Для уяснения процесса возникновения остаточных напряжений рассмотрим следующие примеры. В стальном листе 1 (рис. 16, г) значительной толщины сделан вырез. В этот вырез плотно вставлен стержень 2. При местном нагреве стержень не сможет удлиняться, так как его концы упираются в края выреза, поэтому в нем будут возникать сжимающие напряжения.
При увеличении этих напряжений до предела текучести нагретого металла стержень будет претерпевать пластическую деформацию сжатия, в результате чего он станет толще.
При последующем остывании стержень начнет укорачиваться, и между его концами и краями выреза появится зазор, равный величине, предшествующей продольной пластической деформации сжатия.
В этом случае остаточных напряжений в стержне не будет; в нем сохранится лишь остаточная пластическая деформация сжатия. Если вырез в листе сделать так, чтобы стержень 2 составлял одно целое с листом (рис. 16, д), то при нагреве стержня и последующем его остывании в нем появятся остаточные растягивающие напряжения, так как возможность свободного укорочения стержня в этом случае исключена.
Вместе с тем в напряженном состоянии окажутся и участки листа, расположенные по другую сторону выреза, причем эти участки будут находиться в состоянии сжатия.
Аналогичное явление произойдет и при местном нагреве целого листа на каком-либо участке, например Г (рис. 16, е). Нагреваемый участок Т будет находиться в тех же условиях, что и стержень 2 (см. рис. 16, д), т. е. при нагреве получит остаточную деформацию от сжимающих напряжений, а при последующем остывании в нем возникнут остаточные растягивающие напряжения.
Эти напряжения будут наибольшими в месте максимального нагрева; по мере удаления от места нагрева они уменьшаются до нуля, переходя за линией 0—0 к напряжения сжатия.
Сжимающие напряжения на некотором участке листа возрастают, а затем уменьшаются. Кривая, очерчивающая распределение остаточных напряжений в листе, называется эпюрой напряжений. Растягивающие напряжения принято обозначать знаком плюс (+), а сжимающие — знаком минус (—).
В случае местного нагрева до расплавления металла (при сварке плавлением) к остаточным растягивающим напряжениям, вызванным предшествующей пластической деформацией сжатия, добавляются растягивающие усадочные напряжения, обусловленные усадкой затвердевающего металла.
Явление усадки объясняется тем, что при затвердевании металл становится более плотным, вследствие чего объем его уменьшается. Различные металлы имеют различную усадку.
Из рассмотренных примеров видно, что при местном нагреве стального листа в нем возникают остаточные напряжения. Если лист достаточно жесткий и под действием возникающих напряжений не изменяет форму, то местный нагрев вызовет в нем после остывания лишь остаточные напряжения.
Если лист недостаточно жесткий, то в результате местного нагрева и возникновения тепловых напряжений он изменит форму и размеры, т. е. покоробится. При этом собственные напряжения в таком листе либо вовсе не сохранятся, либо будут значительно меньшими, чем в жестком (толстом) листе, не изменившем формы.
Процесс возникновения реактивных и остаточных сварочных напряжений по своей природе и причинам, их вызывающим, одинаков.
Величина остаточных сварочных напряжений или деформаций будет тем больше, чем больше сечение шва, свариваемого за один проход, т. е. больше сварочный ток и меньше скорость сварки (чем больше погонная энергия сварки).
Кроме того, величина напряжений будет тем больше, чем больше разность температур между нагреваемыми и холодными участками металла при сварке. При сварке на морозе эта разность значительно больше, чем при сварке на тех же режимах летом, поэтому в первом случае величина возникающих напряжений и скорость их роста будет большей, чем во втором случае.
Под действием быстро возникающих напряжений в соединениях, свариваемых при отрицательных температурах, могут образовываться трещины. Для предотвращения образования трещин даже мягкие стали рекомендуется сваривать при температурах не ниже —10—15°С. Если температура воздуха ниже —15°С, необходимо применять предварительный и сопутствующий подогрев изделий до температур 100—200°С (причем, чем толще свариваемый металл, тем выше должна быть температура подогрева).