книги / 813

σ, МПа

γ

Рис. 5. Графики зависимостей: (1) σ – γ, (2) τ – γ, (3) σэ – γ при испытании образца из стали 15Х2ГМФ в последовательности: растяжение до σ02, фиксация достигнутой деформации ε на постоянном уровне, кручение до γ = γа (γа = 0,01), кручение

в противоположную сторону до γ = – γа, кручение в первоначальном направлении до γ = γа

σ, МПа

γ

Рис. 6. Графики зависимостей: (1) σ – γ, (2) τ – γ, (3) σэ – γ при испытании образца из стали 15Х2ГМФ в последовательности:

растяжение до σ02, разгрузка до σ = 0,75σ02, фиксация достигнутой деформации ε на постоянном уровне, кручение до γ = γа (γа = 0,01), кручение в противоположную сторону до γ = – γа, кручение в первоначальном направлении до γ = γа

41

σ, МПа

γ

Рис. 7. Графики зависимостей: (1) σ – γ, (2) τ – γ, (3) σэ – γ при испытании образца изстали15Х2ГМФвпоследовательности: растяжение до σ02, разгрузка до σ = 0,75σ02, фиксация достигнутой деформации ε на постоянном уровне, кручение до γ = γа (γа = 0,007), кручение в противоположную сторону до γ = – γа, кручение

в первоначальном направлении до γ = γа

Результаты испытаний по вышеприведенной программе представлены на рис. 5, 6 и 7. Дополнительно на каждом рисунке показано, как изменяется в процессе деформирования величина эквивалентного напряжения, определяемого по формуле (2).

Зависимости качественно сохраняют свою форму для всех трёх представленных образцов, отличающихся параметрами режима деформирования. Первая стадия кручения практически повторяет результаты предыдущих испытаний с однократным кручением. Вторая стадия начинается при смене направления закручивания. Вначале идёт разгрузка, которую можно считать линейно упругой, так как напряжение τ уменьшается по линейному закону при изменении деформации γ, а напряжение σ в это время остаётся постоянным. Затем, по мере увеличения абсолютного значения γ напряжение σ продолжает снижаться, но величина падения напряжения несколько меньше, чем на первой стадии кручения, зависимость между τ и γ в это время становится нелинейной. Величина σэ вначале уменьшается, а при переходе напряжения τ через нулевое значение начинает возрастать, так как по абсолют-

42

ному значению τ увеличивается. На третьей стадии кручения не наблюдается значительного падения напряжения σ при изменении γ, даже наоборот, вначале, когда идёт разгрузка, наблюдается незначительное увеличение σ и лишь в конце стадии такое же незначительное его уменьшение. Напряжение τ сначала изменяется практически по линейному закону, так как идёт разгрузка, затем зависимость τ – γ становится нелинейной. После прохождения полного цикла петля τ – γ обнаруживает тенденцию к замыканию. Величина σэ вначале уменьшается, а при переходе напряжения τ через нулевое значение – возрастает. При уменьшении амплитуды стадий кручения (см. рис. 7) уменьшается итоговая величина снижения напряжения σ и сужается петля τ – γ.

На рис. 8 и 9 представлено сравнение графиков зависимостей σ – γ при одинаковых режимах деформирования на стадии растяжения, но отличающихся количеством стадий кручения.

σ, МПа

γ

Рис. 8. Графики зависимостей нормального напряжения от угловой деформации при испытании образцов из стали 15Х2ГМФ:

1 – однократное кручение после пластического деформирования при одноосном растяжении до σ02 и фиксации деформации ε;

2 – зеркальное отображение зависимости 1 со смещением на величину γ = 0,01; 3 – знакопеременное кручение с амплитудой γ = 0,01 после пластического деформирования при одноосном растяжении доσ02 ификсациидеформацииε

43

σ, МПа

γ

Рис. 9. Графики зависимостей нормального напряжения от угловой деформации при испытании образцов из стали 15Х2ГМФ:

1 – однократное кручение после пластического деформирования при одноосном растяжении до σ02, разгрузки до 0,75σ02

