В настоящее время используются различные приближенные спо­собы определения остаточных напряжений. В большинстве слу­чаев они исходят из предположения, что металл при нагреве ис­пытывает температурную деформацию аТ, которая и приводит к образованию напряжений. Известные экспериментальные дан­ные [48, 63] косвенно указывают на то, что значительная часть температурной деформации не участвует в образовании напряже­ний — остаточные напряжения оказываются меньше предела те­кучести, хотя по упрощенным представлениям они должны быть значительно выше от или при идеально пластичном металле рав­ными от. Причина такого несоответствия заключается в том, что нагретый металл окружен упругой средой — ненагретым иля слабо нагретым металлом, который в процессе сварки заметно деформи­руется и не обеспечивает жесткой заделки нагретых волокон, как это часто предполагается.

Второе обстоятельство, которое также, как правило, не учиты­вают, — это наличие значительных касательных напряжений и сдвиговых пластических деформаций в зоне нагрева при сварке. Касательные напряжения в значительной мере определяют картину распределения нормальных напряжений. Касательные напряже­ния могут быть получены лишь при решении задачи образования напряжений с учетом неодновременности сварки шва по его длине. Между тем в упрощенных методах в явном или неявном виде пред­полагается мгновенная сварка шва по всей длине. Такое допуще­ние не позволяет определить временные касательные напряжения, возникающие в процессе сварки.

К числу общих закономерностей относится закон изменения объема тела при его нагреве. Абсолютное изменение объема сво­бодного тела независимо от характера распределения температур

За „

в нем и его размеров прямо пропорционально величине — Q

су

как при упругих, так и пластических деформациях металла 16

(Q — количество введенного тепла). Указанный закон справедлив при условии, что величина не зависит от температуры. Исполь-

г С

зование этой закономерности удобно при объяснении механизма образования деформаций металла. Доказательство этого закона приведено в работе [91].

Важное следствие, которое вытекает из этого закона: измене­ние объема всего тела от собственных напряжений равно нулю. Иными словами, объем тела не изменится, если остаточные напря­жения, имеющиеся в теле, снимутся вследствие пластической де­формации. Указанным следствием удобно объяснять некоторые особенности релаксации напряжений при отпуске массивных свар­ных конструкций.

щина которого соизмерима с шириной зоны нагрева, где ат = 0, образуются заметные напряжения о, по толщине. Зону /, очер­ченную на рис. 7, а изотер­мой, соответствующей аг=

=0, можно считать в пер­вом приближении свобод­ной от напряжений. Из этого утверждения, однако, вовсе не следует, что тер - моМеханические процессы в этой зоне не представ­ляют интереса. Возникаю­щие деформации металла в этой зоне, помимо влия­ния на структуру, могут вызвать его разрушение и появление горячих трещин.

Часть зоны //, прилегающая к зоне /, характеризуется нали­чием значительных поперечных сжимающих напряжений ау. Здесь происходят пластические деформации металла. В зоне II 1а, испытывающей нагрев при движении источника тепла, нарастают сжимающие напряжения ах и ау, причем вблизи зоны I напря­
жения ау незначительны. Нарастание сжимающих напряжений ах с протеканием пластических деформаций укорочения сменяется на границе зон Ilia к 1116 спадом сжимающих напряжений, а за­тем и переходом их по мере остывания металла в растягивающие напряжения. По границе зон І я IV напряжения близки к нулю, а в зоне IV ах и ау оказываются растягивающими.

По мере удаления источника в зоне шириной 2Ьп, где проис­ходили пластические деформации, возникают остаточные растя­гивающие напряжения ах. В металле за пределами зоны пласти­ческих деформаций 2Ьп при большой ширине пластины напряже­ния оказываются близкими к нулю.

Отсутствие напряжений оу в зонах Ilia и II16 вблизи зоны / дало повод ряду исследователей не без оснований рассматривать сварочные напряжения в этом случае как одноосные [80, 83]. На этой предпосылке и основано несколько методов определения одно­осных напряжений при сварке встык.

7. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОДНООСНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

Основная задача образования продольных напряжений под­робно рассматривалась в работах Г. А. Николаева [36, 80, 82], Н. О. Окерблома [83, 86], И. П. Трочуна [111], Г. Б. Талыпо - ва [106] и других авторов [4, 56]. Ряд допущений в указанных работах у некоторых авторов был одинаков:

1. Гипотеза плоских сечений элементов, утверждающая, что поперечные сечения свариваемых пластин не искривляются.

2. Гипотеза одноосных напряжений.

3. Схематизированная диаграмма зависимости предела теку­чести от температуры для стали. Отсутствие эффекта упрочнения металла при пластических деформациях.

4. Постоянство теплофизических констант металла в широком диапазоне температур.

5. Предельное температурное состояние в пластине и равно­мерная температура по толщине металла.

В методе Г. А. Николаева рассматривается распределение де­формаций и напряжений в сечении 1—1, проходящем через точку касания прямой, параллельной оси шва, к изотерме 600° С (рис. 8, б). Температурные деформации продольных волокон пла­стины равны величине аТ. Так как волокна связаны между собой (гипотеза плоских сечений), в них возникнут дополнительные де­формации. На рис. 8, а деформаций укорочения показаны со зна­ком минус, а деформации удлинения — со знаком плюс. Пласти­ческие деформации показаны косой штриховкой, а упругие — прямой. Величина упругих деформаций на участке /2 показана в соответствии с зависимостью предела текучести стали Ст. 3 от температуры (см. рис. 2).

Прямая mm' отражает положение сечения пластины и прово­
дится из условия уравновешенности эпюры на рис. 8, а. Пласти­ческие деформации укорочения (на рис. 8, в они показаны ли­нией abdg) вызывают остаточные напряжения. Величина пластиче­ских деформаций в зоне с температурой нагрева выше 600° С опре­деляется условно. В действительности пластические деформации металла при остывании будут происходить с самого начала кри­сталлизации вплоть доТ = 600° С.

Однако при температурах выше 600° С напряжения образовывать­ся не будут. Лишь начиная с Т = 600° С возникающие дефор­мации будут вызывать напряже­ния. По этой причине деформа­ция при Т > 600° С в расчет не вводится и на рис. 8, а она огра­ничена прямой gd.

Для определения остаточных деформаций рассмотрим эпюру пластических деформаций на рис. 8, в. Она выражает укороче­ние волокон, которое произошло в зоне пластических деформаций.

Укорочение волокон обнаружится при остывании металла и приведет к образованию растягивающих на­пряжений. Для определения вели­чины остаточных деформаций не­обходимо провести прямую п —п' так, чтобы площади у положи­тельной и отрицательной частей эпюры были равны. При попытке сделать это уравновешивание без учета пластической деформации обнаруживается, что максималь­ная величинадеформации гтм^>гт.

Следовательно, в данном кон­кретном случае при остывании бу­дут происходить пластические деформации удлинения. Нарис. 8, в показана уравновешенная эпюра остаточных деформаций, полу­ченная в предположении, что металл идеально пластичен и де­формируется без упрочнения (допущение 3). Умножив эпюру де­формаций на модуль упругости металла Е, получим эпюру оста­точных напряжений.

Приведенный расчет показывает, что в низкоуглеродистых ста - Лях остаточные напряжения в шве и околошовной зоне достигают предела текучести металла, а с учетом возможного упрочнения металла при пластической деформации могут быть даже выше ат.

Об этом же свидетельствуют многочисленные измерения остаточ­ных напряжений в сварных соединениях низкоуглеродистых ста­лей, когда их величина оказывалась близкой к ат.

