книги / Прочность сварных соединений при переменных нагрузках

Рис. 76. Долговечность соединении стали СтЗГнс при пульсирующем (7) и симметричном

(2) циклах нагружения:

при той же асимметрии напряжений в условиях растяжения — сжатия. Как и при осевом нагружении, переход от отнулевого к симметричному нагруже­ нию изгибом сопровождается смеще­ нием усталостных участков кривых в область меньших долговечностей. Для соединений низкоуглеродистой стали СтЗГпс величина смещения по долго­ вечности составляет около порядка, при этом угол наклона данного участ­ ка кривой усталости изменяется незна­ чительно. Остается неизменным и вза­ имное расположение кривых усталости, отвечающих соединениям различных ви­ дов. Самую низкую долговечность по­ казали пахлесточные соединения. Сты­ ковые соединения вследствие относи­ тельно невысокой концентрации напря­ жений наиболее долговечны. Промежу­ точные результаты показали образцы тавровых соединений.

Несмотря на наблюдаемые в отдель­ ных случаях различия, в инженерных расчетах, по-видимому, может быть при­ нята независимость наклона усталост­ ных участков кривой ограниченной дол­ говечности сварных соединений от асим­ метрии напряжений. Это позволяет по­ лучить общее для различных характе­ ристик цикла нагружения уравнение регрессии, устанавливающее зависи­

мость показателя степени т1 от меха­

нических свойств стали ат/сгв (см^ рис.73, б). В частности, данное пред­ положение согласуется с результатами статистической обработки испытаний240 серий сварных образцов различных видов с низкими уровнями остаточных напряжений (см. табл. 26).

В рамках принятого допущения влия­ ние асимметрии напряжений сводится к преимущественному изменению по­

стоянной СЪ уравнения (4.5), практиче­

ски не отражаясь на величине т*. На основе этого роль характеристики цикла в диапазоне усталостных разрушений может быть определена через коэффи­ циент чувствительности к асимметрии напряжений

где Са_{у Суао — постоянные уравнений

для симметричного и отнулевого цикла нагружения; для любой асимметрии

напряжений постоянная С1Явыражается

через коэффициент фа*.

Здесь постоянная С0аН описывает ре­ зультаты испытаний в амплитудах пе­ ременных напряжений.

Обобщенная зависимость коэффици­ ента чувствительности к асимметрии

напряжений фа от механических свойств стали для соединений различных ви­ дов представлена на рис. 77. Нелиней-

Рпс. 77. Зависимость коэффициента чувстви­

механических свойств стали (1) и ее линейная аппроксимация (2).

/2

Статические и циклические свойства материалов отдельных зон соединений изучались путем испытаний корсетных образцов, шейка которых локализова­ лась в основном металле, зоне термиче­ ского влияния или металле шва. Наи­ более высоким сопротивлением статис­ тическому деформированию и разруше­ нию, как показали результаты испыта­ ний, обладает металл ЗТВ соединения, выполненного электрошлаковой свар­ кой (табл. 27). Самые низкие показа­ тели статической прочности у МШ, сва­ ренного вручную. Однако вследствие высокой пластичности металл данной з )ны соединения, выполненного электро­ дами УОНИ 13/45А, показал наиболее высокую сопротивляемость малоцикло­ вому жесткому нагружению (рис. 78). Долговечность металла ЗТВ оказалась наиболее низкой. При этом результаты испытаний металла данной зоны со­ единений, выполненных вручную и элек­ трошлаковой сваркой, находятся в об­ щей полосе разброса. Это указывает на слабую зависимость характеристик со­ противления малоцикловому разруше­ нию металла ЗТВ от применяемого спо­ соба сварки. Промежуточное положение по разрушающим амплитудам деформа­ ций занимают ОМ и металл электрошлакового шва (см. рис. 78).

