Собственные напряжения третьего рода связаны с искажением кристаллических решеток и уравновешиваются в ультрамалых объемах.
Эти напряжения также не ориентированы определенным образом и не зависят от формы и размеров изделия. Величину напряжений третьего рода также определяют рентгенографированием.
Расчетными инженерными напряжениями являются напряжения первого рода. Особенности этих напряжений, механизм их возникновения и влияние на прочность сварных конструкций изучены достаточно полно. В дальнейшем при рассмотрении вопросов сварочных напряжений речь будет идти только о напряжениях первого рода.
По направлению в пространстве собственные напряжения классифицируют на одноосные, двухосные (плоскостные) и трехосные (объемные). Собственные сварочные напряжения, строго говоря, всегда являются объемными. Однако во многих случаях составляющие собственных объемных напряжений, действующих по одной или двум осям, малы по величине и ими пренебрегают. В этих случаях условно считают собственные напряжения соответственно плоскостными (сварка тонких листов) или одноосными (сварка стержней). Напряжения, действующие вдоль сварного шва, называют продольными, действующие перпендикулярно продольной оси шва в плоскости свариваемых элементов, называют поперечными.
Независимо от характера распределения Собственные напряжения в любом сечении, полностью пересекающем тело, всегда уравновешены.
Механизм образования сварочных напряжений и деформаций. Сварка металлов протекает в широком интервале температур: от температуры окружающей среды до 3000--4000° С. При этом интенсивному нагреву подвергаются небольшие объемы металла -- шов и околошовная зона. С удалением от оси шва температура нагрева снижается, периферийные, участки свариваемых изделий могут вообще не подвергаться нагреву. Через определенный промежуток времени после начала сварки в теле изделия наступает предельное температурное состояние, характеризующееся постоянным положением изотерм в металле относительно источника тепла. После наступления предельного температурного состояния изотермы и источник тепла движутся с одинаковой скоростью, и различные сечения свариваемого изделия претерпевают в разные моменты времени одинаковые температурные состояния. Графическое изображение подвижного температурного поля предельного состояния показано на рис. 139. Как видно, неравномерность нагрева пластины очень высока.
Равномерный нагрев и охлаждение свободно лежащего элемента не вызовут появления в нем ни временных напряжений в процессе нагрева, ни остаточных напряжений после охлаждения. Однако если элемент закреплен, то даже равномерный его нагрев вызывает появление в элементе напряжений. Если возникающие напряжения не превысят предела упругости, то к моменту полного охлаждения (до исходной температуры) элемента они исчезнут. Если же напряжения в каком-либо объеме элемента превысят предел упругости и достигнут величины предела текучести, то в элементе появятся после его охлаждения остаточные напряжения. Аналогичным образом возникают остаточные напряжения, если элемент не имеет внешних закреплений, но нагревается или охлаждается неравномерно так, как это происходит при сварке. Роль закреплений в этом случае играют ненагретые части элемента,
При рассмотрении механизма возникновения сварочных напряжений необходимо иметь в виду, что механические свойства металлов зависят от температуры. Например, предел текучести низкоуглеродистой стали при нагреве постепенно понижается. В интервале температур 500--600° С величина этой характеристики резко уменьшается. Практически можно принять, что при нагреве свыше 600° С низкоуглеродистая сталь имеет предел текучести, близкий к нулю.
Рисунок 3
Рассмотрим механизм возникновения собственных напряжений и деформаций при наплавке валика на поверхность стального листа. Примем следующие допущения, в принципе не искажающие происходящие при наплавке физические явления: валик накладывается одновременно на всю длину листа, в процессе наложения валика нагреву подвергается только центральная полоса пластины I (на рис. 140, а заштрихована), края пластины II и III остаются ненагретыми. Допустим также, что полоса I по толщине нагревается равномерно.
