Для сварных соединений с неоднородным полем начальных собст­венных напряжений и неоднородными механическими свойствами изменение напряженного состояния имеет много специфического по сравнению с традиционными примерами, рассматриваемыми в теории ползучести.

Целесообразно выделить три типичных случая эволюции напря­женно-деформированного состояния, связанных с высокими темпера­турами.

1. Образование сварочных напряжений в процессе получения сварного соединения. Эти вопросы достаточно подробно освещены в монографии [34].

2. Изменение поля напряжений в условиях относительно кратко­временных изменений температурного состояния, например при отпуске или при нагреве и охлаждении в случае термической обработки. Здесь существенными являются два фактора;

а) переменность температуры, что не позволяет использозовать аппарат, разработанный для постоянных температур;

б) заметное влияние стадии неустановившегося процесса ползу­чести на изменение напряжений.

3. Изменение напряженно-деформированного состояния во време­ни при длительных выдержках в условиях постоянной температуры при существенной неоднородности механических свойств сварных соедине­ний или при существенной неоднородности деформированного состоя­ния в случае подрастания трещины.

В §5.4 изложены принципиальные положения и рекомендации о способах определения напряженного состояния при переменных темпе­ратурах с учетом ползучести и релаксации. Эти положения метут быть использованы не только для определения напряженного состояния при сварке, но также для расчета и анализа напряженных состояний, возникающих и изменяющихся в процессе термической обработки, когда имеются только собственные напряжения. Эти положения пол­ностью применимы и для условий эксплуатации при высоких темпе­ратурах, когда действуют не только собственные, но и рабочие напря­жения.

Отметим некоторые закономерности в напряженно-деформирован­ных состояниях при высоких температурах для нескольких типичных случаев.

Общий отпуск для снижения напряжений в однородных по свойствам деталях. Коэффициенты линейного расширения всех точек тела считаем одинаковыми. Полагаем, что нагрев выполняется достаточно медленно без образования временных температурных напряжений. Механические свойства различных участков сварных соединений одинаковы.

Начальные поля остаточных напряжений в телах различной формы могут сильно отличаться между собой как по уровню напряжений, так и по соотношению между эквивалентным напряжением а, и средним напряжением оср. Релаксация напряжений за счет превращения упругой деформации в пластическую может происходить только в отношении той части напряжений, которая зависит от сг Составляющие напряже­ний, зависящие от а, могут понижаться только от перераспределения напряжений из-за нарушения равновесия в объемах, где протекала пластическая деформация. Это означает, что объемы с преобладанием средних напряжений над а, имеют некоторую консервативность, выра­жающуюся в том, что напряжения в них понижаются только после протекания пластических деформаций в других зонах, где а, велико. Такая особенность приводит к тому, что характер изменения напря­жений во времени во всех точках тела одинаков, а степень снижения напряжений разная [25]. По этой причине, как следует из данных на рис. 12.3.1, одноосные напряжения снижают свой уровень примерно так же, как и в случае чистого сдвига. Двухосное растяжение при плоской схеме напряжений мало чем отличается в отношении степени пониже­ния напряжений от сдвига. Наибольшей консервативностью отмечены равновесные поля с тремя равными компонентами напряжений. Такие поля возникают в сплошных шарах при термической обработке.

Практически важным выводом является то, что время выдержки мало влияет на снижение напряжений. В первые 1-2 часа после достижения температуры отпуска снижение напряжений продолжается достаточно эффективно. В дальнейшем выдержка в отношении пони­жения уровня остаточных напряжений не оправдана. Рассмотрим

степень эффективности выдержки на различных ее этапах, используя формулу

(12.3.1) где оов — напряжение после окончания стадии нагрева в начале выдержки; ot — напряжение в процессе выдержки; t — время после начала выдержки, мин; t0 = 10 мин; Р — показатель степени, который для многих сталей имеет значения от -0,06 до -0,18.

Преобразовав выражение (12.3,1), получим

(12.3.2)

Если воспользоваться некоторым средним значением р около — 0,125, то получим, что за первые 3 ч (180 мин) выдержки напряжения дополнительно понизятся в 1,44 раза. Чтобы напряжения оов понизи­лись, например, в 2 раза (аов/ ot — 2), необходимо в соответствии с формулой (12.3.2) t = 42 ч. Период выдержки после выравнивания температур по ОСТ 24.023.26-84 назначен из условия экономичности Процесса отпуска продолжительностью 3 ч. Дальнейшая выдержка экономически не оправдана. Если действительно требуется высокая степень снижения собственных напряжений, то лучше повысить темпе­ратуру отпуска.