В реальных условиях дополнитель­ ным фактором, определяющим долго-

Таблица 28. Концентрация напряжении стыковых соединений низколегированной стали Х70, сваренных различными способами

П р и м е ч а н и е . Над чертой — средние значения, под чертой — разброс предельных значений.

Рпс. 78. Сопротивление различных зоп соеди­ нений стали 13ХГМФ малоцпкловому разру­ шению:

1 — основной металл; 2 — металл шва, выполнен­ ного вручную; 3 — металл электрошлакового шва; 4 — металл зоны термического влияния, сварка ручная; 5 — металл зоны термического влияния, сварка электрошлаковая.

Рис. 79. Долговечность стыковых соедине­ ний стали 13ХГМФ, выполненных различивши способами сварки:

1 — основной металл; 2 — ручная сварка; з — ме­ ханизированная сварка; 4 — электрошлаковая свар­ ка; I — квазистатическое разрушение; I I — уста­ лостное разрушение 1 К а = ОУ

вечность соединений, наряду со свой­ ствами отдельных зон является выпук­ лость швов, образуемая при данном способе сварки. Примером могут слу­ жить результаты испытаний стыковых соединений стали (рис. 79). Квазистатические разрушения соединений, вы­ полненных электрошлаковым способом и механизированной сваркой под флю­ сом, локализовались в основном ме­ талле как обладающем наименьшими показателями статической прочности (см. табл. 28). В случае ручной сварки раз­ рушение соединений в квазистатиче-

ской области происходило по МШ вслед­ ствие пониженных механических свойств данной зоны соединения и незна­ чительной величины выпуклости. При этом несущая способность соединения, сваренного вручную, снизилась в дан­ ной области нагружения на величину, соответствующую разнице в механи­ ческих свойствах зон соединения, от­ ветственных за разрушение.

Полученные результаты свидетель­ ствую! , что в квазистатической области несущая способность соединения, вы­ полненного тем или иным способом, определяется преимущественно механи­ ческими свойствами наиболее «слабой» из зон. Наблюдаемые по измерению твердости мягкие прослойки в пределах ЗТВ данной стали не снижают несу­ щей способности соединений вследствие эффектов контактного упрочнения при­ легающими участками с более высокими характеристиками статической проч­ ности [140]. Следовательно, в диапазоне квазистатических разрушений опреде­ ляющую роль играют механические свойства отдельных зон соединений, вы­ полняемых различными способами свар­ ки. В случае обеспечения статической равнопрочности несущая способность соединения в данной области нагруже­ ния ограничивается свойствами ОМ.

Усталостные разрушения сварных со­ единений, сваренных рассматриваемыми

Рис. 80. Влияние способа сварки на дол­ говечность стыковых соединений стали Х70

(Да = °>:

1 — механизированная сварка под флюсом; 2, з — стыковая электроконтактпая сварка соответствен­ но с гратом и без него; 4 — сварка порошковой проволокой; 5 — ручная сварка.

способами, неизменно локализовались в зоне перехода выпуклости шва на ОМ, Наличие выпуклости шва, обусловли­ вающей конструктивную концентрацию напряжений и деформаций, привело к заметному снижению долговечностей по сравнению с кривой усталости для ОМ (см. рис. 79). При этом результаты ис­ пытаний соединений, выполненных руч­ ной сваркой и электрошлаковым спо­ собом, в диапазоне усталостных разру­ шений располагаются в общей полосе разброса, что обусловлено близкой гео­ метрией выпуклостей при данных спо­ собах сварки. Измерения показали, что средние значения радиуса перехода шва на ОМ для электрошлакового со­ единения и выполненного вручную близ­ ки и составляют соответственно 1,9 и 2 мм. Параметры выпуклости шва, сва­ ренного механизированной сваркой под флюсом, были менее благоприятны. Сред­ нее значение радиуса перехода шва на ОМ для данного способа сварки состав­ ляло 0,9 мм. Это определило более вы­ сокую концентрацию напряжений и привело к дальнейшему заметному сни­ жению долговечности соединений, вы­ полненных механизированной сваркой, в области усталостных разрушений (см. рис. 79).

