Остаточные напряжения после сварки и термообработки
В предыдущем параграфе были рассмотрены две основные схемы образования остаточных напряжений. В действительных технологических процессах явления протекают значительно сложнее, так как одновременно действуют механические, тепловые и физико-химические факторы.
Вопросу определения остаточных напряжений после основных технологических процессов (литья, сварки, термической и механической обработки) посвящено большое количество исследований.
Перейдем к рассмотрению остаточных напряжений после сварки.
Основными процессами, ответственными за появление остаточных напряжений при сварке, являются процесс интенсивного разогрева до рас -плавления и последующее остывание материала. Механизм возникновения остаточных напряжений можно выяснить на примере простейшей схемы, когда суммарная деформация материала полностью стеснена.
Из условия отсутствия суммарной деформации следует, что обычная деформация материала
. (4.18)
На рис.4.11 указан графический метод определения остаточных напряжении в сварном шве при полном стеснении деформации.
В основе расчета лежат кривые деформирования при различных температурах. Для малоуглеродистых сталей при температуре 600˚С предел текучести составляет , а при температуре больше 700°С сопротивлением деформации можно пренебречь.
Температурная деформация при нагреве до 700°С составляет приблизительно
,
где - коэффициент линейного расширения.
Деформация материала, соответствующая достижению предела текучести (при нормальной температуре),
.
Рис.4.11. Образование остаточных напряжений в процессе сварки (при полном стеснении деформации)
При стеснении общей деформации температурное напряжение, равное пределу текучести, достигается уже при нагреве приблизительно па 100°С.
При на нагреве материала (между двумя абсолютно жесткими неподвижными плоскостями) в нем возникают сжимающие температурные напряжения (кривая ОА1А2А3А4).
При увеличении температуры свыше 300°С температурные напряжения уменьшаются uз-за уменьшения сопротивления материала пластическим деформациям.
Нагрев от 700°С до температуры плавления малоуглеродистых сталей (~ 1500° С) происходит при очень малых температурных напряжениях.
При охлаждении рост напряжении в материале начинается при температурах меньше 700°С (кривая В1В2В3В4). Напряжения оказываются растягивающими и увеличиваются по мере увеличения предела текучести и модуля упругости материала.
После охлаждения, когда температурная деформация исчезает, в конструкции остаются остаточные напряжения.
Как видно на рис.4.11 остаточные напряжения являются растягивающими и достигают предела текучести материала.
В реальных условиях стеснение деформации происходит в основном в направлении длины шва (рис.4.12). Поэтому растягивающие остаточные напряжения, близкие к пределу текучести, действуют именно в этом направлении.
Рис.4.12. Направление действия основных остаточных напряжений в сварочном шве
В поперечном направлении остаточные напряжения обычно в 3-4 раза меньше, чем в продольном.
Для определения напряжений в полосе при наварки валика используется обычная теория стержней, основанная на гипотезе плоских сечений, причем вычисляются напряжения, возникающие в стержне (полосе) вследствие сильного неравномерного нагрева при сварке.
Следует иметь в виду, что подробный расчет является условным, так как предполагает одновременный нагрев кромки но всей длине. Температурные напряжения в полосе с учетом переменного модуля упругости могут быть вычислены но следующей формуле
, (4.19)
где - температурная деформация в слое z.
В рассматриваемом случае распределение температуры можно считать таким, как показано на рис.4.13. Принимая для простоты величину Е постоянной, получим из равенства (4.19)
, (4.20)
где - температура слоев материала возле наваренной кромки.
Температурное напряжение при
.
В середине полосы z=0
.
Распределение температурных напряжений показано на рис.4.13. В общем случае формула (4.19) позволяет вычислить температурные напряжения при произвольном распределении температуры и модуля упругости, причем интегралы находятся численным методом по правилу трапеций. Для расчета в области пластических деформаций используется метод переменных параметров упругости.
Рис.4.13. Напряжения в полосе при наварке валика и остаточные напряжения
Так как в процессе нагрева возникают пластические деформации, то после охлаждения в полосе остаются остаточные напряжения. Примерное распределение остаточных напряжении показано на рис.4.13.
Остаточные напряжения в полке сварного двутавра приведены на рис.4.14. Остаточные напряжения вызывают коробление конструкции после сварки.
Рис.4.14. Остаточные напряжения в полке сварного двутавра
Если площадь сечения валика принять равной , то можно считать, что деформация полосы вызывается изгибающим моментом
. (4.21)
Рис.17. Коробление полосы после наварка валика
На рис.4.15 дано изменение относительной длины (линейная деформация) в процессе охлаждения при закалке. Образование мартенсита при быстром охлаждении (кривая 2) приводит к увеличению общей деформации даже при уменьшении температуры детали.
Рис.4.15. Литейная деформация в процесс закалки:
1 – охлаждение в печи; 2 – охлаждение в воде; 3 – охлаждение в масле
При расчете остаточных напряжений после закалки (и временных напряжений в процессе самой закалки) следует учитывать суммарную деформацию при температурном сжатии в структурных превращениях. Эта деформация достигает значительной величины и при неоднородном -распределении вызывает пластическую деформацию. Широкий интервал изменения температуры (охлаждение ≈900˚) приводит к необходимости учета изменения механических свойств в процессе охлаждения.
Следует отметить, что сочетание закономерностей изменения объемной деформации и механических свойств может вызывать (в данной точке детали) неоднократное чередование процессов нагружения и разгружения, что, естественно, затрудняет теоретический анализ.
Однако в некоторых случаях (например, в случае осесимметричного состояния в длинном цилиндре) такой анализ может быть проведен.
На рис.4.16 даны остаточные напряжения в цилиндре диаметром 50 мм из среднеуглеродистой стали при закалке с 850˚С и охлаждении в воде.
Рис.4.16. Остаточные напряжения после закалки:
1 – радиальные; 2 – округлые (сплошными линиями показаны расчетные значения остаточных напряжений, пунктирными линиями – экспериментально определенные)
В некоторых случаях проводится специальная термическая обработка для создания благоприятных остаточных напряжений в поверхностных слоях детали. Она заключается в нагреве до невысокой температуры (300-600°С) с последующим быстрым охлаждением. В процессе охлаждения в поверхностных слоях возникает пластическая деформация растяжения, и после выравнивания температурного поля появляются остаточные напряжения сжатия. Исследованию вопроса посвящены работы.
При закалке т.в.ч. в поверхностных слоях обычно получаются сжимающие остаточные напряжения, что повышает прочность детали при действии переменных напряжений.
Следует отметить, что на границе закаленного слоя (например возле галтелей) наблюдается понижение прочности.
Дата добавления: 2015-01-18 | Просмотры: 999 | Нарушение авторских прав
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
|