Изменение свойств наклепанного металла в сварных стыковых соединениях

Материал, вид сварки	Половина ширины зоны разупрочне­ния в сварном соединении, ым	Основной металл в наклепанном состоянии	Сварное соединение в зоне разупроч­нения
	σ, МПа	α. град	σ, МПа	α ', град
Сплав АМгб (s=2,8 мм), автоматическая аргонодуговая сварка	16—18
Сталь 12Х18Н9Т (s = 3 мм), автоматиче­ская сварка под флюсом	12—14		—		—

: Другим типичным примером образования механической неод­нородности и прослоек является сварка термически обработанных сталей. Будем для простоты рассматривать сварку без присадоч­ного металла. Тогда шов и околошовная зона, нагретые до темпе­ратуры выше А_С3, в процессе охлаждения закаливаются и имеют более высокую твердость и прочность, чем основной металл. Этот участок называют твердой прослойкой (рис. 3.12, а). Рядом с ней по обе стороны находятся участки высокоотпущенного металла, который и по отношению к основному металлу, и по от­ношению к твердой прослойке имеет пониженный предел текучести. Эти зоны образуют две мягкие прослойки. В случае если термиче­ски обработанная сталь сваривается аустенитным швом (рис.3.12, б), возникает еще более сложное сочетание мягкого аустенитного шва, двух твердых и двух мягких прослоек. Если отношение пределов текучести прослойки и соседнего участка больше единицы, то прослойка будет твердой; в обратном случае — мягкой.

Рис. 3.12. Твердые и мягкие прослойки в сварных соединениях

Необходимость изучения прослоек объясняется тем, что меха­нические свойства сварных соединений, такие, как прочность, де­формационная способность, энергоемкость при разрушении, а также

Рис. 3.13. Диаграммы зависимости на­пряжения а от деформации е для раз­личных зон сварного соединения при растяжении вдоль шва: / — основной металл; 2 —■ зона термиче­ского влияния (твердая прослойка); з — шов

место и характер разрушения, зависят от степени и топографии механической неоднородности. Механические свойства об­разца, вырезанного из мягкой прослойки и имеющего низкую прочность, еще не свидетельст­вуют о том, что сварное соеди­нение в целом обладает такими же свойствами. Взаимодействие отдельных зон протекает слож­ным образом, и агрегатная проч­ность сварного соединения, как правило, не совпадает с проч­ностью какой-либо прослойки. Рассмотрим случай, когда растягивающая сила направлена

вдоль шва и все прослойки испытывают одинаковые деформации. Деформационная способность соединения и, как показано ниже, его несущая способность ограничены пластичностью металла наи­менее пластичной прослойки. На рис. 3.13 показаны диаграммы зависимости напряжения от деформации в различных зонах свар­ного соединения. Точки А₁ А₂ и А₃ соответствуют разрушению образца. Разрушение наступит при ε= ε_а2. При этом напряжения σ _i в основном металле, σ₃ в шве и σ₂ в твердой прослойке будут сильно различаться. Продольная растягивающая сила в основном воспринимается участком основного металла, так как его площадьнамного превосходит и площадь поперечного сечения шва, и пло­щадь твердой прослойки. И хотя уровень напряжений σ₂ в твердой прослойке будет велик, средние напряжения будут близки к σ ₁ что существенно ниже разрушающих напряжений в точке А₁. Это означает, что прочность сварного соединения с твердой про­слойкой, нагруженного вдоль шва, окажется ниже, чем прочность такого же элемента из основного металла, так как разрушение в последнем случае произойдет при напряжениях, близких к σ ₁ < σ а, Отрицательное влияние твердой прослойки сказывается сильнее, если по длине соединения встре­чаются резкие изменения сече­ния шва, вызывающие концен­трацию напряжений, или еще хуже — поперечные трещины или другие дефекты в твердой прослойке.

Рис. 3.14. Зависимость σ_в, ψ и Д от относительной толщины прослойки

При действии силы вдоль шва наличие малопрочных мяг­ких прослоек практически не влияет на общую несущую спо­собность нагруженного элемен­та, так как площадь прослоек обычно невелика.