В какой-то момент времени после наложения валика в полосе I наступит тепловое равновесие, и температура нагрева достигнет величины Т. Если бы волокна полосы / не были связаны с волокнами полос // и Шу то полная длина полосы / вследствие нагрева до температуры Т стала бы равной
к =Л <1 +а
где а -- коэффициент теплового расширения (принимают постоянным) Однако такая связь имеется, и все три полосы пластины могут деформироваться только совместно. Поэтому полоса I удлинится до величины /2, меньшей /3 (рис. 140, б). Вместе с ней удлинятся настолько же полосы II и III, которые в этом случае будут играть роль связей, препятствующих тепловому удлинению полосы I. Следовательно, в процессе нагрева в полосе / возникнут напряжения сжатия, в полосах II и III -- напряжения растяжения. Если в процессе нагрева напряжения сжатия в полосе I превысят предел упругости и достигнут предела текучести (что имеет место на практике при сварке и наплавке), то полоса претерпит пластическую деформацию сжатия, равную А/Пл.
Рисунок 4
При охлаждении полоса I будет стремиться укоротиться на величину полученной деформации сжатия А/Пл, но этому препятствуют полосы II и III. После полного охлаждения лист в целом получит усадку А/ост, меньшую, чем А/Пл. Вместе с этим в полосе / возникнут остаточные напряжения растяжения, в полосах II и III -- остаточные напряжения сжатия. Поле остаточных сварочных напряжений в листе в целом будет находиться в равновесии.
Остаточные напряжения равны по величине и обратны по знаку временным напряжениям, имевшим место в период нагрева и исчезнувшим вследствие протекающих пластических деформаций. Упрощенные эпюры временных и остаточных напряжений показаны соответственно на рис. 140б, 140в. В действительности, при сварке и наплавке распределение температуры в элементе подчиняется более сложному закону (см. рис. 139б). Являясь функцией температуры, тепловые деформации и, следовательно, временные и остаточные напряжения также распределяются по сечениям элемента по более сложным законам. Тем не менее в любом случае сварки и наплавки (плавлением) в сварном изделии практически всегда можно выделить участки, где будут протекать пластические деформации и возникнут остаточные сварочные напряжения, равные пределы текучести материала или близкие к нему. Чаще всего это участки шва и околошовной зоны. Протяженность этих участков зависит от многих факторов, в числе которых можно назвать режимы сварки и геометрические размеры изделия.
Структурные превращения как причина возникновения остаточных напряжений.
Нагрев металла при сварке и наплавке вызывает не только температурные объемные изменения, но и структурные превращения. Эти превращения также приводят к объемным изменениям и возникновению в ряде случаев остаточных (структурных) напряжений.
Механизм возникновения структурных напряжений можно представить следующим образом. Околошовная зона подвергается нагреву до температур, превышающих Асг и Ас3. В интервале этих температур имеет место аустенитное превращение, связанное с уменьшением удельного объема (рис. 5, кривая I). Низкоуглеродистые стали при этих температурах пластичны, и происходящие объемные изменения не сопровождаются образованием напряжений в металле.
При охлаждении распад аустенита у низкоуглеродистых сталей происходит примерно в том же интервале температур, вследствие чего и это фазовое превращение не вызывает возникновения внутренних напряжений (рис. 5, кривая).
Рисунок 5
При охлаждении легированных сталей распад аустенита может сопровождаться образованием мартенситной фазы. Образование мартенсита связано с увеличением удельного объема (рис. 5, кривая 3). В зависимости от химического состава и скорости охлаждения распад аустенита и образование мартенсита может иметь место при низких температурах, когда сталь находится в упругом состоянии. В этом случае расширению объемов с образовавшейся структурой мартенсита препятствуют участки, не претерпевшие структурных превращений. Поэтому в объемах со структурой мартенсита возникают остаточные напряжения сжатия.
Возникновение структурных остаточных напряжений при сварке закаливающихся сталей существенно изменяет характер распределения сварочных напряжений. Например, при сварке стали 35XH3Mв шве и околошовной зоне возникают остаточные напряжения сжатия вместо растягивающих напряжений, которые имели бы место при отсутствии структурных превращений.
Влияние остаточных сварочных напряжений на прочность сварных соединений и конструкций.
Напряжения, возникающие при сварке, часто достигают в отдельных участках сварного соединения величины предела текучести. Иначе говоря, в сварном изделии действуют напряжения, превышающие допускаемые, еще до приложения к ней полезной нагрузки. Прочность сварной конструкции может оказаться выше расчетной, когда остаточные сварочные напряжения и рабочие напряжения разного знака взаимно компенсируются. При этом остаточные сварочные напряжения являются резервом повышения прочности сварной конструкции.
