Образование напряжений при сварке

Рисунок 4. Направление оси Х

Рассмотрим механизм образования собственных напряжений при сварке двух пластин из углеродистой стали. Считаем материал идеально упругим, пластичным, т.е. кривая его деформирования заменяется двумя прямыми линиями. Считаем, что предел текучести постоянен в широком диапазоне до 500⁰ С и понижается от 500⁰ до 600⁰ до нулевого значения. Модули упругости Е, G и коэффициент Пуассона  меняются с температурой.

Рисунок 5. Идеализированная диаграмма

Будем рассматривать линейное напряженное состояни, т.е. рассматривается только зависимость _х (Т). При рассмотрении сварного шва заменим его моделью в виде стержня, как на рисунке 8, закрепив его с двух сторон..

При линейном напряженном состоянии

,

т.к. _н=0, то _упр+_пл=-_. При нагреве _.>0, тогда _упр+_пл<0, и кривая идет вниз.

Температуру жёстко закрепленного стержня из Ст.3, в котором напряжение равно пределу текучести _т можно определить по соотношению: . Зная, что

,

получим

.

Тогда Т = ( 240*10⁶) / (1,2*10^-5*2*10¹¹) = 240 / 2.4 = 100C

Рисунок 6. Предел текучести

Рисунок 7. Модули упругости

Рисунок 8. Модель шва

Рисунок 9. Образование остаточных деформаций

При охлаждении

  0 т.е. упр + пл  0

Изменение Е(Т) не линейно и линия ОА не прямая. Коэффициент линейного расширения =1210^-6 1/град до 600 практически постоянен. В точке А напряжения  достигнут предела текучести _т. Если на отрезке О-А уменьшить температуру, то стержень сожмется до предельного размера. При дальнейшем увеличении температуры напряжения равны _т, хотя полная деформация _упр +_пл=- _ возрастает.

Вследствие нагрева уменьшаются _т и кривая на участке А-В растет. В стержне возникают пластические деформации

_пл=- _-_упр, _упр =_т(В)/Е_(В). _=Т_(В).

При охлаждении (на участке В-С) напряжения начинают уменьшаться до 0 и затем меняют знак до точки С, где они вновь равны _т. В точке С появляются пластические деформации обратного знака. Дальнейшие охлаждения до первоначальной температуры происходит при напряжениях равных пределу текучести.

В точке D полная деформация

упр + пл =  = 0 т.е. пл = -- упр = -т/Е

Таким образом, нагрев закрепленного стержня приводит к появлению в нем собственных напряжений равных пределу текучести. Остаточная деформация отрицательна, и если освободить конец стержня, то он сожмется на величину _т(Д)/Е_(Д).

Рисунок 10. Упругая модель шва

В свариваемых пластинах волокна металла не находятся в условии жёсткой заделки, т.к. соседние участки металла могут деформироваться. Поэтому при моделировании шва лучше принять модель в виде стержня связанного с основанием через пружину. Процесс деформирования стержня с пружиной при его нагреве и охлаждении будет протекать подобно рассмотренному выше, однако величина остаточной деформации будет несколько ниже чем т/Е и соответственно остаточные напряжения в шве несколько ниже предела текучести.

При рассмотрении деформирования стержня при термическом цикле нагружения возникает вопрос, не могут ли остаточные деформации привести к разрушению закрепленного стержня

Рассмотрим диаграмму деформирования образца из пластичного материала - низколегированной стали и второго образца из малопластичного материала - чугуна или закаленной стали.

Рисунок 11. Деформирование пластичных и хрупких сталей

Определим относительное укорочение, , которое должен претерпеть равномерно нагретый образец при охлаждении его от 600 до 0 градусов.

 = Т= 1,2 * 10^-5 * 600 = 0.0072 = 0,72%

Сопоставляя полученное относительное укорочение 0,72% с относительным удлинением, соответствующим площадке текучести 2-3%, видно, что укорочение значительно меньше допустимой деформации, определенной площадкой текучести. Если учесть, что разрушение образца из пластичной стали происходит при =20-24%, то, очевидно, что при охлаждении используется незначительная часть запаса пластичности, следовательно, ожидать разрушения образца нет оснований. Иная картина наблюдается при охлаждении образца из малопластичного материала. Сопоставляя относительное укорочение с допустимой деформацией =1% можно ожидать разрушение образца, так как запас его деформационной способности ограничен. Из этого следует, что при сварке изделий из малопластичных материалов следует обеспечивать возможность свободной усадки изделий.