Рассмотрим работу мягкой прослойки при растяжении стыко­вого соединения поперек шва (рис. 3.14) достаточно большой протя­женности за плоскость чертежа. В упругой стадии нагружения мяг­кая прослойка и соседние участки деформируются однородно, и при достижении предела текучести материала мягкой прослойки σ_т в ней возникает пластическая деформация, в то время как соседние участки остаются в упругом состоянии. При дальнейшем повыше­нии нагрузки и деформации коэффициент поперечной деформации μу прослойки будет выше, чем у соседнего металла. По мере разви­тия пластической деформации в прослойке μ→0,5, в то время как в упругих частях μ= 0,3. Из-за неодинаковой поперечной деформации возникают касательные напряжения, максимальные на плоскостях раздела. Они будут, препятствовать поперечному сужению прослойки в направлении толщины листа. Чем уже про­слойка, т. е. чем меньше х = h/s, тем меньшее поперечное сужение получает прослойка к моменту возникновения в ней истинных разрушающих напряжений σ _p. Так как среднее истинное разруша­ющее напряжение σ _p меняется мало, то в более узких мягких про­слойках площадь утоненного поперечного сечения прослойки F_y к моменту разрушения будет больше, а следовательно, будет больше и разрушающая сила Р_р :

Р_р = σ _p F _p (^3.13)

В этом заключается причина повышения несущей способности (эффект контактного упрочнения). Повышение разрушающей силы не может происходить беспредельно, так как соседние с мягкой^: прослойкой более прочные участки также при определенных условиях начнут пластически деформироваться. Чем более прочны соседние зоны, тем больше эффект контактного упрочнения. Твердые прослойки, находящиеся рядом с мягкими, усиливают этот эффект. Можно рассматривать идеализированный случай работы мягкой, прослойки, считая соседние с прослойкой участки металла абсо­лютно твердыми, недеформируемыми. Тогда будут выполняться условия плоской деформации, так как деформация в направлении за чертеж будет равна нулю (см. § 1). В этом случае временное сопротивление соединения с мягкой прослойкой σ '_в можно опреде­лить по формуле

σ '_в = σ_Вн Kх. (3.14)

где σ_Вн — временное сопротивление металла мягкой прослойки;
Кx — коэффициент контактного упрочнения в случае плоской
деформации:

Кx = (π+1/x)/(2√3).,(3.15)

Если прослойка не идеально прямоугольная, как это бывает в сварных соединениях, то х = F/s ², где F — площадь попереч­ного сечения прослойки; s — толщина металла.

Прочность соединения достигнет прочности соседнего, более прочного металла, если временное сопротивление σ '_в в формуле (3.14) станет равным временному сопротивлению σ_Вт более проч­ного металла. При этом Кх = σ _в / σв_м.По формуле (3.15) опре­делим предельную относительную толщину прослойки χ_пред, при которой достигается равнопрочность соединения:

χ_пред = 1/(2√3Kχ_пред - π) (З.16)

Например, если σ_Вт / σ_Вm = 1,2, то по формуле (3.16) получаем χ_пред=1. При К. χ_пред> 1,2 относительная толщина мягкой прослойки χ_пред должна быть еще меньше. Следует, однако, иметь виду, что повышение прочности соединения с мягкой прослойкой за счет уменьшения к ограничено уровнем истинного разрушающего напряжения металла мягкой прослойки.

Относительное поперечное сужение ψ в мягкой прослойке и аб­солютное удлинение образца Л зависят от относительной толщины прослойки к и свойств металлов в соединении. На рис. 3.14 видно, что в широких прослойках, когда эффекта контактного упрочне­ния еще не наблюдается, ψ остается постоянным при уменьшении и, а Δ постепенно падает по мере уменьшения доли длины участка мягкой прослойки в общей длине образца. В области контактного упрочнения ψрезко падает, так как возрастают поперечные каса­тельные напряжения, препятствующие сужению прослоек. Удли­нение образца Δ при уменьшении χ также сначала уменьшается, но затем, когда реализуется повышение прочности, Δ возрастает, поскольку в пластическую деформацию в большей мере вовлекается основной металл.

Мягная прослойка

При испытании соединений с мягкой прослойкой на изгиб до¹ разрушения разрушающий момент М_р, при котором появляются трещины в прослойке, не зависит от относительной ширины прослойки χ. Это можно объяснить тем, что разрушение при изгибе не связано с образованием шейки и изменением размеров попереч­ного сечения. Поэтому касательные напряжения, действующие вблизи границ мягкой прослойки, хотя и влияют на процесс пласти­ческой деформации во время нагружения, но не изменяют суще­ственно толщины образца и его момента сопротивления. Разрушение наступает, когда максимальное напряжение в крайнем волокне достигает истинного разрушающего напряжения металла мягкой

Рис. 3.16. Мягкая широ­кая прослойка в кольце­вом шве цилиндрического сосуда, работающего под внутренним давлением р

Ркс. 3.15. Схематичное распределение напряжений при изгибе полосы с мяг-' кой прослойкой

прослойки σр.. Если принять, что зависимость напряжения σ от де­формации εпри σ > σ_г имеет линейный характер и к моменту разру­шения эпюра напряжений в сечении выглядит, как показано на рис. 3.15, то разрушающий момент равен

M_p = W(σр+0,50), (3.17)

где W —момент сопротивления сечения; σ_т—предел текучести металла мягкой прослойки.

