УДК 624.21.014.2

 ВЛИЯНИЕ НЕОДНОРОДНОСТИ СТРУКТУРЫ МЕТАЛЛА НА   НАПРЯЖЁННОЕ СОСТОЯНИЕ В ЗОНЕ СВАРНОГО ШВА

 

Докт. техн. наук, профессор А.И.Шеин, канд. техн. наук, доцент В.В. Зернов

 ГБОУ ВПО «Пензенский государственный  университет

архитектуры и строительства»

 

В сварных соединениях металлоконструкций применяется сварка встык и угловыми (лобовыми и фланговыми) швами. Многие конструкции подвергаются действию переменных нагрузок, поэтому в зоне сварных швов необходимо стремиться к снижению концентрации напряжений, которая является одной из главных причин появления и развития усталостных трещин.

Известно, что стыковые соединения со снятым усилением шва и без обработки шва при переменном нагружении разрушаются в месте перехода от наплавленного к основному металлу. Следовательно, кроме концентрации напряжений от геометрической формы шва на границе сплавления в сварном соединении имеются особенности, обусловленные локальными металлургическими процессами при сварке и остывании сварных соединений. Действующие нормативные документы (ГОСТ 5264 – 80*. Ручная дуговая сварка. Соединения сварные; ГОСТ 8713 – 79. Сварка под флюсом. Соединения сварные; ГОСТ 14771 – 76*. Дуговая сварка в защитном газе. Соединения сварные) регламентируют  углы предварительной разделки кромок, зазор между стыкуемыми кромками, притупление кромок, длину скоса листа при наличии разности толщин металла, смещение кромок относительно друг друга, то есть геометрическая форма сварного соединения. Конечная форма шва после сплавления с основным металлом не регламентируется.

Сварные соединения можно отнести к составным телам, в которых к поверхности контакта (границе сплавления) с двух ее сторон примыкают околошовная зона и металл шва с различными механическими свойствами. Основанием для такого вывода является следующее:

1.      Сварка плавлением достигается путем локального расплавления металла свариваемых деталей и присадочного металла, а также смачивания твердого металла жидким. Расплавленный металл образует сварочную ванну. По мере удаления источника нагрева происходит затвердевание — кристаллизация металла сварочной ванны и формирование шва, соединяющего детали в одно целое. Переход металла сварочной ванны из жидкого состояния в твёрдое (первичная кристаллизация) заканчивается образованием столбчатых кристаллитов.

Металл шва при всех видах сварки плавлением имеет литую структуру с чётко выраженной направленностью кристаллитов. Такая структура особенно характерна для однослойных швов.

Первичная кристаллизация сварочной ванны при всех видах дуговой сварки начинается от частично оплавленных зерен основного металла, являющихся готовыми центрами кристаллизации. Видимая граница между основным металлом и металлом шва исчезает. Поверхность раздела между зернами основного металла и кристаллитами шва называют границей шва или границей сплавления.

2.      Столбчатые кристаллиты отличаются сравнительно крупными размерами и легко различимы при изучении макроструктуры. Так, при дуговой сварке их размер обычно равен 0,3 — 3 мм в поперечнике [1]. Рост кристаллитов происходит нормально к криволинейной поверхности раздела основного металла и металла сварочной ванны.

Разница в размерах и ориентации зёрен шва и околошовной зоны сварного соединения обусловливает различие их механических характеристик.

Соотношение между пределом текучести железа  и малоуглеродистой стали и средним размером зерна  установлено в работе [2] и имеет вид:

 

    .                       (1)

 

Параметры  и  для данного материала при данной температуре и данной скорости деформирования являются постоянными величинами.

3.      Модуль упругости для кристаллов феррита меняется от 135 ГПа в направлении перпендикулярном граням куба до 290 ГПа в направлении диагонали куба [3].

Таким образом, сварной шов представляет собой прослойку с меньшими механическими характеристиками по сравнению с околошовной зоной и основным металлом сварного соединения. Проведенный авторами металлографический анализ образцов металла из околошовной зоны и шва сварных соединений в заводских лабораториях г. Пензы показал, что диаметр зерна в шве в среднем в 2 раза больше, чем в околошовной зоне.

Усталостные трещины зарождаются из линий скольжения в объёме материала, соизмеримом с размером зерна металла. Как известно, материал, взятый в очень малом объёме, имеет неоднородную структуру. Поэтому для микрообъёма материала уравнения теории упругости, справедливые для однородного материала, собственно теряют свою силу. И если они оказываются применимыми для макрообъёма материала, то лишь вследствие того, что для достаточно большого объёма можно говорить уже о некоторой средней однородности его структуры (определяемые из опыта модули упругости являются такими осреднёнными характеристиками). С помощью теории упругости можно надёжно определить лишь общие деформации тела или усреднённые значения напряжений на макроплощадке в каком-либо сечении тела, но невозможно оценить действительные величины напряжений, имеющие место на микроплощадке. Действительное распределение напряжений по какой-либо микроплощадке оказывается в силу неоднородности материала крайне неравномерным, так как в связи с различной ориентацией зёрен по отношению к направлению усилия их модуль упругости в соответствующем направлении будет различным. Отдельные пики напряжений могут в несколько раз превышать усреднённое напряжение по площадке, определяемое обычными методами или методами теории упругости [4]. Ввиду этого даже при малых внешних нагрузках, в отдельных зёрнах или на границах зёрен металла могут возникать под действием пиков напряжений пластические деформации, которые являются причиной упругого гистерезиса в металле в обычной «упругой» области. Общая деформация материала образца является при этом в основном упругой; ей сопутствует небольшая обратимая пластическая деформация, которая может быть названа микропластической в отличие от макропластической необратимой деформации, которая имеет место при очень больших средних напряжениях, когда весь материал деформируется в основном пластически.

