|
| |
|
Слаботочка Книги изойдет выпрямление / = -MPl (8EIx). Разность / - / = А/ даст остаточную деформацию. ГТриложение вибрационных нагрузок также сопровождается суммированием остаточных и дополнительных напряжений с протеканием пластических деформаций. Вибрация может вызывать некоторое понижение предела текучести металла и усиливать искажение размеров по сравнению со статическими нагрузками при равном уровне приложенных сил. ГЛАВА.9 МЕТОДЫ УМЕНЬШЕНИЯ СВАРОЧНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ, НАПРЯЖЕНИЙ И ПЕРЕМЕЩЕНИЙ § 1. Характерные случаи вредного влияния сварочных напряжений, деформаций и перемещений Очень часто служебные свойства и работоспособность сварных конструкций практически не зависят от собственных сварочных напряжений и деформаций. Имеются, однако, примеры их выраженного отрицательного действия. В процессе конструирования, изготовления и эксплуатации сварных конструкций необходимо это учитывать. Напряжения, пластические деформации и искажения формы конструкций специфическим образом ухудшают свойства изделий. Поэтому их. влияние обычно изучают раздельно. Собственные напряжения и пластические деформации. Остаточные напряжения и деформации могут влиять на получение и сохранение точных размеров и форм сварных конструкций, а также на их прочность и работоспособность. 1. Перераспределение сил и напряжений в деталях в процессе механической обработки вызывает изменение их размеров и форм. 2. С течением времени происходит небольшая релаксация напряжений и превращения нестабильных составляющих структуры металла, если они имеются. Возникают дополнительные перемещения. 3. В процессе изготовления, транспортировки, монтажа и эксплуатации сварных деталей с остаточными напряжениями собственные напряжения складываются с напряжениями от различных внешних нагрузок. Из-за этого происходят пластические деформации, кдторые дополнительно возрастают при неблагоприятных температурных условиях и изменяют размеры деталей. 4. Растягивающие остаточные напряжения снижают вибрационную прочность сварных конструкций. Если они действуют в зонах, где есть концентрация напряжений и неоднородность механических свойств, то там в первую очередь возникают разрушения от усталости. Степень отрицательного влияния растягивающих напряжений зависит от уровня эксплуатационных напряжений и коэффициента концентрации напряжений. Чем выше рабочие напряжения и чем выше концентрация напряжений, тем меньше доля влияния растягивающих напряжений, и, наоборот, при невысоких рабочих напряжениях и малых концентрациях напряжений относительное отрицательное влияние растягивающих остаточных напряжений обнаруживается сильнее. Объясняется это тем, что остаточные напряжения взаимно уравновешены, и если произошла пластическая деформация, в результате которой они понизились, то собственные напряжения самопроизвольно не восстанавливаются. Поэтому при высоких рабочих напряжениях и высокой концентрации напряжений на первых же циклах нагрузки возникают~пла-стические деформации от суммы рабочих и остаточных напряжений. Кроме того, значительная концентрация напряжений по своему влиянию превалирует над собственными напряжениями, ри небольшой концентрации напряжений остаточные растягивающие напряжения сохраняют свой высокий уровень в процессе эксплуатации и увеличивают средние напряжения цикла, тем самым понижая выносливость. 5. Остаточные растягивающие напряжения могут понижать статическую прочность сварных соединений. Степень влияния зависит от свойств металла, его деформационной способности, уровня концентрации напряжений, предварительной пластической деформации металла. Если металл при рассматриваемой температуре мало чувствителен к концентрации напряжений и не испытал большой предварительной пластической деформации, то остаточные растягивающие напряжения не влияют на статическую прочность. В противном случае даже сами собственные напряжения могут вызвать самопроизвольные разрушения. Статическая прочность высокопрочных сталей с невысоким Kiclt при наличии остаточных напряжений, близких к а, и острых концентраторов может существенно снижаться. Стали невысокой прочности, находясь в,области температур вязкого состояния металла, практически нечувствительны к остаточным напряжениям. Исключение составляют случаи, когда в процессе сварки возникают очень большие пластические деформации, например в корне многослойного шва значительной толщины. Из-за пластической деформации металл изменяет свои свойства и имеет низкую деформационную способность. Стали невысокой прочности, находясь в области температур хрупкого или полухрупкого состояния, особенно если они испытали в процессе сварки деформационное старение, становятся крайне чувствительными к растягивающим остаточным напряжениям (см. гл. 5). На рис. 9.1 показано резкое падение прочности сварных образцов по мере перехода в область температур хрупкого состояния металла. Образец состоит из двух собранных с очень малым зазором пластин, к которым тавровым соединением приварены с двух сторон ребра длиной 220 мм и толщиной 16 мм. В ребре в зоне, расположенной у стыка пластин, возникают деформационное старение и высокие остаточные напряжения. Остаточные напряжения, возникающие в глубине металла при сварке деталей толщиной более 150-200 мм, могут быть растяги- вающими по Всем направлениям. В этом случае, несмотря на высокий уровень отдельных компонентов напряжений, пластическая деформация не будет возникать вследствие малой интенсивности напряжений: oi = У [(oi - of + (02 - osf + (03 - cri)2]/2. (9.1) так как разности напряжений, входящие в формулу, малы. Возникает так называемая жесткая схема напряжений, при которой отдельные компоненты могут существенно превышать уровень предела текучести .металла. Кроме того, металл большой толщины менее однороден, чем тонкий; в нем могут быть скопления неметаллических включений, рыхлоты. Разрушение может произойти, когда напряжения достиг- нут критического уровня, * который зависит от характера скопления микро- и ~\00 макродефектов и свойств 3/ i< j  металла. о/ j;;":";"? т" 6. Сжимающие остаточ- --i- ные напряжения понижают foq-rgq----tq- местную устойчивость тон-костенных элементов свар- ,,«ГГГра?цГ ГвГиГсхПт ных конструкции. При температуры суммировании рабочих и остаточных напряжений потеря устойчивости может возникнуть при нагрузках меньше расчетных, а в некоторых случаях - даже от остаточных напряжений. 7. Коррозионное растрескивание, а иногда и процессы коррозии усиливаются под влиянием остаточных растягивакнцих напряжений как первого, так и более высоких родов. 8. Как будет рассмотрено в гл. 10 остаточные растягивающие напряжения являются необходимым условием появления так называемых холодных трещин в закаливающихся сталях. Они возникают непосредственно после сварки в процессе вылеживания сварных конструкций. 9. Остаточные напряжения являются носителями энергии упругой деформации. При одноосных напряжениях энергия, запасенная в единице объема, пропорциональна квадрату напряжения: C/i = oV(2£). (9.2) Так как налряжения максимальны в зоне сварных соединений, Т0 значительная часть энергии сосредоточена там. Начавшееся по каким-либо причинам разрушение в дальнейшем поддерживается энергией остаточных напряжений. Трещина может распространиться на значительную длину, сделав невозможным последующий ремонт разрушившейся детали. Энергия остаточных напряжений усиливает динамику процесса разрушения, увеличивает скорость 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 [76] 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 |