Рассмотрим образец - балку-полоску сечением (В х 5) с цент­ральным продольным швом. Распределение остаточных продольных сварочных напряжений в сечении образца показано на рис. 20.24, а: в центральной зоне fл (площадь активной зоны F ) действуют растяги­вающие напряжения а г величина которых равна пределу текучести металла: о = а ; в периферийной зоне fH действуют уравновешиваю­щие сжимающие напряжения он, по величине равные:

На схематизированной диаграмме растяжения-сжатия металла (рис. 20.24, в) зафиксированы точки Aw В, соответствующие этим на­пряжениям. Внешним нагружением вызовем в образце растягивающие напряжения, по величине равные о|ш, а затем удалим их.

Процесс нагружения и последующего разгружения образца про­следим по диаграмме (рис. 20.24, б), на которой по оси абсцисс откла­дываются напряжения от внешнего нагружения овн, а по оси ординат - действующие в образце напряжения о^, определяемые суммой напря­жений: сварочных и от внешнего нагружения.

В случае, если в образце нет остаточных сварочных напряжений, дей­ствующие напряжения изменяются в соответствии с изменением Gm по прямой линии 0-Л вплоть до предела текучести металла оч (точка Л).

При наличии в образце начальных напряжений (о 4 = ov в зоне fл и Од в зоне fn) действующие напряжения в образце при нагружении будут изменяться иначе. В зоне fл они не изменятся и останутся рав-

а - :>пк)ра остаточных сварочных продольных напряжений в балке-полоске
с центральным швом (исходное состояние): б - диаграмма изменения продольных
напряжений в зонах fл и fB при нагружении; в - изменение продольных напряжений в
зонах [л и fH при нагружении на диаграмме а-є: / - шпора продольных напряжений при
внешнем статическом нагружении а б - шпора продольных напряжений при снятии
статического нагружения

ными os (точка о А‘). В зоне f в напряжения при нагружении будут воз­растать быстрее (по линии о в-А до точки ай' ), так как зона fА при ра­стяжении не участвует в восприятии внешней нагрузки. В этой зоне (зоне fА) процесс внешнего нагружения сопровождается протеканием пластических деформаций растяжения: на диаграмме а-є (рис. 20.24, в) участок о s’.

Эпюра продольных напряжений в результате взаимодействия (сум­мирования) остаточных сварочных напряжений и напряжений от внеш­него нагружения представлена на рис. 20.24, г.

При снятии внешнего нагружения весь образец, включая зону fA, будет разгружаться упруго. Поэтому процесс снятия напряжений бу­дет характеризоваться линиями <зА'-оА" и параллельными ли­

нии 0-Л.

Как следует из диаграммы, процесс приложения внешнего на­гружения, вызвавший пластические деформации растяжения в зоне /4, после снятия нагружения приводит к уменьшению остаточных напря­жений до величин о/ в зоне fА и об" в зоне fB. На рис. 20.24,6, в показано изменение деформаций и напряжений в зонах fА и fB для рассматривае­мого случая, а на рис. 20.24, д - эпюра продольных напряжений после снятия нагружения.

Очевидно, что в случае, когда овн = av, после снятия нагружения ос­таточные напряжения будут равны нулю, так как процесс нагружения будет идти по линии оА-А для зоны fА и по линии ов-А для зоны /й, а процесс разгрузки для обеих зон - по линии /4-0. Прослеживая в этом случае за изменением деформаций и напряжений по диаграмме а-є (см. рис. 20.24, в), можно видеть, что после снятия внешнего нагруже­ния в зоне / пластические деформации растяжения по величине дос­тигали значения as, а в зоне fB пластических деформаций не наблюда­лось.

На основании схематизированного рассмотрения процесса на­гружения балки-полоски со сварным швом и его последующего разгру - жения можно сделать следующие выводы:

• приложение внешней нагрузки вызывает перераспределение внутренних напряжений в балке и сопровождается пластически­ми деформациями растяжения в активной зоне;

• после снятия внешней нагрузки балка остается удлиненной, а внутренние напряжения в ней уменьшаются;

• если при внешнем нагружении балки напряжения по всему ее сечению достигли предела текучести, то после снятия нагруже­ния внутренних напряжений в балке не остается, так как в зоне fА при нагружении возникли пластические деформации растяже-

34 Заказ № 1398

ния, равные по величине а, в результате чего стремление этой зоны к сокращению исчезло.

Для полного снятия напряжений величина пластической дефор­мации растяжения в активной зоне составляет для малоуглеродистых и низколегированных сталей 0,12...0,15%, что соответствует деформа­ции os. Это примерно на порядок меньше пластических деформаций удлинения, возникающих в результате сварочного нагрева при охлаж­дении (а Т*» 1% ). Запас же пластичности при линейном напряженном состоянии у низколегированных сталей не менее 20%. Следовательно, как процесс сварки, так и последующее нагружение внешней нагрузкой приводят к незначительному уменьшению пластичности металла в рай­оне сварного соединения. Поэтому остаточные сварочные напряжения практически не оказывают влияния на прочность сварных соединений при статическом нагружении, если металл сохраняет способность к пла­стическому деформированию.

Однако, как указывалось в подразд. 20.3, способность к пласти­ческому деформированию металла снижается при работе в условиях низких температур и объемного напряженного состояния, вызываемо­го концентраторами напряжений. В этих условиях возникает опасность хрупкого разрушения, и роль сварочных напряжений может быть весь­ма значительной.

Следует подчеркнуть роль остаточных сварочных напряжений в кон­струкциях, не подвергаемых значительным статическим нагружениям в процессе эксплуатации:

• сжимающие остаточные напряжения понижают местную устой­чивость тонкостенных элементов сварных конструкций. При сум­мировании даже малых рабочих и остаточных напряжений поте­ря устойчивости может возникнуть при нагрузках меньше расчетных, а в некоторых случаях - даже от остаточных напря­жений;

• процессы коррозии усиливаются под влиянием остаточных рас­тягивающих напряжений, а для сталей повышенной прочности и некоторых легированных сталей могут быть причиной появле­ния коррозионных трещин;

• остаточные растягивающие напряжения являются необходи­мым условием появления так называемых холодных трещин в сталях, склонных к закалке. Они возникают непосредственно после сварки или в процессе вылеживания сварных конструк­ций;

• остаточные сварочные напряжения являются носителями энер­гии упругой деформации. Так как напряжения максимальны в зоне сварных соединений, то значительная часть энергии сосре­доточена там. Начавшееся по каким-либо причинам разрушение в дальнейшем поддерживается энергией остаточных напряжений. Трещина может распространяться на значительную длину, сде­лав невозможным последующий ремонт сварной конструкции. Энергия остаточных напряжений усиливает динамику процесса разрушения, увеличивает скорость движения трещин и способ­ствует переходу от вязкого разрушения к хрупкому.