нет единой ІОЧКІІ зрения.

Сварка связана со сложным взаимодействием многих физико - мохннических и механических факторов. В частности, в процессе сварки (или газовой резки) определенная зона основного металла подвергается процессу термического сложного нагружения [117].

II настоящее время не приходится рассчитывать на возможность гочной математической постановки и решения проблемы исследо­ван ни сварочных деформаций (напряжений) с учетом всех ее строп. Создание точного математического аппарата для определе­нна сварочных деформаций (напряжений) сопряжено с большими і р удностями, которые обусловлены подвижностью температур­ним) поля; вместе с тем оказываются подвижными зоны чисто упру - гнх, упруго-пластических и чисто пластических деформаций при условиях, когда теплофизические и физико-механические харак - геристики металла изменяются в широких пределах, а некоторые їм них в процессе сварки и остывания могут получить суще - I гневные необратимые изменения. Такой аппарат до настоящего времени не разработан, и если он будет создан, то не менее труд­ным окажется его применение к конкретным задачам.

В простейших случаях задачи о сварочных деформациях и напряжениях схематически могут быть представлены следующим ■ ■браном. Возьмем металл, который резко теряет свою способ­ность сопротивляться пластическим деформациям в определенном дли него достаточно узком интервале температур. Для простоты примем, что он теряет свою способность сопротивляться пластиче - • ним деформациям при средней в этом интервале температуре Тк. Имен это в виду, поставим задачу: внутренняя ограниченная

часть большого плоского листа нагревается мощным источником сосредоточенно-равномерно по толщине до температур Т ►> Тк. Необходимо определить деформации и напряжения в точках листа после его остывания. Вопрос усложняется, если источник пере­мещается вдоль некоторой линии от начального до конечного поло­жения, т. е. когда подвижная изотерма Тк образует некоторую область. Еще более сложную задачу получим в случае, когда тол­щина листа значительна и температурное поле подвижного источ­ника окажется пространственным.

Сложностью рассматриваемой проблемы в общей ее постановке обусловлен и тот факт, что существовавшие до выхода монографии [116] расчетные схемы сварочных деформаций и напряжений не выходили в основном за пределы простейшей задачи — случая наплавки валика на продольную кромку свободной полосы, где справедлива гипотеза плоских сечений. Краткое изложение этих теорий дано в § 2—4 монографии 1116], а также в работе [52] и в данной монографии в п. 20—22.

В последние годы появились работы по применению ЭВМ для исследования сварочных деформаций и напряжений свободных полос [98], бесконечных пластин на основе теории малых упруго - пластических деформаций [8, 19], конечных пластин с различ­ными условиями крепления краев на основе теории течения [17, 63—65].

В силу сложности задачи в общей постановке естественно идти по пути разработки приближенной теории сварочных деформаций и напряжений. Исходные предпосылки этой теории должны базиро­ваться на результатах изучения коренных изменений, происходя­щих в основном металле зоны шва после сварки и остывания. Все эти изменения, а именно: структурные, механических свойств и по­явление сварочных деформаций (напряжений) должны изучаться не в отрыве друг от друга, а в их взаимной связи с тем, чтобы для металлов с достаточно высокой температурой объемных превраще­ний найти тот физический параметр, который определяет их и управляет ими 1116].

В соответствии с этим принципом в гл. 6 настоящей работы при­водятся результаты исследования структуры и механических свойств основного металла зоны как линейного, так и плоского крестового швов, опытные данные о характере распределения сва­рочных деформаций в этой зоне. Вместе с тем в последних пара­графах этой главы приводятся результаты опытного решения, принципиального для построения приближенной теории вопроса — путем изменения какого физического параметра можно управлять изменением структуры и механических свойств основного металла зоны шва, а также сварочными деформациями и напряжениями.

