Каталог организаций

Образование деформаций и напряжений при сварке

Механические свойства металлов

На рис. 1 приведены зависимости σт для различных сталей от температуры. Общая закономерность поведения кривых — это понижение σт с повышением температуры. При использовании σт в расчетах сварочных деформаций и напряжений не следует забывать, что его значения на стадии нагрева и на стадии охлаждения могут быть различны. Это относится главным образом к металлам, термически упрочняемым или свариваемым в наклепанном состоянии. Нагрев металла до высоких температур при сварке, пребывание его в течение некоторого времени при этих температурах могут понизить σт по сравнению с исходным состоянием. Но σт может и повыситься, если сталь, нагретая до высоких температур, соответствующих перекристаллизации, затем охлаждалась, т. е. происходила ее закалка. При этом σт будет зависеть от многих факторов — химического состава металла, температуры нагрева, скорости охлаждения и др. Таким образом, использование схемы идеального упругопластического тела оказывается простым далеко не, для всех металлов.

При необходимости воспользоваться в расчетах за пределами упругости коэффициентом поперечной деформации μ не следует смешивать его с полным коэффициентом поперечной деформации μ'. Рассмотрим случай одноосного растяжения стержня за пределами упругости. Продольная собственная деформация εx будет состоять из составляющих: упругой εxупр и пластической εxпл. Поперечные деформации εу и εz в случае одноосного растяжения будут равны между собой (εу = εz) и будут включать в себя две части, одну — зависящую от εxупр с коэффициентом μ для упругой составляющей, и другую — зависящую от εxпл с коэффициентом поперечной деформации 0,5. Тогда

εy =εz =-μεxупр- 0.5εxпл (11)

Полный коэффициент поперечной деформации определится как отношение

(12)

Значение μ’ больше μ, но менее 0.5. При больших пластических деформациях, когда отношение εxупр/εx мало, а εxпл/εx близко к единице, значение μ’стремится к 0,5.

В приближенных расчетах удобнее использовать схематизированные диаграммы зависимости σт от температуры. Вместо плавных кривых с несколькими точками излома или даже ломаных используют зависимости, представленные на рис. 2. Для низкоуглеродистых сталей до Т=770 К предел текучести принимают постоянным, а между 770 К и 870 К — изменяющимся по линейному закону. Для титановых сплавов более подходит схема линейного изменения предела текучести (рис. 2). Предположение, что при Т>870 К для стали и Т>970 К для титана σт=0, является условностью. На самом деле σт≠0, хотя и мал.

Рис. 1. Зависимость относительного предела текучести g(T) =σТ /σ293 от температуры для различных сталей: а — низкоуглеродистые стали (1 — техническое железо; 2 — сталь 35; 3 — сталь 08КП; 4 — сталь 10 кп; 5 — сталь 15кп; 6 — сталь 20; 7 — сталь 25, 8 — сталь 30; 9 — сталь 35); б — низко- и среднелегированные стали (1 — 40Х; 2 — 25ХГСА; 3 — 35ХМА; 4 — 1X3; 5 — 12Х18Н9Т; 6 — 12Х5МА; 7 — 50ХФА); в — алюминиевые сплавы (1 — АД1; 2 - АМц; 3 — АМгЗ; 4 — АМгб; 5— Д16Т; 6 — АК4; 7 - АКб; 8 — B95)

 

Рис. 2. Схематизированные зависимости предела текучести от температуры для СтЗ и титана

Схема идеального упругопластического тела не отражает многих существенных свойств материала, таких как упрочнение, ползучесть и релаксация при высоких температурах, эффект Баушингера при перемене знака приращения пластической деформации и др. Экспериментальные данные, например, показывают, что остаточные напряжения в аустенитных сталях могут быть выше σт при нормальной температуре. Это означает, что материал упрочнялся в процессе развития пластической деформации. Казалось бы, этот эффект можно учесть использованием диаграммы материала с упрочнением. Но такой подход, являющийся простым при постоянных невысоких температурах, когда нет процессов разупрочнения и ползучести, становится невозможным при высоких температурах, так как пластическая деформация при одних температурах не равноценна пластической деформации при других температурах ввиду различной степени упрочнения. Кроме того, выдержкой металла при высоких температурах можно вообще устранить последствия упрочнения металла пластической деформацией. В таких сложных случаях целесообразно использовать термодеформограммы металла, дающие комплексные свойства свариваемого металла в условиях конкретного термического и деформационного циклов сварки.

