СВАРОЧНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИЯ

ОСТАТОЧНЫЕ ПРОДОЛЬНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ В СТАЛЯХ И СПЛАВАХ

Максимальные остаточные напряжения ах в низкоуглероди­стых сталях обычно близки к ог (рис. 25, а). Постепенно умень­шаясь при переходе от оси шва к околошовной зоне, они затем Резко спадают до нуля. Распределение напряжений в сварном со­единении может несколько отличаться от показанного на рис. 25, а. В зависимости от степени легирования металла шва напряжения в нем могут быть несколько выше или несколько ниже, чем В око - •пошовной зоне. Скорость охлаждения стали, а также ее исходное

состояние оказывают влияние на величину предела текучести после сварки, а следовательно, и на величину остаточных напряжений.

Аустенитные стали имеют коэффициент линейного расширения больший, чем низ. чоуглеродистые стали. Резкое снижение предела текучести у них происходит при более высоких температурах, чем у низкоуглеродистых сталей. Запас температурной деформа­ции у аустенитных сталей вследствие этих причин значительно больший, чем у низкоуглеродистых. Отсутствие площадки теку-

чести на диаграмме о—є и большая пластическая деформация при остывании зоны сварного соединения вызывают упрочнение ме­талла с образованием остаточных напряжений, как правило, пре­вышающих предел текучести. Характер изменения напряжений по ширине соединения для аустенитных и низкоуглеродистых ста­лей аналогичен (см. рис. 25, а). Стали аустенитного класса с вы­сокими значениями предела текучести, достигнутого путем леги­рования, могут иметь довольно высокие значения продольных оста­точных напряжений, например до значений порядка 60—70 кПмм2, (600—700 Мн/м2). В тех сталях, где предел текучести основного металла повышен путем холодной пластической деформации, оста­точные напряжения обычно соответствуют пределу текучести ме­талла в отпущенном состоянии. Однако при кратковременном на­греве, когда процессы разупрочнения металла не успевают про­изойти, возможно образование остаточных напряжений выше ат основного металла в отпущенном состоянии.

Структурные превращения в сталях могут коренным образом изменить характер распределения и величину остаточных напря­жений. На рис. 5, б приведена дилатограмма металла со струк­турными превращениями. Если структурные превращения во время остывания происходят при низких температурах, то сокра­щение металла сменяется его резким расширением, а образовав­шиеся напряжения растяжения снижаются и переходят в сжи­мающие. Затем сжимающие напряжения после окончания струк­турного превращения вследствие дальнейшего сокращения ме­талла могут снова перейти в растягивающие. Конечная величина остаточных напряжений будет зависеть от величины структур­ной деформации ес и темпера­туры окончания структурных превращений. При скоростях охлаждения, приводящих к мартенситному превращению, остаточные напряжения обычно оказываются сжимающими.

При сварке среднелегиро­ванных сталей аустенитным швом, имеющим химический состав типа стали 18-8, остаточ­ные напряжения в нем растя­гивающие, близкие к пределу текучести шва (рис. 26). В зоне с температурой нагрева выше АГі при остывании происходят структурные превращения, ко­торые заканчиваются при низ­ких температурах. Остаточные напряжения — сжимающие. В соседней зоне, где температура не превышает АГі, структур­ных превращений не происходит. Но температура металла зна­чительна и здесь во время нагрева возникают пластические де­формации укорочения. После остывания образуются растягиваю­щие напряжения, причем вследствие высокого предела текучести металла в закаленном состоянии остаточные напряжения растя­жения довольно значителькы. В точке К заканчивается зона пла­стических деформаций. За ее пределами остаточные напряжения могут быть сжимающими или растягивающими, в зависимости от неуравновешенности напряжений в зоне пластических деформаций.

Если представить, что среднелегированную сталь сваривали присадочной проволокой с химическим составом основного ме­талла, то распределение остаточных напряжений будет таким, как показано на рис. 25, б. Могут встретиться и другие более сложные случаи распределения продольных остаточных напряжений ах.

Для определения характера их распределения следует пользо­ваться дилатограммами металла, снятыми при термических циклах сварки.

Остаточные напряжения ох в титановых сплавах ВТ1, ОТ4 и близких к ним по составу распределены так же, как в низко­углеродистых и аустенитных сталях. Принципиальное отличие заключается в том, что остаточные напряжения в титановых спла­вах обычно ниже предела текучести основного ме­талла в исходном состоя­нии. В табл. 2 приве­дены значения ох для ряда металлов в сравне­нии с их пределами те­кучести. Для сплава ОТ4-1 продольные остаточные напряжения ох примерно на 30—40% ниже ат.

С уменьшением мощно­сти источника изотермы становятся более округ­лыми, отношение величины продольной оси изотермы к попереч­ной уменьшается. Это обстоятельство приводит к снижению про­дольных остаточных напряжений (рис. 27).

Остаточные напряжения в алюминиевых сплавах обычно не­велики и ниже предела текучести металла в отожженном состоянии. Характерной особенностью распределения ох является некото­рый спад их в зоне шва и прилегающей к нему околошовной зоне (см. рис. 25, в, г).

