книги / Прочность сварных соединений при переменных нагрузках

с фланговыми швами, выполненных на базе 100 млн циклов Г252]. Образцы се­ чением 200 X 26 мм с консольным за­

креплением испытывались на изгиб при симметричном цикле и постоянной ам­ плитуде напряжений с частотой 40— 45 Гц. Критерием завершения ис­ пытаний служила трещина усталости глубиной 2—3 мм. При напряжениях, близких к уровню напряжений в месте перелома кривой, образцы выдержива­ ли 100 млн перемен нагружений без ви­

димых признаков разрушения (рис. 39). Однако, как показал анализ большого числа кривых усталости сварных соединений, перелом наблюдается в ин­ тервале 1,5—4,0 млн циклов и в пер­ вом приближении допустимо принимать, что положение его не зависит от вида соединения и типа образца [281]. Сред­

нее значение N точек перелома получи­ лось равным 2,7 млн циклов, а диспер­ сия = 0,65 млн циклов.

Если рассеяние местонахождения то­ чек перелома подчиняется нормально­ му закону распределения и отклонение от среднего значения не превышает тройной меры рассеяния, база испыта­ ний сварных образцов должна состав­ лять не менее 5 млн циклов. Такую ба­ зу рекомендуется принимать, когда кри­ терием усталостного разрушения слу­ жит стадия зарождения трещины. В слу­ чае завершения испытаний при пол­ ном изломе образцов базой испытания должно служить большее число N.

Размеры образцов с учетом влияния остаточных напряжений. Согласно упо­ мянутым методическим указаниям [213]

размеры сварных образцов должны вы­ бираться таким образом, чтобы они обеспечивали воспроизведение типа со­ единения, вида и технологического про­ цесса сварки, режимов сварки, предель­ ную (максимальную) величину оста­ точных сварочных напряжений, отве­ чающих реальным сварным конструк­ циям.

Наиболее часто растягивающие ос­ таточные напряжения в реальных соеди­ нениях достигают предела текучести металла, поэтому при определении ми­ нимальных пределов выносливости ис­ пытываемые образцы должны иметь пре­ дельные остаточные напряжения.

Наиболее стабильна остаточная на­ пряженность в образцах с фланговыми швами. Независимо от размеров и фор­ мы образцов по концам швов создают­ ся примерно одинаковые остаточные напряжения [281, 370]. На рис. 40, а показаны пластины, в которых заме­ рялись остаточные напряжения с по­ мощью тензодатчиков. Датчики с базой 10 мм располагались у концов фланго­

вых швов. После последовательного уменьшения длины образца с 1870 до 600 мм и разрезки последнего посере­ дине нулевые показания датчиков не изменились. То же самое наблюдалось при уменьшении длины образца с 1100

до 300 мм (рис. 40, б). Последующая вы­ резка датчиков показала, что в двух указанных образцах продольные оста­ точные напряжения у концов фланговых швов одинаковы (17 000—17 800 МПа) и только в тех случаях, когда ширина образца соизмерима с величиной зоны

8*

Синими

т о

Рис. 40. Схемы образцов для замеров оста­ точных напряжений.

пластической деформации при нагреве, эти напряжения резко уменьшаются. Постоянство остаточной напряженности обеспечивает стабильность пределов вы­ носливости таких соединений при ис­ пытании образцов, отличающихся фор­ мой и размерами [281].

Иная картина наблюдается в случав стыковых соединений. Эпюра остаточ­ ных напряжений в образцах со стыко­ выми швами нестабильна. Характер эпюры и максимальные поперечные (по отношению к шву) растягивающие ос­ таточные напряжения определяются ви­ дом и размером исходной заготовки, поперечным сечением образца и допол­ нительными швами (рис. 41). В ряде случаев на распределение и величину остаточных напряжений влияют по­ рядок наложения швов, режим сварки, жесткость закрепления образцов во вре­ мя сварки и т. п. Отличаясь остаточной напряженностью, образцы не могут по­ казывать одинаковую циклическую дол­ говечность. Вероятно, этим обстоятель­ ством можно объяснить существенное расхождение данных различных авторов в отношении пределов выносливости стыковых соединений при симметрич­ ном цикле напряжений и большую ста­ бильность этих данных при однознач­ ных напряжениях (когда уровень ус­

тановившихся остаточных напряжений во всех образцах становится пример­ но одинаковым).

