Процесс сварки сопровождается резко неравномерным нагре­вом изделия. Зоны металла, прилегающие к сварному шву, на­греваются теплотой дуги, а затем охлаждаются по мере рас­пространения теплоты в массе металла. В результате местного нагрева и последующего охлаждения происходят объемные изме­нения металла, приводящие к появлению временных и остаточных деформаций и напряжений. Поэтому дія понимания процесса их образования необходимо проанализировать влияние нагрева тела на возникновение в нем деформаций и напряжений.

Представим себе, что тело составлено из большого количе­ства малых кубических элементов одинаковых размеров. При равномерном повышении температуры тела каждый элемент будет расширяться на одну и ту же величину (пропорциональную повы­шению температуры) равномерно во всех направлениях. Таким образом, элементы будут оставаться кубиками одинаковых раз­меров; их можно соединить между собой и получить сплошное тело, при этом никаких напряжений не возникнет. Если, однако, повышение температуры неравномерно, то каждый элементарный кубик стремится расшириться на величину, пропорциональную по­вышению его температуры. Получающиеся в результате такого на­грева кубики разных размеров нельзя соединить между собой; однако, поскольку тело должно оставаться сплошным, каждый элемент ограничивает свободное расширение соседних элементов.

что сопровождается возникновением напряжений. Степень огра­ничения свободного температурного расширения может быть не­одинакова не только у различных кубиков, но и у данного ку­бика в различных направлениях. В связи с этим неодинаково изменяется длина ребер кубика и искажаются его углы. Другими словами, возникает сложное напряженное состояние как выде­ленного кубика, так и тела в целом. Если работа материала кубика проходит в упругой области, то после полного остыва­ния он стремится восстановить свои размеры. Это стремление будет реализовано, когда соседние кубики также восстанавли­вают свои размеры, т. е. если при нагреве материал тела во всем своем объеме работал упруго. В этом случае после полно­го остывания в теле отсутствуют остаточные напряжения, а форма и размеры тела становятся такими же, как и до нагрева.

Если же в процессе нагрева возникнет пластическая дефор­мация металла кубика, то после остывания он стремится изме­нить свои размеры на величину возникшей при нагреве пласти­ческой деформации, которая может быть неодинакова не только у различных кубиков, но и у данного кубика по разным направ­лениям. Получающиеся в результате пластической деформации кубиков элементы разных размеров также не могут быть соеди­нены без принудительного искажения свои размеров и формы вследствие взаимного влияния. В итоге возникают остаточные деформации и напряжения.

Аналогичное состояние металла может быть результатом его фазовых (структурных) изменений. Если при определенной (кри­тической) температуре происходят фазовые превращения метал­ла, связанные с изменением его объема, то те кубики, которые находятся в области, нагреваемой выше критической температу­ры, изменяют свой объем, в то время как кубики вне указанной области его сохраняют.

Таким образом, неравномерный нагрев тела, неоднородная (неодинаковая по объему тела) пластическая деформация и ме­стные фазовые превращения металла вызывают неодинаковые из­менения и в связи с этим являются причинами появления напря­жений.

В общем случае неравномерность распределения температуры в реальных конструкциях при сварке такова, что возникает трехосное напряженное состояние. Иначе говоря, кубики вблизи источника теплоты нагреваются неодинаково по всем трем на­

правлениям и имеют различную степень ограничения тепловому расширению в этих направлениях. Однако в большинстве случаев одни составляющие напряжении настолько незначительны по сравнению с другими, что ими можно пренебречь и следует рас­сматривать возникающее напряженное состояние как одномерное или двумерное.

В частности, рассматривая деформации, возникающие при сварке элементов балочного типа, можно считать, что напря­женное состояние является одномерным. В этом случае доста­точно проследить за изменением размера элементарных кубиков лишь в одном направлении - по продольной оси балки. Простей­шая модель, которая позволяет это сделать, т. е. проследить за процессом образования сварочных деформаций и напряжений при одномерном напряженном состоянии, приведена на рис.1.4,а. Она состоит из центрального I и двух крайних 2 стержней, со­единенных между собой яеизглбаемыии подвижными плитами 3. Такім образом, в любой момент времени длина стержней одинаг - кова. Особенности развития упругопластических деформаций при сварке достаточно четко выявляются с помощью этой моде­ли, если предположить, что средний стержень подвергается на­греву (он имитирует околошовную зону металла, рис Л.4,г), а крайние остаются при постоянной температуре (они соответст­вуют периферийным участкам пластины).

Если средний стержень нагреть до некоторой температуры Т, то при свободном деформирования он удлинится на величину M-ITL. Крайние стержни препятствуют его свободному уд­линению, и в нем появляются напряжения сжатия, в то время как крайние стержни испитыеяют растяжение (рис.1.4,б). Если напряжения сжатия в среднем стержне ниже предела текучести

металла, то процесс деформирования протекает упруго и после остывания среднего стержня все стержня восстановят свою на™ наявную длину, а остаточных напряжений не возникнет. Однако при более высоком нагреве среднего стержня напряжения в нем достигают предела тег^гчести и возникают пластические дефор­мации укороченій. Поскольку пластические деформации необра­тимы, то при остывании средний стержень стремится уменьшить свою длину на величину пластической деформации укорочения, имевшей место в момент максимального нагрева. Крайние стерж­ни препятствуют укорочению среднего стержня. Поэтому в них после остывания среднего стержня возникают напряжения сжатия, в то время как в среднем стержне - напряжения растяжения (рисЛ.4,в). Последние могут достигать предела текучести ме­талла, а остывание среднего стержня - сопровождаться пласти­ческой деформацией удлинения.