Файл: Сагалевич, В. М. Методы устранения сварочных деформаций и напряжений.pdf

Оптимальные режимы отпуска конструкций с целью снятия напряжений могут определяться расчетным пу­ тем с использованием экспериментальных релаксацион­ ных характеристик основного материала и различных зон сварных соединений. Значительный вклад в реше­ ние этого вопроса внесен исследованиями В. А. Вино­ курова [5], разработавшего математический аппарат для оценки изменения напряжений в конструкциях в про­ цессе отпуска на основе теории простой релаксации. Поэтому, не останавливаясь на этой стороне вопроса, ограничимся общими соображениями, которые могут оказаться полезными для практического использования.

Термический цикл при отпуске включает в себя ста­ дии нагрева, выравнивания температур по сечению де­ тали, стадию выдержки при температуре отпуска и стадию охлаждения. Для снятия напряжений необходи­ мо выдержать такое соотношение между длительностя­ ми указанных стадий отпуска, при котором было бы обеспечено равномерное распределение температуры по сечению детали, необходимое время выдержки для про­ текания процессов релаксации со снижением напряже­ ний до требуемого уровня и медленное охлаждение, позволяющее сохранить распределение температуры по сечению охлаждаемых деталей достаточно равномер­ ным, чтобы вызвать дополнительные пластические де­ формации.

Пластическая деформация в напряженном металле происходит в результате протекания сдвиговых и диф­ фузионных процессов. Чтобы вызвать диффузионные процессы (например, в хромистых ферритных сталях) требуется длительный нагрев металла при термообра­ ботке. Сдвиговая пластическая деформация протекает практически мгновенно, причем чем выше температура нагрева, тем ниже критическое напряжение сдвига п тем полнее процесс снятия напряжений.

Практически желательно применение таких режимов отпуска, которые способствовали бы снятию остаточ­ ных напряжений при непродолжительной выдержке. Продолжительность периодов нагрева и выравнивания температуры зависит главным образом от сечения де­ талей и теплофизических свойств металла.

В большинстве случаев продолжительность периода выдержки, так же как периодов нагрева п охлаждения, назначали пропорционально сечению деталей, т. е. без

тельная разница (рис. 57), то при температуре 600°С они отличаются меньше. Как правило, основное сниже-

Рис. 57. Снижение напряжений в образцах в про­ цессе нагрева и выдержки при температурах от­ пуска низколегированной стали

ние напряжений происходит в процессе нагрева и вы равнивания температуры. В процессе релаксации сни жение напряжений опре­ деляется величиной ис­ ходных напряжений перед релаксацией и значением начальной упругой дефор­ мации ео и зависит от температуры, при которой протекает релаксацион­ ный процесс (рис. 58).

Между деформациями в различных зонах свар­ ного соединения и време­ нем выдержки при ис­ пользовании логарифми­ ческой системы коорди-

Рис. 58. Кривые релаксации при различных ■температурах, уровнях начальных напряже­ ний и исходных упругих де­ формаций

5* 131

мат существует линейная зависимость (рис. 59, а). Ана­ логична зависимость и между деформациями и напря­ жениями (рис. 59, б) для конкретно выбранного момента времени релаксации. Эти зависимости позволили ряду авторов установить общие приближенные закономерно­ сти протекания деформаций при различных уровнях на-

а)

Рис. 59. Изменение деформации в образцах при различных уровнях напряжении во времени (а) и зависимость между напряжениями и деформациями (б) в логарифмических координатах для низко­ легированной стали следующего состава:

0.15% С; 0,26% Si: 0.93% Мп: 0.02% Р; 0,012% S; 0,3% Си: 0.02% Ni; 0,9% Cr; 0.49% M o; 0,03% V ; crT =82,1 к г с / м № ; 6 = 21%

пряжений в различных зонах соединения. Для этого необходимо знать некоторые константы материала по­ добно тому, как это делается в теории ползучести. Кон­ станты могут быть определены по зависимостям типа приведенных на рис. 59. Упругая деформация опреде­ ляется из соотношения

Коэффициенты А, /и, п, определенные по графикам рис. 59, приведены ниже:

132

Скорость изменения упругой деформации

Полная деформация при температуре Т, напряже­ ниях а, модуле нормальной упругости Ет равна сумме упругой бI и пластической ер составляющих:

-Ст Причем скорость пластической деформации

Учитывая соотношение (33) и принимая во внима­

ние, что е; = е0 -----— , нетрудно определить скорость изме-

Ег

неТПтя упругой деформации при исходных деформациях ео и текущих напряжениях о:

Скорость деформации существенно меняется в зави­ симости от изменения уровня напряжений в процессе релаксации рис. 60). На основании приведенных соот­ ношений определяют время t, в течение которого проис­ ходит снижение напряжения с исходного уровня <т'= = ЕГео до величины а:

методике дает удовлетворительную сходимость с экспе­ риментальными результатами. Этот метод, хотя и про­ стой, но весьма приближенный.

Многочисленные исследования релаксации напря­ жений позволили установить:

1. Снижение остаточных напряжений во времени зависит от схемы напряженного состояния. Как прави­ ло, после стабилизации напряжений дальнейшая вы­ держка сварных конструкций при высокой температуре теряет смысл, так как к этому времени пластические

133

свойства металла оказываются восстановленными, а снижение напряжений почти ие происходит.

2. Толщина металла н размеры сечений не влия на необходимую продолжительность выдержки при от­ пуске. Основное внимание должно быть уделено сохра­ нению таких скоростей охлаждения, которые не вызы-

б.кгс/ммг

Рис. 60. Результаты экспериментальных и тео­ ретических данных, показывающих соотношение между уровнем действующих напряжений и ско­ ростью деформации

вали бы в массивных сечениях больших градиентов тем­ ператур, приводящих к дополнительным пластическим деформациям.

3. Для оценки снижения величины напряжений стадии нагрева могут быть использованы ие только кривые простой релаксации,- но и деформационные ха­ рактеристики материалов, полученные при различных температурах испытаний. При этом нет существенной разницы в определении конечных величии остаточных напряжений.

В конструкциях, в особенности из легированных сталей, при применении присадочного металла иного химического состава, чем у основного металла, в про­ цессе охлаждения после отпуска могут вновь возник­ нуть остаточные напряжения, вызванные разностью коэффициентов линейного расширения шва и основио-

134

го металла. Разность температурных деформаций ос­ новного металла и металла шва даже в перлитных сталях может достигнуть таких значений, которые вы­ зовут напряжения 100—150 кгс/см2. В этом случае не­ обходимо регулировать термические циклы охлаждения металла в различных зонах с помощью специальных

бост .кгф т і

Рис. 61» Влияние кратковременного нагрева на уровень остаточных напряжений в сварных сое­ динениях стали ОХ23С2ІО

технологических приемов с тем, чтобы в отдельных уча­ стках шва вызвать дополнительные пластические дефор­

напряжений применяют кратковременный нагрев до температур, при которых упругие свойства резко умень­ шаются. При этом происходит снятие напряжений как от сварки, так и от фиксации конструкции в приспособ­ лении. Обычно общая продолжительность отпуска тон­

135