книги / Прочность сварных соединений при переменных нагрузках

результаты испытаний 350 образцов, толщина которых изменялась от 1 до 26 мм, а глубина непровара — от 0,7 до 14 мм. Основное предположение о причине столь значительного рассеяния сводилось к тому, что наблюдаемая не­ стабильность, вероятнее всего, связана с различной остротой непровар. Однако в свете наблюдаемого рассеяния данных важно оценить не только роль геометри­ ческих факторов, но и влияние поля остаточных напряжений, в котором рас­ полагается непровар.

Влияпие геометрических размеров не­ проваров (длины и глубины) изучалось па образцах сечением 26 X 160 мм из ста­ ли 09Г2С со стыковыми швами и высоки­ ми остаточными напряжениями. Непро­ вары располагались посередине высоты стыкового шва и имели в образцах раз­

Непровары длиной менее ширины об­ разца размещались в средней части шва. Опыты проводились при осевом нагру­ жении и отнулевом цикле напряжений. Испытания заканчивались после выхо­ да усталостной трещины на поверхность образца. При таком критерии заверше­ ния испытаний в стыках, имевших вы­ соту непровара 8 мм и протяженность дефекта 160, 80 и 25 мм, площади, занятые трещиной, составляли соот­ ветственно 2000, 1000 и 300 мм3 с неко­ торыми отклонениями в отдельных об­ разцах. Тем не менее результаты ис­ пытаний образцов этих серий были примерно одинаковыми и размещались в одной и той же области рассеяния (рис. 65, а). Отсюда можно сделать вы­ вод, что длина дефекта не оказывает существенного влияния на долговеч­ ность стыкового соединения. Согласно линейной механике разрушения изме­ нение глубины непровара должно ска­ зываться в большей степени, чем изме­ нение его длины [300, 372]. Сопоставле­ ние результатов образцов с дефектами 4 X 25 и 8 X 25 мм (рис. 65, б), а также 2 X 160 и 8 X 160 мм (рис. 65, в) под­ тверждает это положение. В то же вре­ мя с понижением рабочих напряжений

Рис. 65. Влияние длины (а) и глубины (б и в) непроваров на сопротивление усталости сты­ кового соединения:

уменьшается, и в области больших значений числа циклов перемен напря­ жений этим влиянием также можно пре­ небречь.

Причину выравнивания пределов вы­ носливости следует искать в проявле­ нии действия остаточных напряжений. При их отсутствии в образцах кривые усталости 2 и 4 на рис. 65 расположи­ лись бы параллельно кривым 3 и 5, но поскольку образцы в месте дефекта имели высокие остаточные напряже­ ния (примерно одинаковой величины), их влияние при низких рабочих напря­ жениях становилось преобладающим, что и определило сходимость соответ­ ствующих кривых усталости в области

Рис. 66. Кривые усталости образцов с не­ проварами, расположенными в поле:

1 — сжимающих остаточных напряжений; 2 и 3 —• растягивающих остаточных напряжений, равных соответственно 80 и 200 МПа.

■больших значений долговечности. В то же время аналогичные образцы с раз­ личной остаточной напряженностью в месте дефекта могли бы показать и дру­ гие соотношения долговечностей и пре­ делов выносливости. Именно в этом на­ до искать основную причину чрезмер­ ного рассеяния результатов испытаний,

окотором упоминалось выше.

Впоследующих опытах [281] испыты­ вались такие же образцы с непроварами 5 X 40 и 6 X 60 мм, которые распола­ гались в зоне высоких растягивающих (примерно 200 МПа), сжимающих (80— 110 МПа) и низких растягивающих {20—80 МПа) остаточных напряжений.

