Свойства металлов при температурах сварочного цикла

Термодеформационные процессы заключаются в упругопластическом деформировании при неравномерном нагреве в процессе сварки и возникновения в результате полей внутренних напряжений и деформаций. Частным случаем внутренних напряжений являются остаточные напряжения , имеющие место при полном остывании тела, подвергнутого термическому циклу.

Внутренние и, в частности, остаточные напряжения являются основными причинами зарождения и распространения трещин при сварке. Деформации, возникшие в результате сварочного нагрева, могут существенно исказить первоначальную форму сварного соединения. Для расчета термических напряжений и деформаций необходимы следующие сведения о механических свойствах металлов и их зависимости от температуры:

1. Модуль нормальной упругости (модуль Юнга) – Е.

2. Коэффициент линейного расширения ¾ a.

3. Предел текучести ¾ s_S .

4. Модуль упрочнения ¾ Е_t .

5. Коэффициент Пуассона ¾ m .

s

Рассмотрим диаграмму деформация - напряжение реального металла при постоянной температуре

При нагружении образца данной деформации e соответствует напряжение s . При упругих деформациях они связаны по закону Гука

s = Еe ; Е=tg b .

Отметим, что при упругих деформациях снятие нагрузки приводит тело в первоначальное состояние без остаточных деформаций. При достижении напряжений в образце некоторой критической величины предела пропорциональности s_пр (точка А на кривой s¾e ) происходит отклонение от закона Гука, причем Ds/De<Е . Если снять нагрузку в точке В, то разгрузка образца пойдет не по первоначальному пути ОАВ, а, согласно закону Гука, по прямой ВО₁úú ОА . При полной разгрузке остается пластическая деформация, соответствующая отрезку ОО₁ . При повторном нагружении упругое деформирование пойдет по прямой О₁В и предел пропорциональности будет соответствовать точке В, причем s_А>s_В .Этот эффект называется упрочнением за счет пластической деформации или наклепом. Способность материала сопротивляться пластическому деформированию оценивается величиной s_0,2 , т.е. величиной напряжения, после снятия которого пластическая деформация составит 0,2 %.

s

Рассмотрим идеализированную диаграмму деформирования

При достижении предела пропорциональности диаграмма имеет перелом и идет под углом bt , причем tg bt = Еt – модуль упрочнения. Для многих пластичных материалов, в т.ч. низкоуглеродистых сталей, на диаграмме e¾s имеется площадка текучести вплоть до деформации 3-4 % . В этом случае Еt=0, s_пр = s_S (предел текучести).

Модуль упругости и предел текучести зависят от температуры. Модуль упругости для сталей одного структурного класса практически не зависит от марки стали.

		Т,°С

Более чувствителен к изменению температуры предел текучести.

В ряде случаев для материалов с протяженной площадкой текучести типа низкоуглеродистых сталей для упрощения расчетов используют схематизированную зависимость s_S(T)

s_S(T) =s_S(0) при Т < 600°C

s_S(T) = 0 при Т > 600°C

Нагрев и охлаждение вызывают изменение линейных размеров тела. Эта зависимость выражается через функцию свободных линейных изменений размеров при термическом воздействии и структурными или фазовыми превращениями. Эта функция называется коэффициентом линейного расширения.

Температурную зависимость a(Т) можно определить дилатометрическими измерениями. Образец подвергается запрограммированному нагреву и охлаждению, имитирующему термический цикл сварки. С помощью записывающих устройств записываются деформации свободно закрепленного образца в зависимости от температуры. Текущее значение a(Т) определяется тангенсом угла наклепа кривой при заданной температуре

Т

a(Т) = De/DT

Дилатограммы сталей, не претерпевающих фазовых превращений, имеют монотонный характер.

Для сталей, претерпевающих мартенситные превращения, на дилатограмме имеются изломы, где a(Т) может приобретать отрицательные значения. Параметры дилатограммы зависят от скорости охлаждения.

Для точных расчетов дилатограмма разбивается на интервалы 20...30⁰С.