Классификация напряжений и деформаций
В зависимости от причины возникновения собственные напряжения разделяют на:
- тепловые напряжения — появляются в следствии неравномерного распределения температуры во время сварки;
- структурные напряжения — появляются в следствии преобразования структуры во время нагревания выше критической температуры.
В зависимости от времени существования собственные напряжения бывают:
- временные — существуют при определенных фазовых преобразованиях и исчезают при охлаждении;
- остаточные — остаются даже после исчезновения причин их образования.
Зависимо от площади действия различают три вида напряжений:
- напряжения которые действуют в объемах конструкции;
- напряжения которые действуют в рамках зерен металла;
- напряжения которые существуют в кристаллической решетке металла.
По направлению действия напряжения и деформации бывают:
- продольные — вдоль оси сварочного шва;
- поперечные — направленны перпендикулярно оси шва.
По виду напряженного состояния напряжения бывают:
- линейные — действуют в одном направлении;
- плоскостные — действуют в двух направлениях;
- объемные — действуют в трех направлениях.
Напряжения также могут быть сдавливающими и растягивающими.
Деформацию называют общей если она изменяет размер всего изделия, и местной — если она изменяет часть изделия.
Деформации могут быть пластичными и упругими. Если конструкция восстанавливает свою форму и размер после сварки, то такая деформация называется упругой, а если не восстанавливается — пластичной.
Во время выполнения сварки конструкций возникают напряжения и деформации. Напряжение которое превышает границы текучести метала приводит к появлению пластических деформаций, которые изменяют размеры и форму конструкции. Напряжения превышающие границу прочности приводит к появлению в трещин.
Литология. Структурная геология
Кривая делится на три участка: аб — затухающей скорости ползучести; бв — установившейся (равномерной) скорости и вг — нарастающей скорости; последний участок заканчивается разрушением материала в точке г. Участок Оа представляет деформацию (в основном упругую) в момент нагружения. Участки аб, бв и вг, соответствующие пластической деформации, носят название первого, второго и третьего этапов ползучести. Объясняется ползучесть тем, что в ходе пластической деформации происходит упрочнение, вследствие чего дальнейшая пластическая деформация должна была бы прекратиться. Однако под действием повышенной температуры с течением времени происходит разупрочнение. На первом этапе упрочнение преобладает над разупрочнением.
В поликристаллических материалах это обусловливается тем, что напряжения в отдельных кристаллах каждого сечения тела, неодинаковые в момент нагружения, вследствие анизотропии, выравниваются по сечению в процессе пластической деформации. На втором этапе скорости упрочнения и разупрочнения становятся равными, и деформация протекает с приблизительно постоянной скоростью. На третьем этапе, часто начинающемся с образования уплотнения (шейки) в теле или с уменьшения живого сечения в связи с образованием трещин (первоначальное возникновение которых относится обычно еще ко второму этапу), напряжение в соответственных местах быстро увеличивается, что приводит к ускорению деформации и разрушению. Известно и другое объяснение процесса ползучести, когда она рассматривается как простое течение материала, вызываемое относительным перемещением атомов и молекул.
Релаксация и ползучесть по существу отражают один процесс, заключающийся в постепенном уменьшении интенсивности внутренних сил упругости, возникших в теле при приложении нагрузки в связи с развитием пластических деформаций, которое происходит достаточно медленно. Релаксация и ползучесть играют в геологической обстановке исключительно важную роль, обеспечивая возможность медленного развития в течение миллионов лет крупных пластических деформаций в земной коре под воздействием не слишком больших усилий.
Способность тела деформироваться при его определенных механических свойствах, зависит от ряда условий. Такими условиями в первую очередь являются: характер внешних сил, температура, растворы, всестороннее (гидростатическое) давление, скорость деформации.
Характер внешних сил определяет соотношение касательных и нормальных напряжений, знаки последних. В частности, для пластической деформации сжимающие силы более выгодны, чем растягивающие (сжимаемое тело менее хрупко, чем растягиваемое).
Повышение температуры ведет к увеличению пластичности твердых тел. С высокой температурой связана ползучесть. Повышает пластичность твердых тел (горных пород) также действие растворов и водяных паров. В присутствии жидкой или газово-жидкой фазы в деформируемых породах особенно энергично происходит перекристаллизация или растворение одних минералов и образование новых.
Всестороннее давление, с одной стороны, повышает сопротивление тела пластической деформации — для достижения одинаковой деформации при большем всестороннем давлении требуются большие напряжения; с другой стороны, увеличивает способность их длительно деформироваться пластически без разрушения. Например, известняк при атмосферном давлении испытывает только упругие деформации и ломается сейчас же за пределом упругости, не успев подвергнуться даже малозаметной пластической деформации. При всестороннем давлении в 10 000 атм тот же брусок известняка пластически растягивается на 50% своей первоначальной длины.
Увеличениие скорости деформации при ведет к снижению пластичности (увеличивает хрупкость). Понижение скорости деформации повышает пластичность (текучесть, ползучесть).
Вообще в геологической обстановке на свойства горных пород наибольшее влияние, по-видимому, оказывает фактор времени. Именно он, надо полагать, преобразует явления релаксации, текучести и ползучести в условиях земной коры таким образом, что твердые и хрупкие в обычных условиях песчаники и известняки оказываются способными пластично изгибаться в весьма сложные складчатые комплексы.
Причины появления напряжений и деформаций
Структурные преобразования
При сварке легированных и высокоуглеродистых сталей часто возникают структурные преобразования в металле — меняются размеры и расположение зерен металла при охлаждении. Поэтому меняется первоначальный объем металла и возникают внутренние напряжения.
