книга1 с (1085852), страница 7

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 7)

1

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—200 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 при высоких темпера-

турах. В этих металлах структурная нестабильность не возникает. Среднеуглеродистые и низколегированные стали 35, 4X13, 25ХГС, ЗОХГСА, 12Х5МА и другие могут иметь в зоне структурных пре­вращений, нагревающейся при сварке выше температуры (около 800—850 ), 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, 4X13), 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 мартен­сита закалки).

Деформации во времени происходят также в сварных соедине­ниях термически упрочняемых алюминиевых сплавов системы 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 4X13 и 35 усадочная сила растет вследствие уменьшения объема металла в зоне, где идет процесс 228

отпуска мартенсита закалки. Повышение температуры до 100 (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

остаточных напряжений и объем снятого металла, то можно опре- , делить — 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, ) сварной шпангоут (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

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.

В процессе эксплуатации изменение размеров происходит под • влиянием дополнительного силового воздействия на сварную деталь. Если сумма достигает предела текучести, воз-

никает необратимая пластическая деформация. Нагружение де­тали может возникнуть в процессе перевозки и монтажа. Разли­чают нагружение детали статическими и переменными (вибрацион­ными) нагрузками. При статическом нагружении двутавровой

балки силой Р (рис. 8.27, а), имеющей зоны 1 и 2 (рис. 8.27, б) с остаточными растягивающими напряжениями, близкими к рабочие напряжения 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 . Поэтому при

приложении нагрузки возникает прогиб а при

снятии нагрузки, когда пластических деформаций не будет, про-230

изойдет выпрямление 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 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, которые 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

231

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 пла­стические деформации от суммы рабочих и остаточных напряже­ний. Кроме того, значительная концентрация напряжений по своему влиянию превалирует над собственными напряжениями. При небольшой концентрации напряжений остаточные растягивающие напряжения сохраняют свой высокий уровень в процессе эксплуа­тации и увеличивают средние напряжения цикла, тем самым пони­жая выносливость.

высокопрочных сталей с невысоким

при наличии остаточных

напряжении, олизких к

и острых концентраторов может суще-

напряжений, близких к а_т, 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-

Характеристики

Список файлов книги