и фиксации деформации ε; 2 – зеркальное отображение зависимости 1 со смещением на величину γ = 0,008; 3 – знакопеременное кручение

самплитудой γ = 0,01 после пластического деформирования при одноосном растяжении до σ02, разгрузки до 0,75σ02

ификсации деформации ε

На каждом рисунке первые стадии кручения достаточно хорошо согласуются. Зеркально отображая график при однократном кручении и сдвигая её вдоль оси абсцисс до совмещения со второй стадией знакопеременного кручения, также наблюдаем достаточно хорошее совпадение. Таким образом, величина снижения напряжения σ на первых двух стадиях знакопеременного кручения аналогична величине снижения σ при однократном кручении с большим значением величины деформации γ.

Связь между касательными и нормальными напряжениями для вышеприведённых испытаний с растяжением и последующим знакопеременным кручением представлена на рис. 10.

Эллипс Мизеса 4 соответствует величине эквивалентного напряжения, равного пределу текучести σ02, наименьшему среди образцов (σ02 = 845 МПа). Кривые 1, 2 и 3 почти не выходят за область эллипса. Первая стадия кручения для кривых повторяет зависимости для однократного кручения. При смене направления закручивания последовательно проходят этапы разгрузки и упругой нагрузки, в это время на-

44

пряжение σ практически постоянно при изменении τ для всех представленных кривых. При возникновении заметных пластических деформаций напряжение σ начинает уменьшаться при уменьшении τ. Течение начинается немного раньше эллипса 4, но в итоге кривые приближаются к эллипсу и немного выходят за его пределы. На третьей стадии кручения наблюдается эффект, отмеченный ранее, когда σ немного увеличивается при изменении τ. Но в итоге кривые опять выходят на эллипс Мизеса.

τ, МПа

σ, МПа

Рис. 10. Связь между касательными и нормальными напряжениями при испытании образцов из стали 15Х2ГМФ: 1 – знакопеременное кручение

с амплитудой γ = 0,01 после пластического деформирования при одноосном растяжении до σ02 и фиксации деформации ε; 2 – знакопеременное кручение с амплитудой γ = 0,01 после пластического деформирования при одноосном растяжении

до σ02, разгрузки до 0,75σ02 и фиксации деформации ε; 3 – знакопеременное кручение с амплитудой γ = 0,007

после пластического деформирования при одноосном растяжении до σ02, разгрузки до 0,75σ02 и фиксации деформации ε;

4 – эллипс Мизеса: σ2 + 3τ2 = σ022

Анализ рис. 5–10 показывает, что на первых двух стадиях знакопеременного кручения сохраняются основные закономерности, свойственные однократному кручению. Поэтому оценка величины накопленных пластических деформаций на данных стадиях может быть проведена так же, как и в случае деформирования с однократным кручением, по формуле (1). На третьей стадии кручения в области уп-

45

ругих деформаций появляется взаимовлияние друг на друга растяжения и сдвига, т.е. влияние деформации γ на напряжение σ, а деформации ε на напряжение τ. Это может быть связано с наведенной в процессе деформирования анизотропией свойств материала. Поэтому формула (1) на третьей стадии кручения может дать значительную погрешность. Графики изменения величины линейной пластической деформации в процессе испытания, рассчитанные по формуле (1), представлены на рис. 11.

εр

γ

Рис. 11. Графики зависимости линейной пластической деформации от угловой деформации при знакопеременном кручении предварительно растянутых образцов из стали 15Х2ГМФ с фиксированной продольной деформацией ε: 1 – с уровня σ02 при амплитуде γа = 0,01;

2 – с уровня 0,75σ02 при амплитуде γа = 0,01; 3 – с уровня 0,75σ02 при амплитуде γа = 0,007

Для режима при кручении с уровня σ02 итоговая величина εp получается наибольшей, т.е. так же, как и при однократном кручении. При одинаковых уровнях предварительного нормального напряжения, соответствующих 0,75σ02, итоговая величина εp получается большей при большей амплитуде стадий кручения γа.

