книги / Прочность сварных соединений при переменных нагрузках

вь,ШЮ

Рис. 22. Долго­ вечность оонов­

ского влияния

и*) и 10Г2С1

( г ) .

Вместе с тем исследования не выяви­ ли существенного влияния данных фак­ торов на изменение предела выносли­ вости сварных образцов [281]. В глад­ ких сварных образцах трещины уста­ лости зарождались, как правило, по линии сплавления, однако их долго­ вечность была такой же, как и у об­ разцов ОМ (рис. 22, а). Малозаметно влияние свойств ЗТВ и при наличии концентраторов напряжений (рис. 22, в).

Данный вывод подтверждается ре­ зультатами исследований [111, ИЗ], выдолненных в более широком диапазоне изменения аа, а также скоростей ох­ лаждения ЗТВ. Полученные расчетно­ экспериментальные зависимости пока­ зывают, что при обычно встречающих­ ся скоростях охлаждения металл ЗТВ и ОМ одинаково сопротивляются уста­ лостным разрушениям (рис. 23).

Аналогичные результаты получены при испытании сварных соединений низколегированных сталей (рис. 22, б, г), а также при исследовании специаль­ ных модельных образцов с вваренными контактной сваркой твердыми прослой­ ками [133, 180]. При наличии концен­ тратора напряжений в пределах твер­ дой прослойки разрушение локализу­ ется в данной зоне, однако заметного изменения долговечности вследствие по­ вышенной чувствительности металла

твердой прослойки к концентрации на­ пряжений обычно не происходит.

Закономерности деформирования и разрушения соединений с мягкими про­ слойками носят более сложный харак­ тер вследствие их контактного упрочне­ ния окружающим металлом с повышен­ ными механическими свойствами [13, 109]. Эффект контактного упрочнения проявляется и при испытании на уста­ лость гладких образцов с мягкими про­ слойками [212]. Наиболее заметно

Рис. 23. Расчетно-экспериментальные зависи­ мости предела выносливости от коэффициента концентрации напряжений:

1 — основной металл; 2 — 4 — металл зоны терми­ ческого влияния при скорости охлаждения соот­ ветственно 2,8; 6,8 и 1000 °С/с.

41.ШЧ

1

б./*,МПа

Рис. 24. Циклическое упрочнение образцов

снадрезом в мягкой прослойке [211]:

1— сталь 45Х; 2 — сталь 10; 3 , 4 — соарнос сое­ динение с х соответственно 0,29 н 0,15.

предел выносливости образцов повыша­ ется при относительной толщине про­ слойки к = К/д, = 0 ,2 (отношение толщи­ ны прослойки Нк диаметру образца й). С уменьшением относительной толщины прослойки до 0,1 и ниже пределы вы­ носливости образцов практически до­ стигают значений, характерных для ма­ териала, окружающего прослойку. Ана­ логичная картина наблюдается в соеди­ нениях низколегированных сталей с разупрочненными участками в ЗТВ. Ши­ рина этих участков для основных спо­ собов сварки невелика (см. табл. 4). Следовательно, контактное упрочнение данных участков соединений будет про­ являться наиболее полно. Это положе­ ние подтверждается уже упомянутыми результатами испытаний гладких свар­ ных образцов низколегированных ста­ лей (см. рис. 22, б, г). Несмотря на то что трещины в сварных соединениях со снятой выпуклостью шва иницииру­ ются в ЗТВ, заметного снижения долго­ вечностей по сравнению с результата­ ми, относящимися к гладким образцам ОМ, не наблюдалось.

Контактное упрочнение мягких про­ слоек наблюдается и при наличии кон­

центраторов напряжений [211]. Опы­ ты, проведенные на образцах из стали Х40 с вваренными вставками из стали 10, выявили заметное циклическое упрочнение мягкой прослойки с кон­ центраторами напряжений в виде коль­ цевых надрезов (рис. 24). С повышением уровня концентрации напряжений эф­ фект контактного упрочнения заметно снижается. В целом контактное упроч­ нение зависит от соотношения геомет­ рических размеров концентратора на­ пряжений и мягкой прослойки. Чем тоньше прослойка, тем при более рез­ ких концентраторах напряжений будет проявляться упрочняющий эффект. В реальных соединениях непосредствен­ но к линии сплавления примыкает обезуглероженный участок, обладающий пониженными прочностными свойства­ ми. Крайне малая протяженность дан­ ного участка обусловливает заметное проявление эффекта контактного упроч­ нения несмотря на наличие концентра­ тора напряжений вдоль линии сплав­ ления.

