РАЗДЕЛ 2. ВЛИЯНИЕ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ НА ХРУПКОЕ РАЗРУШЕНИЕ
2.1. Остаточное напряжение в одномерных задачах
В процессе сварки и последующего охлаждения в сварном соединении протекают сложные термодеформационные процессы, обусловливающие образование временных напряжений, которые после полного охлаждения переходят в остаточные.
Эти напряжения играют весьма существенную роль в хрупком разрушении сварной конструкции.
При этом можно видеть три аспекта влияния остаточных напряжений:
1) суммирование их с напряжениями от внешних нагрузок и, как следствие, уменьшение необходимой для разрушения внешней нагрузки; 2) повышение объёмности напряженного состояния в определенных зонах конструкции из-за наличия остаточных напряжений; 3) влияние на устойчивость процесса распространения хрупкой трещины в элементе конструкции в связи с учётом сложного характера распределения остаточных сварочных напряжений в различных сечениях сварных соединений.
Наиболее простой расчёт остаточных напряжений выполняется в симметричных одномерных задачах, где напряженное состояние является практически одноосным и отсутствует изгиб от действия внутренних остаточных напряжений. Общепринятым классическим представлением этих задач является достаточно узкое и длинное симметричное сварное стыковое соединение.
В качестве модели такого соединения рассматривается пластина с прорезами. Средняя полоса пластины соответствует средней нагреваемой зоне сварного соединения, а крайние полосы пластины - его крайним ненагретым зонам. Распределение температуры в подверженной нагреву и охлаждению средней полосе считается равномерным. Свободное деформирование средней полосы при изменении её температуры невозможно из-за наличия связей со сторон крайних полос, поэтому в полосах пластины будут возникать остаточные напряжения. Существует целый ряд методов определения этих напряжений в одномерных задачах [14], [32], [42].
Метод Г.А. Николаева [42] построен на следующих допущениях: выполнимость гипотезы плоских сечений; линейность напряженного состояния; схематизированная зависимость предела текучести и относительной упругой деформации на уровне предела текучести от температуры; модель идеального упругопластического тела; независимость теплофизических свойств металла от температуры в широком интервале температур; равномерность распределения температур, деформаций и напряжений по толщине пластины .
Целью метода является определение параметров ?ост, вп, у* (рис.2.1,г), что позволяет построить эпюру остаточных упругих деформаций (напряжений) в поперечном сечении стыкового соединения . Для определения указанных параметров рассматриваются поперечные сечения на двух стадиях - нагрева и после полного охлаждения. При этом считается, что все поперечные сечения одинаковы в плане напряженно-деформированного состояния. Г.А.Николаев рассматривает деформации в том сечении, в котором при нагреве достигается max ширина изотермы - 6000 С (для малоуглеродистой стали; для другого материала эта величина будет, естественно, иной). К изотерме 6000 С проводятся с двух сторон параллельно шву две касательные. Через точки касания проходит поперечное сечение 1-1 (рис 2.1,а) . В этом сечении ширина зоны пластических деформаций укорочения достигает наибольшей величины. Если температурная кривая Тmax (у) в сечении 1-1 известна, то известна и кривая температурных деформаций ?t=? Тmax (у) (рис.2.1,а). Полные деформации ?нагрпол на стадии нагрева, согласно гипотезе плоских сечений, будут определяться горизонтальной линией. Сравнение этих двух деформаций в сечении показывают их несоответствие друг другу, кроме точки пересечения. Продольные волокно вблизи боковых кромок соединения имеют полную деформацию большей величины, чем свободная температурная, а это означает, что в сварном соединении эти волокна являются растянутыми. Аналогичное рассуждение показывает, что в волокнах расположенных в более высоко нагретой зоне за точкой пересечения линий ?t и ?нагрпол, будет иметь место упругое сжатие, возрастающее по мере приближения рассматриваемого волокна к оси шва. В некоторой точке С на удалении вп от оси шва упругие деформации сжатия достигают уровня предела текучести ?t и остаются такими до точки в, расположенной на расстоянии у2 от оси шва (для малоуглеродистой стали это соответствует температуре 5000С) . Далее от точки в до точки а упругие деформации сжатия уменьшаются по линейному закону согласно диаграмме ?Т(Т). Точка а расположена от оси шва на расстоянии у1, соответствующем t0= 6000С. Уравновешенная по сечению эпюра упругих деформаций показала на рисунке 2.1,а прямой штриховкой. Левее точки С в продольных волокнах будет не только упругая, но и пластическая деформация сжатия. Левее точки а t0 > 6000С, и металл в этой области не обладает упругими свойствами, т.е. для этой области упругая деформация равна нулю, а разница между ?t и ?нагрупр будет представлять собой упругие деформации укорочения. Пластические деформации в сечении 1-1 показаны на рис 2.1,а косой штриховкой. Величина пластических деформаций укорочения ограничена горизонтальной линией S-T, поскольку пластические деформации при t > 6000 C не влияют на формирование в соединении напряженного состояния. Все составляющие полной деформации в сечении 1-1 показаны на рис.2.1,б.
Окончательные результаты метода Г.А. Николаева дают для ключевых параметров расчета следующие значения:
;
Рис.2.1. Метод Г.А. Николаева
где q = Iu? ;
I - сварочный ток ;
U - напряжение на дуге ;
V - скорость сварки ;
? - толщина свариваемых пластин ;
С? - объемная теплоёмкость ;
Аналогичные результаты даёт метод И.П.Трочука [42]. Здесь принимаются все допущения, которые были использованы в методе Г.А.Николаева, и дополнительно предполагается, что по ширине пластической зоны 2вп остаточные напряжения распределены равномерно и равны пределу металла