Таким образом, как при однократном, так и при знакопеременном кручении предварительно растянутых тонкостенных образцов с фиксированной продольной деформацией ε наблюдается интенсивное снижение нормальных напряжений. Снижение тем больше, чем больше величина угловой деформации. При этом за счет уменьшения линейной упругой деформации увеличивается линейная пластическая деформация. В случае знакопеременного кручения снижение напряже-

46

ния σ наблюдается на первых двух стадиях кручения. На третьей стадии кручения петля τ – γ завершает прохождение полного цикла, обнаруживая тенденцию к замыканию, и дальнейшее снижение напряжения σ приостанавливается.

Библиографический список

1.Ильюшин А.А. Пластичность. Ч. I. Упруго-пластические деформации. – М.: Логос, 2004. – 388 с.

2.Горшков А.Г., Старовойтов Э.И., Тарлаковский Д.В. Теория упругости и пластичности: учеб. для вузов. – М.: Физматлит, 2002. – 416 с.

3.Вассерман Н.Н. Насосным штангам долгую жизнь // Механи- ко-технологическому факультету 50 лет: сб. науч. тр. – Пермь, 2005. –

С. 118–129.

4.Вассерман Н.Н., Калугин В.Е. Определение остаточных напряжений в длинномерных цилиндрических изделиях после их пластического деформирования растяжением и кручением // Динамика и прочность механических систем: сб. науч. тр. – Пермь, 1996. – С. 35–43.

5.Технология восстановления прямолинейности и упрочнения насосных штанг / Н.Н. Вассерман [и др.] // Наука производству. – 2000. –

№5. – С. 49–50.

6.Пат. 2069496 Рос. Федерация, МПК С 21 Д 7/12 8/00. Способ восстановления длинномерных цилиндрических изделий / В.В. Семе-

нов, Н.Н. Вассерман, В.Е. Калугин. – 94030098/02; заявл. 11.08.94; опубл. 20.11.96, Бюл. № 32. – 3 с.

7.Надымов А.Н. Моделирование и оптимизация процесса вос-

становления насосных штанг: автореф. дис. … канд. техн. наук. –

Пермь, 2002. – 17 с.

8. Экспериментальное изучение закономерностей упругопластического деформирования стали 15Х2ГМФ при растяжении и кручении / Н.Н. Вассерман [и др.] // Вестник ПГТУ. Машиностроение и материа-

ловедение. – 2010. – Т. 13, № 5. – С. 127–138.

Получено 5.10.2010

47

УДК 539.3+53.082.56

Р.В.Гольдштейн, В.М.Козинцев, Д.А. Куров, А.Л. Попов, Д.А.Челюбеев

Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН, г. Москва

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ СВАРОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПО ЦВЕТАМ ПОБЕЖАЛОСТИ

Предложен метод неразрушающего определения максимальных остаточных напряжений в сварном соединении по распределению цветов побежалости после остывания шва. На одномерной модели построено решение обратной задачи теплопроводности при охлаждении шва после стыковой сварки стальных пластин, исходя из расположения изотерм на лицевой и обратной сторонах пластин, выраженных характерной – синей полосой побежалости. Это решение использовано для нахождения поперечных остаточных напряжений. Обсуждена возможность определения продольных напряжений в шве и околошовной зоне при найденных поперечных напряжениях и базе данных о соотношениях между продольными и поперечными напряжениями, полученных методом высверливания зондирующего отверстия.

Ключевые слова: остаточные напряжения, полосы побежалости, задача теплопроводности, сварное соединение, методы неразрушающего контроля.