Наиболее разупрочняемая зона в сое­ динениях низколегированных сталей не­ сколько смещена от концентратора на­ пряжений (см. рис. 21). По этой причи­ не контактное упрочнение данной зоны проявляется в полной мере, приводя к заметному повышению ее пределов выносливости (см. рис. 22, б, г) и ло­ кализации усталостных разрушений в других, более напряженных участках. Следовательно, мягкие прослойки, рас­ положенные в пределах обезуглероженного участка, а также участков полной и неполной перекристаллиза­ ции, в обычных условиях не снижают пределы выносливости соединений низ­ колегированных сталей.

Общий вывод о несущественной роли неоднородности механических свойств в изменении пределов выносливости может быть распространен и на соеди­ нения высокопрочных сталей. Иллю­ страцией могут служить результаты ус­ талостных испытаний сварных образ­ цов из термообработанной стали с пре­ делом текучести аг = 860 МПа [363].

рассматривать с учетом наблюдаемых эффектов контактного упрочнения мяг­ ких и тонких прослоек, наличия кон­ центраторов напряжений, уровня на­ пряжений. В многоцикловой области, как уже упоминалось, влияние неод­ нородности свойств соединений в изме­ нении их долговечности можно не учи­ тывать. Данный фактор оказывает вто­ ростепенное влияние и в диапазоне ма­ лоцикловых усталостных разрушений. В то же время несущая способность сварных соединений в квазистатической области определяется механически­ ми свойствами наименее прочной зоны.

3.ОСТАТОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ

Впроцессе сварки металл шва и ос­ новной металл изделия около шва на­ греваются до высокой температуры и рас­ ширяются. Свободному расширению препятствует холодный металл, окру­ жающий зону сварки. Благодаря плас­ тичности нагретый металл приобрета­ ет новую форму. Охлаждаясь, металл вновь становится упругим и старается укоротиться. Однако окружающий хо­ лодный металл препятствует сжатию. Вследствие этого в МШ и ОМ при осты­ вании возникают сварочные остаточ­ ные напряжения.

Упрощенный механизм образования остаточных напряжений можно про­ следить на модели, состоящей из трех жестко связанных стержней (рис. 26, а). При нагреве среднего элемента боко­ вые стержни сдерживают его темпера­ турное удлинение. В нагреваемом эле-

Рнс. 26. Упрощенная схема образования ос­ таточных напряжений.

Р ис. 27. Эпюра продольных остаточных на­

пряжении в сварной пластине пизкоуглеродистой стали.

менте возникают сжимающие напряже­ ния, а в боковых — растягивающие. После достижения сжимающими напря­ жениями уровня предела текучести ма­ териала дальнейшее повышение темпе­ ратуры вызывает развитие в среднем стержне пластических деформаций сжа­ тия (укорочения). По мере остывания сжимающие остаточные напряжения в среднем стержне будут уменьшаться и при некоторой температуре достигнут нулевых значений (рис. 26, б). Далее боковые стержни начнут препятство­ вать температурному укорочению сред­ него элемента. После полного остыва­ ния в нем возникнут остаточные напря­ жения растяжения, а в боковых стерж­ нях — сжатия.

В действительности механизм обра­ зования сварочных остаточных напря­ жений имеет более сложный характер. Он включает ряд процессов, связан­ ных с влиянием температуры на меха­ нические характеристики металла,, сIруктурными превращениями, релакса­ цией, ползучестью металла, объемностью напряженно-деформированного состоя­ ния и другими факторами [37, 158, 177,; 181, 218]. Тем не менее основной при­ чиной образования остаточных напря­ жений является местный нагрев и даль­ нейшее неравномерное охлаждение шва и основного металла в зоне сварки при наличии связей, препятствующих сво­ бодной деформации при остывании [1901.