Изменение напряжений-и деформаций в неоднородных по свойствам Деталях в процессе вылеживания или термообработки. Этот случай привлекает большое внимание в связи с возможностью появления трещин от собственных напряжений. Для реализации механизма образо­
вания трещин этого вида [97] привлекают простейшие модели в виде растянутого стержня с различными сечениями по длине (рис.12.3.2,а) или стержня нагруженного растянутой пружиной (рис. 12.3.2,6). Отличие этих моделей (рис. 12.3.2,а, б) от традиционных (рис.12.3.2,е, г) в том, что сила Р = var и система обладает ограниченной накопленной энергией. Работа, которая может’быть совершена, лимитирована накопленной энергией, а следовательно, лимитировано и значение пластической деформации ползучести, возникающее в испытываемом участке образца.

Такие модели применяют для объяснения механизма образования холодных трещин в процессе вылеживания сваренной детали, к которой никаких внешних сил не приложено. Основная мысль в этих опытах состоит в том, что на разрушение расходуется энергия, накопленная во всей детали, а не только в той ее части, которая может разрушиться. Точно такая же интерпретация используется и в отношении разру­шений, возникающих при нагреве и выдержке во время термической обработки.

При образовании холодных трещин, например в околошовной зоне стыкового соединения, ползучесть металла происходит только в зоне закалки, которая невелика по сравнению с размерами соседних участ­ков. Поэтому релаксация напряжений вследствие пластических дефор­маций в закаленной зоне сравнительно мала и возможность появления холодных трещин определяется в первую очередь уровнем возникших напряжений.

При термической обработке сварных деталей ползучесть металла возникает как в процессе нагрева, так и в процессе выдержки; причем пластические деформации развиваются не только в зоне сварных соединений, которая подвержена образованию трещин термической обработки (ТТО), но и в соседних участках. Вследствие этого диссипа­ция упругой энергии идет более интенсивно и возможность образования трещин уменьшается. В опытах [25] получено, что релаксация напряже­ний от одинакового начального уровня происходит несколько быстрее в металле, прошедшем термический цикл сварки, по сравнению с металлом того же химического состава, но в состоянии отжига.

Рис.12.3.2. Модели нагружения металла в сварных соединениях

С другой стороны, известно [98], что металл мягких прослоек обладает меньшей длительной прочностью и меньшим сопротивлением ползучести, чем основной металл. Из сказанного можно сделать вывод, что в процессе нагрева и выдержки при термической обработке проис­ходят сложные процессы перераспределения напряжений, в отличие от случая образования холодных трещин, при котором собственные напряжения более стабильны. При термической обработке в случаях наличия узких прослоек в процессе ползучести возникает сложное напряженное состояние. Правильной моделью для расчетов напря­женно-деформированного состояния, например, в стыковых швах является модель плоского деформированного состояния с одинаковой деформацией ех вдоль шва во всех точках поперечного сечения. При этом в процессе релаксации деформация ех может изменяться во времени в соответствии с требованием уравновешенности сил по оси ох. Для кольцевых швов (перпендикулярно их плоскости) задача может быть представлена как осесимметричная.

Решение должно учитывать ползучесть и релаксацию напряжений на неустановившейся стадии (см. §5.4).

Для оценки релаксации напряжений при постоянных деформациях существенным является падение напряжений на неустановившейся ста­дии, которая реализуется во время нагрева до температуры испытания.

Представденные в [25] данные показывают, что скорость нагрева слабо влияет на степень снижения напряжений и зависит в основном от достигнутой температуры. Напряжения на стадии нагрева снижаются почти прямо пропорционально своему начальному уровню [25, 71], причем это пропорциональное снижение напряжений лишь в небольшой степени определяется падением модуля упругости с ростом температуры.

Представляют интерес данные по релаксации напряжений, полу­ченные на крупных образцах из стали 10ХСНД сечением до 100 см2.

Определение релаксации напряжений производилось после дли­тельных выдержек при Т = 380 °С. Продолжительность выдержек t, начальные напряжения о0 и конечные ст, по окончании выдержек приведены в табл. 12.3.1.

Таблица 12.3.1

Релаксация остаточных напряжений в процессе нагрева и

выдержки

t, Ч

3000

6000

11500

14500

с0, МПа

317

309

314

312

ср МПа

126

114

108

105

Начальные напряжения о0 были несколько Шцке предела текучести при 380 ‘С. Падение напряжений на стадии нагрела произошло до 0,73 от начального уровня. На этой же марке стали горячекатаной поставки опыты, проведенные на трубчатых тонкостенных образцах при кручении ■ (рис. 5.4.1), показали примерно такое же снижение напряжений при

нагреве до 380 °С.

Результаты, представленные в табл. 12.3.1, позволяют описать для стадии длительной выдержки как процесс простой релаксации, так и зависимость скорости ползучести от напряжения и получить значение Р = -0,106 в формуле (12.3.1) для простой релаксации, т. е.

/ ул Об

°/ = 0,73 о0 С1 + —— . (12.3.3)

‘ ‘о ‘

Для скорости пластической деформации §, і/Чг при Т = 380 °С получена зависимость

/ о 8-6

§ = 0,32 ■ 10 * I ——————- ) , (12.3.4)

‘ 100 /

где о( — текущее значение напряжения, МПа.