2.3. Неоднорідності зварних з'єднань

На практиці поряд з однорідними тілами (властивості для усіх точок тіла однакові), які є основними об'єктами, що розглядаються в теорії пружності, теорії пластичності та опору матеріалів, мають місце і неодно­рідні тіла, для яких властивості або стан в різних точках неоднакові. Зварні з єднання внаслідок технологічних і конструктивних особливостей характеризуються наявністю неоднорідностей різного виду.

2.3.1. Механічна неоднорідність зварних з'єднань

У більшості випадків процес отримання зварного з'єднання пов'я­заний з введенням в матеріал, що підлягає зварюванню, теплоти і її розповсюдженням внаслідок теплопровідності. Характер розподілу максимальних температур у поперечному перерізі зварного з'єднання (рис. 2.12) показує, що метал в процесі зварювання нагрівався в широкому діапазоні температур –від температури плавлення до температури довкілля.

Рис. 2.12. Розподіл температур у зварному з'єднанні

Тобто, має місце нерівномірне нагрівання, і в залежності від темпера­тури нагріву в зварному з'єднанні можна виділити три характерних зони: перша - метал зварного шва, де метал нагрівався до температури плавлення (до стану рідини), друга - зона термічного впливу, де в процесі нагрівання - охолодження мали місце структурні перетворення, і третя зона - основний метал, де ніяких змін не відбувалось.

Зона металу шва - це зона, де метал, що зварюється, та присадковий метал нагріваються до розплавлення з наступним охолодженням та кристалізацією. При цьому мають місце металургійні процеси взаємодії різних фаз - рідкого і твердого металів, газу і рідкого шлаку. Взаємодія фаз спочатку має місце в умовах підвищення, а потім в умовах зниження температури. В залежності від умов (температури, часу взаємодії, початкових та рівновагових концентрацій, тощо) повнота реакцій і їх напрямок можуть бути різними. Це може привести до зміни складу і властивостей металу цієї зони.

Крім того, при переході металу від рідкого стану до твердого (процес кристалізації) формується так звана первинна структура, яка суттєво впливає на властивості зварного з'єднання. Тип первинної структури залежить від теплових і кінетичних умов кристалізації, хімічного складу розплаву та швидкості його охолодження.

Під час нагрівання і охолодження металу другої зони (зона термічного впливу) в ній мають місце фазові і структурні перетворення в твердому стані. Умови, при яких мають місце ці перетворення, повністю визнача­ються термічним циклом зварювання. Основними параметрами терміч­ного циклу є максимальна температура нагріву, термін знаходження ме­талу вище температури кінця фазового перетворення (А_Сі), швидкість нагрівання і охолодження в інтервалі фазових перетворень.

Зрозуміло, що механічні властивості цих трьох зон відрізняються, отже має місце так звана механічна неоднорідність. Відомо, що між показниками механічних властивостей (межею текучості, міцності) і значенням твердості існує певна залежність. Таким чином, аналізуючи розподіл твердості в поперечному перерізі зварного з'єднання, можна оцінювати наявність того чи іншого виду механічної неоднорідності зварного з'єднання.

Принципово, в залежності від марки основного матеріалу і його почат­кового стану, в процесі нагрівання-охолодження в зварному з'єднанні може сформуватися зона зі значенням твердості //більш низьким, ніж в інших зонах (при зварюванні загартованої сталі внаслідок відпалу), або, навпаки, більш високим значенням Н (при зварюванні відпаленої сталі, здатної до загартування).

Рис. 2.13. Зварне з'єднання з м'яким (а) і твердим (б) прошарком

Відповідно розрізняють зварні з'єднання з м'яким і твердим про­шарком (рис. 2.13).

Розглянемо як наявність прошарків впливає на руйнування зварного з'єднання двох стержнів прямокутного перерізу при статичному розтяг­ненні поперек шва. При статичному розтягненні процес руйнування стержня починається з формування шийки. Якщо стержень з однорідного матеріалу (незварний) і достатньої довжини, то зародження шийки може бути в будь-якому поперечному перерізі стержня. У випадку зварного стержня з твердим прошарком шийка почне формуватися поза цією зоною внаслідок різних пластичних властивостей. Тому і руйнування буде мати місце поза цією зоною (наприклад, по основному металу). Отже, міцність стержня буде визначатися виключно властивостями основного металу.

У випадку наявності м'якого прошарку при навантаженні спочатку одночасно пружно (однорідно) деформується як метал прошарку, так і метал суміжних ділянок основного металу. Така деформація має місце, поки вона не досягне значення межі текучості м'якого прошарку. При подальшому збільшенні навантаження в металі прошарку будуть розви­ватися пластичні деформації, а суміжні ділянки залишаться в пружному стані. При цьому коефіцієнт поперечної деформації для прошарку буде зростати ( —> 0,5), а для решти ділянок він залишиться незмінним ( = 0,3). Внаслідок різної поперечної деформації на площинах розділу між прошарком і сусідніми ділянками виникнуть дотичні напруження. Вони будуть заважати поперечному звуженню прошарку в напрямку тов­щини і тим самим перешкоджати формуванню шийки, а значить і руйну­ванню. Таке явище отримало назву контактне зміцнення. Ефект контакт­ного зміцнення тим вищий, чим вужча відносна ширина прошарку А (від­ношення ширини прошарку до її товщини 8). Розрізняють широкі (А = 8) і вузькі (А « 8) прошарки. Поперечне звуження вузького прошарку мен­ше, ніж для широкого, і тому площа руйнування для вузького прошарку буде більшою, а значить, його міцність вища (практично дорівнюватиме міцності основного металу). Приймається, що для зварних з'єднань характерним є наявність широкого м'якого прошарку. Це означає, що при проведенні розрахунків на міцність зварних з'єднань їхня міцність визначається, виходячи з властивостей металу м'якого прошарку.

Таким чином, треба відзначити, що зварні з'єднання характеризу­ються наявністю механічної неоднорідності у вигляді прошарків. При розрахунках на міцність тверді прошарки не беруться до уваги, а наяв­ність м'якого прошарку треба обов'язково враховувати.