Билет №2

1.Классификация сварочных напряжений и деформаций

Классификация напряжений, возникающих при сварке, может быть произведена по следующим признакам.

1. В зависимости от базы уравновешивания (т. е. от объема той области металла, которую напряжения охватывают) внутренние, так называемые собственные, напряжения могут быть разделены на три категории: первого, второго и третьего рода.

Если напряжения действуют и уравновешиваются в крупных объемах, соизмеримых с размерами изделия или отдельных его частей, то их принято называть напряжениями первого рода. С такими напряжениями приходится встречаться в сварных судовых и машиностроительных конструкциях из простой малоуглеродистой стали (они и являются основным объектом изучения в настоящем курсе). Направление этих напряжений обычно связывают с геометрической формой изделия или направлением шва и соответственно напряжения называют продольными, поперечными и т. д. Напряжения, действующие и уравновешивающиеся в пределах одного или нескольких кристаллов (зерен) металла, называют микроскопическими, или напряжениями второго рода. Напряжения второго рода не имеют определенной ориентировки относительно осей изделия.

Напряжения, действующие между элементами (ячейками) кристаллической решетки металла, называются ультрамикроскопическими, или напряжениями третьего рода. Они также не ориентированы относительно осей изделия или шва.

При практическом изучении сварки и сварных конструкций основное внимание уделяется напряжениям первого и частично второго рода, которые чаще встречаются и проявляются, а поэтому относительно лучше и полнее изучены.

2. В зависимости от периода действия сварочные напряжения разделяются на временные, которые называют также тепловыми, или температурными, и остаточные.

Температурные напряжения в детали (системе) возникают при неравномерном распределении температуры по детали вследствие различия в степени расширения нагреваемых участков. После выравнивания температур различных участков системы температурные напряжения исчезают или же переходят в остаточные. Остаточными называются напряжения, сохраняющиеся в детали (системе) после окончания той или иной технологической операции.

Остаточные напряжения при сварке часто называют усадочными -от слова «усадка», т. е. сокращение объема при переходе металла (имеется в виду металл шва) из жидкого в твердое состояние. Это название следует признать весьма условным и не определяющим истинную причину возникновения напряжений.

Усадочными явлениями иногда именуют всю совокупность деформирования конструкций и накопления в них напряжений под влиянием процесса сварки.

3. Напряжения первого рода от сварки в зависимости от обстоятельств их возникновения можно условно разделить на сварочные и реактивные. Сварочные напряжения возникают в самом шве от воздействия одних участков шва на другие и в других частях свободной конструкции от сокращения свариваемых швов. Сварочные напряжения, возникающие в зоне одного данного шва, назовем собственными сварочными (иногда их называют также активными напряжениями). Напряжения, возникающие в различных участках конструкции, свободной от внешних связей, а также в других швах в результате сварки данного шва, называют реактивными сварочными.

Кроме того, различают напряжения реактивные от внешних связей, когда конструкция сваривается при закреплении во внешнем контуре. Заметим, что в целой конструкции деление напряжении первого рода на сварочные и реактивные, строго говоря, условно. По существу, собственные сварочные напряжения, возникающие во всяком заваренном участке сварного шва, сами обусловлены противодействием холодных частей и предыдущих участков того же шва, т. е. их реакцией.

Однако, рассматривая сварную конструкцию в целом, необходимо выделить отдельные виды напряжений, чтобы производить их количественную оценку и находить причины возникновения.

4. В зависимости от пространственного расположения напряжений первого рода в изделии напряженное состояние может быть: линейным (одноосным), плоским (двуосным) или объемным (трехосным). При этом делении предполагается, что компоненты напряжений, направленные соответственно по двум или трем осям, соизмеримы между собой.

5. Относительно направления шва или линии нагрева напряжения разделяются на продольные, действующие параллельно шву или линии нагрева, и поперечные, действующие перпендикулярно этим линиям.

6. 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 нагретых волокон металла. Структурные напряжения возникают в дополнение к тепловым, так как при переходе некоторых металлов (во время нагрева или охлаждения) из одного структурного состояния в другое объем кристаллов изменяется. Например, вследствие того, что мартенсит менее плотен, чем аустенит, распад аустенита у легированных сталей сопровождается расширением того участка, в котором появляется мартенсит, и образованием напряжений. Классифицировать сварочные деформации сложнее, так как как даже при сварке простейших элементов приходится иметь дело со сложной деформацией, происходящей одновременно в нескольких направлениях.

Деформации могут происходить по двум причинам:

1) из-за внешнего силового воздействия, под влиянием которого элемент испытывает, например, растяжение, сжатие или другой вид напряженного состояния, приводящего к смещению одних частиц элемента относительно других;

2) из-за изменения внутреннего температурного состояния элемента (степени нагрева). При повышении температуры элемент расширяется (его в это время ничто не растягивает), а при понижении температуры сокращается.

Разграничение этих понятий (растяжения, расширения, сжатия и сокращения) важно для дальнейшего изложения.

Следует различать два вида деформаций по причинам возникновения и характеру проявления:

1) внутренние деформации, происходящие на отдельных участках элемента, но удовлетворяющие условию сплошности тела;

2) внешнее формоизменение, которое может быть весьма разнообразным.

Внутренние деформации имеют место, например, при нагреве участка внутри жесткой конструкции. Форма конструкции от этого нагрева не изменится, но некоторые частицы внутри конструкции от расширения сместятся одни относительно других.

Внешнее формоизменение наблюдается или при нагреве свободного от связей элемента, или же при приложении к нему внешних сил; при этом наружные контуры детали смещаются одни относительно других.

Вид деформации (или одновременное проявление обоих видов) зависит от причины возникновения деформаций и от условий закрепления тела или его частей (элементов).

Внутренние деформации можно (в первом приближении) считать связанными с возникающими напряжениями по известным уравнениям теории упругости и теории пластичности. Однако, поскольку при сварке происходит изменение механических свойств материала в очень широких пределах, то зависимость между напряжениями и внутренними деформациями оказывается значительно более сложной. Внутренние деформации по своей величине и обратимости могут быть разделены на упругие и пластические, как это вытекает из физических свойств свариваемых металлов.

Формоизменение может быть выражено сокращением, изгибом кручением или угловым искажением всей конструкции или ее участков. Этот вид сварочных деформаций принято разделять на местные деформации, т. е. относящиеся к отдельно элементу или участку конструкции, и общие, относящиеся к целой конструкции на всем ее протяжении. Соответственно говорят, например, «общие деформации изгиба», «местные угловые деформации» и т. д.

Внешнее формоизменение конструкции может происходить без возникновения внутренних напряжений в случае, если элементы перемещаются свободно, не встречая препятствий.

В практике изготовления металлических конструкций из листового и профильного материала внешнее формоизменение принято разделять на деформации в плоскости элемента и деформации с отклонением из плоскости, которые обобщают словом «коробление». Деформации в плоскости листов могут быть разделены на продольные и поперечные укорочения и деформации изгиба, в зависимости от направления их относительно шва или линии прогрева. Деформации из плоскости проявляются в виде общего изгиба элементов или в виде «угловых деформаций», т. е. местных сломов на листах, поперечных или продольных волн и выпучин.