Определяющая роль геометрических параметров швов, выполненных раз­ личными способами сварки, в измене­ нии сопротивления усталостным раз­ рушениям видна также на примере соединений низколегированной стали Х70. Образцы данной стали сварива­ лись ручным способом, механизирован­ ной сваркой под флюсом и в среде уг­ лекислого газа, стыковой электрокоптактной сваркой. Такие способы свар­ ки обеспечивают статическую равнопрочность соединений ОМ, который вследствие этого определяет несущую способность соединений во всем диапа­ зоне квазистатических разрушений (рис. 80).

Усталостные участки кривых ограни­ ченной долговечности располагаются в соответствии с уровнем концентрации напряжений создаваемым швом, сва-

ренным тем или иным способом сварки. Наиболее низкая концентрация напря­ жений стыковых электроконтактных со­ единений (табл. 28) определила замет­ ное их преимущество в долговечности по сравнению с другими способами сварки. Самое низкое сопротивление усталостным разрушениям показали со­ единения, сваренные вручную и меха­ низированной сваркой под флюсом. Долговечность соединений, сваренных данными способами, ниже на поря­ док и более по сравнению с долговечно­ стью соединений, выполненных стыко­ вой электроконтактной сваркой (см. рис. 80).

Таким образом, если в квазистатической области несущая способность со­ единений ограничивается механически­ ми характеристиками наименее прочной из зон, то сопротивление малоцик­ ловым усталостным разрушениям зави­ сит не столько от способа сварки, сколь­ ко от выпуклости шва при данной тех­ нологии его выполнения.

Остаточные напряжения. Влияние ос­ таточных сварочных напряжений на долговечность соединений в наибольшей степени проявляется при низких уров­ нях переменных напряжений, сопоста­ вимых по величине с пределами вынос­ ливости [276]. Исходя из общих пред­ ставлений о релаксации остаточных на­ пряжений с ростом внешней нагрузки их роль в области малоциклового на­ гружения принято считать малозамет­ ной. Постепенное снижение влияния остаточных растягивающих напряже­ ний на долговечность сварных образ­ цов с переходом в область малоцикло­ вого нагружения подтверждено экспе­ риментально [102, 104]. В то же время испытания образцов из низкоуглеродис­

той стали с концентраторами напря­ жений не только выявили снижение не­ благоприятного влияния остаточных на­ пряжений растяжения, но и позволили установить некоторый положительный эффект при уровнях переменных на­ пряжений, превышающих пределы те­ кучести материала [34].

С целью более детального рассмотре­ ния этого вопроса выполнены специаль­ ные экспериментальные исследования* Образцы из ОМ с боковыми выкружка­ ми, создающими различную концентра^ цию напряжений, и сварные соедине­ ния испытывались в исходном состоя­ нии и после выполнения дополнитель­ ных наплавок, формирующих остаточ­ ные напряжения в зоне концентраторов* Максимальные уровни остаточных на­ пряжений в образцах из низкоуглеро­ дистой (М16С) и низколегированной (Х70) сталей достигали предела теку­ чести материалов. Ввиду малой толщи­ ны образцов из высокопрочной стал» 07ХЗГНМЮА уровни остаточных на­ пряжений в них были не столь высоким» (табл. 29).

В результате развития значительных пластических деформаций и их накопле­ ния по всему поперечному сечению об­ разца исходные остаточные напряже­ ния не приводили к изменению несущей способности и долговечности при ква*- зистатическом характере разрушения* Верхняя точка перелома кривой уста*- лости образцов и соединений низкоугле­ родистых сталей, как уже отмечалось* располагалась заметно выше предел» текучести материала, вследствие чего усталостный участок по напряжениям охватывает достаточно большой диапа­ зон пластической стадип деформирова­ ния (рис. 81). Результаты исследов»-

Рис. 81. Влияние остаточпых напряжений на долговечность образцов пизкоуглеродистой стали М16С ( К а = 0):

^растяжения.