При статической нагрузке остаточные сварочные напряжения не влияют на прочность сварных соединений и конструкций, когда металл сохраняет способность пластически деформироваться. Если напряжения от внешней нагрузки складываются с остаточными напряжениями, наступает местная пластическая деформация, в результате которой увеличение напряжений выше предела текучести не происходит. Местная текучесть обычно захватывает небольшие участки сварного соединения и не исчерпывает пластических свойств металла. В результате местной текучести прочность, а также геометрические размеры соединения или конструкции не изменяются или изменяются незначительно, однако это явление не желательно в конструкциях точных станков и приборов.
Металл утрачивает способность пластически деформироваться в следующих случаях:
- при наличии объемного поля остаточных сварочных напряжений (большие толщины, закрепление изделия по трем осям). В этом случае при сложении объемных остаточных напряжений с рабочими разрушение может произойти до появления пластической деформации, так как металл переходит в хрупкое состояние. Следует отметить, что плоское поле остаточных напряжений также снижает способность металла пластически деформироваться, хотя и в меньшей степени;
- при наличии резкого концентратора напряжений (острый надрез, непровар, неплавный переход от одного речения к другому), расположенного поперек действия растягивающих остаточных и рабочих напряжений;при низкой температуре, которая может перевести металл в хрупкое состояние.
Металл с низкими пластическими свойствами склонен к переходу в хрупкое состояние в значительно большей степени, чем пластичный.Ввиду этого сварные соединения и конструкции из высокопрочных сталей весьма чувствительны к наличию остаточных напряжений. Влияние остаточных сварочных напряжений на прочность при усталостной нагрузке подчиняется общим закономерностям, рассмотренным выше. Эффективность влияния остаточных напряжений на усталостную прочность увеличивается при наличии концентраторов напряжений в виде острых надрезов, а также с понижением пластических свойств металла.
Хрупкое разрушение при наличии сварочных напряжений имеет следующие особенности: разрушение носит внезапный характер и не имеет следов пластических деформаций, хрупкая трещина, возникая в местах концентрации напряжений, пересекает большую часть или все сечение, разрушение наступает при незначительных рабочих напряжениях.
В этом случае поле остаточных сварочных напряжений играет роль источника энергии для развития возникающей хрупкой трещины. Высокие остаточные сварочные напряжения являются также необходимым (силовым) компонентом условий для возникновения и развития холодных технологических трещин в период времени, непосредственно следующий за сваркой.
Остаточные сварочные сжимающие напряжения могут быть также причиной потери устойчивости листовых сварных конструкций (резервуаров различного рода, трубопроводов), а также колонн и стоек. Потеря устойчивости элементов или конструкций в целом может иметь место даже при отсутствии рабочих напряжений, если уровень остаточных напряжений превысит критический.
Влияние остаточных деформаций на качество сварных конструкций проявляется в следующем. Остаточная деформация узлов и элементов крупной конструкции затрудняет сборку или делает ее невозможной без подгонки, подрубки, правки. Это усложняет технологию и увеличивает трудоемкость изготовления конструкции.
Возникающие в процессе сварки деформации заготовки требуют назначения повышенных припусков на механическую обработку.
Очень опасно искажение расчетных геометрических сечений элементов и конструкции в целом в результате сварочных деформаций. Это явление может привести к появлению неучтенных напряжений при эксплуатации конструкции и выходу ее из строя. Искажение формы трубопроводов и других изделий может существенно изменить эксплуатационные характеристики сварного изделия. И, наконец, остаточные деформации ухудшают внешний вид изделия. Это в основном относится к листовым обшивкам кабин автомобилей, вагонов и др.
Итого, резюмируем: снятие остаточных сварочных напряжений с целью повышения прочности и долговечности сварных конструкций должно подтверждаться действительной необходимостью операции, так как во многих случаях остаточные сварочные напряжения не влияют на прочность сварных конструкций. Напряжения, возникающие вследствие изменений структуры металла, могут иметь практическое значение только при сварке легированных и высокоуглеродистых сталей, склонных к закалке. При сварке обычной незакаливаемой низкоуглеродистой стали возникающие от изменения структуры металла напряжения незначительны и не берутся в расчёт при изготовлении сварных конструкций.
2.6 Методы снижения напряжений и деформаций в процессе сварки
Разработаны следующие методы устранения сварочных напряжений.