Следовательно, в предельном состоянии для микрообъёма материала и  можно считать:

 

;

; ;   ,                   (2)

где

Е1 и Е2 — модули деформаций  шва и околошовной зоны соответственно, Е2 >Е1;

v1 и v2 — коэффициенты поперечной деформации шва и околошовной зоны соответственно.

Представляя стыковое сварное соединение как составное тело,  и используя решения теории упругости для составного тела [5], проанализировано напряжённое состояние на границе контакта основного металла и металла шва. Схема стыкового соединения представлена  на рис. 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1. Схема сварного стыкового соединения:

Е2 >Е1

 

 

 Для стыкового соединения со снятым усилением шва  (гладкая поверхность составного тела), после преобразования уравнение, характеризующее напряжённое состояние соединения (3) в виде:

 

     (3)

 

В формуле (3) угол  принадлежит материалу, имеющему меньшие механические характеристики,  - материалу с бόльшими механическими характеристиками в составном теле (рис. 1),

где

при плоской деформации:

,

при плоском напряженном состоянии:

.

Коэффициент  в обоих случаях один и тот же:

<1  ,

где

Ei, Gi, vi – модули упругости, сдвига и коэффициенты поперечных деформаций соединяемых материалов.

<1  ,

  .

 

 

Наименьшее положительное значение корня уравнения (3) находится приравниванием к нулю каждого из сомножителей:

 

 

1.                  ,   ,

откуда , если < и <   ;  (4)

2.                    ,

откуда , если >   ;

3.                  , если < <   .

Примечание: в третьем случае значение предельного угла не зависит от механических характеристик и равно π/2.

 

Анализ корней (4) показывает, что малейшее отклонение механических характеристик материалов при любой заранее выбранной геометрии поверхности контакта может привести к появлению сильной концентрации напряжений.

Наименьшим положительным корнем (4), при котором концентрация напряжения будет минимальной:

 

  .

 

Для плоской деформации в предельном состоянии имеем:

 

  ,                                    (5)

где

 , , .

 

 

Следовательно, предельный угол, при котором на границе сплавления в сварных соединениях концентрация напряжений минимальна, определяется только коэффициентом Пуассона. В предельном случае, при :

 

  .                           (6)

 

Таким образом, для снижения концентрации напряжений, обусловленной неравномерностью свойств основного металла и металла шва, необходимо чтобы угол наклона между касательной к шву в угловой точке на границе сплавления и поверхностью соединения после сварки составлял не более 45° [6]. В готовом изделии этот угол не контролируется, особенно при сварке тонколистовых элементов. 

С этих позиций можно объяснить результаты усталостных испытаний образцов с одинаковой предварительной разделкой кромок свариваемых элементов [7].

В процессе сварки расплавленный металл сварочной ванны оплавляет края соединяемых элементов и нарушает предварительную разделку кромок свариваемых элементов  как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения угла между касательной к шву и основным металлом в точке на линии сплавления. Это приводит к тому, что в одних образцах случайно угол α оказывается не более 45° , а в других - больше 45°(рис. 2).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2. Оплавление кромок в процессе сварки:

 

αп - угол предварительной разделки кромок;α - угол после сварки

Поэтому для одинаковых образцов с одинаковой предварительной разделкой кромок наблюдался разброс результатов усталостных испытаний.

Обеспечивая заданную геометрию сварного шва, например, оплавлением границы перехода неплавящимся электродом, можно уменьшить влияние неравномерности свойств в зоне термического влияния на прочность сварных соединений, в которых сварной шов представляет собой прослойку с меньшей прочностью и модулем упругости по сравнению с околошовной зоной и основным металлом сварного соединения.

 

Л И Т Е Р А Т У Р А

 

1.      Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением / Под ред. Патона Б.Е. – М.: Машиностроение, 1974. – 768 с.

 

2.      Hall E.O. Deformation and ageing of mild steel / E.O. Hall // Proc. Phys. Soc. – London, 1951, Ser. – V. B64. – № 1 – P. 747-753.

3.      Одинг И.А. Допускаемые напряжения в машиностроении и циклическая прочность металлов / И.А. Одинг. – М.: Машгиз, 1962. – 260 с.

4.      Стрелецкий Н.С. Работа стали в строительных конструкциях: Материалы к курсу стальных конструкций / Н.С. Стрелецкий. – М.: Гос. изд-во литературы по стр-ву и архитектуре, 1956. –    №. 1. – 324 с.

5.      Чобанян К.С., Геворкян С.Х. Поведение поля напряжений около угловой точки линии раздела в задаче плоской деформации составного упругого тела / К.С. Чобанян, С.Х. Геворкян // Изв. АН Арм. ССР. – 1971. – Т.ХХIУ. – № 5. – С. 16-24.

6.      Зернов В.В. Конструкции сварных стыков плоских и гофрированных пластин, подверженные действию циклических нагрузок / В.В. Зернов. – Ленингр. инж.-строит. ин-т. – Л., 1981. – 8 с.

7.      Мюнзе В.Х. Усталостная прочность стальных сварных конструкций [текст]: пер. с англ. / В.Х. Мюнзе. – М.: Машиностроение, 1968. – 311 с.

…………………………………………………………………………………