Аналогичным путем могут быть определены остаточные дефор­мации и напряжения при наплавке валика на кромку полосы (рис. 9). В этом случае, кроме условия равенства нулю суммы пло­щадей при построении линии mm', необходимо соблюдать условие

равенства нулю суммы момен­тов площадей. Эпюра пласти­ческих деформаций показана на рис. 9, а косой штриховкой, а на рис. 9, б — линией adg. Остаточные деформации пока­заны на рис. 9, б прямой штри­ховкой. Умножив значения остаточных деформаций на мо­дуль упругости металла Е, в определенном масштабе полу­чим эпюру остаточных напря­жений.

Уточненный метод опреде­ления деформаций при сварке, разработанный Н. О. Окербло - мом, предусматривает последо­вательный. учет пластических деформаций, образуемых в про­цессе сварки в течение всего периода нагрева и остывания. Здесь также принимается гипо­теза плоских сечений и одно­осных напряжений, но рассма­тривается не одно сечение, как в предыдущем методе, а не­сколько (рис. 10, а). При та­ком подходе в случае сварки двух одинаковых широких пла­стин эпюру температурных деформаций можно рассматривать как эпюру максимальных температурных деформаций (рис. 10,6), потому что в процессе движения источника каждая точка пла­стины достигает в определенный момент времени максимальной температуры.

При быстродвижущемся источнике тепла это равносильно пред­положению о мгновенной сварке шва по всей его длине. Ширина зоны пластических деформаций 2Ьп (рис. 10, в) получается больше, чем по методу Г. А. Николаева. Остаточные напряжения для низ­коуглеродистой стали также оказываются равными пределу те­кучести.

определяется в зависимости от жесткости сварки. Напряжения во всей зоне b Ь2 условно приняты равными пределу текучести.

Г. Б. Талыпов исследовал случай мгновенной укладки шва по всей длине с привлечением теории пла­стичности [106]. Перечисленные ме­тоды определения одноосных напря­жений в общем правильно отражают картину образования напряжений в низкоуглерсдистых и некоторых низколегированных сталях. Остаточ­ные напряжения в подавляющем большинстве случаев оказываются равными пределу текучести и это подтверждается экспериментально.

При тщательно поставленных специ­альных опытах можно было бы обна­ружить, что ширина зоны пласти­ческих деформаций оказывается меньше, чем это следует из расчета по методу Н. О. Окерблома. Зани­женные значения к. п. д. процесса сварки, принятые в работе [86], не позволили обнаружить этого расхо­ждения между расчетом и экспери­ментом.

С появлением титановых и алю­миниевых сплавов, у которых запас температурной деформации по срав­нению с ет меньше, чем у низко - углероднстых сталей, было обнару­жено, что остаточные напряжения в них могут быть меньше ат, хотя по упрощенным методам расчета они должны быть больше оГ. Например,

в титановом сплаве ОТ4 запас относительной деформации а Т, fiCJJn-3ee отсчитывать от Т = 700° С при а = 8,5-Ю-6, равен •10 3. Согласно гипотезе плоского сечения должны получиться остаточные напряжения

а = 6,8-10-3£ = 71 кПмм2 (—710 Мнім2),

86 Є,?;Лизкие к пРеделу текучести этого сплава, равного 70—

кГ/мм2 (700—800 Мнім2). Экспериментально измеренные
остаточные напряжения в стыковых соединениях сплава ОТ4 равны 30—40 кГІмм1 (300—400М«/ж2), т. е. меньше от.

Появление новых металлов привело к необходимости дальней­шего исследования механизма образования сварочных напряжений и более точного учета различных сторон явления. Перечисленные выше методы могут быть использованы в основном для определения одноосных остаточных напряжений в низкоуглеродистых и неко­торых низколегированных сталях.

Дальнейшее уточнение расчетных методов определения свароч­ных напряжений, по-видимому, должно идти по пути применения теории упругости и пластичности и более полного учета происхо­дящих физических процессов.