Механическая неоднородность сварных соединений

Одним из источников возникновения концентрации напряжений в сварных швах является механическая неоднородность сварных швов. Сварное соединение в поперечном сечении имеет несколько участков, различных по механическим свойствам . Это сам шов 1 , зона термического влияния 2,

Рис.

материал которой у ряда сталей претерпевает структурные превращения имеет новые прочность и твердость, зона высокого отпуска 3 - в которой у термообработанных сталей прочность и твердость понижены в результате нагрева , и зона основного металла 4 с неизменными свойствами. Зоны , где металл обладает пониженным пределом текучести по отношению к пределу текучести соседнего металла называются мягкими прослойками.

Рис.

Рисунок

Так при сварке наклепанных сталей, упрочненных холодной прокаткой, а также аустенитных сталей и алюминиевых сплавов, нагрев до высоких температур снимает наклеп, достигнутый холодной прокаткой. Твердость шва и зоны термического влияния приближается к твердости отожженного металла. При сварке термообработанных сталей шов и ЗТВ в процессе охлаждения закаливаются и имеют более высокую твердость и прочность чем основной металл. Этот участок называется твердой прослойкой. Рядом находится участок высоко отпущенного металла, который по отношению к основному металлу и твердой прослойке имеет пониженный предел текучести . Эта зона образует две мягкие прослойки.

Рассмотрим работу шва при растяжении. В упругой стадии нагружения мягкая прослойка и соседние с ней участки деформируются однородно, и при достижении предела текучести материала мягкой прослойки в ней возникает пластическая деформация, а соседние участки остаются в упругом состоянии. При дальнейшем повышении нагрузки и деформации у прослойки увеличивается коэффициент поперечной деформации m и стремится к 0,5, а в упругой стадии 0,3. Из-за неодинаковой поперечной деформации возникают касательные напряжения на границах раздела, которые препятствуют сужению прослойки. Причем чем уже относительная толщина прослойки, т.е. отношение h/s , тем меньшее поперечное сужение она получает к моменту разрушения. В более узких прослойках площадь утоненного поперечного сечения прослойки к моменту разрушения будет больше, а следовательно и больше разрушающая сила. В этом заключается эффект контактного упрочнения, т.е повышения несущей способности. Чем прочнее соседние зоны,

Рис.

тем больше эффект контактного упрочнения. Твердые прослойки, находящиеся рядом с мягкими, усиливают этот эффект. Мягкие прослойки могут образовываться не только в зонах термического влияния. При сварке толстостенных изделий мягкие прослойки образуются в толще самих швов. Наличие мягких прослоек в шве может повысить его несущую способность за счет образования в них пластической деформации и перераспределения поля напряжений.

Рис.

Твердые прослойки сварных швов оказывают отрицательное влияние на прочность сварных соединений. Рассмотрим сварное соединение с твердой прослойкой в ЗТВ, как показано на рисунке. Разрушение соединения произойдет при упругой деформации e₂, что соответствует напряжениям s₁, которые значительно ниже чем уровень напряжений в основном металле.

Твердые и мягкие прослойки снижают прочность кольцевых швов сосудов давления.

Рис.

Еще одним видом неоднородности механических свойств является анизотропия в направлении толщины. Анизотропия возникает обычно при прокатке. Прочность, пластичность и ударная вязкость, как правило, выше у образцов вырезанных вдоль проката. Особенно низкие механические свойства вдоль толщины. При наличии расслоений пластичность равна нулю - во время сварки или термической резки могут появиться трещины. При проектировании сварных конструкций, передающих растягивающие усилия по толщине, следует проявлять осторожность и допускать нагрузки, лишь в случае полной уверенности, что материал не склонен к расслоениям, а механические свойства в направлении толщины соответствуют уровню, предусмотренному техническими требованиями.