Теоретические и экспериментальные методы определения сварочных деформаций и напряжений. Основные понятия и определения

Глава I. ОБРАЗОВАНИЕ СВАРОЧНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ И НАПРЯЖЕНИЙ.

Сварка сопровождается, как правило, неравномерным нагревом тела. Расширение металла в зонах разогрева приводит к упругим и пластическим деформациям и, как следствие, к возникновению напряжений. В работе [I] рассмотрены схемы образования упругопластических деформаций и напряжений при равномерном нагреве защемленного стержня, а такие в процессе нагрева кромки пластины движущимся источником тепла. Эти схемы являются наглядной иллюстрацией механизма образования сварочных деформаций и напряжений.

§ I. Основные понятия и определения

При неравномерном нагреве тела возникают температурные собственные напряжения, существующие в нем при отсутствии внешних сил. Температурные напряжения, возникающие в процессе сварки вследствие неравномерного нагрева, носят название временных. Временные напряжения существуют в теле во время нагрева, выравнивания температур и во время охлаждения.

При сварке происходят не только упругие, но и пластические деформации, вызванные неравномерным нагревом и изменением объема металла вследствие температурного расширения, фазовых или структурных превращений. В результате пластических деформаций в сварных элементах после полного охлаждения появляются остаточные напряжения, которые сохраняются продолжительное время.

Собственные напряжения, как временные, так и остаточные, независимо от характера распределения в теле всегда уравновешены. В зависимости от объема взаимного уравновешивания напряжения подразделяются на:

1) напряжения 1-го рода, уравновешенные в макрообъемах, т.е. в элементах конструкции или в объеме сварной конструкции в целом;

2) напряжения 2-го рода, уравновешенные в объемах одного или нескольких зерен;

3) напряжения 3-го рода, уравновешенные в объемах, соизмеримых с размером кристаллической решетки.

Изменение формы и размеров конструкции вызывается действием напряжений 1-го рода, и именно их изучению в основном посвящен данный курс. Напряжения 2-го и 3-го рода изучены существенно меньше и в данном курсе не рассматриваются.

Собственные напряжения в зависимости от направления действия подразделяются (по аналогии с сопротивлением материалов) на:

1) одноосные, или линейные, если они действуют лишь по одному направлению в теле;

2) двухосные, или плоскостные, если они действуют по направлениям в плоскости;

3) трехосные, или объемные, если они действуют по всем направлениям в пространстве.

В зависимости от формы и размеров свариваемых элементов в различных сварных конструкциях могут возникать одноосные, двухосные или трехосные напряжения.

Компоненты напряжений обозначаются в соответствии с расположением осей координат. Общепринятая схема расположения координатных осей в сварных соединениях показана на рис, I.I.

            Соответственно этому обозначаются:

нормальные напряжения

                             – продольные соединения,

                             – поперечные напряжения,

                          – напряжения по толщине

                                 сварочного соединения;

                                                                        касательные напряжения

                           – действующие в плоскости                                                                                  ХОZ,

                       – в плоскости YOX,

                      - в плоскости ZOY

Наряду с возникновением напряжений при сварке также, образуются деформации. Сварочные деформации (нормальные компоненты , , и сдвиговые , , ) в общем случае определяют изменение размеров тела (линейных и угловых) и характеризуют состояние отдельных объемов тела.

Возникающие при сварке деформации связаны с неравномерным нагревом и структурными превращениями, упругим и пластическим деформированием. В связи с этим различают следующие составляющие сварочных деформаций:

I. Температурная деформация и деформация, вызванная структурными