4.4 Основные физические явления, влияющие на образование деформаций и напряжений при сварке

Выше уже были рассмотрены некоторые физические явления, которые имеют самое непосредственное отношение к образованию сварочных деформаций и напряжений. Это в первую очередь рас­пространение теплоты и образование температурных полей. Так как изменение температуры сопровождается практически у всех металлов и сплавов изменением размеров частиц тела, то дилато­метрический эффект должен быть отнесен к одной из главных при­чин образования сварочных деформаций и напряжений. Если бы коэффициент α был равен или близок нулю, то никакие деформа­ции не могли бы возникнуть вообще.

Температурные деформации вследствие их неравномерности вызывают собственные деформации и напряжения. Если послед­ние достигают σ_т, то возникают пластические деформации, кото­рые являются основной причиной образования остаточных дефор­маций и напряжений. Таким образом, неравномерность нагрева, температурные и пластические деформации должны быть отнесены к главным причинам образования сварочных деформаций и на­пряжений.

Ряд явлений сопутствуют указанным основным и также участ­вуют в формировании полей деформаций и напряжений. Различ­ного рода структурные превращения, которые сопровождаются объемными эффектами или изменением механических свойств ме­талла, также способны влиять на временные и остаточные дефор­мации и напряжения.

Структурные превращения способны протекать во времени и при постоянной температуре и сопровождаться при этом необра­тимым изменением объема и временным изменением σ_т, что влия­ет на собственные напряжения, которые вследствие этого не оста­ются постоянными. Возникает изменение размеров во времени. В качестве примеров можно привести распад остаточного аустени­та, протекающий с увеличением объема, и превращение мартенси­та закалки в мартенсит отпуска, сопровождающееся уменьшением объема. Возможны также и другие превращения, сопровожда­ющиеся как уменьшением, так и увеличением объема. Наряду с из­менением объема происходит, как указывалось выше, и понижение σ_т. Возникает релаксация собственных напряжений, протекающая в соответствии с формулой

ε = ε_упр + ε_пл ≈ σ/Е + ε_пл (13)

Значение σ в (13) можно рассматривать как временный пре­дел текучести металла, изменение которого приводит к переходу упругой деформации в пластическую. При более высоких темпе­ратурах σ может уменьшаться во времени, будучи даже меньше σ_т. Это обусловлено процессами ослабления межатомных свя­зей при высоких температурах. Процессы релаксации и ползуче­сти в приближенных расчетах сварочных деформаций и напряже­ний не учитывают. Учет их в более точных методах расчета воз­можен либо на базе аппарата теории ползучести, либо путем получения кривых напряжение — деформация при программиро­ванном нагружении.

Упрочнение металла при пластической деформации может ока­зать некоторое влияние на уровень сварочных напряжений. Необходимо, однако, иметь в виду, что при отсутствии концентрации деформаций значение пластической деформации при сварке обычно не превышает 1—2 %, что не приводит к заметному увеличению σ_т. При наличии концентрации деформаций напряжения могут повышаться вплоть до уровня разрушающих напряжений.

Скорость деформации в процессе нагрева и остывания, осо­бенно при использовании концентрированных источников теплоты, может меняться в широких пределах. При невысоких температу­рах нагрева, когда отсутствует ползучесть, возможные изменения скоростей деформаций при сварке не влияют на σ_т. При бо­лее высоких температурах, когда начинают проявляться релаксация напряжений и ползучесть, влияние скорости деформации более существенно и может сказаться на уровне собственных на­пряжений.