Рл:*. 29. Эпюры продольных остаточпых на­ пряжений в сварных пластинах

ных стыковых швах зависят от свойств металла, числа слоев, режима сварки и условий закрепления. Распределение продольных напряжений ах подчиня­ ется примерно тем же закономерностям, что и в однопроходных электродуговых соединениях. Распределение попе­ речных напряжений оу в многослойных швах с У-образной разделкой зависит от характера закрепления свариваемых пластин. При сварке незакрепленных пластин вследствие поперечной усадки отдельных слоев и поворота пластин относительно друг друга в корне шва напряжения ау могут быть выше пре­ дела текучести основного материала, а при больших толщинах (80—100 мм и более) могут достигать значений, вы­ зывающих разрушение. Наоборот, при сварке пластин, где угловой поворот невозможен, а поперечная усадка про­ исходит беспрепятственно, в корне шва возникают сжимающие напряжения оу.

гивающими. Напряжения аг могут быть и сжимающими и растягивающими, что зависит от режима укладки валиков выше лежащих слоев.

В сварных соединениях нахлесточных, угловых и тавровых распределе­

ние напряжений при электродуговой сварке аналогично распределению на­ пряжений в стыковых соединениях. Сле­ дует отметить, что в сталях остаточные напряжения весьма стабильны во вре­ мени. Релаксация их протекает крайне медленно и составляет несколько про­ центов. В то же время их величипа и распределение существенно изменяют­ ся под воздействием внешнего нагру­ жения.

Взаимодействие с переменными на­ грузками. Поскольку растягивающие остаточпые напряжения в сварных сое­ динениях обычно достигают предела текучести материала, даже незначи­ тельная внешняя нагрузка вызывает в зоне шва пластическую деформацию, которая приводит к изменению исход­ ного поля остаточных напряжений.

Экспериментальное изучение харак­ тера изменения остаточных напряже­ ний в условиях циклического нагруже­ ния до недавнего времени осложнялось тем, что не было надежного метода их многократного измерения в исследуе­ мой зоне. Известно, что с помощью тен­ зодатчиков остаточные напряжения можно измерить лишь один раз, после разрезки изделия. Решение этой зада­ чи существенно облегчилось после раз­ работки неразругаающего ультразву­ кового метода измерения остаточных напряжений [62, 681. С его помощью можно контролировать остаточные на­ пряжения в процессе испытания мно­ гократно и подробно изучать кинетику их изменения в связи с концентрацией напряжений, уровнем нагружения, ве­ личиной начальных остаточных напря­ жений и числом перемен напряжений.

Исследования [68, 137, 255, 256] пока­ зали, что в интервале номинальных на­ пряжений, отвечающих многоцикловой области нагружения, изменение оста­ точных напряжений происходит глав­ ным образом при первом цикле нагру­ жения. Последующие циклы вызывают значительно меньшие изменения, и уро­ вень остаточных напряжений можно считать практически установившимся (рис. 30). Установившийся уровень ос-

в координатах атах, Оост» «а- Диаграм­ ма построена по результатам много­ численных замеров остаточных напря­ жений в зонах концентраторов свар­ ных образцов низкоуглеродистой стали после 104 циклов нагружения [254]. Пе­ ресечение поверхности диаграммы плос­

костью (сттах> (Тост) выявляет зависи­ мость уровня установившихся оста­ точных напряжений от максимальных напряжений цикла для фиксированно­ го значения теоретического коэффици­ ента концентрации напряжений. Наи­ большая крутизна этой кривой наблю­ дается в области небольших значений номинальных напряжений. С ростом нагрузки интенсивность изменения рас­ тягивающих остаточных напряжений уменьшается. Дальнейшее увеличение номинальных напряжений приводит к формированию в зонах концентраторов остаточных напряжений обратного знака.

Рпс. 31. Пространственная диаграмма уста­ новившихся остаточных напряжений в коор-

дпнатах отах, <уЩ, аа.

в - ,,ила