Образование собственных напряжений в результате фазовых превращений в металле при сварке

Фазовые превращения происходят при нагреве металла выше определенных температур. Фазовые превращения при сварке вызывают растягивающие и сжимающие собственные напряжения в связи с тем, что эти превращения в некоторых случаях сопровождаются изменением объема свариваемого металла как на стадии нагрева, так и на стадии охлаждения. Например, на стадии нагрева углеродистых сталей происходит образование аустенита из феррита — этот процесс сопровождается уменьшением объема. На стадии охлаждения сварного соединения из высокоуглеродистых сталей при больших скоростях охлаждения аустенит образует мартенситную структуру, обладающую большим объемом, чем аустенит (мартенсит обладает меньшей плотностью, чем аустенит, и следовательно характеризуется большим объемом). При сварке низкоуглеродистой стали напряжения, возникающие от фазовых превращений, небольшие и практического значения не имеют. Закаливающиеся стали дают значительные объемные изменения, связанные с фазовыми превращениями. Вследствие этого, возникающие собственные напряжения могут иметь значительную величину.

Напряжения от неравномерного нагрева, литейной усадки сварного шва и напряжения от фазовых превращений суммируясь, образуют собственные сварочные напряжения. Эти напряжения, как правило, превышают предел текучести металла. Поэтому в шве, который имел высокую температуру нагрева и, соответственно, повышенную пластичность, возникнут остаточные растягивающие напряжения, а в заготовке, нагретой до более низких температур и имеющей пониженную пластичность – упругие сжимающие. В итоге, после полного остывания шов окажется пластически растянутым силой, действующей на него со стороны заготовки, а заготовка будет упруго сжата силой, действующей на неё со стороны шва. Эти внутренние силы и напряжения являются взаимно уравновешивающими, поскольку именно достижение равновесия между ними и определяет итоговую величину одинакового общего сокращения заготовки и шва.

Рис. 40С. Классификация сварочных напряжений (усилий) по направлению действия относительно координатных осей

Продольные сварочные напряжения (усилия) 1 - сварочные напряжения, действующие вдоль продольной оси сварного шва (вдоль оси Х), Обозначаются σх,

Поперечные сварочные напряжения (усилия) 2 – напряжения, действующие перпендикулярно продольной оси шва в плоскости свариваемых элементов (вдоль оси У).

Обозначаются σу.

Сварочные напряжения (усилия), действующие вдоль оси Z (3) называются напряжениями по толщине и обозначаются σz.

Сварочные напряжения в зависимости от причин их возникновения разделяются на две группы: тепловые и структурные.

Тепловые напряжения первого и второго рода возникают только вследствие расширения при нагреве и укорочения при охлаждении волокон металла.

Структурные напряжения возникают в дополнение к тепловым на участках сварного соединения, металл которых претерпевает полиморфные превращения на стадиях нагрева и охлаждения в процессе сварки. В результате фазовых превращений, происходящих на участках сварного соединения, так как при переходе некоторых металлов (во время нагрева или охлаждения) из одного структурного состояния в другое объем структурных фаз изменяется. Например, мартенсит обладает меньшей плотностью, чем аустенит, и следовательно характеризуется большим объемом. Поэтому распад аустенита при охлаждении легированных сталей сопровождается расширением того участка, в котором появляется мартенсит, что является причиной образования собственных (внутренних) напряжений.