Ъпи.ИЬ

Рис. 82. Изменение долговечности образцов низколегированной стали Х70 ( Я а = 0).

иий. выполненные применительно к об­ разцам пизкоуглеродистой стали М16С, в данной области нагружения выявили положительное влияние исходных рас­ тягивающих напряжений: аналогично действию напряжений сжатия верхняя часть усталостного участка кривой из­ меняет угол наклона и становится бо­ лее крутой (см. рис. 81).

Отмеченный эффект повышения дол­ говечности по величине сопоставим с таковым от благоприятного действия сжимающих напряжений в рассматрива­ емой области нагружения. Для сталей повышенного и высокого уровней проч­ ности переход от квазистатических к усталостным разрушениям происходит при напряжениях, близких к пределу текучести материала. В результате это­ го участок кривой усталости, где раз­

витие трещин протекает на фоне пласти­ ческого деформирования всего сечения образца, является весьма узким по на­ пряжениям. По этой причине отмечен­ ный эффект благоприятного влияния ос­ таточных напряжений растяжения в случае сталей повышенной и высокой прочности не наблюдается (рис. 82, 83). При этом роль растягивающих напря­ жений сводится к постепенному сни­ жению долговечностей по сравнению с образцами в исходном состоянии с уменьшением уровня максимальных на­ пряжений цикла и переходом в область многоциклового нагружения. Аналогич­ ная картина влияния остаточных напря­ жений наблюдается и в сварных образ­ цах высокопрочной стали. Влияние дан­ ного фактора вызывает изменение угла наклона усталостного участка кривой ограниченной долговечности.

Уменьшение влияния остаточных на­ пряжений с ростом нагрузки происхо­ дит вследствие их релаксации и перерас­ пределения, определяемых максималь­ ными напряжениями цикла. Полное снятие остаточных напряжений наблю­ дается при максимальных напряжениях цикла, близких к пределу текучести ма­ териала (рис. 81—84). Исходя из полу­ ченных результатов влияние остаточ­ ных напряжений в области малых дол-

Рис. 83. Долговечность образцов высокопроч­ ной стали 07ХЗГНМЮА:

говечностей можно описывать на осно­ ве соотношения (4.5) в виде [319]

где параметры Апг1 и АС1 отражают вли­ яние данного фактора. Они мало за­ висят от асимметрии нагружения и уровня концентрации напряжений (см. рис. 81—84). Значения данных парамет­ ров определяются в основном уровнем остаточных напряжений и механически­

ми свойствами стали. Параметр Ат?а определяется по формуле

где 0 Ост — исходный уровень остаточ­

ных напряжений; Кт — коэффициент, зависящий преимущественно от механических свойств стали. С повышением прочности стали коэффициент Кт изменяется в достаточно узком диапазоне: К т = 0ДО...0,13. В качестве среднего может быть принято значение Кт = = 0,12. С учетом уравнений (4.10), (4.11)

3.СОПРОТИВЛЕНИЕ ДЕФОРМИРОВАНИЮ

ИРАЗРУШЕНИЮ ОТДЕЛЬНЫХ ЗОН

СОЕДИНЕНИЙ

В связи с усилением роли механиче­ ской неоднородности соединений, вы­ званным упруго-пластической стадиев нагружения, важное значение в мало­ цикловой области приобретают харак­ теристики сопротивления материалов отдельных зон статическому и цикличе­ скому деформированию и разрушению. Получают такие характеристики путем проведения испытаний при мягком и жестком режимах нагружения гладких цилиндрических или корсетных образ­ цов, вырезанных из исследуемой зоны соединения.

Статические свойства. Сопротивление малоцикловому деформированию и раз­ рушению ОМ, МШ и ЗТВ как наиболее характерных зон соединений во многом определяется их статическими свой-

Рис. 85. Взаимосвязь характеристик проч­ ности и пластичности основного металла и зо­ ны термического влияния:

1 — °тЗТВ/отОМ' 2 — ствЗТВ/ствОМ* 3 — “ФЭТВ^ОМ.