В отличие от низкоуглеродистых сталей остаточные напряже­ния в титановых и алюминиевых сплавах заметно ниже предела
текучести металла. Указ иное обстоятельство находится в неко­тором противоречии с результатами расчетного определения оста­точных напряжений приближенными методами, построенными на гипотезе одновременности заварки шва по всей длине. Действи­тельно, для алюминиевых сплавов максимальные расчетные на­пряжения в широкой сварной пластине равны

аТ0Е = 24 -10-°-350-0,7-104 ^ 59 кГІмм2 (590 Мнім11),

где Т0 — температура, при которой ат як 0. Они заметно выше предела текучести алюминиевых сплавов. Для титановых спла­вов аТ0Е = 8,5- 1(Г6-800 -1,05-104 ^ 70 кГІмм2 (700 Мнім2), что довольно близко к пределу текучести сплава ОТ4.

Результаты экспериментальных определений остаточных на­пряжений в алюминиевых и титановых сплавах, показавшие за­метное отличие их от расчетных, заставили вновь обратиться к расчетным методам с тем, чтобы установить, в чем состоит их погрешность. Одной из основных причин несоответствия расчет­ных и экспериментальных значений остаточных напряжений, по - видимому, следует считать то обстоятельство, что шов заваривается неодновременно по всей длине. Величина продольных напряжений зависит также от сдвиговых пластических деформаций, которые в приближенных методах не учитываются.

Наглядным примером, подтверждающим наличие значитель­ных упругих деформаций металла при сварке, которые заметно понижают остаточные напряжения, является аналитическое реше­ние Задачи о временных и остаточных напряжениях в пластине при движении в ней осесимметричного температурного поля [22]. Вместо остаточных напряжений, равных аТ0Е, как это следует из простейших гипотез образования напряжений, возникают оста­точные напряжения, равные 0,22а7У:, т. е. примерно в 5 раз меньше (рис. 28, б). Разумеется, осесимметричное поле при сварке может быть образовано при весьма малых скоростях сварки и большой теплопроводности металла. Близкие к этому примеру условия наблюдаются лишь при сварке алюминия, когда изотермы имеют небольшую овальность. Однако упругое взаимодействие различных зон металла играет важную роль в образовании вре­менных и остаточных напряжений. Реальные сварочные режимы создает условия сварки, которые являются промежуточными между данным примером и случаем быстродвижущегося источника. Результаты решения дают ключ к объяснению причин образования остаточных напряжений, существенно меньших от.

Указанное решение получено методами теории упругости при следующих расчетных предпосылках. Предполагается, что в иде­ально упругой пластине имеется осесимметричное температурное поле и круглое отверстие в центре, которое движется совместно с температурным полем (рис. 28, а). Температура края отверстия * — Т0. После прохождения отверстия совместно с температур­
ным полем в зоне шириной 2а образуются остаточные напряже­ния (рис. 28, б).

Данная задача была решена также на ЦВМ Урал-2 методом, изложенным в п. 13[2] (рис. 29). Ввиду того что исследуемая зона

а — температурное поле; б — эпюра продольных остаточных на­

о зоне шириной 2а

была разбита на 16 полос одинаковой ширины, пиковые значения остаточных напряжений вследствие большой ширины крайней по­лосы не были получены. Для обнаружения резких градиентов напряжений необходимо в этих зонах назначать малую ширину полос.

а — радиус отверстия, движущегося совместно с темпе­ратурным полем, у — координата в поперечном направ­лении

До сих пор речь шла об остаточных напряжениях непосред­ственно после сварки. В подавляющем большинстве случаев эти напряжения сохраняются без изменения сколь угодно долго. Ис­

ключение составляют случаи, когда в металле сварных соединений имеются нестабильные структуры, распадающиеся со временем с изменением объема [72]. Остаточные напряжения могут изме­няться также в процессе естественного и искусственного старения термически упрочняемых сплавов.

Эпюры напряжений, которые приводились выше, относятся к сечениям, удаленным от края пластины.

Рассмотрим распределение напряжений ох вдоль сварных со­единений.

На некоторой длине сварного соединения напряжения воз­растают до максимальных значений (рис. 30, а). Это расстояние,

где максимальные напряжения достигают стабильной величины, не соответствует расстоянию, на котором стабилизируется эпюра остаточных напряжений по всему поперечному сечению пластины. Расстояние /2 примерно равно ширине пластины 2В и может быть найдено на основании решения задачи методами теории упругости, когда по торцу пластины приложены уравновешивающиеся на­грузки, а па расстоянии /2 эпюра дает нулевые значения напря­жений (рис. 30, б).

Стабилизация напряжений по оси шва и в зоне пластических Деформаций происходит на расстоянии 1г < /2. Растягивающие напряжения возрастают значительно быстрее, чем это следует из упругого решения. Сжимающие напряжения ах, в особенности по краю у = ±В, достигают стабильных значений при расстояниях I ^ /2. Нормальные напряжения ох, если рассмотреть только зону пластических деформаций 2Ьп, уравновешиваются касатель­ными напряжениями %ху (рис. 30, в). Чем быстрее возрастают нор­мальные напряжения ах вдоль оси ОХ, тем больше значения касательных напряжений %ху.