Мягкие и твердые прослойки в сварных соединениях

Сварное стыковое соединение в поперечном сечении имеет неско-лько участков, которые могут существенным образом различаться между собой по механическим свойствам (рис. 6.1).

Рисунок 6.1 – Стыковое сварное соединение

Это сам шов 1, околошовная зона 2, материал которой в некоторых сталях претерпевает структурные преобразования и может иметь повы-шенную или пониженную твердость и прочность; зона высокого отпуска 3, прочность и твердость материала которой в термически обработанных сталях снижены в результате нагрева при сварке. Зона 4, нагревающаяся до более низких температур и материал которой по-разному изменяет свои свойства в зависимости от марки стали или сплава и предшествующей тер-мической обработки.

Расхождение механических свойств металла в разных участках, соиз-меримых с размерами сварного соединения, главным образом с толщиной свариваемых элементов, называется механической неоднородностью.

При установившемся режиме сварки ширина зон и их механические свойства мало изменяются по длине сварного соединения, поэтому обычно рассматривается неоднородность свойств и чередование зон в поперечном сечении сварного соединения. Различают мягкие и твердые прослойки (рис. 6.2).

При сварке термически обработанных сталей (рис.6.2,а) шов и око-лошовная зона, нагретые до температуры Ас₃, в процессе охлаждения за-каливаются и имеют более высокую твердость и прочность, чем основной металл. Этот участок называют твердой прослойкой. Рядом с ней по обе стороны находятся участки высокоотпущенного металла, которые относи-тельно основного металла и твердой прослойки имеют пониженный пре-дел текучести. Эти зоны образовывают две мягкие прослойки.

А б

Рисунок 6.2 – Твердые и мягкие прослойки в сварных соединениях

Если термически обработанная сталь сваривается аустенитным швом (рис.6.2,б), то возникает сложное соединение зон мягкого аустенитного шва, двух твердых и двух мягких прослоек. Деление прослоек на мягкие и твердые зависит от отношения предела текучести металла прослойки к пределу текучести основного металла или примыкающего к прослойке металла. Если отношение пределов текучести прослойки и соседнего участка больше единицы, то прослойка будет твердой, в противополож-ном случае – мягкой.

6.2 Напряженное состояние и прочность мягкой прослойки

при растяжении, изгибе

Необходимость изучения прослоек объясняется тем, что механичес-кие свойства сварных соединений, такие, как прочность, деформационная способность, энергоемкость при разрушении, а также место и характер разрушения, зависят от степени и топографии механической неоднородно-сти.

Механические свойства образца, вырезанного из мягкой прослойки и имеющего низкую прочность, еще не свидетельствуют о том, что сварное соединение в целом имеет такие же свойства. Взаимодействие отдельных зон соединения протекает сложным способом, а прочность сварного сое -динения, как правило, не совпадает с прочностью какой-нибудь прослойки.

Рассмотрим случай, когда растягивающая сила направлена вдоль шва и все прослойки получают одинаковые деформации (рис.6.3) .

Рисунок 6.3 – Прочность элемента с продольным стыковым швом

В случае продольного растяжения стыкового шва можно предполо-жить, что плоские сечения сохраняются, а зоны мягкого металла М, более твердой подкаленной зоны термического влияния СТ и твердого основного металла Т(рис.6.3,а,б) имеют одинаковые деформации (рис.6.3,.в). Из диаг-раммы растяжения σ-ε вытекает, что наблюдается определенный рост ус-ловных напряжений в наиболее твердом металле (СТ) вплоть до уровня временного сопротивления σ_в. Таким образом, при расположении шва вдоль растягивающего усилия пониженная деформационная способность одной из зон сварного соединения может снизить максимально возмож-ную прочность в сравнении с элементом без швов.

Деформационная способность соединения и его несущая способ- ность ограничены пластичностью металла наименее пластичной прослой-ки. Точки А₁, А₂, А₃ соответствуют разрушению образца, которое насту-пит при ε = ε_А2 (рис.6.4) . При этом напряжение σ₃ в основном металле, σ₁ в шве и σ₂ в твердой прослойке будут сильно отличаться.

