Том 1. Прочность (1041446), страница 18
Текст из файла (страница 18)
ф 3. Влияние неоднородности механических свойств на прочность и пластичность сварных соединений Сварное стыковое соединение в поперечном сечении имеет несколько участков, которые могут существенно различаться между собой по механическим свойствам (рис. 3.10). Это сам шов 1, околошовная зона 2, материал которой у ряда сталей претерпевает структурные превращения и может иметь повышенную твердость и проч- ность, зона высокого отпуска 3, 5 2 ! 2 5 4 в которой у термически обрабо- танных сталей прочность и 1 твердость понижены в результате сварочного нагрева. Далее следует зона 4, нагревавшаяся Рис. 3.10.
Стыковое сварное соедине- до более низких температур, ние материал которой по-разному изменяет свои свойства в зависимости от марки стали или сплава. В той или иной мере для всех сварных соединений характерно различие механических свойств металла в разных участках, соизмеримых с размерами соединения, главным образом с толщиной свариваемых элементов в, называемое механической неоднородностью. Сварные соединения являются несущими элементами конструкций, в которых неоднородность свойств может быть весьма значительной. При установившемся режиме сварки ширина зон и их механические свойства мало меняются по длине сварного соединения. Обычно рассматривают неоднородность свойств и чередование зон в поперечном сечении сварного соединения.
Простейший случай неоднородности имеет место при стыковой сварке наклепанных термически неупрочняемых сталей и сплавов, например аустенитных сталей или алюминиевых сплавов, которые: упрочнены холодной прокаткой. Нагрев до высоких температур снимает наклеп, достигнутый при холодной прокатке металла.
На рис. 3.11 показано распределение твердости в сварном соединении из сплава АМг6. Твердость шва и околошовной зоны близки к твердости отожженного металла. Предел прочности и пргделтекучести оказываются заметно ниже, чем у основного ме- О!' 0гнибний нигиригибиниыйнгглилл талла, а пластичность повы- '20 ш:сггпгпгшпш шается. Представление о размерах зоны и степени разупрочнения дает также табл.3.1. 00 Зоны, где металл обладаепг 00 понггженным пределом текучести по отношению к преде- 0 2 4 б 0 10 12 иlб 102022 24 лу текучести соседнего металла, называют мягкими прослойками.
Сбприои гииб Паяные стыковые соединения, припой в которых менее прочен, чем основной металл, также содержат мягкую прослойку. Прочность таких соединений зависит не только от прочности металла мягкой зоны, но и от ее относительного размера х = /г/в, где /г — ширина прослойки; в — толщина металла. 1,мн Рис. 3.11. Распределение твердости по Виккерсу сварного шва из сплава АМгб (з = 2,8 мм) Таблица 3.1 Изменение свойств наклепаиного металла в сварных стыковых соединениях Сварное соединение в зоне раэупроч- неиия Основной металл в наклепаииом состоянии Половина ширины зоны разупрочне- ния в сварном соединении, мм Материал, вид сварии ов, Мпа а', град ов, Мпа а. град Сплав АМгб (а=2,8 мм), автоматическая аргонодуговая сварка 150 410 18 — !8 Сталь 12Х18Н9Т (з=з мм), автоматическая сварка под флюсом 12 — !4 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„, в процессе охлаждения закаливаются и имеют более высокую твердость и прочность, чем основной металл. Эгот 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 а,1 б~ суягкие прослойка прослойки Тдердая Вердые прослойки 1тягкие прослойки 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 место и характер разрушения, хД 5 зависят от степени и топографии 2 ! г ХЯ5 механической неоднородности.
з„ = х"т Механические свойства обо 1 разца, вырезанного из мягкой прослойки и имеющего низкую прочность, еще не свидетельствуют о том, что сварное соеди- 0 нение в целом обладает такими 6~я же свойствами. Взаимодействие Рнс. 3.13. диаграммы зависимости на- отдельных зон протекает сложпряже«ия и ет деФормации е для рзз- ным образом, и агрегатная проч- личных зон сварного соединения при ность сварного соединения, как — ' г — " ', ' о",,." .
ностью 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 А„А, и А, соответствуют разрушению образца. Разрушение наступит при е = вл.. При этом напряжения о, в основном металле, оз в шве и ст, в твердой прослойке будут сильно различаться. Продольная растягивающая сила в основном воспринимается участком основного металла, так как его площадь 94 намного превосходит и площадь поперечного сечения шва, и площадь твердой прослойки.
И хотя уровень напряжений о, в твердой прослойке будет велик, средние напряжения будут близки к а„ что существенно ниже разрушающих напряжений в точке А,. 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 о, -ал,. Отрицательное влияние твердой прослойки сказывается сильнее, ое М г со если по длине соединения встре- Я у д чаются резкие изменения сечения шва, вызывающие концентрацию напряжений, или еще хуже — поперечные трещины или другие дефекты в твердой прослойке.
При действии силы вдоль шва наличие малопрочных мягких прослоек практически не а 1о п влияет на общую несущую способность нагруженного элемен Рис, 3.14. Зависимость а„, $ и Л от та, 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 о, в ней возникает пластическая деформация, в то время как соседние участки остаются в упругом состоянии. При дальнейшем повышении нагрузки и деформации коэффициент поперечной деформации р у прослойки будет выше, чем у соседнего металла.
По мере развития пластической деформации в прослойке 1х — ~-0,5, в то время как в упругих частях р = 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 = йlя, тем меньшее поперечное сужение получает прослойка .к моменту возникновения в ней истинных разрушающих напряжений ор. Так как среднее истинное разрушающее напряжение о меняется мало, то в более узких мягких прослойках площадь утоненного поперечного сечения прослоики гу к моменту разрушения будет больше, а следовательно, будет больше и разрушающая сила Р,: Р =она„. (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. 5 1). В этом случае временное сопротивление соединения с мягкой прослойкой а,' можно определить по формуле ггв = ов„Кк~ (3.14) где и — времеяное сопротивление металла мягкой прослойки; вм К вЂ” коэффициент контактного упрочнения в случае плоской деформации: Кв = (л + 1/х)/(2 ~/3). (3. 15) Если прослойка яе идеально прямоугольная, как это бывает в сварных соединениях, то х = Р/зв, где г — площадь поперечного сечения прослойки; з — толщина металла. Прочность соединения достигнет прочности соседнего, более прочного металла, если временное сопротивление ав в формуле (3.14) станет равным временному сопротивлению а„более прочного металла.
При этом К, = о, /о, . По формуле (3.15) определим предельную относительную толщину прослоики х р д при которой достигается равнопрочность соединения: хпр,д — — 1/ 21, 3 К~ — й). (3.16) Например, если ов /ов = 1,2, то по формуле (3.16) получаем х = 1. При К, ) 1,2 относительная толщина мягкой пропред пред слойки хпр„.должна быть еще меньше. Следует, однако, иметь в виду, что повышение прочности соединения с мягкой прослойкой за счет уменьшения х ограничеяо уровнем истинного разрушающего напряжения металла мягкой прослойки, Относительное поперечное сужение др в мягкой прослойке и абсолютное удлинение образца Л зависят от относительной толщины прослойки х и свойств металлов в соединении.
На рис. 3.14 видно, что в широких прослойках, когда эффекта контактного упрочнения еще не наблюдается, $ остается постоянным при уменьшении х, а Л постепенно падает по мере уменьшения доли длины участка мягкой прослойки в общей длине образца. В области контактного упрочнения др резко падает, так как возрастают поперечные касательные напряжения, препятствующие сужению прослоек.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