Согласно исследованиям [335] попе­ речные остаточные напряжения дости­ гают максимума, начиная с длины сты­ кового шва 203 мм при толщине плас­ тин 25 мм. Приведенные на рис. 41 эпю­ ры показывают, что при ширине плас­ тины 200 мм и толщине 26 мм попереч­ ные остаточные напряжения близки к пределу текучести основного металла. Такие образцы обладают и наиболее низким сопротивлением усталости [276, 425].

При симметричном цикле напряже­ ний испытывались плоские образцы со стыковыми швами сечением 70 X 16. 200 X 16, 85 X 26, 200 X 26, 300 X X 26, 200 X 46 мм, изготовлепные из низкоуглеродистой стали М16С. Стыки выполнялись автоматической сваркой. Выпуклости швов не снимались. Испы­ тания прекращались при достижении усталостными трещинами глубины 2— 3 мм. Во всех образцах усталостные трещины зарождались по линии пере­ хода шва на основной металл в зонах наиболее высоких растягивающих ос­ таточных напряжений. Падение вынос­ ливости наблюдалось как при утолщении образцов, так и при их уширении. Однако после того, как ширина образца становилась равной 200 мм, а толщи­ на — 26—30 мм, предел выносливости соединений стабилизировался и дости­ гал минимального значения (рис. 42).

Возможно, чю в соединениях других видов для создания максимальных ос­ таточных напряжений требуются об­ разцы меньших размеров. Тем не менее размеры сечений и этих образцов могут оказаться выше предельных для имею­ щегося испытательного оборудования. При таких условиях возникает необ­ ходимость получения минимальных пределов выносливости на образцах сравнительно небольшого размера с искусственно наведенными растягиваю­ щими остаточными напряжениями.

В ряде случаев такая задача может быть решена наплавкой на образцы до-

■Рис. 42. Влияние толщины и ширины образца на сопротивление усталости стыковых соеди­ нений:

а — Ь = 200 мм; б — б = 26 мм.

Испытания показали, что те и другие образцы обладают одинаковым сопро­ тивлением усталостным разрушениям [281].

Существенное значение может иметь порядок наложения дополнительных швов [276]. Например, последователь­ ность наплавки поперечных и продоль­ ных валиков заметно изменяла долговеч­ ность образцов, показанных на рис. 43. В образцах серии Е сперва выпол­ нялась продольная наплавка. После ее остывания наплавлялся поперечный ва­ лик. В образцах серии Ж принят об­ ратный порядок сварки. Поскольку в этом случае создаются более высокие остаточные напряжения, данные образ­ цы менее долговечны.

Таким образом, предельные остаточ­ ные напряжения в стыковых соеди­ нениях, выполненных электродуговой сваркой, достигаются на образцах ши­ риной не менее 200 мм и толщиной не менее 26 мм. При этом каждый образец должен свариваться отдельно, а не вы­ резаться из предварительно сваренной крупномасштабной заготовки. На об­ разцах меньшего сечения, в том числе вырезанных из предварительно сва­ ренной крупномасштабной заготовки, предельные остаточные напряжения мо­ гут быть наведены искусственно пу­

тем наплавки продольных валиков или локального нагрева. Наплавка допол­ нительных валиков или локальный на­ грев образцов должны проводиться пос­ ле завершения сварки основных швов и остывания образцов до температуры 30—20 °С, а также механической об­ работки боковых граней. При искус­ ственном наведении предельных оста­ точных напряжений ширина зоны на­ грева до 600 °С должна быть меньше 1!2 ширины образца. Такая техноло­ гия искусственного наведения предель­ ных остаточных напряжений в образ­ цах для усталостных испытаний может использоваться и применительно к дру­ гим типам сварных соединений [213].

