Классификация собственных напряжений

Признаки классификации	Собственные напряжения
Причины, выз­вавшие напря­жения	Вызванные меха­ническими упруги­ми деформациями или пластическим деформированием при сборке, мон­таже и правке	Вызванные упру­гими и пластичес­кими деформация­ми вследствие не­равномерного нагрева детали	Вызванные струк­турными и фазо­выми превращени­ями вследствие не­равномерного из­менения объема тела
Период сущест­вования	Временные, суще­ствуют в период выполнения техно­логической операции или протекания физического процесса	Остаточные, сохраняются устойчиво в течение длительного периода
Степень многоосности	Одноосные	Двухосные	Трехосные
Объем, в котором напряжения урав­новешены	1-го рода, урав­новешиваются в макрообъемах	2-го рода, урав­новешиваются в пределах зерен	3-го рода, уравнове­шиваются в преде­лах кристалличес­кой решетки

Независимо от характера распределения напряжений в теле собственные напряжения в пределах любого сечения, полностью пересекающего все тело, всегда уравновешены как по сумме сил, так и по сумме моментов сил, т. е. соблюдаются условия

SР = 0; SМ = 0 (7)

Перемещения.Суммирование деформаций приводит к обра­зованию перемещений. Если обозначить перемещения соответст­венно осям X, Y, Z буквами и, v, w, то наблюдаемые деформа­ции можно выразить через перемещения следующим образом:

(8)

(9)

При сварке обычно интересуются не перемещениями отдельных точек конструкции, а более наглядными представлениями, напри­мер прогибом балки f (рис. 2, а), углом поворота сваренных пластин b (рис. 2,б); укорочением элемента после сварки DL (рис. 3, в), величиной выхода листа из плоскости W (рис. 3, г) и др.

Рис. 2. Виды перемеще­ний сваренных деталей

Оси координат и обозначения деформаций и напряжений.Сло­жилась определенная система расположения осей координат в те­орий сварочных деформаций.

В свариваемых пластинах ось Ох располагается обычно вдоль шва, ось Оу направлена по ширине пластины В, а ось Oz в на­правлении толщины s (рис. 3).

Рис. 3. Распределение одноос­ных напряжений при сварке уз­ких полос

Соответственно напряжения и де­формации вдоль шва имеют индекс х, поперек шва — индекс у, в направлении толщины —индекс z. Например, в длинной сварен­ной пластине, если не рассматривать напряжения у концов, воз­никают одноосные остаточные напряжения s_х. Строго говоря, ос­таточные напряжения обычно трехосны. Но когда один из компо­нентов мал, например s_z по толщине при сварке тонкого листа, то им пренебрегают и считают напряжения двухосными. В случае, когда малы и на­пряжения s_у, -напряжения считают одноосными. В цилиндрических оболочках ис­пользуется цилиндрическая система координат; ось X направле­на обычно вдоль оси оболочки.

В ряде случаев удобна полярная система координат, например при осесимметричном нагреве, выполнении круговых швов и др. Для компонентов напряжений и деформаций в радиальном на­правлении используют индекс r, а в окружном — индекс t.

Дилатометрические кривые

Общепринятым способом определения изменения линейных размеров тела является использование коэффициента a, о котором шла речь в предыдущем параграфе, Такой прием оправдан, когда температуры изменяются в относительно небольших пределах и можно пользоваться средним значением a, или когда a вообще меняется мало даже при широком изменении тем­ператур. В случае структурных превращений, сопровождающихся значительным изменением размеров частиц тела, использование только a_ср, как правило, недостаточно. Необходимо привлекать ди­латограммы металлов, снятые при конкретном, соответствующем рассматриваемому случаю изменении температуры во времени.

На рис. 4 представлены типичные дйлатограммы для аусте­нитной стали, не испытывающей структурных превращений в рас­сматриваемом диапазоне температур и для перлитной стали, име­ющей структурные превращения. В металлах, не испытывающих структурных превращений, изменение длины при нагреве и ох­лаждении происходит монотонно и дилатометрическая кривая, как правило, не изменяется при изменении скорости нагрева и охлаж­дения (рис. 4, а).

Рис. 4 Характерные дилатограммы сталей: a — аустенитной; б — перлитной

В сталях перлитного и мертенситного классов изменение дли­ны происходит немонотонно - расширение металла при нагреве прерывается его временным сокращением.

Рис. 5 Дилатограммы стали 15ХНЗМДА при различных скоростях охлаждения: I — 20-К/с; II— 170 К/с (ско­рость нагрева III в обоих случаях 350 К/с)

При охлаждении, нао­борот,— сокращение металла прерывается его удлинением в диа­пазоне температур структурного превращения. Причем изменение скорости охлаждения влияет на положение точек N и К начала Т_н и конца Т_к структурного превращения. Температуры начала и конца структурного превращения смещаются в область более низ­ких температур и тем больше, чем выше скорость охлаждения ме­тала (рис. 5).

В низкоуглеродистых сталях при реальных терми­ческих циклах дуговой и электрошлаковой сварки структурные превращения завершаются в области относительно высоких тем­ператур, обычно выше 870 К. В сталях с более высокой степенью легирования структурные превращения, как правило, заканчива­ются при температурах заметно ниже 870 К и оказывают нередко решающее влияние на величину и характер сварочных деформа­ций и напряжений.