4.3. Механическая неоднородность сварных соединений
Одним из источников возникновения
концентрации напряжений в сварных швах
является механическая неоднородность
сварных швов. Сварное соединение в
поперечном сечении имеет несколько
участков, различных по механическим
свойствам . Это сам шов 1 , зона термического
влияния 2,
Рис.
материал которой у ряда сталей
претерпевает структурные превращения
имеет новые прочность и твердость, зона
высокого отпуска 3 - в которой у
термообработанных сталей прочность и
твердость понижены в результате нагрева
, и зона основного металла 4 с неизменными
свойствами. Зоны , где металл обладает
пониженным пределом текучести по
отношению к пределу текучести соседнего
металла называются мягкими прослойками.
Рис.
Рисунок
Так при сварке наклепанных сталей,
упрочненных холодной прокаткой, а также
аустенитных сталей и алюминиевых
сплавов, нагрев до высоких температур
снимает наклеп, достигнутый холодной
прокаткой. Твердость шва и зоны
термического влияния приближается к
твердости отожженного металла. При
сварке термообработанных сталей шов и
ЗТВ в процессе охлаждения закаливаются
и имеют более высокую твердость и
прочность чем основной металл. Этот
участок называется твердой прослойкой.
Рядом находится участок высоко отпущенного
металла, который по отношению к основному
металлу и твердой прослойке имеет
пониженный предел текучести . Эта зона
образует две мягкие прослойки.
Рассмотрим работу шва при растяжении.
В упругой стадии нагружения мягкая
прослойка и соседние с ней участки
деформируются однородно, и при достижении
предела текучести материала мягкой
прослойки в ней возникает пластическая
деформация, а соседние участки остаются
в упругом состоянии. При дальнейшем
повышении нагрузки и деформации у
прослойки увеличивается коэффициент
поперечной деформации и стремится к 0,5, а в упругой стадии 0,3.
Из-за неодинаковой поперечной деформации
возникают касательные напряжения на
границах раздела, которые препятствуют
сужению прослойки. Причем чем уже
относительная толщина прослойки, т.е.
отношениеh/s, тем меньшее
поперечное сужение она получает к
моменту разрушения. В более узких
прослойках площадь утоненного поперечного
сечения прослойки к моменту разрушения
будет больше, а следовательно и больше
разрушающая сила. В этом заключается
эффект контактного упрочнения, т.е
повышения несущей способности. Чем
прочнее соседние зоны,
Рис.
тем больше эффект контактного
упрочнения. Твердые прослойки, находящиеся
рядом с мягкими, усиливают этот эффект.
Мягкие прослойки могут образовываться
не только в зонах термического влияния.
При сварке толстостенных изделий мягкие
прослойки образуются в толще самих
швов. Наличие мягких прослоек в шве
может повысить его несущую способность
за счет образования в них пластической
деформации и перераспределения поля
напряжений.
Рис.
Твердые прослойки сварных швов
оказывают отрицательное влияние на
прочность сварных соединений. Рассмотрим
сварное соединение с твердой прослойкой
в ЗТВ, как показано на рисунке. Разрушение
соединения произойдет при упругой
деформации2,
что соответствует напряжениям1,
которые значительно ниже чем уровень
напряжений в основном металле.
Твердые и мягкие прослойки снижают
прочность кольцевых швов сосудов
давления.
Рис.
Еще одним видом неоднородности
механических свойств является анизотропия
в направлении толщины. Анизотропия
возникает обычно при прокатке. Прочность,
пластичность и ударная вязкость, как
правило, выше у образцов вырезанных
вдоль проката. Особенно низкие механические
свойства вдоль толщины. При наличии
расслоений пластичность равна нулю -
во время сварки или термической резки
могут появиться трещины. При проектировании
сварных конструкций, передающих
растягивающие усилия по толщине, следует
проявлять осторожность и допускать
нагрузки, лишь в случае полной уверенности,
что материал не склонен к расслоениям,
а механические свойства в направлении
толщины соответствуют уровню,
предусмотренному техническими
требованиями.