В тех случаях, когда остаточные напряжения в несущих элементах кон­ струкций не достигают предельных зна­ чений (короткие стыковые швы, тонко­ листовой материал, соединения тонко­ стенного фасонного проката и др.), размеры поперечных сечений образцов для получения характеристик сопро­ тивления усталости сварных соедине­ ний могут быть соответственно умень­ шены. Правка сварных образцов де­ формированием и другими способами, вызывающими релаксацию остаточных напряжений, не допускается, если это не предусматривается программой ис­ пытаний [213].

Вид нагружения. Переменное осе­ вое нагружение (растяжение — сжатие)

Рис. 43. Кривые усталости образцов с на­ плавками серий Е (2) и Ж (1).

и повторный плоский изгиб являются наиболее распространенными видами нагружения сварных образцов при ус­ талостных испытаниях. Результатам, полученным при испытании на растя­ жение — сжатие, обычно отдается пред­ почтение перед результатами испыта­ ний па изгиб. В условиях изгиба про­ является влияние градиента напряже­ ний, вследствие чего долговечность мо­ жет оказаться завышенной. В то же время известно, что в случае осевого нагружения крупномасштабных свар­ ных образцов затруднительно избавить­ ся от эксцентриситетов приложения нагрузки, приводящих к возникновению неучитываемых моментов в значитель­ ной неравномерности распределения напряжений по сечению образца.

Чтобы установить размеры плоских образцов, при которых эффект поддер­ живающих сил практически исчезает, сопоставлялись результаты испытаний однотипных образцов при изгибе и рас­ тяжении. Испытанию подвергались пластины с отверстием и сварные образ­ цы при отнулевом цикле до образования

(рис. 44). Точки — результаты, получен­ ные при растяжении,— размещаются на одной прямой. Заметного влияния раз­ меров па сопротивление усталости не наблюдается. Пределы выносливости оказались равными 140—150 МПа. При изгибе зависимость от толщины проявляется более резко, особенно до толщины 40 мм. Пределы выносливо­ сти изменяются от 260 до 180 МПа. Од­ нако они не снижаются до уровня пре­ дела выносливости образцов, испытан­ ных на растяжение. Если исходить из того, что пределы выносливости при изгибе и растяжении в конечном счете должны быть одинаковыми, то этого возможно достичь только на пластинах толщиной значительно больше 60 мм.

Иные результаты наблюдались при испытаниях стыковых соединений. На

Рпс. 44. Изменение пределов выносливости в зависимости от толщины испытываемых пла­ стин:

1 — изгиб; 2 — растяжение.

изгиб и растяжение испытывались об­ разцы толщиной 12 и 30 мм (сталь М16С). Для создания одинаковых пре­ дельных растягивающих остаточных напряжений на тонкие образцы до­ полнительно к стыковому шву наплав­ лялись продольные валики. Долговеч­ ность тонких образцов при изгибе и растяжении была различной. Предел выносливости тонких образцов, испы­ танных на изгиб, оказался выше пре­ дела выносливости при растяжении на 35 %, а пределы выносливости образ­ цов толщиной 30 мм при растяжении и изгибе практически совпали. Ана­ логичные результаты получены на об­ разцах из стали М16С, имитирующих прикрепление ребер жесткости. Все это позволяет заключить, что для полу­ чения минимальных значений пределов выносливости сварных соединений с вы­ сокими остаточными напряжениями ис­ пытания образцов могут проводиться и при изгибе, если их толщина состав­ ляет 26—30 мм и более, а критерием завершения испытаний служит началь­ ный период развития усталостной тре­ щины.

Частота нагружения и форма цик­ ла. Воздействие частоты нагружения связано с временем нахождения образ­ ца под максимальной нагрузкой в пре­ делах одного цикла. При увеличении частоты нагружения на сопротивление

рывов испытаний (отдыха) наблюдается лишь у вязких материалов (железо, мягкая углеродистая сталь и т. п.)

