§ 8. Концентрация деформаций в зоне дефектов

Острыми концентраторами являются непровары швов и тре­щины. В результате образования сложных пространственных полей напряжений резко снижаются пластические свойства. На рис. 5-17, а и б изображены величины пластических деформаций в стыковом шве без дефектов соединения из малоуглеродистой

131

стали при разрушении растяжением. Рис. 5-17, а соот­ветствует продольным деформациям, рис. 5-17,6—поперечным. Деформации были замерены после разрушения. Разными штри­ховыми линиями на рис. 5-17, а показаны участки соединения встык, где остаточные деформации — 92%, 71—80%, 51—70%

X М-50% 91% Л-дО%

- 43 30 ' 10 / пУ 0 Юмм

31-40%

^д) 41-50% 51-60%

±0 3Q \ 20 У 10 0 Юмм

30-4-0%

Рис. 5-17. Эпюры продольных (а) и поперечных (б) пла­стических деформаций в стыковом шве при разрушении, выраженные о процентах

и т. д.; на рис. 5-17,6 — 51—60%, 41—50% и т. д. Остаточные деформации были замерены также в шве без непроваров. При непроваре участки пластических деформаций резко сократились.

Глава VI

ДЕФОРМАЦИИ, НАПРЯЖЕНИЯ

И ПЕРЕМЕЩЕНИЯ, ВЫЗЫВАЕМЫЕ

ПРОЦЕССОМ СВАРКИ

§ 1. Деформации и напряжения при неравномерном нагреве и остывании

Помимо напряжений и деформаций, возникающих в деталях под действием приложенных нагрузок, в них могут быть так на­зываемые собственные напряжения, которые существуют в те­лах даже при отсутствии воздействия каких-либо внешних сил. Причины образования собственных напряжений весьма много­образны. Одной из них является неравномерный нагрев тела.

Рассмотрим вначале образование напряжений в стержне, который вставлен в массивную жесткую деталь без зазора и на­грет до температуры Т (рис. 6-1,й). Очевидно, что в нем возник­нут напряжения сжатия. Если величина деформации иТ значи­тельна (рис. 6-1,6), то напряжения достигнут предела текучести а_т, и в стержне произойдут пластические деформации. Величина напряжений при этом будет соответствовать напряжению в точ­ке Л (рис. 6-1,6). При остывании стержня напряжения сжатия будут в нем уменьшаться, следуя закону упругой разгрузки (пря­мая АВ), и в точке В окажутся равными нулю. При дальнейшем остывании между стержнем и деталью образуется зазор £_0Сг /, где £_0Сг —остаточное относительное укорочение стержня, воз­никшее в результате пластической деформации при нагреве. Если бы стержень был прикреплен к детали, то в нем после осты­вания возникли бы собственные напряжения растяжения.

Образование собственных напряжений растяжения просле­дим на примере длинной узкой пластины (рис. 6-2. а), посередине которой уложен проводник, выделяющий тепло и нагревающий пластину до некоторой температуры Г, кривая которой показа­на на рис. 6-2,6. Если бы волокна пластины длиной / не были связаны между собой, то они удлинились бы на абсолютную величину aTL Будучи связанными между собой, все волокна

133

фактически удлиняются (рис. 6-2,6).

Положение прямой линии т новешенности эпюры; площади, т—т и кривой иТ (показаны ш знака должны давать величи­ну, равную нулю*.-При этом по оси пластины образуются напряжения сжатия, а по ее краям — напряжения растя­жения. Допустим, что макси­мальная деформация е_1Т1ах в об­ласти сжатия превысила вели­чину е_т: а материал пластины является идеально упруго-пластичным (см. диаграмму на рис. 6-1,6). Тогда эпюра упру­гих деформаций несколько из­менит своп вид (рис. 6-2, в). Прямой штриховкой на

рис. 6-2,0 показаны упругие деформации, а косой — пласти-

на относительную величину

—пг находится из условия ураз-

заключенные между прямой

трнховкой), в сумме с учетом их

Рис. 6-1. Схема образо­вания напряжений и пла­стических деформации при нагрей о стержня:

а) стержень; б) диаграмма <? =f (&} идеально упруго-плас­тичного л! aid л.12

Рис. G-2. Температурные и осла-точкые напряжения в пластике i:pn симметричном нагреве (плюс Oi!ir!';aeT образование растягиваю­щих напряжений, минус — сжима­ющим) :

dj гтд&сгииа; ц-,1-1 <ipn«_mav формации при ^s_mas

пые деформации

б) временные дефэрмз-

<t_T; в) временные д.2-

> ; - г) о:тит-«-

ческие. Положение прямой т'—т' при этом изменится, так как эпюра упругих деформаций должна быть уравновешена вслед-

* Собственные напряжения всегда уравновешены по сумме сил и по сум­ме моментов к любом поперечном сечении тела.

