Влияние фазовых (структурных) превращений на временные и остаточные напряжения и деформации при сварке некоторых марок сталей настолько значительно, что их оценка без учета структурных превращений приводит к большим ошибкам. Это влияние обусловлено изменением объема и свойств металла при превращениях. На рис.4.21,в показан типовой характер дилато­метрической кривой легированной стали. Видно, что кривая имеет два излома: на стадии нагрева в интервале температуры АС(-йСз при превращении перлита в аустенит (при пре­

вращении) и на стадии охлаждения в интервале температуры ТН~ТК при превращении (распаде) аустенита в мартенсит или другие продукты распада (при L превращении). Первое превращение происходит при высокой температуре, когда металл находится в разупрочненном состоянии и незначительно ивменя-

ет кинетику напряжений; второе, мартенситное превращение, мо­жет происходить при относительно низкой температуре, когда механические свойства металла в значительной мере уже вос­становлены. Оно сопряжено с увеличением объема металла и, как будет видно из дальнейшего, весьма существенно изменяет кинетику деформаций и напряжений. Весьма важное значение имеет то обстоятельство, что изменение структуры влечет за собой изменение тешгофизических и механических свойств ме­талла. Так, коэффициент линейного расширения аустенита боль­ше, чем первичной и конечной структуры стали - л , а прочно­стные характеристики после первого превращения падают, но после второго возрастают по сравнению с таковши до превра­щений. Поэтому дня оценку кинетики сварочных напряжений не­обходимо иметь помимо дилатометрической кривой два семейства кривых деформирования: одно для структуры металла до превра­щений, другое - после превращений. Иначе говоря, необходимо иметь зависимости &ь от tep, полученные при различной

температуре испытания образцов (T0,T,,Tt...) как на стадии нагрева, так и на стадии охлаждения после нагрева вше тем-

X)

пературн. На рис.4.21,а приведены указанные два семей­ства кривых деформирования. Для исходной структуры металла кривые изображены в области сжатия, а для структуры после превращений - в области растяжения и приняты обозначения

®з(Тц) т, б1* - сопротивление пластической деформации

металла после превращений при температуре соответственно Ти,

и температуре окружаицей среды; йвТф-£ф-0с|(Тн-Тк)

суммарная дилатация, обусловленная фазовыми изменениями ме­талла и охлаждением от температуры начала Тн и конца Тк распада аустенита.

Анализ развития упругопластических деформаций и напря­жений выполним по методу, изложенному в § 4.2. Выделим в зоне структурных превращений элементарную призму и изобразим ее термический цикл (рис.4.21,г). Отметим на температурной шкале те значения Т0іТі1ТгіТ151ТД) для которых имеются кривые деформирования металла; проведем через эти отметки горизон­тальные прямые до пересечения с кривой термического цикла и с дилатометрической кривой и занумеруем точки пересечения этих прямых с указанными кривыми в порядке возрастания t При этом процесс нагрева характеризуется точками 1-4 (черные кружки), а процесс остывания точками 5-9 (белые кружки). Квадратами отмечены точки структурных превращений при нагре­ве АС) и Ай (обозначены римскими цифрами I и П) и при остывании Тн Тк (обозначены Ш и ІУ.'. В первом приближении пренебрегаем полными деформациями, т. е. полагаем, что длина призмы не меняется (е, х= 0). Тогда изменение напряжений в призме получим следующим образом. Через точки, помеченные на дилатометрической кривой нагрева, проводим вертикальные пря­мые до соответствующих кривых деформирования на диаграмме

бЧЕер') . Соединяя полученные точки плавной кривой, получим

х) Обычно кривые деформирования аппроксимируют диаграммой идеального упрутопластического материала, для построения которой используют релаксометрическую кривую - зависи­мость. полученную на специальных установках (ре-

лаксометрах) при испытании образца в условиях, имитирую­щих термодеформационный сварочный цикл (см.; Прохоров Н. Н ‘пзхческне процессы в металлах при сварке, т. ІГ. - И.: Ме­таллургия, 1974'.

изменение напряжений в период нагрева (штриховая линия), Ве­рил остывания сопровождается постепенным ростом напряженій по кривой 5-6-Ш до момента начала превращений при остывании. Эта кривая характеризует иэменение предела текучести металла, претерпевшего структурные превращения (переохлажденного аустенита) при восстановлении им упругих свойств, и постро­ена путем соответствупцего сдвига влево кривых деформирова­ния яри температуре и Т, . Поскольку превращения при остывании сопровождаются увеличением объема, дилатометриче­ская кривая имеет излом, что ведет к резкому снижению напря­жений по прямой Ш-7, параллельной упругому участку кривой деформирования, пока не достигается предел текучести продук­тов распада или не завершаются превращения. В первом случае возникают пластические деформации укорочения до момента кон­ца превращений и дальнейшее охлаждение вызывает рост напря­жений по прямой ІУ-9 (случай изображен на рис.4,21,а). Вели превращения завершаются раньше, чем достигается предел теку­чести продуктов распада, то изменение напряжений на конеч­ном этапе охлаждения происходит по той же прямой (прямые ffl-7-ІУ и ІУ-8-9 совпадают).

Таким образом, фазовые превращения при остывании приве­ли к резкому изменению напряжений в период распада аустенита и в период последующего остывания.

Проектируя полученные на диаграмме б точки 1-9 яа вертикальные прямые, проходящие через соответствующие отметки времени, получим в первом приближении искомую зависимость ff(f), изображенную на рис.4.21,б. Видно, что напряжения сжатия весьма быстро достигают максимума и уменьшаются по абсолютной величине вследствие понижения б'з при нагреве. При охлаждении напряжения монотонно возрастают до, начала превращений (точка Ш), затем кривая меняет характер, образуя впадину ЯЫУ-9. Остаточные напряжения характеризуются точкой 9 и в рассмотренном случае значительно ниже 6S. Однако оста­точные напряжения в зоне фазовых превращений могут изменять­ся в широких пределах: от отрицательных значений до предела текучести продуктов распада 6^ . Их величина зависит от температуры начала и конца распада аустенита, дилатации гф , обусловленной фазовыми превращениями, и от значений коэффи­циентов температурного расширения <L и «А,1 . Указанные ха­рактеристики изменяются в большом диапазоне в зависимости

не только от химического состава стали, но и от параметров термодеформационного цикла. Кроме того, существенную поправ­ку может дать второе приближение, т. е. учет конечной жест­кости свариваемых элементов (полных деформаций tx ). Рас­смотрим этот вопрос подробнее.