Результаты оказались различными (рис. 66). Наибольшую выносливость имели стыки с непроварами на участ­ ках сжимающих остаточных напряже­ ний. Предел выносливости этих образ­ цов на базе 2 млн циклов составил 108 МПа. Наиболее низкая долговеч­ ность была у образцов, в которых учас­ ток с непроваром в средней части шва •заваривался в последнюю очередь, что вызывало наиболее высокие растяги­ вающие остаточные напряжения в мес­ те дефекта. Предел выносливости таких •образцов составлял только 52 МПа. Промежуточную выносливость имели образцы с растягивающими остаточны­ ми напряжениями меньшей величины.

Рассматривая непровар как трещино­ подобный дефект, к оценкам выносли­ вости дефектных стыков привлекали под­

ходы и критерии механики разрушения. При этом исходили из того, что долго­ вечность соединения может быть опре­ делена расчетным путем, если известны размер дефекта, толщина материала, ве­ личина рабочих напряжений [372], а также величина и характер распределе­ ния остаточных напряжений [10, 157]. Вопросы применения критериев меха­ ники разрушения для оценки цикличе­ ской трещиностойкости сварных со­ единений с трещиноподобными дефек­ тами и высокими остаточными напря­ жениями растяжения более подробно рассмотрены в пятой главе.

Смещение кромок в стыковых соеди­ нениях. Смещение кромок в стыковых соединениях является распространен­ ным дефектом, оказывающим заметное влияние на несущую способность свар­ ных конструкций. При осевом растяже­ нии оно приводит к появлению изги­ бающего момента от эксцентричного приложения усилия, что вызывает по­ вышение напряжений в зоне сопряже­ ния основного металла с металлом шва. Дополнительное повышение напряже­ ний в зоне сопряжения имеет место так­ же из-за увеличения теоретического коэффициента концентрации формы шва, обусловленного смещением кро-' мок. Величина напряжений в зоне со­ пряжения может быть подсчитана по формуле [144] а = опК, где аи — номи­ нальное значение напряжений, опреде­ ляемое по сечению основного металла от действующего цикла; К — теоретиче­ ский коэффициент концентрации свар­ ного стыкового соединения со смеще­ нием кромок, К = й’фЛТс (/Сь — теоре­ тический коэффициент концентрации формы стыкового шва, принимающий значения 2,1—2,7 в зависимости от па­ раметров шва; К с — теоретический ко­ эффициент концентрации стыкового шва, зависящий только от величины смещения кромок, К с = 1 + ЗА; А — относительное смещение кромок — ве­ личина смещения, отнесенная к толщи­ не листа).

Степень влияния смещения кромок на прочность стыковых соединений зави-

Рис. 68. Диаграммы предельных напряжений сварных соединений в зонах высоких растя­ гивающих остаточных напряжений:

построения таких диаграмм. Действи­ тельно, в первом приближении можно воспользоваться параллельностью ли­ ний предельных напряжений, которая имеет место для соединений с высокими остаточными напряжениями и подтвер­ ждается результатами испытаний об­ разцов с подрезами при различной асимметрии цикла [281]. Ограничи­ ваясь установленными значениями пре­ делов выносливости при Я0 = 0 и при­ нимая угол наклона линий предельных напряжений, составляющий 45° с осью абсцисс, строили диаграммы предель­ ных напряжений для стыков с непро­ варом, пористых швов и соединений с

подрезами при расположении этих де­ фектов в зонах высоких растягивающих остаточных напряжений, представлен­ ные на рис. 68. Для сопоставления здесь же нанесена диаграмма стыков без дефектов. Как и следовало ожидать, наиболее низкой выносливостью обла­ дают стыки с непроварами. По сравне­ нию со стыками без дефектов пределы выносливости стыков с непроварами снижены в 3 раза. При симметричном цикле напряжений предел выносливости равен только 25 МПа. Поэтому непро­ вары не должны допускаться в элемен­ тах и соединениях, испытывающих пе­ ременные напряжения.

Диаграмма предельных напряжений стыковых соединений с подрезами глу­ биной 2—3,5 мм в зонах высоких рас­ тягивающих остаточных напряжений по­ казывает, что предел выносливости таких соединений при Ва = —1 принимает зна­ чение 41 МПа. Аналогично могут быть построены диаграммы предельных напряжений для других типов сварных соединений швы которых содержат подре­ зы. Эти диаграммы и рекомендуется ис­ пользовать при оценке допустимости подрезов в швах.