тяв/тц

ствами, которые являются исходными при рассмотрении механической неод­ нородности вблизи швов.

Характеристики прочности и плас­ тичности сварного шва в основном за­ висят от применяемых сварочных мате­ риалов и технологии сварки, выбирае­ мых исходя из функционального назна­ чения шва. Общей тенденцией являет­ ся получение металла шва с близкими ОМ механическими свойствами. Обыч­ но более сложной является зависимость механических свойств ЗТВ от соответ­ ствующих показателей, характеризую­ щих ОМ (рис. 85).

С повышением механических свойств стали наблюдается устойчивая тенден­ ция к снижению показателей прочнос­ ти (ат, ав) металла ЗТВ по сравнению с аналогичными характеристиками ОМ. -При этом пластичность ЗТВ по сравне­ нию с ее величиной для ОМ несколько

Рис. 87. Поцпкловая кинетика ширппы петли гистерезиса термоупрочненной стали ВСтЗсп.

Рис. 86. Поцикловая кппетпка ширины пет­ ли гистерезиса высокопрочной стали 20ХГСА.

повышается. Примерное равенство ха­ рактеристик прочности и пластичности рассматривавхмых зон соединений дости­ гается у сталей с отношением предела прочности к временному сопротивлению около 0,75—0,80, что характерно для низколегированных сталей повышенной прочности. Заметное рассеяние опытных данных свидетельствует о статистиче­ ском характере полученных зависимостей, вызванном, в частности, тем об­ стоительствохМ, что для ЗТВ механиче­ ские свойства являются некоторыми осредненными характеристиками, не от­ ражающими наличие в ее пределах ря­ да участков.

Характеристики сопротивления мало­ цикловому деформированию. Основной характеристикой сопротивления цикли­ ческому упруго-пластическому дефор­ мированию материалов является ши­ рина петли гистерезиса. По ее измене­ нию, регистрирувхмому обычно при мяг­ ком нагружепии, судят о характере поведения материала при малоцикловом нагружении, который может сводиться к упрочнению, разупрочнению или ци­ клической стабилизации свойств.

На рис. 86, 87 в качестве примера приведены кривые поциклового измере­ ния ширины петли при различных уров­

увеличение ширины петли, особенно ощутимое непосредственно перед по­ явлением усталостной трещины, сви­ детельствует о склонности стали 07ХЗГНМЮА к циклическому разу­ прочнению. Такое же поведение харак­ терно и для начальной стадии деформи­ рования стали ВСтЗсп.

Исследования, выполненные приме­ нительно к сварным соединениям сталей различных классов прочности, показа­ ли, что отдельные зоны обладают не только различными, но в ряде случаев и контрастными циклическими свой­ ствами (табл. 30). В этом смысле ха­ рактерно соединение стали 14Г2АФ-у, выполненное механизированным спосо­ бом под флюсом. У основного металла данного соединения с увеличением чис­ ла циклов нагружения происходит ста­

билизация ширины петли, металл ЗТВ проявляет свойства циклически упроч­ няющегося материала, а для МШ харак­ терно разупрочнение. Общая тенден­ ция изменения циклических свойств ма­ териалов отдельных зон сводится к по­ вышению склонности к циклическому разупрочнению с ростом механических свойств стали. Вместе с тем следует от­ метить некоторую условность разделе­ ния материалов на циклически разупрочняющиеся, упрочняющиеся и стаби­ лизирующиеся.

Ряд материалов проявляет различ­ ные свойства в зависимости от уровня и стадии нагружения. Так, сталь 18Гпс при напряжениях, близких к времен­ ному сопротивлению, вслед за упрочне­ нием, наблюдаемым в первых циклах, в последующем интенсивно разупроч-