§ 2.1. Изменение свойств металлов при нагреве

Процесс сварки связан с высокотемпературным местнда нагревом. В определенных зонах температура достигает таких значений, при которых существенно изменяются теплофизические и механические свойства металла. Для количественной оценки возникающих при сварке деформаций и напряжений необходимо располагать опытными даннши о характере изменения указан­ных свойств металла в большом диапазоне температуры.

Из теплофизических характеристик металла с этой точки зрения важндаи являются те, которые определяют объемные из­менения металла при нагреве. К ним относятся коэффициент ли­нейного температурного расширения л и объемная теплоем­кость ср. На рис.2.1 показаны зависимости Л , t и <А/ср от температуры для низкоуглеродистой стали, для хромонике - левой стали IXI8H9, для амминиево-магниевого сплава АМгб и для титанового сплава ВТ-5. Ез рисунка видно, что коэффици­ент линейного расширения и удельная теплоемкость для указан­ных металлов заметно повшавгся при нагреве. Однако обобщен­ная характеристика тешюфизических свойств материала JL/cp
остается практически постоянной в широком диапазоне темя^на­тур. Вместе с тем именно эта обобщенная характеристика опре­деляет объемные изменения металла. Действительно, если в ку­бик s длина ребра которого равна а, ввести некоторое коли­чество теплоты Q. , то температура кубика повысится на

т — 0- — Чг (о т)

т ера3 ср 1 U.1;

а3 - количество теплоты, вводимое в единицу объема.

Рис.2.1. Зависимость коэффициентов ot, c, cjb от температуры:

-------- низкоуглеродистая сталь;--------------- осромоникелевая

сталь ІП8Н9Т;--------- алдаиниево-магниевші сплав АМгб;

.......... титановый сплав ВТ-5

Повышение температуры кубика приведет к увеличению дли­ны его ребер:

Ла=а(н, Гґ)=а(і+ф^) . .

По аналогии с коэффициентом линейного температурного расширения Л коэффициент ~ может быть назван коэффици­ентом линейного теплового расширения. После нагрева кубика его объем

VT== а’[н з<±Т+Э(ат)Ч Ц. Т)3] .

Пренебрегая членами, содержащими Л в степени выше первой, как членами более высокого порядка малости, имеем

У^о^+ЗсГГ) .

Отсюда увеличение объема кубика при нагреве

йУт-Ут~У=ЗХТа3 .

Подставляя вместо Т его значение из С2.1),получим

*VT = 3~<щ* .

Следовательно, относительное изменение объема кубика

Таким образом, объемное изменение кубика при нагреве пропорционально количеству вводимой в кубик теплоты, а коэф­фициентом пропорциональности является обобщенная характери­стика теплофизическит свойств металла. Малая чувстви­тельность этой обобщенной характеристики к изменению темпе­ратуры (см. рис.2 Л) значительно упрощает рассмотрение задач по определению сварочных деформаций и напряжений, так как исключает необходимость учитывать изменение теплофизических характеристик металла при нагреве.

Для учета изменения механических свойств металла при Нагреве необходимо располагать семейством кривых растяжения - сжатия метал та, каждая из которых получена при определенной температуре испытания образца. Испытания должны охватывать весь диапазон температуры, при котором металл обладает упру­гими свойствами.

лать следующие выводы:

X) диаграммы растяжения, относящиеся к различным темпе­ратурным испытаниям образцов, имеют ярко выраженные площад­ки текучести;

2) предел текучести стали б3 с повышением температуры до 500°С постепенно снижается, затем при дальнейшем нагреве интенсивность снижения быстро увеличивается, и при темпера­туре вше 600°С значения 6S ничтожно малы (рис.2.2,б);

3) модуль упругости стали Е с повышением температуры изменяется менее резко (рис,2.2,б).

Кроме того, известно, что для сталей кривые деформиро­вания при растяжении и сжатии имеют одинаковый вид.

Выводы дают основание принять схематизированную диа­грамму растяжения-сжатия (рис.2.3,а), симметричную относи­тельно начала координат для идеального упругопластического материала (диаграмму Прандтля). Предполагается, что зависи­мость напряжений от деформаций характеризуется линией CABD, т. е. 6S= const и Е=const, если Т^Т* х и 6=0 при любом а, если Т>Т* .

Указанная идеализация свойств металла значительно упро­щает рассмотрение процесса образования деформаций и напряже­ний и выполнение расчетов. Вместе с тем она обеспечивает достаточную для практических целей точность при рассмотре­нии деформаций и напряжений, возникающих при сварке низко­углеродистых и низколегированных сталей. Для ряда металлов и сплавов понижение предела текучести и модуля упругости с повышением температуры происходит столь интенсивно, что при­нятые допущения о постоянстве указанных величин в - широком диа­пазоне температур оказываются непригодными. Например, кривые деформирования титанового сплава ВТ-5 (рис,2,2,в) свидетель­ствуют о резком снижении модуля упругости и предела текуче­сти металла с повышением температуры (см. рис.2.2,в, г). Оп­ределение деформаций л напряжений при сварке указанных ме­таллов и сплавов требует более полного учета изменений их свойств при нагреве и выполняется с использованием семейства кривых деформирования. В частности, можно использовать се­мейство диаграмм Прандтля, каждая из которых зависит от тем-

х) Т* - температура, при котооой металл теряет упругие свойства. Для низкоуглеродистой стали Т, условно прини­мается оавной 600°С.

гі

пературы 6s(t), E(T) . Возможна и бояее строгая аппроксимация кривых деформирования, выполняемая с учетом деформационного упрочнения, эффекта Баупшнгера, различия кривых на стадиях растяжения и сжатия. При сварке сталей, фазовые превращения р. которых происходят при относительно низких температурах, необходим учет изменений объема и механических свойств ме­талла, сопутствующих фазовый превращениям.