Сопоставив диаграмму предельных на­ пряжений пористого шва с диаграммой предельных напряжений бездефектных соединений, можно заключить, что для тех соединений, диаграммы которых расположены выше линии выносливости пористого шва, поры опасны (па участ­ ках высоких растягивающих остаточ­ ных напряжений), а для соединений, диаграммы которых находятся ниже этой линии, они не опасны, так как не снижают долговечности соединения. Представляется, что такой подход к оценке выносливости пористых соеди­ нений и их допустимости в сварных конструкциях наиболее обоснован.

воспринимает циклические нагрузки, заметно превышающие пределы вынос­ ливости соединений соответствующих видов. Число перемен напряжений за весь срок службы таких конструкций составляет 104—Ю5 циклов, отвечая малоцикловой области нагружения. Прочность и долговечность материалов и элементов конструкций в условиях малоциклового нагружения наиболее интенсивно исследуются в последние десятилетия. Основные результаты ра­ бот этого направления обобщены в ряде статей, сборников, монографий [65, 66, 153, 159, 161, 164, 194, 198, 200, 201, 231, 239, 286, 386]. Некоторые вопросы деформирования и разрушения сварных соединений при малых числах циклов нагружения рассмотрены в работах [69, 105, 135, 149, 226, 354, 368, 389 и др.]. Основная особенность малоциклового нагружения состоит в упруго-пластиче­ ском характере развития местных, а в ряде случаев и номинальных напряже­ ний и деформаций. Это вызывает необ­ ходимость изучения статических и ци­ клических свойств применяемых мате­ риалов при напряжениях, превышаю­ щих пределы текучести, и режимах нагружения, отвечающих различным ус­ ловиям изменения напряженно-дефо].» мированного состояния. В связи с воз­ растанием роли неоднородности механи­ ческих свойств при высоких уровнях нагружения важное значение приобре­ тают исследования, направленные на изучение упруго-пластических дефор­

вой области сохраняют результаты изу­ чения долговечности реальных соеди­ нений, позволяющие наиболее полно и комплексно оценить роль специфиче­ ских для сварки факторов. По этой при­ чине анализ прочности и долговечности соединений при малоцикловом нагруже­ нии целесообразно начать с рассмотре­ ния результатов испытаний образцов в исходном после сварки состоянии.

1.КВАЗИСТАТИЧЕСКИЕ

ИУСТАЛОСТНЫЕ РАЗРУШЕНИЯ

Исследования показали, что верхние части кривых усталости, описывающие несущую способность соединений в об­ ласти малых долговечностей, состоят из двух участков, соответствующих раз­ личным механизмам разрушения: квазистатическому и усталостному [198, 200, 201, 231]. Первый из них происхо­ дит при напряжениях, близких к преде­ лу прочности материала, и сопровожда­ ется пластическим деформированием всего сечения с поцикловым накопле­ нием деформаций и образованием шейки подобно разрушению при однократном, приложении нагрузки. Усталостный ха­ рактер разрушения имеет место при бо­ лее низких уровнях нагружепия. Длянего характерно формирование и после­ дующее развитие в зонах конструктив­ ной концентрации напряжений и дефор­ маций трещин усталостного происхож­ дения вследствие преимущественного» протекания в них процессов цикличе-

Рис. 69. Сопротивление сварных соединений

.низкоуглеродистой стали М16С квазпстатп- •ческим (7) и усталостным (2) разрушениям

(До = О:

I — разрушение по основному металлу; I I — сты­ ковое соединение; I I I — тавровое соединение; IV, 'V — соответственно нахлесточное двух- и односто­ роннее соединение.

Рис. 70. Сопротивление соединений стали

.20ХГСА квазистатическим (7) и усталостным

(2) разрушениям:

ского упруго-пластического деформи­ рования.