Основные физические явления, влияющие на образование деформаций и напряжений при сварке

Выше уже были рассмотрены некоторые физические явления, которые имеют самое непосредственное отношение к образованию сварочных деформаций и напряжений. Это в первую очередь распространение теплоты и образование температурных полей. Так как изменение температуры сопровождается практически у всех металлов и сплавов изменением размеров частиц тела, то дилатометрический эффект должен быть отнесен к одной из главных причин образования сварочных деформаций и напряжений. Если бы коэффициент α был равен или близок нулю, то никакие деформации не могли бы возникнуть вообще.

Температурные деформации вследствие их неравномерности вызывают собственные деформации и напряжения. Если последние достигают σт, то возникают пластические деформации, которые являются основной причиной образования остаточных деформаций и напряжений. Таким образом, неравномерность нагрева, температурные и пластические деформации должны быть отнесены к главным причинам образования сварочных деформаций и напряжений.

Ряд явлений сопутствуют указанным основным и также участвуют в формировании полей деформаций и напряжений. Различного рода структурные превращения, которые сопровождаются объемными эффектами или изменением механических свойств металла, также способны влиять на временные и остаточные деформации и напряжения.

Структурные превращения способны протекать во времени и при постоянной температуре и сопровождаться при этом необратимым изменением объема и временным изменением σт, что влияет на собственные напряжения, которые вследствие этого не остаются постоянными. Возникает изменение размеров во времени. В качестве примеров можно привести распад остаточного аустенита, протекающий с увеличением объема, и превращение мартенсита закалки в мартенсит отпуска, сопровождающееся уменьшением объема. Возможны также и другие превращения, сопровождающиеся как уменьшением, так и увеличением объема. Наряду с изменением объема происходит, как указывалось выше, и понижение σт. Возникает релаксация собственных напряжений, протекающая в соответствии с формулой

ε = εупр + εпл ≈ σ/Е + εпл (13)

Значение σ в (13) можно рассматривать как временный предел текучести металла, изменение которого приводит к переходу упругой деформации в пластическую. При более высоких температурах σ может уменьшаться во времени, будучи даже меньше σт. Это обусловлено процессами ослабления межатомных связей при высоких температурах. Процессы релаксации и ползучести в приближенных расчетах сварочных деформаций и напряжений не учитывают. Учет их в более точных методах расчета возможен либо на базе аппарата теории ползучести, либо путем получения кривых напряжение — деформация при программированном нагружении.

Упрочнение металла при пластической деформации может оказать некоторое влияние на уровень сварочных напряжений. Необходимо, однако, иметь в виду, что при отсутствии концентрации деформаций значение пластической деформации при сварке обычно не превышает 1—2 %, что не приводит к заметному увеличению σт. При наличии концентрации деформаций напряжения могут повышаться вплоть до уровня разрушающих напряжений.

Скорость деформации в процессе нагрева и остывания, особенно при использовании концентрированных источников теплоты, может меняться в широких пределах. При невысоких температурах нагрева, когда отсутствует ползучесть, возможные изменения скоростей деформаций при сварке не влияют на σт. При более высоких температурах, когда начинают проявляться релаксация напряжений и ползучесть, влияние скорости деформации более существенно и может сказаться на уровне собственных напряжений.

Также по теме:

Пластические деформации. Особенности пласзтических деформаций в зависимости от температуры.

О ламелярных трещинах. Трещины и испытательные пробы.