Влияние неоднородности свойств материала и структурных превращений на распределение остаточных напряжений
Эксперименты показали, что при сварке различных материалов с однородными свойствами, как правило, возникает распределение напряжений, аналогичное показанным на рис. 9 и 10. Таковы остаточные напряжения в низкоуглеродистых (феррито-перлитных) и высоколегированных аустенитных нержавеющих сталях, ряде титановых и алюминиевых сплавов.
Картина изменяется, если материалы шва и различных участков зоны термического влияния отличаются по свойствам друг от друга и от основного материала свариваемых деталей. Эта неоднородность может возникнуть как в результате отличия химического состава, так и вследствие различных термических циклов в процессе сварки. Неоднородность может быть предусмотрена технологией или возникнуть вследствие ее нарушения. На распределение сварочных напряжений сильнее всего влияет различие коэффициентов линейного расширения и пределов текучести в смежных зонах сварного соединения.
Поскольку исходной причиной сварочных напряжений является температурная деформация , из формулы (3) следует, что увеличение коэффициента линейного расширения α изменяет напряженно-деформированное состояние примерно так же, как дополнительный нагрев соответствующей зоны. При этом уровень напряжений может существенно повыситься, особенно при резком перепаде значений α в близкорасположенных зонах. В таком материале, называемом биметаллом, напряжения возникают даже при его равномерном нагреве в печи. При сварке феррито-перлитной стали аустенитным электродом следует иметь в виду, что коэффициент линейного расширения аустенита примерно на 30% выше, чем у феррито-перлитной смеси и такое сварное соединение ведет себя как биметалл.
При одной и той же температуре плотность аустенита выше, чем перлита и мартенсита. Превращение перлита в аустенит и обратное превращение сопровождаются изменением объема (рис.16).
Рис.16. Диаграммы температурных деформаций (дилатограммы) стали, испытывающей фазовые превращения при нагреве и охлаждении
Если превращение происходит при высокой температуре, когда предел текучести мал, то оно не вызывает заметного изменения сварочных напряжений. Распад аустенита в процессе остывания при температуре ниже 500 ºС оказывает такое же действие на распределение деформаций и напряжений, как внезапный нагрев зоны превращения, и в корне меняет распределение напряжений, показанное на рис. 8. Зона, испытавшая превращение, оказывается после остывания сжатой.
В результате образуется сложная эпюра из чередующихся полос растяжения и сжатия. На рис.17 показана эпюра остаточных напряжений при сварке углеродистой стали аустенитным швом.
Рис.17. Напряжения при сварке углеродистой стали аустенитным швом:
1 – основной металл (перлит), 2 – зона закалки (мартенсит), 3 - шов (аустенит)
Металл в зоне закалки 2, испытавший при нагреве превращение в аустенит, в процессе охлаждения превращается в мартенсит. При этом вместо обычного сокращения при остывании происходит расширение металла, и в нем возникают сжимающие напряжения. В остальных зонах (1 и 3) этих превращений не происходит: в шве сохраняется за счет легирования постоянная аустенитная структура, а за пределами зоны закалки сохраняется исходная перлитная структура, так как нагрев этой зоны недостаточен для превращений. Поэтому в шве и за пределами закаленной зоны возникают при остывании и сокращении металла растягивающие напряжения.
Как следует из рис. 8, в пластической зоне после остывания возникают напряжения, близкие к пределу текучести. Аналогичные эпюры характерны для большинства материалов, не испытывающих превращений при невысокой температуре. Снижение предела текучести в какой-либо зоне приводит к соответствующему снижению остаточных напряжений. По этой причине уровень напряжений в аустенитном шве ниже, чем в основном металле (см. рис. 17). Однако на границе шва иногда возникают упрочненные зоны с высоким пределом текучести. Остаточные напряжения в таких зонах могут в несколько раз превышать предел текучести основного металла сварного соединения.