4.4. Остаточные напряжения после сварки и термообработки

В предыдущем параграфе были рассмотрены две основные схемы образования остаточных напряжений. В действительных технологических процессах явления протекают значительно сложнее, так как одновременно действуют механические, тепловые и физико-хими­ческие факторы.

Вопросу определения остаточных напряжений после основных технологических процессов (литья, сварки, термической и меха­нической обработки) посвящено большое количество исследований.

Перейдем к рассмотрению остаточных на­пряжений после сварки.

Основными процессами, ответственными за появление остаточных напряжений при сварке, являются процесс интенсивного разогрева до рас -плавления и последующее остывание материала. Механизм возникновения остаточных напря­жений можно выяснить на примере простейшей схемы, когда суммарная деформация материала полностью стеснена.

Из условия отсутствия суммарной деформации следует, что обычная деформация материала

. (4.18)

На рис.4.11 указан графический метод определения остаточ­ных напряжении в сварном шве при полном стеснении дефор­мации.

В основе расчета лежат кривые деформирования при различных температурах. Для малоуглеродистых сталей при температуре 600˚С предел текучести составляет , а при температуре больше 700°С сопротивлением деформации можно пре­небречь.

Температурная деформация при нагреве до 700°С составляет приблизительно

,

где - коэффициент линейного расширения.

Деформация материала, соответствующая достижению предела текучести (при нормальной температуре),

.

Рис.4.11. Образование остаточных напряжений в процессе сварки (при полном стеснении деформации)

При стеснении общей деформации температурное напряжение, равное пределу текучести, достигается уже при нагреве приблизи­тельно па 100°С.

При на нагреве материала (между двумя абсолютно жесткими неподвижными плоскостями) в нем возникают сжимающие темпера­турные напряжения (кривая ОА₁А₂А₃А₄).

При увеличении температуры свыше 300°С температурные на­пряжения уменьшаются uз-за уменьшения сопротивления материала пластическим деформациям.

Нагрев от 700°С до температуры плавления малоуглеродистых сталей (~ 1500° С) происходит при очень малых температурных напряжениях.

При охлаждении рост напряжении в материале начинается при температурах меньше 700°С (кривая В₁В₂В₃В₄). Напряжения оказываются растягивающими и увеличиваются по мере увеличения предела текучести и модуля упругости материала.

После охлаждения, когда температурная деформация исчезает, в конструкции остаются остаточные напряжения.

Как видно на рис.4.11 остаточные напряжения являются растягивающими и достигают предела текучести материала.

В реальных условиях стеснение деформации происходит в основ­ном в направлении длины шва (рис.4.12). Поэтому растягивающие остаточные напряжения, близкие к пределу текучести, действуют именно в этом направлении.

Рис.4.12. Направление действия основных остаточных напряжений в сварочном шве

В поперечном направлении оста­точные напряжения обычно в 3-4 раза меньше, чем в продольном.

Для определения напряжений в полосе при наварки валика исполь­зуется обычная теория стержней, основанная на гипотезе плоских сече­ний, причем вычисляются напряже­ния, возникающие в стержне (полосе) вследствие сильного неравномерного нагрева при сварке.

Следует иметь в виду, что подробный расчет является условным, так как предполагает одновременный нагрев кромки но всей длине. Температурные напряжения в полосе с учетом переменного модуля упругости могут быть вычислены но следующей формуле

, (4.19)

где - температурная деформация в слое z.

В рассматриваемом случае распределение температуры можно считать таким, как показано на рис.4.13. Принимая для простоты величину Е постоянной, получим из равенства (4.19)

, (4.20)

где - температура слоев материала возле наваренной кромки.

Температурное напряжение при

.

В середине полосы z=0

.

Распределение температурных напряжений показано на рис.4.13. В общем случае формула (4.19) позволяет вычислить температурные напряжения при произвольном распределении температуры и модуля упругости, причем интегралы находятся численным методом по правилу трапе­ций. Для расчета в области пластических деформаций используется метод переменных параметров упругости.

Рис.4.13. Напряжения в полосе при наварке валика и остаточные напряжения

Так как в процессе нагрева возникают пластические деформации, то после охлаждения в полосе остаются остаточные напряжения. Пример­ное распределение остаточных напряжении показано на рис.4.13.

Остаточные напряжения в полке сварного двутавра приведены на рис.4.14. Остаточные напряжения вызывают коробление конструкции после сварки.

Рис.4.14. Остаточные напряжения в полке сварного двутавра

Если площадь сечения валика принять равной , то можно считать, что деформация полосы вызывается изгибающим моментом

. (4.21)

Рис.17. Коробление полосы после наварка валика

На рис.4.15 дано изменение относительной длины (линейная де­формация) в процессе охлаждения при закалке. Образование мар­тенсита при быстром охлаждении (кривая 2) приводит к увеличению общей деформации даже при уменьшении температуры детали.

Рис.4.15. Литейная деформация в процесс закалки:

1 – охлаждение в печи; 2 – охлаждение в воде; 3 – охлаждение в масле

При расчете остаточных напряжений после закалки (и временных напряжений в процессе самой закалки) следует учитывать суммарную деформацию при температурном сжатии в структурных превращениях. Эта деформация достигает значительной величины и при неоднородном -распределении вызывает пластическую деформацию. Широкий интервал изменения температуры (охлаждение ≈900˚) приводит к необходимости учета изменения механических свойств в процессе охлаждения.

Следует отметить, что сочетание закономерностей изменения объемной деформации и механических свойств может вызывать (в данной точке детали) неоднократное чередование процессов нагружения и разгружения, что, естественно, затрудняет теоретический анализ.

Однако в некоторых случаях (например, в случае осесимметричного состояния в длинном цилиндре) такой анализ может быть проведен.

На рис.4.16 даны остаточные напряжения в цилиндре диаметром 50 мм из среднеуглеродистой стали при закалке с 850˚С и охлаждении в воде.

Рис.4.16. Остаточные напряжения после закалки:

1 – радиальные; 2 – округлые (сплошными линиями показаны расчетные значения остаточных напряжений, пунктирными линиями – экспериментально определенные)

В некоторых случаях проводится специальная термическая об­работка для создания благоприятных остаточных напряжений в поверхностных слоях детали. Она заключается в нагреве до невы­сокой температуры (300-600°С) с последующим быстрым охлажде­нием. В процессе охлаждения в поверхностных слоях возникает пластическая деформация растяжения, и после выравнивания тем­пературного поля появляются остаточные напряжения сжатия. Исследованию вопроса посвящены работы.

При закалке т.в.ч. в поверхностных слоях обычно получаются сжимающие остаточные напряжения, что повышает прочность де­тали при действии переменных напряжений.

Следует отметить, что на границе закаленного слоя (например возле галтелей) наблюдается понижение прочности.