Неравномерное нагревание
Рис. Неравномерный нагрев металла
При нагревании металла жестко связанного с холодным металлом образовываются сдавливающие и растягивающие напряжения. Это связано с изменением размеров размеров металла при нагревании.
Литейная усадка
Литейная усадка расплавленного металла сопровождается уменьшением объема металла при его кристаллизации. Так как расплавленный металл связан с основным в под воздействием литейной усадки возникают продольные и поперечные напряжения.
Рис. Деформации от поперечной усадки
Рис. Деформации от продольной усадки
Методы противодействия напряжениям и деформациям
Предварительный и сопроводительный подогрев
Предварительный и сопроводительный подогрев сталей улучшает механические качества шва и прилегающей зоны, уменьшает пластические деформации и остаточные напряжения. Используют для сталей склонных к закалке и образованию кристаллизационных трещин.
Обратно ступенчатый порядок наложения швов
Рис. Обратно ступенчатый порядок наложения швов
Длинные швы (свыше 1000 мм) разбиваются на участки по 100-150 мм и каждый из них ведется в направлении обратном направлению сварки. Используя обратно ступенчатый порядок наложения швов можно добиться более равномерного нагревания металла в сравнении с последовательным наложением. Равномерное нагревание металла значительно уменьшает деформации.
Проковка швов
Проковывать можно как нагретый так и холодный металл. При ударе металл разжимается в разные стороны, что уменьшает растягивающие напряжения. Сварочные швы на металле склонному к образованию закалочных структур не проковывают.
Уравновешивание деформаций
Способ заключается в выборе такого порядка наложения швов при котором каждый следующий шов создает деформацию противодействующую предыдущему. Например, поочередное наложение слоев при сварке двусторонних соединений.
Создание обратных деформаций
Детали собирают под сварку изначально под определенным углом. Когда во время сварки детали сближаются друг к другу деформация уменьшается.
Жесткое крепление деталей
Для этого используют жесткое закрепление деталей в кондукторах. Детали находятся закрепленными все время сварки, вынимают их после охлаждения. Недостатком является возможность возникновения внутренних напряжений.
Оробинский В.С., Винникова Т.П., Косыгин Е.В.
Любое сооружение испытывает деформации, возникающие в связи с воздействием различных природных и антропогенных (техногенных) факторов как на основание, так и на само сооружение. Накопление деформаций приводит к недопустимым изменениям — перемещениям зданий или отдельных его частей, что затрудняет нормальную его эксплуатацию и даже может привести к частичному или полному его разрушению.
Деформация сооружений происходит как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях, в основном зависит от смещения земляных масс в их основании. Вертикальные деформации, вызванные перемещением сооружения или его частей вверх или вниз, подразделяются на осадки, просадки, набухания и усадки, оседания, подъемы или выпирания. Горизонтальные деформации вызывают горизонтальные смещения или сдвиги сооружения. Наклон сооружения называется креном.
К основным природным факторам, вызывающим деформации, можно отнести:
— способность горных пород к просадкам, оползням;
— пучение при замерзании водонасыщенных и оттаивание мерзлых льдонасыщенных пород;
— изменение гидротермических условий (сезонные и многолетние колебания температуры), влажность пород и уровень грунтовых вод.
К основным антропогенным факторам относятся:
— влияние нагрузки от сооружения;
— изменение несущих свойств горных пород;
— ошибки, допущенные при проектировании и строительстве;
— влияние хозяйственной деятельности человека (геологические разработки, мелиорация земель, строительство новых инженерных сооружений и т.д.).
При равномерных осадках прочность и устойчивость сооружений не снижается, но они существенно влияют на связи с коммуникациями и другими сооружениями. Действие неравномерных осадок на сооружение всегда создает дополнительные напряжения в их конструкциях и может быть опасным. Вследствие неравномерных деформаций на сооружение могут произойти крены, прогибы, выгибы, перекосы, кручения разрывы в конструктивных элементах сооружений. Необходимо изучать и наблюдать за этими процессами. Наиболее независимым и объективным методом определения вышеизложенных процессов является геодезический, который позволяет определить планово-высотное положение точки, а следовательно, и всего сооружения.
Основной задачей создаваемых геодезических сетей является установление контроля за деформациями, с помощью которого могут быть решены следующие задачи:
— оперативная
: по величине перемещений контрольных точек устанавливается фактическое взаимное перемещение элементов сооружений и основания, по которым можно делать вывод о возможной опасной (аварийной) ситуации на момент контроля;
— стратегическая
: по величине разновременных перемещений контрольных точек устанавливается тенденция деформации сооружения и может быть выполнен прогноз развития ситуации.
Наблюдение за вертикальными деформациями можно выполнять геометрическим и тригонометрическим нивелированием, микронивелированием, гидростатическим нивелированием, фотограмметрическим способом или их комбинациями.
Измерение горизонтальных деформаций выполняется следующими методами: створных наблюдений, отдельных направлений (засечек), триангуляцией, трилатерацией, полигонометрией, фотограмметрией.
При наблюдении за креном сооружений применяется один из следующих методов или их комбинация: визирования, координирования, измерения углов или направлений, фотограмметрии, нивелирования, механические способы с применением кренометров и отвесов.
Мероприятия, предшествующие наблюдениям за деформациями исследуемых объектов, заключаются в изучении имеющихся геологических данных, топографических материалов, ранее выполненных наблюдений на объекте, выборе методики и схемы наблюдения, выборе приборов, закладке деформационных марок и грунтовых реперов, которые должны находиться вне зоны действия деформации и на коренных породах, определении цикличности наблюдений и способов обработки полученных результатов.
Опыт показывает, что даже приближенный прогноз неравномерных осадок крупных сооружений приводит к большому экономическому эффекту и к повышению надежности конструкции зданий.
