2.3.3. Неоднорідність залишкового напруженого стану

В результаті нерівномірного нагріву зварного з'єднання при зварю­ванні формуються залишкові пластичні деформації скорочення, які приводять до створення неоднорідного залишкового напруженого стану (нерівномірного розподілу напружень в перерізах з різною інтенсивністю напружень в точках зварного з'єднання). Характер розподілу залишкових напружень та їхня інтенсивність залежить від багатьох факторів (геомет­ричних розмірів та форми зварного з'єднання, технології зварювання та інш.). В залежності від товщини елементів, що зварюються, у зварному з'єднанні може мати місце плоский або об'ємний напружений стан. Приймається, що при зварюванні металу товщиною до 14-16 мм утво­рюється плоский напружений стан. Компоненти такого напруженого стану, які спрямовані вздовж осі шва, називаються поздовжніми, а перпендику­лярно осі шва - поперечними залишковими напруженнями.

Нижче наведено епюри розподілу цих напружень для типових звар­них з'єднань.

Характер розподілу залишкових напружень при зварюванні в стик двох пластин незначної ширини з металу без структурних перетворень показано на рис. 2.24. Як видно з рис. 2.24, залишкові поздовжні напру­ження розподіляються в поперечному перерізі по ширині зварного з'єднання нерівномірно. У зварному шві і прилеглих до нього зонах діють напруження розтягнення, а в решті частин - напруження стиску.

При зварюванні сталей, як правило, поздовжні максимальні напру­ження розтягнення досягають значення межі текучості, а при зварю­ванні алюмінієвих і титанових сплавів - 0,6...0,8 Причиною такого явища є зменшення жорсткості зварного з'єднання (ЕІ) в основному за рахунок більш низького модуля пружності Е.

Рис. 2.24. Розподіл напружень у стикових з'єднаннях

Структурні перетворення, якщо вони проходили при температурах нижчих 300....400°С, суттєво змінюють характер поздовжніх залишкових напружень. У шві й зоні термічного впливу при нагріві й охолодженні мали місце структурні перетворення, які завершились при низькій температурі та супроводжувались поздовженням металу. Тут виникли напруження стиску (рис. 2.25).

Рис. 2.25. Характер розподілу поздовжніх залишкових напружень при зварюванні сталей зі структурними перетвореннями

Поперечні залишкові напруження також розподіляються нерівно­мірно (рис. 2.24, б). В середній частині діють напруження розтягнення, а на кінцевих ділянках - стиску. Величина максимальних напружень залежить від довжини зварного шва і, як правило, не перебільшує 0,3 Тому їх не завжди беруть до уваги.

Усі розглянуті закономірності розподілу залишкових напружень у стиковому з'єднанні повністю належать і до з'єднань з кутовими швами - тавровим, внакладку, кутовим (рис. 2.26).

Рис. 2.26. Розподіл поздовжніх залишкових напружень з кутовими швами

При зварюванні в стик металу великої товщини має місце залишковий об'ємний напружений стан. Причому, слід підкреслити, що повздовжні напруження в основному діють в шві і швидко затухають по перерізу внаслідок його значної жорсткості. Як приклад, на рис. 2.27 наведений розподіл залишкових напружень при зварюванні низьковуглецевої сталі товщиною 60 мм.

Рис. 2.27. Розподіл залишкових напружень по товщині шва стикового з'єднання

При постановці однієї точки в зварному з'єднанні виникає плоский напру­жений стан з компонентами напружень (радіальні) та (окружні). Звар­на точка і деяка зона біля неї знаходяться під дією напружень розтягуван­ня. Як правило, в цій зоні, . З віддаленням від точки радіальні напруження падають, а окружні переходять у зону стиску, причому (рис. 2.28).

Рис. 2.28. Розподіл напружень в точковому з'єднанні

Як показали дослідження та досвід експлуатації зварних конструкцій, неоднорідність залишкового напруженого стану не впливає на працездатність при статичному навантаженні, якщо матеріал є достатньо пластичним, що є характерним для більшості металів.

• При змінному навантаженні залишкові напруження стиску збіль­шують міцність на втомленість, а напруження розтягнення, навпаки, до­даючись до напружень від навантаження в місці їх концентрації, суттєво зменшують опір руйнуванню від втомленості.

Крім того, залишкові напруження знижують опір крихкому руйнуванню та корозійну стійкість зварних з'єднань.