Виникнення напружень та деформацій у зварних швах

В металі шва зварних з'єднань можлива поява напружень двох родів: робочих та з'єднувальних. Щоб пояснити відмінність між ними, розгляне­мо кілька прикладів.

На рис., а зображені дві смуги, які з'єднані стиковим швом. Смуги навантаженні зусиллям розтягування. Очевидно, що в разі руйнування шва зруйнується і вся конструкція. Тобто, зварні з'єднання, руйнування яких призводить до руйнування конструкції, називаються робочими, а напруження, які діють в цих з'єднання (швах), - робочими напруженнями.

Рис. Робочі і З'єднувальні зварні з'єднання

Зовсім інакше поводить себе метал шва у випадку навантаження двох смуг, як показано на рис. В цьому випадку руйнування шва не приз­веде до руйнування усієї конструкції, оскільки зварний шов не передає зусилля від однієї смуги до іншої. Такі з'єднання називають з'єднувальними.

Розрахунку на міцність підлягають тільки робочі зварні з'єднання.

Для визначення напружено-деформованого стану металу, кінетики роз­витку пружнопластичного деформування і оцінки умов досягнення його гра­ничного стану при циклічному навантаженні використовують діаграму цик­лічного деформування. На рис. наведена схема такої діаграми для знакозмінного навантаження. Ділянка О А діаграми відображає пружноплас-тичне деформування металу до заданого програмою випробування нап­руженням σ₀ > межі текучості σ_0,2 (точка А). В точці А починається розван­таження і має місце пружне деформування до напруження σ¹_0,2 (межа текучості при стисканні). При досягненні напружень σ¹₀ (точка С) почина­ється пружне розвантаження в області стискання до точки В. Ділянка діа­грами АВС відповідає першому півциклу навантаження, а ділянка СD -початку другого півциклу. Діаграма ОАВСD в цілому - це діаграма циклічного деформування за перший цикл навантаження. Відрізок ВD -циклічна пластична деформація за перший півцикл, а відрізок ОD = Δ е, накопичена в першому циклі одностороння пластична деформація, з реалі­зацією якої під час великої кількості циклів пов'язують руйнування внаслідок втоми, тобто як результат вичерпання пластичних властивостей металу.

Найчастіше руйнування внаслідок втоми зароджується в мікро- або макрооб^ємах, де в процесі циклічного навантаження має місце пружно-пластична деформація металу (в окремих зернах з високою пластичністю, наприклад в зернах фериту, в зонах концентрації напружень та інш.). Втома матеріалів і зварних з'єднань - процес багатостадійний. Він починається з поступового нагромадження необоротних фізико-механічних змін у матеріалі, що викликають утворення мікротріщин.

Рис Діаграма циклічного деформування при знакозмінному навантаженні

Потім деякі з них при своєму подальшому розвитку утворять макротріщину. Макротріщина на певній стадії свого поширення викликає повне руйнування виробу, елемента чи конструкції. Зовнішній вигляд руйнування внаслідок втоми також істотно відрізняється від розриву, що викликаний статичним навантаженням. Руйнування звичайно починається з поверхні металу і відбувається без видимої попередньої макропластичної деформації, сліди її виявляються лише в окремих зернах. За своєю раптовістю і небезпекою руйнування від втоми порівняне тільки з миттєвим крихким. У зламі від втоми виділяють три основні зони: чисто зони від втоми, яка характеризуються наявністю макро-і мікросмуг втоми, що спостерігаються в електронному мікроскопі; зону змішаного руйнування (як результат локальних руйнувань попереду тріщини), яка складається з крихких ділянок і смуг втоми, і зону доламування. На відміну від статичного руйнування виробу руйнування від втоми дуже чутливе до стану поверхні металу, концентрації напружень, залиш­кових напружень. Подряпини, тріщини, опіки від зварювальної дуги, коро­зійні ушкодження істотно змінюють опір утомі матеріалу. Різкі зміни пере­тину елемента, різного роду вирізи, отвори, переходи зварних швів на основний метал, дефекти металу швів - потенційні місця передчасного зародження тріщин від втоми.