При работе соединений с мягкой прослойкой в элементах кон­струкций влияние мягкой прослойки на прочность может несколько изменяться. В сосудах с внутренним давлением р, где σ_окр = 2σ_ос, мягкая прослойка с малой и в кольцевом шве работает аналогично сварному соединению, которое растягивается вдоль прослойки. Пониженной прочности металла прослойки при этой схеме не обна­руживается, так как разрушение происходит вдоль сосуда. Если к велика, то мягкая прослойка удлиняется в окружном направле­нии сильнее, чем остальная часть сосуда, в результате чего искрив­ляется прямолинейная образующая (рис. 3.16). Разрушение может наступить вдоль образующей сосуда в зоне прослойки вследствие повышенной деформации в окружном направлении или даже по окружности из-за дополнительных деформаций изгиба и растяже­ния вдоль сосуда. Твердые прослойки в кольцевом сварном соеди­нении разрушаются раньше, чем остальная часть сосуда достигает предельной пластической деформации в окружном направлении. Этот случай аналогичен растяжению сварного соединения вдоль шва при наличии в нем твердой прослойки. Момент разрушения зави­сит от пластичности твердой прослойки.

Мягкая прослойка в продольном шве ведет себя примерно так же, как при испытании образцов на одноосное растяжение с попереч­ной мягкой прослойкой. Твердые прослойки в продольных швах сосуда, если они не попадают в зону концентрации напряжений, обычно не снижают прочности сосуда.

Выше были рассмотрены идеализированные случаи работы со­единений с прямоугольной формой мягких прослоек. В сварных соединениях прослойки могут находиться под углом к направлению действия сил, иметь произвольную форму поперечного сечения

Рис. 3.17. Схема расположения образцов: № 1 — поперек проката; №2 — вдоль проката; ОХ — направление проката. Стрелками показано на­правление действия сил при испы­таниях на растяжение

и иначе влиять на прочность. Однако
общая тенденция их влияния оказы­вается такой же, как в случаях, рас­
смотренных в настоящем параграфе.
Одним из видов неоднородности
механических свойств металла явля­ется анизотропия, она выра­жается в различии свойств металла
при нагружении его в разных на­
правлениях. Различными могут быть
пластичность, прочность, ударная
вязкость, коэффициент поперечной
деформации, модуль упругости и дру­гие свойства. Анизотропия металла
возникает чаще всего во время про­
катки. Прочность, пластичность,
ударная вязкость, как. правило, выше
у образцов, вырезанных вдоль про­
ката (рис. 3.17). Во время разрушения трещина, пересекая во­локна, встречает большее сопротивление, чем двигаясь вдоль
волокон. Особенно низкими бывают прочность и пластичность
металла по толщине листа. При наличии расслоений в металле
пластичность отдельных образцов в этом направлении близка к
нулю. Во время термической резки или сварки, если усадка
металла происходит в направлении толщины листа, в зоне рас­слоений появляются трещины. Передача растягивающих усилий в
направлении толщины может предусматриваться при проектиро­вании сварных конструкций лишь в тех случаях, когда есть
полная уверенность, что используемый металл не склонен к обра­зованию расслоений, а механические свойства в направлении тол­щины соответствуют уровню, предусмотренному техническими
условиями.

Анизотропия может выражаться в различном сопротивлении металла пластической деформации, различном упрочнении и, как следствие, в различных коэффициентах поперечной дефор­мации. В этом случае анизотропию можно оценивать по отношению поперечных пластических деформаций Р =εx_пл/ ε”zпл и R= εy_пл/ εzпл. где εx_пл и ε”zпл — поперечные пластические деформации соответственно в направлении длины и толщины проката при растяжении образца №1; εy_пл и ε '_г — поперечные пластические деформации при растяжении образца № 2 (рис. 3.17).

Если материал изотропен во всех трех направлениях, то Р =

= R = 1. Если материал изотропен в плоскости и анизотропен в направлении толщины, то Р = R ≠ 1. У некоторых видов тонко­листового проката титановых сплавов анизотропия выражена сильно, сопротивление пластической деформации в направлении толщины значительно больше, чем в плоскости (Р = R — 4 ÷ 7). При двух­осном растяжении, например в сферическом или цилиндрическом сосуде давления, металл имеет возможность пластически деформи­роваться в плоскости листа только при утонении его по толщине. Ввиду большого сопротивления пластической деформации по тол­щине прочность при таких схемах нагружения заметно возрастает. Так, максимальное окружное условное напряжение в цилиндри­ческом тонкостенном сосуде давления из титанового сплава с со­держанием 5 % А1 и 2,5 % Sn в 1,5 раза выше, чем максимальное условное напряжение при одноосном растяжении.

Дата добавления: 2015-07-08