Деформации и напряжения при неравномерном нагреве

Рассмотрим процесс наплавки валика на кромку полосы металла. При этом допускаем:

1. реальное распределение температуры заменим схематизированным

2. зависимость т от Т примем идеализированной кривой

3. полоску металла разбиваем мысленно на две части.

Рисунок 12. Схематизация распределения температуры

Рисунок 13.Идеализация т

Рисунок 14. Разбиение полосы металла

В первой считаем температуру равномерно распределенной по всей ее ширине и имеющей температуру 600C; во второй половине температура не меняется. Отношение ширины первой полосы к ширине второй а1/а2=0,25. При нагреве 1 части в ней произойдет удлинение и ее длина станет равной Lт = L₀ (1+Т); длина 2 полосы неизменна т.к. 1 2 полосы связаны то удлинение 1 части приведет к изгибу 2 части и вызовет в ней реактивные упругие напряжения растяжения, а в полосе 1 - упругие напряжения сжатия

До тех пор, пока напряжения остаются меньше т, изгиб полоски 2 будет увеличиваться. При приближении t0 в полоске 1 к 600 предел текучести в ней будет уменьшаться и она начнет выпрямляться, за счет воздействия на неё упругих сил со стороны полоски 2. При достижении 600 полоска 1 примет первоначальную длину, претерпев при этом пластическую деформацию. Напряжения в 1и 2 полосках равны 0.

Рисунок 15. Напряжения в полосках

При охлаждении полоски 1 от 600 до 0 происходит её сжатие на величину ll0*. Это приведет к изгибу полоски 2 в обратную сторону. В какой-то момент в полоске 1 напряжения достигнут  и в ней начнутся пластические деформации растяжения. По завершении термического цикла в полоске 1 остаются напряжения растяжения, а в полоске 2 остаточные напряжения сжатия. Следует учитывать, что в состоянии равновесия сумма всех напряжений равна нулю.

Распределение остаточных напряжений

Рисунок 16. Напряжения в шве низкоуглеродистой и нержавеющей стали

Рисунок 17. Напряжения в среднелегированных сталях

Поля собственных напряжений в сварных соединениях разнообразны и изменчивы. Наиболее стабильный характер имеют остаточные напряжения вдоль оси швов. В образцах толщиной до 15-20 мм остаточные напряжения распределены в виде узкой полосы. Максимальные напряжения наблюдаются в шве и примерно равны т. Если структурные превращения происходят при температуре ниже 300-400 C то характер распределения напряжений сильно меняется. В металле шва и ЗТВ произошли структурные превращения, которые привели к увеличению объёма металла и напряжения стали сжимающими. В оставшейся части зоны пластических деформаций, где структурных превращений не было, возникли напряжения растяжения. Если присадочный материал не совпадает с основным, то металл шва испытывает напряжения сжатия, ЗТВ - растяжения, а зона пластических деформаций сжатия

равна нулю. Также знакопеременное распределение напряжений характерно и для соединения с угловыми швами.

Рисунок 18. Напряжения в швах среднелегированных сталей аустенитными электродами

Фазовые и структурные превращения при нагреве и охлаждении сопровождаются дополнительным расширением или сокращением металла. И изменением его свойств. В случае завершения превращения при высоких температурах, они влияют только на временные напряжения. Поэтому остаточные напряжения в системах перлитного класса примерно такие же, как и аустенитного. При низкотемпературных структурных превращениях ( мартенситное превращение стали) возможно возникновение чередующихся полос растяжения и сжатия в шве и околошовной зоне. В шве возникают напряжения сжатия, а в остальной части детали растяжения. Вместо усадки возникает удлинение. Существенно меняется распределение напряжений при применении сварочных материалов, отличающихся от основного металла.

Рисунок 19

В швах большой толщины остаточные напряжения зависят от способа выполнения швов и последовательности укладки слоев.

Рисунок 20

При сварке толстых пластин с V-образной разделкой наибольшие напряжения возникают в корне шва. При укладке последующих слоёв, происходит изгиб завариваемой части, создавая в корне шва растяжение (Рис 19).

Если производится сварка закрепленных пластин, то каждый новый слой вызывает только сжатие (Рис 20).

При сварке образцов толщиной более 150-200 мм в глубине металла возникают объёмные трехосные напряжения (Рис 21).

Рисунок 21. Напряжения в многослойных швах, и при ЭШС