Собственные напряжения при сварке

Основные понятия

Рис. 2.1

Расширение и сокращение металла от неравномерного нагрева или охлаждения, а также от структурных превращений образуют так называемые собственные или внутренние напряжения при сварке. В отличие от напряжений и деформаций, создаваемых нагрузками, собственные напряжения присутствуют в теле при отсутствии каких-либо внешних воздействий.

Собственные напряжения - это такие напряжения, которые существуют в теле при отсутствии приложенных к нему поверхностных или объемных сил. Сварка не единственный технологический процесс, в результате которого возникают собственные напряжения. Они также появляются при кристаллизации металла и охлаждении отливок и в некоторых других случаях, например при нагреве элементов конструкций, в которых невозможна реализация температурного расширения. Собственные напряжения классифицируются по различным признакам. По причине, их вызвавшей, они делятся на напряжения от упругого или пластического механического деформирования при сборке, монтаже и правке; от упругих и пластических деформаций при неравномерном нагреве детали; от неравномерного изменения объема тела при фазовых превращениях. По времени существования они могут быть временными, существующими в период протекания технологических операций, и остаточными, устойчиво сохраняющимися в течение длительного периода. Собственные напряжения бывают одноосными (линейными), двуосными (плоскими), трехосными (объемными). В зависимости от объема, в пределах которого напряжения взаимно уравновешиваются, они называются напряжениями первого, второго и третьего рода. Напряжения первого рода уравновешиваются в макрообъемах (например, по всему сечению детали), второго рода - в пределах зерна металла, третьего рода - в пределах нескольких межатомных расстояний.

Изучение собственных напряжений при сварке целесообразно начинать с простейших примеров.

2.2. Деформации и напряжения в стержне при нагреве и охлаждении

Рассмотрим изменение напряжений и деформаций в коротком стержне из низкоуглеродистой стали, который с одной стороны заделан в абсолютно жесткую стенку, а вторым торцом касается другой абсолютно жесткой стенки (рис. 2.2, а).

Стержень нагревается равномерно по всему объему до некоторой температуры Т, при которой температурное расширение, сдерживаемое стенками, будет вызывать в стержне напряжения равные пределу текучести. Будем для простоты считать, что стержень является идеальным упругопластическим телом и имеет диаграмму растяжения (σ - ε), изображенную на рис. 2.2, б. В качестве упрощающих допущений примем также, что модуль упругости материала стержня, коэффициент

Рис. 2.2

Если бы стержень не был ограничен абсолютно жесткими стенками, то при его нагреве до температуры Т, он получил бы температурное удлинение

.

Относительная температурная деформация стержня в этом случае

.

Из-за наличия стенок температурное удлинение стержня невозможно, то есть стержень при нагреве будет иметь длину меньшую той, которая соответствует данной температуре. На начальных этапах нагрева деформации сжатия стержня будут упругими, а напряжения будут определяться законом Гука (рис. 2.2, в). Увеличение упругих деформаций стержня с нагревом будет продолжаться до тех пор, пока напряжения сжатия не достигнут предела текучести. Дальнейший нагрев будет вызывать накопление в стержне пластических деформаций при неизменном напряжении. Если, после некоторой пластической деформации, будет происходить охлаждение стержня, то упругая составляющая полученных стержнем деформаций будет исчезать. В соответствии с принятыми нами допущениями упругая разгрузка стержня будет происходить по такому же закону, как и упругое сжатие. К моменту полного охлаждения упругая составляющая деформации стержня станет равной нулю, а пластическая (необратимая) деформация будет наблюдаться в виде зазора между стенкой и торцом стержня. Напряжение в стержне при этом будет равно нулю.

Рис. 2.3

До тех пор, пока сжимающее напряжение в стержне при нагреве не достигнет предела текучести в некоторой точке А (рис. 2.3, б), соответствующей температуре примерно 100 °С, деформации стержня будут упругими. Участок ОА изменения напряжений не является прямой линией потому, что по мере повышения температуры модуль упругости несколько уменьшается. Конкретные значения напряжений на участке ОА определяются по закону Гука

.

В точке А напряжение достигает предела текучести. При дальнейшем повышении температуры (участок АВ на рис. 2.3, 6) напряжение изменяется, оставаясь равным пределу текучести, а пластическая деформация возрастает. Уменьшение напряжения в стержне при нагреве от 100 до 500 °С объясняется снижением предела текучести с повышением температуры.

В точке В нагрев стержня прекращается. В этот момент полная температурная деформация сжатия равна

.

Упругая составляющая полной деформации

,

где σ _{т В} и Е_В - предел текучести и модуль упругости металла при температуре Т_В.

Охлаждение стержня начинается с момента, когда накопленная в нем пластическая деформация равна

.

Это означает, что если бы стержень освободить от заделок по торцам, то после полного охлаждения он стал бы короче на величину ε _{пл. В}. В процессе охлаждения, когда реализуется температурное укорочение стержня, упругая деформация сжатия ε _{упр. В} постепенно уменьшится до нуля, а затем из-за стремления стержня стать к моменту полного охлаждения короче на величину ε _{пл. В}, начинается деформация упругого растяжения (линия ВС на рис.2.3, б). В точке С напряжения растяжения достигнут предела текучести и дальнейшее охлаждение будет приводить к накоплению в стержне пластических деформаций растяжения. В точке D температурные деформации равны нулю, а напряжение соответствует пределу текучести при нулевой температуре.

Принципиально важным является тот факт, что ко времени полного охлаждения в стержне накоплена некоторая величина пластических деформаций сжатия. Эта остаточная деформация сжатия будет равна разнице между пластическими деформациями сжатия на стадии нагрева (линия АВ) и пластическими деформациями растяжения на стадии охлаждения (линия CD). Поэтому, если один конец растянутого в результате нагрева и охлаждения стержня освободить от заделки, то стержень уменьшится в длине. Величина этого сокращения будет равна

.

Bслучае жесткой заделки обоих концов стержня упругая остаточная деформация совпадает по абсолютному значению с остаточной пластической деформацией. В реальных условиях равенство упругих и пластических деформаций обычно не наблюдается.

При небольшом нагреве малоуглеродистых сталей, когда пластические деформации сжатия невелики (например, при нагреве до 150 – 200 ^оС), в процессе охлаждения пластическое деформирование растяжения не происходит (на графике отсутствует линия CD). У титановых сплавов пластическая деформация растяжения на стадии охлаждения не возникает при нагреве до 600 °С. Это связано с тем, что значение модуля упругости у титановых сплавов примерно в два раза ниже, чем у низкоуглеродистых сталей, а закономерность снижения его с температурой практически такая же.

Рис. 2.4

Если эти сжимающие напряжения достигнут предела текучести, то при нагреве в стержне, кроме упругой деформации ε _{упр. н.} будет протекать и пластическая деформация сжатия ε _пл. _н. После полного остывания стержень окажется короче, чем он был вначале (рис. 2.4, в). Однако пружина сдерживает укорочение стержня и не позволяет ему занять положение, обозначенное точкой А, которое определяется величиной пластической составляющей деформации сжатия, полученной при нагреве ε _пл. _н. Наблюдаемая деформация после остывания

ε _н.о. < ε _{пл. н}.

Это является признаком появления в стержне растягивающих напряжений. Величина и характер растягивающих напряжений зависят во многом от жесткости пружины, а в реальных условиях сварки - от модуля упругости, являющегося характеристикой жесткости металла.