книги / Прочность сварных соединений при переменных нагрузках

Большого рассеяния результатов ус­ талостных испытаний пе наблюдалось (рис. 46), особенно при Ва = —1, не­ смотря на то что стыки выполнялись с различной формой разделки кромок

Стыковые соединения в металлокон­ струкциях часто пересекаются продоль­ ными швами (напрпмер, угловыми в сварных двухтавровых балках). В ряде случаев наложение этих швов может

разную выпуклость. Коэффициент кор­ реляции совокупности результатов ус­ талостных испытаний, относящихся к Ва = —1, составлял 0,965. По-види­ мому, роль упомянутых факторов за­ метно скрадывается на фоне сильпого влияния остаточных напряжений.

Предел выносливости стыковых сое­ динений низкоуглеродистой стали М16С

200 X 30 мм из низкоуглеродистых ста­ лей СтЗсп и стали СтЗГпс показали такое же сопротивление усталости, как и сварные из стали М16С [233, 388]. Пределы выносливости, установленные при Ва — —1 на базе 10 млн циклов, оказались равными 70 МПа, т. е. прак­ тически не отличались от предела вы­ носливости стыкового соединения низ­ коуглеродистой стали М16С.

ний стыка и снизить его сопротивление усталости. Испытания образцов сече­ нием 200 X 30 мм из низколегирован­ ной стали М16С с пересекающимися швами показали, что трещины усталос­ ти в таких соединениях зарождаются всегда в одних и тех же местах — по линии сплавления поперечпого стыка на некотором расстоянии от продольно­ го шва. Предел выносливости при сим­ метричном цикле снижается до 52 МПа, а при отнулевом — до 106 МПа [281].

Низколегированные стали. Испытыва­ лись [281, 45] стыковые соединения низ­ колегированных сталей десяти марок, существенно отличавшихся химическим составом: 14Г2, 15ГС, 15Г2С, 09Г2С, 10ХСНД, 10Г2С1, 10Г2СД, 10ХСНД, 15ХСНД и 18Г2АФпс. Большин­ ство сталей исследовалось в горячеката­ ном состоянии, стали 10Г2С1 и 10Г2СД— после термического упрочнения (на­ грев до 920 °С, закалка в воду и по­ следующий отпуск при 650 °С). Име­ лась дополнительная разновидность ста-

Рис. 47. Результаты усталостных испытаний стыковых соединений термически упрочненной стали 1072С1, выполненных на режимах с тепловложениями:

1 — 2095 кДж/м: 2 — 4609 кДж/м; з — 6704 кДж/м.

ли 15ГС — рафинированная синтетиче­ скими шлаками. Химический состав и механические свойства исследованных сталей удовлетворяли требованиям ГОСТ 19282—73.

Образцы для испытаний стыковых соединений имели толщину 26 и 30 мм. Ширина всех образцов составила 200 мм. Стыки выполнялись механи­ зированной сваркой под флюсом АН348А проволокой Св-08ГА. Для свар­ ки образцов из термически упрочнен­ ной стали 10Г2С1 применялись флюс АН-22 и проволока Св-10НМ.

Пределы выносливости стыковых соединений различных сталей при со­ ответствующих характеристиках цик­ ла практически были одинаковы (табл. 8),

несмотря на то что применялись су­ щественно различные сварочные ма­ териалы (например, при сварке образ­ цов сталей 10Г2СД, 09Г2С, 10Г2С1 и др.). В исследованной области пе­ ременных напряжений термически упрочненные стали, так же как и полуспокойная и сталь, прошедшая рафи­ нирование синтетическим шлаком, не показали заметного изменения сопро­ тивления усталости. Варьирование ре­ жимов сварки также не привело к за­ метному изменению сопротивления ус­ талости. Например, в термически упрочненных сталях, в которых механи­ ческие свойства упрочненного металла, прилегающего к шву, существенно из­ меняются и зависят от погонной энер­ гии сварки, долговечности и пределы выносливости оказались одинаковыми. В частности, это подтверждается ре­

зультатами испытаний (рис. 47) сты­ ковых соединений термоупрочненной стали 10Г2С1, сваренных на трех ре­ жимах (табл. 9) механизированной свар­ ки под флюсом. Как видно из рис. 47, изменение погонной энергии при свар­ ке от 2095 до 6704 КДж/м практиче­ ски не привело к изменению сопротив­ ления усталости стыковых соединений термически упрочненной стали. Резуль­ таты усталостных испытаний стыковых соединений, выполненных на трех ре­ жимах, занимают одну область рас­ сеяния.

