Каталог организаций

Деформации металла при сварке

Одной из основных причин появления сварочных деформаций является расширение и сокращение металла при нагреве и остывании. Если материал изотропен, а коэффициент линейного расширения металла a во всех точках тела одинаков, то независимо от формы тела при равномерном его нагреве от нуля градусов до температуры Т возникнут во всех направлениях одинаковые температурные деформации e = aТ:

ex = ey = ez = aТ (1)

Абсолютное изменение размера L по любому направлению составит

DL= aТL (2)

При этом, как известно, не будет возникать каких-либо напряжений, вызванных расширением тела. Не будут возникать напряжения в теле и в том случае, если изменение температур по любому направлению следует линейному закону. После остывания тела все его размеры вернутся к первоначальным значениям, которые они имели до нагрева.

В случае неравномерного нагрева в теле возникают такие температурные деформации, которые должны были бы вызвать в нем разрывы или надавливание частиц друг на друга. На самом деле возникают лишь напряжения, создающие необходимые для сохранения сплошности тела упругие деформации eуп. Если напряжения превосходят соответствующее значение, то возникают также и пластические деформации eпл. При достижении напряжениями разрушающего уровня возникают трещины.

Вследствие появления упругих и пластических деформаций изменение размеров частичек тела не будет следовать закону распределения температурных деформаций ea. Возникающие деформации, которые можно наблюдать и измерить, в теории упругости и пластичности называют просто деформациями, не присваивая им никаких дополнительных определений. В литературе по сварке под словом деформации часто понимают также искажения форм конструкций. В настоящей курсе возникающие в теле деформации называются наблюдаемыми деформациями. В отдельных работах их называют деформациями формоизменения или внешними деформациями. Если тело изотропно и коэффициенты a во всех направлениях равны, то наблюдаемые деформации в направлении осей Ox, Oy, Oz будут равны сумме упругих, пластических и температурных деформаций:

eн = eупр + eпл + ea (3)

Сдвиговые наблюдаемые деформации при этом не будут содержать температурной составляющей деформации

gн = gупр + gпл (4)

В случае неодинаковых коэффициентов линейного расширения a1 и a2 по двум осям 1 и 2 деформации gн также, будут зависеть от a1 и a2. Если к телу не приложены никакие нагрузки, то деформации (eупр + eпл) и (gупр + gпл) называют собственными деформациями, или, иногда, внутренними. Последнее название, вероятно, менее удачно.

Кроме температурных деформаций в теле могут возникать также и деформации, вызываемые различными структурными превращениями, которые обычно происходят с увеличением или уменьшением объема тела. Формально деформации от структурных превращений можно рассматривать как частный случай температурных деформаций и приравнивать к некоторому дополнительному нагреву или охлаждению тела. Формулы (3) и (4) получены из предположения, что первоначально тело находится в естественном ненапряженном состоянии. Но в теории сварочных деформаций возможны случаи, когда еще в исходном состоянии в теле имеются начальные деформации, например, вызванные предшествующими пластическими деформациями. Тогда формулы (3) и (4) преобразуются к виду

eн = eупр + eпл + ea + eпл,0 (3,а)

gн = gупр + gпл + gпл,0 (4,а)

В этом случае eпл и gпл означают дополнительные пластические деформации, которые возникли при протекании какого-либо процесса, начиная от исходного состояния. Конечное суммарное значение пластических деформаций может быть получено, если к начальным пластическим деформациям eпл,0 и gпл,0 добавить возникшие дополнительно пластические деформации eпл и gпл , т. е. будем иметь (eпл,0 + eпл ) и (gпл,0 + gпл ).

Рассмотрим на примере стержня с пружиной (рис. 1) некоторые характерные случаи образования деформаций. Допустим, стержень нагрет и должен был бы удлиниться до точки В. В действительности он удлинится только до точки А, так как пружина будет оказывать на стержень давление. Согласно (3) eн будет иметь положительное значение, но так как eн < ea, то (eупр+eпл) окажется отрицательной. Из этого примера следует, что удлинение стержня, происходящее в условиях одновременного изменения температуры, еще не означает, что в нем возникли напряжения растяжения. В данном примере в стержне, несмотря на его удлинение, возникают напряжения сжатия.

 

Рис. 1 Деформация стержня при его нагреве (а) и охлаждении (б)

Допустим, что при нагреве стержня возникла пластическая деформация eпл. Она будет отрицательной величиной. При остывании стержень будет сокращаться и при отсутствии пружины должен был бы сократиться до точки С (рис. 1,б). Но из-за натяжения пружины стержень займет положение D и будет находиться в растянутом состоянии. При этом возникнет eупр положительного знака, в то время как eпл и eн будут отрицательными. Так как после полного остывания ea =0, то

eн = eупр + eпл (5)

Деформации могут быть временными и остаточными. Временными деформациями будем называть такие, которые существуют в теле в период протекания какого-либо процесса (нагрева, остывания, структурного превращения); остаточными — деформации, которые сохраняются в теле устойчиво в течение продолжительного периода времени после завершения какого-либо процесса.

Также по теме:

Напряжения в металле. Напряжения и перемещения в металлах при сварке.

Образование деформаций.  Образование сварочных напряжений и деформаций.