Влияние процесса сварки на прочность
Процесс сварки оказывает сложное влияние на свариваемый металл. Влияние остаточных напряжений и пластических деформаций выражается несколькими факторами. Помимо искажения размеров и форм свариваемых деталей большую роль играют концентраторы напряжений и различные неоднородности.
В процессе изготовления сварных конструкций разрушения могут происходить по трем причинам: горячие, деформационные и холодные трещины. Горячие трещины образуются под действием временных напряжений. Образование деформационных трещин связано с хладностойкостью сварного соединения. В хрупких металлах разрушение может происходить под действием собственных деформаций от сварки даже при незначительных концентраторах напряжений. Величина разрушающих деформаций зависит не только от свойств металла, но и от схемы напряженного состояния. Концентраторы напряжений при этом повышают опасность разрушения, во-первых, в зоне концентраторов возрастает величина деформаций, во-вторых, напряженное состояние становиться объемным, что снижает величину разрушающих деформаций.
Образование деформационных трещин связано с ухудшением пластических свойств металла под влиянием процесса сварки. Пластичность металла может ухудшиться из-за плохой защиты сварочной ванны, а так же вследствие деформационного старения. В сочетании с высокими остаточными напряжениями потеря пластических свойств создает условия для естественного образования разрушающих деформаций. Трещины развиваются в основном металле вследствие исчерпания его пластических свойств в зоне концентрации напряжений.
Холодные трещины возникают под влиянием двух факторов: структурных превращений, протекающих с образованием хрупких структур типа мартенсита, и остаточных растягивающих напряжений в этих зонах. Длительное воздействие остаточных напряжений вызывает деформации в районе границ зерен и микроточечные хрупкие разрушения. Наличие водорода и его выделение после фазовых превращений способствует трещинообразованию. Устранение значительных растягивающих усилий и стабилизация структуры при отпуске или подогреве позволяет избежать холодных трещин.
Образование трещин в металле сопровождается затратами энергии на пластическую деформацию металла в острее трещины, на упругую деформацию тонкого слоя металла в зоне проходящей трещины, на поверхностное натяжение при образовании новых поверхностей трещин, а также на сообщение скорости и перемещения при разрушении частей конструкции. Источником энергии для самопроизвольных разрушений сварных конструкций является исключительно энергия полей сварочных собственных напряжений. Приближенная оценка величены использованной энергии может быть проведена по известной величине усадочной силы:
в предположении, что в зоне пластических деформаций действуют одноосные остаточные напряжения.
Расчет сварной конструкции проводят, ограничивая величину действующих рабочих напряжений, но, допуская возможность протекания пластической деформации в ограниченных объемах, при которой жесткость конструкции остается в заданных пределах. Если невозможно удовлетворительно задать нормы жесткости, при которых остаточные напряжения достаточно велики в сравнении с объемными основного металла сечения, то остаточные напряжения следует снижать. Главной причиной снижения остаточной прочности сварных соединений из низкоуглеродистых и низколегированных сталей является деформационное старение, т.е. процесс накопления повреждений на границах зерен и снижения пластических свойств металла под действием многократно приложенных нагрузок. Более интенсивно деформационное старение протекает при температурах 150-300°С. В некоторых случаях для повышения прочности используют предварительное нагружение при обычной температуре. Остаточные напряжения при этом не снижаются, а лишь перераспределяются, но это перераспределение положительно влияет на статическую прочность.
Если металл обладает малой пластичностью или утратил ее в результате сварки хотя бы в небольшой зоне поперечного сечения, остаточные растягивающие напряжения снижают статическую прочность. Чем менее пластичен металл, тем сильнее влияние остаточных напряжений. Когда металл сохраняет способность пластически деформироваться, остаточные напряжения не влияют на статическую прочность.
При переменных нагрузках остаточные напряжения могут сказывать как положительное, так и отрицательное влияние на прочность. Растягивающие остаточные напряжения увеличивают средние напряжения цикла нагружения и снижают предел выносливости. Это сильно сказывается при невысоком уровне переменной нагрузки. При значительных нагрузках в присутствии концентраторов напряжений возникают пластические деформации, и отрицательная роль остаточных напряжений уменьшается. Прочность при этом не возрастает, только решающим фактором становиться не остаточное напряжение, а концентраторы. Усталостные трещины располагаются в ЗТВ, где происходит перекристализация металла и пластические деформации. Наряду с этим в ЗТВ повышается Т, что повышает и -r, таким образом, совместное влияние остаточных напряжений и изменившихся свойств металла может привести к разрушающим результатам.
Собственные напряжения изменяют не только прочность деталей, но и их жесткость, что сказывается на устойчивости. Уменьшение жесткости происходит по двум причинам: первая, заключается в образовании зон пластической деформации, которые не сопротивляются деформациям от внешней нагрузки и практически выключены из работы поперечного сечения детали. Образующиеся зоны пластических деформаций уменьшают рассчитанные моменты инерции сечения. В сварочных швах балок возникают временные напряжения, вызывающие сдвиговые деформации полок относительно стенок, что мешает поперечному сечению работать как целому.
Второй причиной, уменьшения жесткости элементов сварной конструкции является местная потеря устойчивости. Под влиянием собственных напряжений сжатия отдельные тонкостенные участки теряют устойчивость и выключаются из работы сечения.
Растягивающие остаточные напряжения отрицательно влияют на коррозионную стойкость особенно на коррозионное растрескивание. Двухосные напряжения более опасны, чем одноосные. Существует пороговая величина остаточных напряжений, при которой растягивание практически не происходит. Величина остаточного напряжения сильно оказывается на время до начала растрескивания.