Влияние остаточных напряжений на прочность

Рисунок 22.

Рисунок 23.

Рисунок 24.

Рассмотрим пластину с продольным швом (Рис 22). В зоне пластических деформаций шириной 20мм действуют остаточные напряжения  равные 240 МПа (рис.23). В основном металле, площадь которого больше в 10 раз, =-24 МПа. Первое нагружение сварной конструкции вызывает местные пластические деформации и снижает начальные напряжения. При нагружении конструкции продольной силой Р материал шва не будет испытывать упругие деформации т.к. он находится в пластическом состоянии. Величина нагрузки Р=440 КН вызывает в конструкции напряжение =Р/F0=440*1000*10000/20=220 МПа. F0=22-2=20 см².

Суммарное напряжение в основном металле 1=-24+220=196 МПа (Рис 24).

Рисунок 25.

При разгрузке упругая деформация будет происходить по всему сечению и уменьшение напряжений Р/F=440*1000*10000/22=200 МПа. В результате суммирования (см. рис.25).

max=240-200=40 МПа

min=196-200=-4 МПа.

Таким образом, в результате нагрузки и разгрузки элемента конструкции имеющего уравновешенные сварочные напряжения, остаточные напряжения уменьшаются. Чем больше прикладываемое внешнее усилие, тем в большей степени уменьшаются внутренние напряжения. Последующие нагружения, если они не превышают первого, не вызывают дополнительного роста местных пластических деформаций. Если величина внешнего усилия будет создавать в элементе напряжения, равные пределу текучести, то при разгрузке внутренние напряжения будут полностью сняты.

Рассмотрим ту же пластину, но нагруженную силой Р=528 КН. В основном металле она могла бы вызвать напряжение =Р/F0=264 МПа, но суммируясь с остаточными общее напряжение будет =-24+264=240 МПа, т.е. весь металл будет находиться в условиях пластической деформаций. При разгрузке упругую деформацию будет испытывать всё сечение 2=Р/F=240 МПа. Суммарное напряжение за цикл. =0

В конструкциях из хрупких материалов суммирование напряжений происходит иначе. Сварочные напряжения складываются с напряжениями от внешних нагрузок по всему сечению детали, и могут вызвать ее преждевременное разрушение. Экспериментально установлено, что статические нагрузки вызывают значительные пластические деформации при разрушении, а у конструкций из хрупких материалов запас пластичности незначителен. У конструкций из малоуглеродистых и низколегированных сталей остаточные напряжения могут снизить прочность лишь в том случае, если материал перейдет в хрупкое состояние. Такое состояние может возникнуть при температуре ниже критической температуры хрупкости, значение которой зависит не только от материала, но и от формы и размеров изделия. В этом случае остаточные напряжения, суммируясь с внешними напряжениями приводят к снижению величины разрушающей нагрузки. Однако если работе детали при низкой температуре предшествовала работа при обычной температуре , то снижения разрушающей нагрузки не происходит вследствие смягчения остроты концентраторов напряжений за счет пластических деформаций при предыдущих нагружениях.

Металл зоны термического влияния оказывается охрупченным, вследствие температурных деформаций. Хотя деформация вызванная местным нагревом невелика (примерно 2%), в некоторых случаях возникают критические условия. Если в зоне термического влияния имеется трещина, то около нее деформация может достичь 40% и более, в результате чего в локальном объеме образуется объемное напряженное состояние, с исчерпанными пластическими свойствами. Рассмотрим 2 широкие пластины, которые свариваются стыковыми швами (см. рис. 26).

Рисунок 26. Зоны сварного соединения

Предположим, что зона шва и ЗТВ (зона 1) нагрета до температуры t, а зона 2 (основной металл) остается при комнатной температуре. При нагреве зона 1 расширяется и её длинна может быть l₁=l₀(1+t)

Однако зоны 1 и 2 связанны следовательно будут иметь общую длину

_I и _II деформации растяжения и сжатия в зонах 1 и 2, тогда

Отсюда следует, что чем больше _I,тем меньше _II. Если пластина широкая и _II мало , то

,

что при t~250 град. составит величину 0,3%. На такую величину шов и ЗТВ будут деформироваться за каждый термический цикл .Если есть трещина в ЗТВ, то деформация будет накапливаться около нее. Отсюда можно сделать вывод, что много проходная сварка приводит к охрупчиванию металла в ЗТВ, хотя она и повышает пластичность наплавленного металла шва.