Квазистатическая область. Выпол­ ненные экспериментальные исследова­ ния выявили специфику смены механиз­ ма разрушения сварных соединений 156, 139, 282]. В отличие от гладких образцов и иесварных элементов кон­ струкций переход от квазистатических разрушений к усталостным в соедине­ ниях сопровождается сменой зоны их локализации (рис. 69, 70). Квазистатические разрушения соединений низко-

.углеродистой стали и М16С, выполнен­ ных вручную электродами УОНИ 13/45, происходили вдали от шва на ос­ новном металле. Данная особенность разрушения в квазистатической обла­

сти характерна для соединений различ­ ных видов, включая стыковое, тавровое, нахлесточное двух- и одностороннее. Следовательно, ответственным за не­ сущую способность соединений в диа­ пазоне квазистатических разрушений является основной металл (см. рис. 69). Наблюдаемые в пределах ЗТВ низколе­ гированных сталей средней и повышен­ ной прочности небольшие по протяжен­ ности разупрочнепные участки не сни­ жают разрушающих напряжений сое­ динений вследствие эффектов контакт­ ного упрочнения. По этой причте статические и квазистатические разру­ шения соединений сталей данных клас­ сов также происходят по ОМ (см. рис. 70).

Локализация квазистатических раз­ рушений в ОМ фактически означает, что в рассматриваемой области нагруже­ ния механические свойства последнего оказывают определяющее влияние на несущую способность соединений в це­ лом. Данный вывод справедлив при обеспечении статической равиопрочиости соединений. В противном случае ло­ кализация квазистатических разруше­ ний и несущая способность соединений в рассматриваемой области будут опре­ деляться характеристиками наименее статически прочной из зон. Обычно это имеет место в соединениях с нагружен­ ными угловыми швами, размеры кате­ тов у которых занижены (рис. 71). При этом соединения могут разрушаться сре-

Рис. 71. Квазистатпческпе (/) и усталостные (ТУ) разрушения тавровых (7) и крестообраз­ ных (2) соединений высокопрочной стали 12ХГН2МФДРА ( Я а = 0).

ЬУПа

зом по телу шва или его подошве, как, например, в случае крестообразных со­ единений стали 12ХГЫ2МФДРА, сва­ ренных вручную электродами Э-85 (см. рис. 71). Недостаточные размеры швов привели к соответствующему по­ нижению разрушающих напряжений во всем диапазоне квазистатических раз­ рушений. В целом место локализации разрушений и уровень несущей способ­ ности соединений в квазистатической области надежно оцениваются по ре­ зультатам статических испытаний, ко­ торые в этом смысле могут служить кри­ териальными характеристиками.

По числу циклов область квазистати­ ческих разрушений является достаточ­ но протяженной, охватывая в зависи­ мости от вида соединения, уровня проч­ ности стали, асимметрии нагружения 102—104 перемен напряжений (см. рис. 69). Результаты испытаний, отно­ сящиеся к данной области, надежно опи­ сываются степенным уравнением

где атах — максимальное напряжение;

Ша — показатель степени; Са — посто­ янная, численно равная разрушающе­ му напряжению при однократном при­

единения. Тогда выражение (4.1) пре­ образуется к виду

Единственным неопределенным пара­ метром в уравнении (4.3) остается пока­ затель степени Статистическая об­ работка результатов испытаний позво­ лила получить уравнение регрессии, устанавливающее зависимость данного параметра от механических свойств ста­ ли, определяемых отношением ат/ов (рис. 72). Для отнулевого цикла на­ гружения

Коэффициент корреляции в данном слу­ чае составляет 0,925.

Из уравнения (4.4) следует, что с по­ вышением механических свойств стали и соответствующем увеличении отноше­

ния сгт/огв показатель степени т2 умень­ шается, отражая тенденцию к сужению по напряжениям квазистатической об­ ласти нагружения.

