15.1. ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ МЕТАЛЛОВ ПРИ НАГРЕВЕ

Как уже отмечалось, процесс электродуговой сварки связан с вы­сокотемпературным локальным нагревом. Диапазон температур для металлов шва и околошовных зон значительный - от отрицательных температур, например «при сварке на морозе», до температур, превы­шающих температуру плавления металла. Известно, что в таком ши­роком интервале температур существенно изменяются теплофизичес­кие и механические свойства металлов. В то же время для качественной и количественной оценки деформаций и напряжений, возникающих при сварке, необходимо располагать экспериментальными данными о характере изменения указанных свойств металлов в большом интер­вале температур.

Из теплофизических свойств металлов важными являются те, кото­рые определяют объемные изменения металлов при нагреве. К ним отно­сятся коэффициент линейного теплового расширения (сжатия) а [1/ °С] и объемная теплоемкость ср [Дж/см*- °С].

Если в кубик, длина ребер которого равна а, ввести некоторое коли­чество теплоты Q, то температура кубика повысится на величину Т [со­гласно формуле (13.5)]:

Повышение температуры кубика приведет к увеличению длины его ребер и соответственно объема. Длина ребер кубика после нагрева а1 = =а( 1 + а 7), а объем

Поскольку величина коэффициента теплового расширения для ме­таллов порядка 10 1...10 11/ °С, можно пренебречь слагаемыми, содер­жащими а в степени выше первой, как членами более высокого поряд­ка малости:

V1' =я:‘ (1 + ЗаГ).

Отсюда увеличение объема кубика при нагреве

дГг=Гг-Г = 3 аТа

Подставляя вместо Т ее значение из (15.1), получим

AV'r=3^Q.

Ф

Следовательно, относительное изменение объема кубика при его нагреве

ЛУ/Г га Q V сраг

Таким образом, объемные изменения в металле при нагреве пропор­

а

На рис. 15.1 представлены зависимости ~ от температуры для не­которых материалов (значения а, с и р как функции температуры взя­ты из соответствующих справочников). Анализируя эти зависимости, видим, что обобщенная характеристика в широком диапазоне темпе­ратур для многих материалов изменяется незначительно и может быть принята постоянной величиной, например, для малоуглеродистых и

низколегированных сталей — = 3.5 • К) ь см3/Дж.

С’р

Из механических свойств металлов важными являются предел те­кучести су [МПа] и модуль нормальной упругости Е [МПа]. На рис. 15.2, а представлена общеизвестная из сопротивления материа­лов диаграмма растяжения образца из малоуглеродистой или низко­легированной стали (диаграмма а-с). На диаграмме наблюдается ярко выраженная площадка текучести, кроме того, известно, что для этих сталей кривые деформирования при растяжении и сжатии имеют одинаковый вид, и их можно с достаточной для инженерной практи­ки точностью идеализировать диаграммой Прандтля, т. е. считать ма­лоуглеродистые и низколегированные конструкционные стали иде­ально упругопластическими материалами. Для этих сталей по

/

— -КЛсмУДж Ф

К)

тсп. іофизичсских свойств материалов — от температуры:

ер

1 - малоуглеродистые и низколегированные стали;

2 - высоколегированная стаи» ОХ18ШОТ;

3 - алюминиево-магниевый сплав ЛМг-6;

/ - титановый сплав ВТ-5

экспериментальным данным общая тенденция изменения предела те­кучести gs и модуля нормальной упругости Е от температуры пред­ставлена на рис. 15.2, б. Анализируя кривые изменения gs и £ от тем­пературы, следует отметить, что предел текучести с повышением температуры до 500 °С снижается очень медленно, а при температу­рах выше 600 °С значения оч очень малы. Снижение модуля нормаль­ной упругости Е с повышением температуры еще менее резкое, а при температурах выше 600 °С эта величина теряет физический смысл. На основании этого анализа можно допустить:

- при температурах Т < Т* (рис. 15.3, а)

Е(Т) = Е;

:ж

в)

я - диаграмма растяжения ( а-є ), характерная для малоуглеродистых и
низколегированных сталей;

б - изменение предела текучести и модуля нормальной упругости /: от температурі, і
для малоуглеродистых и низколегированных сталей;
в - то же для титановых сплавов

- при температурах Т> Т* (рис. 15.3, б)

°ДП=о.

где Т* - температура, при которой металл теряет упругие свойства (тем­пература полного разупрочнения металла). Для малоуглеродистых и низколегированных конструкционных сталей эта температура условно принята 600 °С.

Подобная идеализация неприемлема, например, для титанового сплава ВТ-5 (рис. 15.2, в).

Указанная выше идеализация свойств металла значительно упрощает рассмотрение процесса образования деформаций и напряжений и выпол­нение требуемых расчетов. Вместе с тем она обеспечивает достаточную для практических целей точность при рассмотрении деформаций и напряже­ний, возникающих при сварке малоуглеродистых и низколегированных конструкционных статей.

Примечание: введем понятие действительной или полной деформа­ции. Эта деформация определяет действительное положение нагружае­мой точки, например точки А на диаграмме о-є:

• если металл работает в упругой области (рис. 15.4, а), то имеет место однозначная зависимость между деформациями и напряже­ниями: о = в£, в этом случае действительная деформация є (поло­жение точки Л на диаграмме о-є) равна упругой в":

(15.3)

• если металл работает в упругопластической области (рис. 15.4, 6), то уже нет однозначной зависимости между деформациями и напряжениями, в этом случае действительная деформация є (по­ложение точки А на диаграмме о-в) равна сумме упругой в и пла­сти чес кой г1' деформаций:

(' п ^ 1 р

8 = 8 + z + ;

Е

• если металл работает в упругопластической области и подвер­жен тепловому нагружению, то действительная деформация є будет равна сумме упругой, пластической и температурной де­формаций:

Введение понятия действительной или полной деформации будет востребовано для оценки действительного состояния при сложном на­гружении и потребуется при рассмотрении истории теплового нагру­жения металла при сварке.