Временные и остаточные деформации и напряжения при нагреве края пластины движущимся источником теплоты
Рассмотрим процесс изменения деформаций и напряжений в активной зоне широкой пластины при прохождении по ее краю движущегося источника теплоты (сварочной дуги). Поскольку препятствия расширению металла по толщине и в сторону края пластины отсутствуют, напряжения являются одноосными и действуют параллельно краю пластины (вдоль траектории движения источника).
По мере приближения источника к некоторой точке пластины температура в ней повышается, а после прохождения источника мимо этой точки вновь снижается до температуры окружающей среды (рис. 11.2). Прямо пропорционально изменению температуры
|
Рис. 11.2. Циклы температуры, деформации и напряжения в точке у края пластины при прохождении движущегося источника теплоты: А - начало нагрева и роста сжимающих напряжений; Б - начало пластических деформаций укорочения; В - начало охлаждения и упругой разгрузки; Г - полная разгрузка и начало роста растягивающих напряжений; Д - начало пластических деформаций удлинения; Е - полное остывание (остаточные напряжения и деформации) |
растет, а затем убывает свободная температурная деформация га.
Наблюдаемая деформация ен в данном случае мала, поскольку широкая пассивная зона пластины препятствует расширению небольшой активной зоны у края пластины. В активной зоне возникают сжимающее напряжение а и деформация укорочения ес « -£а, которая компенсирует деформацию удлинения от нагрева єа.
Если напряжение а при нагреве не достигает предела текучести материала от, то вся собственная деформация является упругой
єупр> ПРИ остывании происходит полная разгрузка и остаточное напряжение не образуется. Если же напряжение а достигает предела текучести от (в точке Б на рис. 11.2), то рост напряжения и упругой деформации прекращается, дальнейшее увеличение собственной деформации ес при продолжении нагрева происходит за
счет роста пластической деформации укорочения епл.
В точке В начинаются снижение температуры и упругая разгрузка. Пластическая деформация укорочения сохраняется, поэтому полная разгрузка наступает раньше полного остывания (в точке Г).
При дальнейшем остывании материал на краю пластины продолжает сокращаться. Остальная часть пластины препятствует этому сокращению, возникает растягивающее напряжение и упругая деформация удлинения. Если при охлаждении напряжение снова достигает предела текучести (в точке Д на рис. 11.2), то рост напряжений и упругих деформаций прекращается, начинаются пластические деформации удлинения, которые компенсируют часть пластического укорочения, возникшего при нагреве.
После полного остывания (точка Е) на краю пластины сохраняются остаточная пластическая деформация укорочения, остаточное растягивающее напряжение и остаточная упругая деформация удлинения.
Таким образом, причиной возникновения остаточного напряжения является пластическое укорочение активной зоны при нагреве. Пластическая деформация возникает в активной зоне в основном по двум причинам:
1) поперечное сечение активной зоны, как правило, меньше, чем окружающей пассивной зоны, поэтому уровень напряжения в ней выше;
2) предел текучести материала снижается при нагреве (при сварочных температурах он близок к нулю), поэтому остаточные напряжения возникают даже при сварке очень маленьких швов.
При ограниченной жесткости свариваемой конструкции под действием сварочных напряжений в ней возникают существенные остаточные наблюдаемые деформации и перемещения, приводящие к искажению ее формы и размеров.