1 – шов;

2 – околошовная зона (твердая прослойка);

3 – основной металл

Рисунок 6.4 – Диаграмма зависимости напряжения σ от деформации

для разных зон сварного соединения при растяжении

вдоль шва

Продольная растягивающая сила воспринимается преимущественно участком основного металла, так как его площадь намного превосходит и площадь поперечного сечения шва, и площадь твердой прослойки. И хотя уровень напряжений σ₂ в твердой прослойке будет велик, средние напря-жения будут близки к σ₃, которые существенным образом ниже разруша-ющих напряжений в точке А₃. Это означает, что прочность сварного сое-динения с твердой прослойкой, нагруженного вдоль шва, окажется ниже, чем прочность такого же элемента из основного металла, так как разру-шение в последнем случае состоится при напряжениях, близких к σ₃<σ_А3. Отрицательное влияние твердой прослойки сказывается сильнее, если по длине соединения встречаются резкие изменения сечения шва, вызываю-щие концентрацию напряжений, или еще хуже – поперечные трещины или другие дефекты в твердой прослойке.

При действии силы вдоль шва наличие малопрочных мягких прос-лоек практически не влияет на общую несущую способность нагруженно-го элемента, так как площадь прослоек невелика.

При поперечном расположении шва относительно растягивающей силы (рис.6.5) влияние неоднородности механических свойств обнаружи-вается иначе [8].

Рисунок 6.5 – Схема расположения шва поперек

растягивающего усилия

Из-за различия значений коэффициента Пуассона в упругой и плас-тической областях участки более прочного металла, работающие в упругой области, препятствуют развитию пластических деформаций в соседней мягкой прослойке. Стесненность деформаций мягкой прослойки предопре- деляет появление объемного напряженного состояния и повышение сопро-тивления развитию в ней пластических деформаций. В результате возни-кает эффект “контактного упрочнения” мягкой прослойки, который зави сит от относительной толщины прослойки , где h – ширина мяг-- кой прослойки; d-толщина металла, и формы поперечного сечения эле-мента.

Принимая, что материалы мягкой прослойки М и основного металла Т идеально упругопластичны и их пределы текучести находятся в со-отношении s_т^м < s_т, были получаем решения о наступлении текучести прослойки в составе сварного соединения в зависимости от размера прос-лойки, формы поперечного сечения и значения s_т^м в виде

s^/_т = s_т^М Кc, (6.1)

где s^/_т – предел текучести сварного соединения;

Кc – коэффициент контактного упрочнения.

Оценка прочности реального сварного соединения, учитывающая уп-рочнение мягкой прослойки в результате пластической деформации, осу-ществляется подстановкой в эту формулу предела прочности s_в^м вместо s_т^м_.

На рисунке 6.6 показана зависимость максимально возможной прочности сварного соединения с мягкой прослойкой от ее относительной толщины c для элементов с разной степенью компактности сечения в со-ответствии с выражением s^/_В = s_в^М Кc . (6.2)

Рисунок 6.6 - Зависимость максимально возможной прочности стыкового соединения от относительной толщины мягкой

прослойки c и формы поперечного сечения

Из рисунка 6.6 видно, что с уменьшением относительной толщины мягкой прослойки c эффект контактного упрочнения усиливается и при некотором ее значении обеспечивается возможность достижения прочнос-ти основного металла. Однако достижение полного упрочнения усложня-ется тем, что схема напряженного состояния участков твердого металла вблизи прослойки оказывается значительно более мягкой по сравнению с трехосным растяжением мягкой прослойки и они вступают в пластичес-кую деформацию, в то время как вдали от прослойки металл работает еще упруго. Такое смягчение металла в приконтактной области уменьшает сдерживание деформаций мягкой прослойки, ослабляя эффект упрочне-ния. В этом случае контактное упрочнение реализуется не полностью, по- этому в выражение (6.2) вводится коэффициент реализации контактного упрочнения Кр 1:

σ^/_в = σ_в^м К К_р. (6.3)