Введение

Актуальность исследований по проблематике остаточных, прежде всего сварочных, напряжений и их влиянию на прочность конструкций сохраняется в течение длительного времени вследствие периодически повторяющихся аварий на многих типах ответственных конструкций таких как нефте- и газопроводы, происходящих из-за разрушений сварных швов, вызванных большими технологическими напряжениями и сопровождаемых серьёзными экономическими и экологическими последствиями. Современное состояние экспериментальных исследований остаточных напряжённо-деформированных состояний деформируемых тел характеризуется наличием нескольких основных методов, группируемых по принципу большей или меньшей повреждаемости исследуемого тела при их реализации. Предлагаемый метод позиционируется как неповреждающий, к их числу относятся также рентгеновский, ультразвуковой и акустико-эмиссионный, магнитопорошковый, на основе эффектов Баркгаузена, магнитной памяти и магнитной анизотропии, коэрцитиметрический, магнитно-индукционный и др. [1]. Его потенциальными преимуществами являются отсутствие требования доступа в рабочую зону в процессе сварки и остывания шва,

48

длительность времени естественного сохранения исходной информации и простота её считывания. Вопрос о точности получения результатов по остаточным напряжениям в зоне сварки, который стоит перед всеми неразрушающими методами, здесь также открыт и будет решаться по мере разработки метода.

Известно, что возникновение остаточных напряжения в сварных соединениях обусловлено резким локализованным повышением температуры, переводящим металл в зоне сварки в пластичное и жидкое состояния, а затем – быстрым охлаждением этой зоны при сохранении жесткостных характеристик в материале примыкающих областей, препятствующих развитию деформаций [2]. Поэтому ключевым моментом в определении остаточных сварочных напряжений является знание ко- ординатно-временных зависимостей температуры в зоне шва и прилегающих областях в процессе выполнения сварки и охлаждения шва. Неудивительно, что большое количество исследований посвящено созданию расчётно-теоретических моделей термического цикла при сварке [2–9]. При этом сами авторы таких моделей отмечают [6, с. 203], что «часто характер теплового воздействия при сварке и условия распространения теплоты и теплоотдачи настолько сложны, что расчётное определение температур становится настолько неточным, что его использование оказывается неоправданным». Таким образом, из-за сложности явления формирования остаточных напряжений в настоящее время не существует единого теоретического метода определения таких напряжений [2].

Другой подход – это экспериментальные измерения температурного поля и его кинетики при сварке. Здесь, однако, следует отметить, что измерения температуры и её градиентов в реальном технологическом цикле сварки не всегда возможны. В лабораторных условиях, когда доступ к зоне сварки открыт, для получения временной и координатной зависимостей температур остывания шва и околошовной зоны может быть использован, например, традиционный контактный метод измерения температуры с помощью термопар (рис. 1 иллюстрирует один из таких экспериментов: 1 – зона сварки двух стальных труб, 2, 3 – места зачеканки хромель-алюмелевых термопар). Данные об изменениях температур при нагреве и охлаждении околошовной зоны регистрировались в этом эксперименте цифровым мультиметром.

49

а б

Рис. 1. Зоналокальнойсваркистальныхтруб: а– общийвид: 1 – центршва, 2, 3 – места зачеканки термопар; б– распределение температур по цветам побежалости

Выводы, сделанные по результатам этого и аналогичных экспериментов, оказались неоднозначными. Положительной стороной явилось выявление кинетики температурного поля в процессе нагрева и охлаждения определённых мест в околошовной зоне. С другой стороны, требовалось значительное искусство в обеспечении работоспособности датчиков в экстремальных условиях высоких и быстроменяющихся сварочных температур, когда часть датчиков буквально пережигалась в процессе сварки (такое место отмечено на рис. 1 цифрой 3).

Даже при сохранении работоспособности термопар информация об изменениях температур имеет локальный характер. Кроме того, зачеканка термопар, как видно из рис. 1, вносит дефекты, соизмеримые с лунками при высверливании несквозных отверстий. Всё это в сочетании с трудностью, а зачастую и невозможностью доступа в зону сварки показывает сложность использования прямых измерений для получения температурных зависимостей в зоне будущего шва и прилегающих областях при создании метода неразрушающего контроля сварочных напряжений, опирающегося на эти зависимости при определении возникающих напряжений.

В то же время во многих случаях в процессе и по окончании сварки на поверхности свариваемых тел можно наблюдать своеобразные следы температурного воздействия в виде изотерм, окрашенных в определённые, присущие известным температурным уровням, цвета побежалости [10]. Эти следы сохраняются в течение длительного вре-

50