Проблема сварочных деформаций и напряжений отличается не только сложностью, но и многогранностью. В связи с необходи­мостью оценки прочности в процессе сварки и исключения воз­можности появления горячих трещин представляет большой практический интерес изучение деформаций и напряжений, воз­никающих в процессе укладки шва [65, 74, 75, 97]. При сварке легированных сталей с низкой температурой распада аустенита позникают деформации и напряжения, обусловленные структур­ными превращениями [59, 65, 74, 85]. Рассмотрение этих вопросов н входит в наши задачи. В настоящей работе дается обоснование приближенной теории для определения одноосных, двухосных, н трехосных сварочных деформаций и напряжений, возни­кающих после сварки и полного остывания, применительно к ме­таллам, у которых температуры объемных превращений находятся выше их температуры Тк.

Приближенная теория должна базироваться на системе неко - інрих основных допущений и гипотез, подтвержденных опытом. В гл. 7 сформулированы основные гипотезы и допущения, на которых базируется предлагаемая теория, а также дается опытное обоснование основной гипотезы приближенной теории для раз­личных металлов. Работа [1161 была посвящена обоснованию приближенной теории сварочных деформаций и напряжений и ее применению к сварным изделиям из однородных металлов. В на-

• тищей монографии показана применимость приближенной тео­рии к определению деформаций и напряжений, возникающих в ре­зультате сварки изделий из цветных металлов, биметалла и из ришородных металлов.

Гл. 6, 7, где дается обоснование приближенной теории, пред - пкч-шуют вспомогательные гл. 1—4, а также гл. 5, где дается обзор рнбот, посвященных разработке теории сварочных деформаций и напряжений.

Как выводы в результате изучения коренных изменений (гл. 6), і її к п основные гипотезы и допущения приближенной теории (гл. 7) неразрывно связаны с особенностями термического процесса и тем­пературного поля, возникающими при сварке (или газовой резке) мощным подвижным источником тепла. Для конкретного примене­ния этой приближенной теории необходимо знать температурное ноле предельного состояния нагрева при сварке данной конструк­ции при данном режиме и определить размеры зон чисто пластиче - I к их н упруго-пластических деформаций нагрева, которые входят н решение по этой теории как основные определяющие параметры. Поэтому в гл. 1 и 2 дается краткое изложение основных законов іеплопроводности и основ теории температурного поля сварки, раз­работанной акад. Н. Н. Рыкалиным [103, 104].

Определение сварочных деформаций (напряжений) приближен - нпи теория сводит к обычным задачам исследования упруго-пла-

• гнчееких деформаций стержней, пластин и оболочек. При этом р шин не задачи в каждом конкретном случае может быть получено пин методом «сшивания» зоны, получившей заданные пластические деформации нагрева, с остальной частью изделия или же оно мо­им т быть сведено к температурной аналогии метода сшивания, т. е. и іемпоратурной задаче мгновенного охлаждения зон, получивших при нагреве чисто пластическую и упруго-пластическую деформа­ции, где закон распределения температуры мгновенного охлажде­ния определяется законом распределения пластических деформа­ций нагрева. Поэтому в гл. 3 и 4 приведено краткое изложение аппарата температурной задачи деформируемого тела при упругих и упруго-пластических деформациях.

В гл. 8 дается применение приближенной теории к решению конкретных задач по определению сварочных деформаций и на­пряжений в балках, пластинках и оболочках. Тут же дается опыт­ная проверка результатов, получающихся по предлагаемой тео­рии. Сравнение теоретических результатов с опытными показы­вает их удовлетворительное соответствие.

Металл зоны сварочного шва после сварки и остывания во мно­гих случаях оказывается в упруго-пластическом деформированном состоянии [116]. При последующем приложении внешних сил металл указанной зоны может оказаться в условиях сложного погружения [117]. В важной для практики проблеме оценки влия­ния сварочных напряжений на прочность конструкций в настоя­щее время не существует единого мнения.

В гл. 9 монографии дан анализ новейших результатов по этой проблеме, который с несомненностью указывает на влияние оста­точных сварочных напряжений на прочность конструкций.

Большую помощь автору в оформлении работы оказали В. Д. Горностай и В. И. Хадарина. Автор выражает им глубокую благодарность.

Все замечания по книге будут приняты автором с благодар­ностью.