Усталостная область. Переход от ква­ зистатических к усталостным разруше­ ниям на кривой усталости прослежи­ вается достаточно четко в связи с со­ провождающим смену зоны локализа­ ции разрушения резким изменением угла наклона (см. рис. 69). Если квазистатический участок пологий, то для усталостного характерно заметное уве­ личение крутизны, свидетельствующее о существенном возрастании темпа сни­ жения несущей способности соедине­ ний в данной области нагружения.

Каждому виду соединения соответ­ ствует свой наклонный участок кривой усталости. Переход от стыковых к нахлесточным соединениям сопровожда­ ется смещением данного участка кри­ вой усталости в сторону меньших дол­ говечностей. Это приводит к сужению по напряжениям и числу циклов квазистатического участка кривой уста­ лости.

Основным фактором, определяющим положение верхней точки перелома кри­ вой усталости и всего ее крутопадаю­ щего участка, является уровень кон­ центрации напряжений и деформаций. Более высокие значения коэффициента

Рис. 72. Зависимость показателя степени т* от уровня прочности стали при отнулевом на­ гружении (т* = 0,042 (1 — оТ/ов)).

концентрации напряжений, характер­ ные для нахлесточных и крестообраз­ ных соединений с неполным проплавле­ нием, обусловливают наиболее низкие их долговечности в диапазоне усталост­ ных разрушений (см. рис. 69, 70).

Поскольку верхний перелом кривых усталости наблюдается при номиналь­ ных напряжениях, превышающих пре­ делы текучести материалов, усталост­ ные участки располагаются как ниже, так и выше их значений. В последнем случае усталостный механизм разрушепия протекает на фоне развитых упру­ го-пластических деформаций всего се­ чения сварного соединения. Для со­ единений низкоуглеродистых сталей точ­ ка перелома кривой усталости превы­ шает предел текучести не менее чем на 100 МПа. С повышением механических свойств сталей эта величина заметно уменьшается (см. рис. 70).

Экспериментальные результаты, от­ носящиеся к усталостному участку кри­ вой ограниченной долговечности, в пре­ делах которого происходит наиболее резкое снижение несущей способности соединений, достаточно надежно опи­

сываются степенным уравнением, ана­ логичным по структуре соотношению (4.1),

где то — показатель степени; СI — по­ стоянная.

Наиболее важное значение имеет по­

казатель степени то, определяющий темп снижения сопротивления устало­ стным разрушениям с ростом числа Лг. В ряде работ, посвященных расчету сварных соединений на усталость, при­ нимается независимость угла наклона усталостного участка от уровня проч­ ности стали [338, 347, 357, 362]. Извест­ но и противоположное суждение, когда наклон кривой усталости для сталей различных классов прочности прини­ мается неодинаковым [198]. Для выяс­ нения этого вопроса применительно к соединениям сталей различных классов прочности со стыковыми и угловыми швами проведен статистический анализ результатов усталостных испытаний. Рассматривались результаты опытов на сварных образцах небольших размеров,

6

нения описывают результаты, относящи* еся к одной генеральной совокупности. На основе сделанного вывода полу­ чена обобщающая зависимость коэф­ фициента наклона усталостного участ­ ка кривой о — N от механических свойств стали для соединений рассмот­ ренных видов (см. табл. 27). Довери­ тельные области данного уравнения изображены на рис. 73, 6.

Повышение показателя степени то* свидетельствует об увеличении крутиз­ ны усталостного участка кривой с ро­ стом механических свойств стали. На­ глядно это прослеживается на рис. 74, где представлены результаты испыта­ ний в рассматриваемой области нагру­ жения стыковых соединений сталей раз­ личных классов прочности. Наиболее

Рпс. 74. Сопротивление квазистатпческпм и усталостным разрушениям стыковых соеди­ нении сталей различных классов прочности

(Да = °):

1 — сталь М16С; 2 — сталь 14Г2АФу; 3 — сталь 13ХГМФ; 4 — сталь 07ХЗГНМЮА.