перерывами после каждых ста циклов, в третьей серии перерывы после ста циклов были тридцатиминутными. Ис­

Рис. 45. Результаты испытаний образцов при частотах 800 и 300 цикл/мин (2), 60 цикл/мин (2), 30—20 и 53 цикл/мин (3).

5000 циклов при максимальных напря­ жениях о = 210 МПа, показали более низкую долговечность. Она составляла 76 % от долговечности балок, испы­ танных без перерывов.

Ограниченность и разноречивость полученных данных не позволяет сде­ лать определенные выводы в отношении влияния отдыха на сопротивление ус­ талости сварных соединений. По-види­ мому, в зависимости от испытываемого материала, вида образца, условий на­ гружения, относительной значимости других факторов влияние отдыха может проявляться по-разпому. В связи с этим следует стремиться к исключению пере­ рывов в усталостных испытаниях. В то же время можно предположить, что при низких частотах нагружения влияние отдыха вряд ли будет заметно.

2. СОПРОТИВЛЕНИЕ УСТАЛОСТИ

СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ С УЧЕТОМ

ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

Наиболее полные данные о сопро­ тивлении усталости сварных с учетом влияния растягивающих остаточных на­ пряжений получены в ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР [281, 233, 388, 45]. Ос­ новная цель этих исследований со­ стояла в получении значений пределов

выносливости различных соединений низкоуглеродистых, низколегирован­ ных и высокопрочпых сталей с учетом возможного изменения сопротивления усталости сварных образцов под влия­ нием факторов, рассмотренных в пре­ дыдущем разделе настоящей главы, а также влияния на сопротивление ус­ талости соединений: химического со­ става и способа раскисления стали, ее термообработки, формы разделок кро­ мок под сварку, применяемых свароч­ ных материалов и режимов сварки.

Стыковые соединения. Низкоуглеродистпыестали. Образцы изготавливались из сталей марок М16С, СтЗсп и СтЗГпс (табл. 6 и 7) и имели достаточное се­

чение (200 X 26, 300 X 26, 160 X 30, 200 X 30 и 200 X 46 мм) для того, чтобы растягивающие остаточные на­ пряжения могли достигать максимума, а

при испытаниях на изгиб не проявлял­ ся эффект поддерживающих сил. В плас­ тинах сохранялась черная поверх­ ность, окалина в местах сварки сни­ малась. Каждый образец сваривался от­ дельно. Начало п конец стыкового шва располагались на выводных планках, предварительно приваренных к плас­ тинам вручную. Стыки сваривались ме­ ханизированным способом под флюсом

Рлс. 46. Результаты усталостных испытаний стыковых соединений нпзкоуглеродистой ста­ ли М16С:

= “7“ 0.3.

АН 348-А электродной проволокой ди­ аметром 4—5 мм марки Св-08ГА. Пос­ ле сварки удалялись планки и строга­ лись кромки пластин. По качеству сое­ динения удовлетворяли требованиям, установленным для ответственных кон­ струкций при обычном способе конт­ роля.

Образцы испытывались при осевом нагружении и на плоский изгиб. Пе­ ременное осевое нагружение осуществ­ лялось на универсальной машине ЦДМ- 200пу с пульсаторами двухстороннего

действия. Для испытания образцов на изгиб использовалась электромагнит­ ная виброустановка резонансного ти­ па [281]. Испытания проводились при симметричном, отнулевом и асимметрич­ ном (Ва = 0,3) циклах напряжений не­ прерывно до образования усталостных трещин глубиной 2—3 мм.

Трещины усталости во всех образ­ цах зарождались в местах перехода шва к основному металлу (по линии кон­ центрации напряжений) в определен­ ных зонах по краям стыка либо по краям и середине, где растягивающие остаточные напряжения достигают наи­ больших величин.