2. Временные и остаточные деформации и напряжения при нагреве края пластины движущимся источником теплоты

Рассмотрим процесс изменения деформаций и напряжений в активной зоне при прохождении по краю широкой пластины движущегося источника теплоты (сварочной дуги). Поскольку препятствия расширению металла в направлении толщины и в сторону края пластины отсутствуют, напряжение одноосное и действует параллельно краю пластины (вдоль траектории источника).

По мере приближения источника температура повышается, а после его прохождения вновь снижается до температуры окружающей среды. Пропорционально изменению температуры растет, а затем убывает деформация _. Наблюдаемая деформация в данном случае мала, поскольку пластина широкая, и ее пассивная часть препятствует расширению небольшой активной части у края. В активной зоне возникает сжимающее напряжение σ и вызывает деформацию укорочения , которая компенсирует деформацию удлинения от нагрева _ (кривая _ на рис. повторяет кривую T, а кривая ε_с является ее зеркальным отражением). на участке).

Если напряжение при нагреве не достигает предела текучести материала σ_т, то вся собственная деформация является упругой ε_упр (кривая ε_упр совпадает с кривой ε_с, а напряжение σ изменяется пропорционально ε_с), а при остывании происходит полная разгрузка и остаточные напряжения не образуются. Если же напряжение достигает σ_т (в точке Б на рис. 2), то рост напряжения и упругой деформации прекращается, дальнейшее увеличение ε_с при продолжении нагрева происходит за счет роста пластической деформации укорочения ε_пл.

Рис. 2. Циклы температуры (T), собственной деформации (ε_с), ее упругой и пластической частей (ε_упр и ε_пл) и собственного напряжения (σ) в точке у края пластины при прохождении движущегося источника теплоты:

А – начало нагрева и роста сжимающих собственных напряжений;

Б – начало пластических деформаций укорочения;

В – начало охлаждения и упругой разгрузки;

Г – полная разгрузка и начало роста растягивающих напряжений;

Д – начало пластических деформаций удлинения;

Е – остаточные напряжения и деформации

В точке В начинается снижение температуры и упругая разгрузка. Пластическая деформация укорочения сохраняется постоянной (кривая ε_упр эквидистантна кривой ε_с). Полная разгрузка наступает раньше полного остывания (в точке Г). При дальнейшем остывании материал на краю пластины продолжает сокращаться. Остальная часть пластины препятствует этому сокращению, возникает растягивающее напряжение и упругая деформация удлинения. Если при охлаждении напряжение также достигает предела текучести (в точке Д на рис.2), то рост напряжений и упругих деформаций прекращается, начинаются пластические деформации удлинения, которые компенсируют часть пластического укорочения, возникшего при нагреве. После полного остывания на краю пластины сохраняются остаточная пластическая деформация укорочения, остаточное растягивающее напряжение и остаточная упругая деформация удлинения (точка Е).

Таким образом, причиной возникновения остаточного напряжения является пластическое укорочение активной зоны при нагреве. Пластическая деформация возникает, в основном, в активной зоне по 2 причинам:

1. сечение этой зоны, как правило, меньше, чем окружающей пассивной зоны, поэтому уровень напряжения в ней выше;

2. предел текучести материала снижается при нагреве, при сварочных температурах он близок к нулю (по этой причине остаточные напряжения возникают даже при сварке очень узких швов).

Варианты образования напряжений при различном нагреве показаны на рис.3.

Рис. 3. Образование только временных напряжений (1), текучесть при нагреве и остаточные напряжения (2), снижение предела текучести при высокой температуре и текучесть при охлаждении (3).

При ограниченной жесткости свариваемой конструкции в ней возникают под действием сварочных напряжений существенные наблюдаемые деформации и перемещения, приводящие к искажению ее формы и размеров.