Том 1. Прочность (1041446), страница 47
Текст из файла (страница 47)
Термически необработанные сварные конструкции имеют остаточные собственные напряжения и ту или иную степень нестабильности структур металла, возникшую в процессе сварки. Именно эти две особенности сварных конструкций требуют особого подхода при назначении термической обработки. Многие сварные конструкции не могут быть термически обработаны либо потому, что это удорожает стоимость производства, либо потому, что это технически невозможно. Размеры термически необработанных сварных конструкций могут самопроизвольно изменяться во времени при отсутствии каких-либо дополнительных силовых воздействий на них. Следует, однако, сразу.
подчеркнуть, что эти изменения размеров имеют значения лишь для ряда машиностроительных и приборостроительных конструкций высокой точности. Изменение размеров происходит по двум причинам: во-первых, вследствие пластических деформаций в металле из-за наличия в нем остаточных напряжений и, во-вторых, вследствие изменения объема металла при медленном протекании структурных превращений в зонах со структурной нестабильностью, возникшей в процессе сварки.
Остаточные напряжения после сварки часто близки к пределу текучести металла. Именно в зонах с такими максимальными напряжениями и возникает пластическая деформация. Самопроиз- 227 вольное изменение напряжений весьма мало. Измерения остаточных напряжений с точностью до 10 — 20 МПа на протяжении даже нескольких лет не показали их существенных изменений. Однако установлено, что в процессе релаксации напряжений при комнатной температуре в сталях с содержанием углерода от 0,025 до 0,39 % начальные напряжения с уровнем 100 †2 МПа через несколько лет снизились на 1,5 — 2,5 % .
Такие изменения недопустимо снижают точность высокопрецизионных устройств. Изменение остаточных напряжений во времени может усиливаться от естественного колебания температуры окружающей среды. При более высоких температурах процессы релаксации интенсифицируются. Возможно колебание уровня собственных напряжений из-за разных коэффициентов линейного расширения шва и основного металла в сварных соединениях, что также способствует усилению релаксации. Структурная нестабильность .
является одной из основных и в ряде случаев существенных причин изменения размеров во времени. Она образуется в металлах, характер структурных превращений в которых зависит от скорости остывания металла в процессе сварки. Аустенитные стали в процессе сварки не испытывают структурных превращений; низкоуглеродистые стали СтЗ, 20 и им подобные слабо реагируют на изменение скорости остывания и завершают структурные превращения у — ~-сс при высоких температурах. В этих металлах структурная нестабильность не возникает. Среднеуглеродистые и низколегированные стали 35, 4Х13, 25ХГС, ЗОХГСА, 12Х5МА и другие могут иметь в зоне структурных превращений, нагревающейся при сварке выше температуры А,, (около 800 †8 'С), остаточный аустенит, распад которого во времени увеличивает объем металла.
Если при сварке в результате очень быстрого переохлаждения аустенит практически полностью превращается в мартенсит (стали 35, 4Х13), то с течением времени идет процесс отпуска мартенсита закалки и объем металла уменьшается. Таким образом, при том или ином виде структурного превращения усадочная сила будет уменьшаться (при распаде остаточного аустенита) или увеличиваться (при отпуске мартен- сита закалки).
Деформации во времени происходят также в сварных соединениях термически упрочняемых алюминиевых сплавов системы А1 — Лп — Мд. В них идут структурные изменения, связанные с распадом пересыщенного твердого раствора цинка и магния. Характер изменения усадочной силы во времени при комнатной температуре, полученный на лабораторных образцах, показан на рис. 8.25, а. У титанового сплава ВТ1 и аустенитной стали 1Х16Н25АМ6, не испытывающих при сварке структурных превращений, а также у стали СтЗ, структурные превращения в которой происходят при высоких температурах, усадочная сила уменьшается из-за пластических деформаций металла в процессе релаксации напряжений.
В сталях 4Х13 и 35 усадочная сила растет вследствие уменьшения объема металла в зоне, где идет процесс отпуска мартенсита закалки. Повышение температуры до 100 'С (рис. 8.25, б) усиливает как пластическую деформацию, так и отпуск мартенсита. Механическая обработка термически необработанных сварных деталей всегда сопровождается необратимыми деформациями и искажением размеров. Эти искажения происходят либо непосредственно во время обработки, либо в момент съема детали со станка, либо в незначительной мере в процессе вылеживания после механической обработки. Во время механической обработки удаляют металл, в котором были собственные остаточные напряжения.
Особенно значительны они в зоне пластических деформаций. Происходит нарушение равновесия внутренних сил. Если известны уровень 61 ~Р,„Н Ь Рус,Н гв -20 -10 -60 -г0 Рис. 8.25. Изменение усндочной силы с течением времени остаточных напряжений и объем снятого металла, то можно определить ЛР— изменение силы. Если закрепление детали не мешает ей деформироваться, то изменение размера возникает сразу.
При обточке наружной поверхности вала (рис. 8.26, а), сваренного многослойной сваркой, нарушается прямолинейность внутреннего отверстия, обработанного ранее. При обточке цилиндра (рис. 8.26, б) появляется бочкообразность внутренней поверхности вследствие частичного уменьшения окружной усадочной силы. При закреплении детали (рис. 8.26, в, г) сварной шйангоут (рис. 8.26, в) после съема со стола утратит форму правильной окружности, а сварная балка (рис.
8.26, г) частично изогнется и не будет иметь плоской обработанной поверхности. В этих случаях требуется либо перекреплять детали перед финишными операциями (рис. 8.26, в, г), либо производить повторную обработку поверхностей с малыми объемами удаляемого металла (рис. 8.26, а, б). Искажение формы обработанных поверхностей может происходить также в результате различия сил резания на закаленных и незакаленных участках зон неотпущенного сварного соединения.
229 230 231 В процессе вылеживания после механической обработки деформирование с течением времени может происходить потому, что перераспределение остаточных напряжений во время механической обработки могло вызвать пластические деформации в отдельных зонах и активизировать процесс релаксации. Рис.
8.26. Примеры механической обработки деталей, сопровождающейся их деформацией В процессе эксплуатации изменение размеров происходит под влиянием дополнительного силового воздействия на сварную деталь. Если сумма о„, + о,„, достигает предела текучести, возникает необратимая пластическая деформация.
Нагружение детали может возникнуть в процессе перевозки и монтажа. Различают нагружение детали статическими и переменными (вибрациопными) нагрузками. При статическом нагружении двутавровой Рис. 8.27. Нагружение сварной балки с остаточными напряжениями балки силой Р (рис. 8.27, а), имеющей зоны 1 и 2 (рис. 8.27, б) с остаточными растягивающими напряжениями, близкими к тт„ рабочие напряжения о„,~ вызывают пластическую деформацию в зоне 2 и она выключается из восприятия нагрузки. Прогиб балки при этом нагружении происходит так, как если бы сечение балки было без зоны 2 (рис.
8.27, в). При этом 1„= 1„'. Поэтому при приложении нагрузки возникает прогиб 1"' =- МР/(8Р1„'), а при снятии нагрузки, когда пластических деформаций не будет, про- изойдет выпрямление 1 = — МР1 (8Е1,). 'Разность |' — 1 = Л1 даст остаточную деформацию. Приложение 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 ПЕРЕМЕЩЕНИИ $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.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