134

ствие уравновешенности собственных напряжений в пределах ьзсего поперечного сечения пластины.

Волокна, не испытавшие пластической деформации, при осты-г-ашш стремятся сократиться до длины, которую они . имели перед нагревом. Волокна, испытавшие пластическую деформа­цию при нагреве, после остывания укоротились бы па величи­ну e_E!li, если бы при этом они не были связаны с остальными во­локнами. Эпюра е_пп показана па рис. 6-2, г кривой линией. Будучи связанными между собой, волокна сокращаются на вели­чину е_0С1- (рис. 6-2, г). При этом по оси образуются собственные напряжения растяжения, а по краям— напряжения сжатия. Эти

о) -ft чг -Ю -8 ~6 -ч ~2 0 +2 +4 х

Рис. 6-3, Схема образования временных и остаточныч продольных напряжении а_х в процессе нагрева кром­ки пластины движущимся источником тепла при различных значениях предела текучести металла:

а) о_т->« _; 6) с_т =40 кГ'мм*; в) =_т -20 кГ/'мм*

напряжения носят название остаточных, в отличие от напряже­ний при нагреве, которые называются временными, или темпера­турными. Зона шириной 2h_v (рис. 6-2,а), где происходили при нагреве пластические деформации, носит название зоны пласти­ческих деформаций.

Если источник нагрева перемещается, то образование соб­ственных деформаций и напряжений происходит значительно сложнее, чем в двух предыдущих случаях. Допустим, по краю пластины перемещается источник нагрева, например в виде

135

газового пламени, который создает в пластине установившееся температурное поле. Допустим также, что нам известна кривая изменения сжимающих напряжений с_х в крайнем волокне пла­стины (рис. 6-3, я). Если напряжения а_х не достигают о_т, то после полного остывания остаточные напряжения будут отсут­ствовать.

Предположим, что по такому же режиму нагревается кромка металла с пределом текучести а_т=40 кГ/мм² (рис. 6-3, б).>При этом будем полагать, что металл не нагревается выше темпера­туры, при которой происходит снижение предела текучести, а модуль упругости Е остается неизменным. Напряжения а_х до точки А\ (рис. 6-3, б) будут возрастать, оставаясь меньше пре­дела текучести. После точки Л i будет происходить пластическая деформация, а напряжения в предположении идеальной пла­стичности будут оставаться равными пределу текучести 0_Т = 4О кГ/мм², В точке В\ сжимающие напряжения начнут уменьшаться, следуя по кривой B\C\D^, эквидистантной кривой BD. В точке С\ напряжения окажутся равными пулю, а затем перейдут в растягивающие. После полного остывания возникнут растягивающие напряжения ет_ост <Ссг_т =40 кГ/мм²,

Если предположить, что по такому же режиму нагревается кромка металла с меньшим пределом текучести, например а_т = 20 кГ/мм², то картина образования временных и остаточных напряжений изменится (рис. 6-3,в). Пластические деформации начнутся раньше и будут протекать вплоть до точки В₂. Затем напряжения сжатия начнут уменьшаться и перейдут в растяги­вающие. В точке N напряжения достигнут предела текучести н вплоть до полного остывания в металле будет происходить пла­стическая деформация. Остаточные собственные напряжении растяжения будут равны пределу текучести (т_т=20 кГ/мм².

Собственные напряжения классифицируются по нескольким признакам (табл. 6.1). В приведенных выше примерах рассмат­ривались одноосные собственные напряжения 1-го рода, вызван* ные неравномерным нагревом и термопластической деформаци­ей. В ряде случаев напряжения являются двух- или трехосными. Образование собственных напряжений может происходить вследствие объемных изменений, вызванных структурными пре­вращениями.