Расхождение значений предела вы­ носливости стыковых соединений ис­ следованных низколегированных сталей не превышает 10—20 МПа и может быть объяснено рассеянием результа­ тов усталостных испытаний. В ряде случаев оно соизмеримо с точностью определения напряжений в испытывае­ мых образцах. Поэтому при высокой остаточной напряженности для стыко­ вых сварных соединений низколегиро­ ванных сталей различных марок более обоснованно принимать одинаковые пре­ делы выносливости. Приведенные в табл. 8 данные позволяют рекомендовать следующие средние значения: а_ 1 = 75 МПа, сг0 = 155 МПа, сто,б = 235 МПа.

Высокопрочные стали. В сварных кон­ струкциях находят применение высо­ копрочные низколегированные тер­ мообработанные стали мартенситного или бейнитного класса с пределом те­ кучести 600—900 МПа и выше. Зна­ чения пределов выносливости стыко­ вых соединений таких сталей приве­ дены в табл. 10. Обращает на себя внимание, что в интервале изменения

Таблица 9. Режимы механизированной под флюсом сварки термоупрочнеиной

стали 10Г2С1

цов проводились при изгибе. Полу­ ченные значения пределов выносливос­ ти (табл. 13) свидетельствуют о том, что нахлесточные соединения исследо­ ванных высокопрочных сталей по соп­ ротивлению усталости в диапазоне Ва = = —1 ...0,6 не обладают преимущест-

вами перед однотипными соединениями низкоуглеродистых и низколегирован­ ных сталей.

Нахлесточные соединения с продоль­ ными угловыми швами и прпклепления встык. Наиболее низким сопротив­ лением усталости обладают нахлесточ­ ные соединения с фланговыми швами. Трещины усталости в таких соедине­ ниях, как правило, возникают в основ­ ном металле у концов фланговых швов и распространяются под прямым уг­ лом к поверхности пластин.

Испытывались образцы различного вида: пластины сечением 200 X 30 мм с приваренными планками, не передаю­ щими нагрузку, и составленные из швел­ леров, в которых фланговые швы не­ посредственно воспринимали нагруз­ ку [281]. Образцы первого типа изго­ товлялись из низкоуглеродистой стали М16С и испытывались на изгиб при симметричном (Ва = —1), отнулевом (Вя = 0) и асимметричном (Ва = 0,6)

циклах; образцы второго типа (СтЗ) —

при осевом нагружении и Ва, равном 0 и 0,3. Сварка образцов осуществля­ лась вручную электродами УОНИ 13/45. При отнулевом цикле пластины с планками и образцы, составленные из швеллеров, показали практически оди­

асимметричных циклах достигали а0,з = = 78 п ао,6 = 120 МПа. При симмет­ ричном цикле о_1 = 23 МПа.

Обварка по контуру приводит к бо­ лее равномерному распределению си­ лового потока в нахлесточных соеди­ нениях. Концентрация напряжений сни­ жается примерно на 20—30 %. Вслед­ ствие этого возрастают пределы вы­ носливости нахлесточного соединения с обваркой по контуру по сравнению с соединением с фланговыми швами. При

ления усталости наблюдается при пере­ ходе к соединениям, воспроизводящим прикрепления продольными швами к кромкам несущих элементов фасовок со скосами под углом 45°. Выполнен­ ные при изгибе испытания плоских

образцов сечением 200 X 30 мм из низ­ коуглеродистой стали М16С с продоль­ ными швами (ручная сварка), имевшими по концам достаточно плавный пере­ ход на основной металл, дали следую­ щие значения пределов выносливости [2811: ог_1 = 55 МПа, а0 = 110 МПа.

Характерно, что усталостные трещины у данного вида соединения зарождают­ ся в направленном металле, вблизи концов швов. При дальнейшем раз­ витии трещины переходят в основной металл.

Обобщенная диаграмма предельных напряжений. Независимость сопротив­ ления усталости необработанных сое-

Рис. 48. Диаграммы предельных напряжений цикла основных типов сварных соединений

динений от прочности основного метал­ ла и полученные при различных ха­ рактеристиках цикла средние значения пределов выносливости (табл. 14) поз­ воляют представить диаграммы основ­ ных типов сварных соединений низ­ коуглеродистых, низколегированных и

высокопрочных сталей в совмещенном виде.

На обобщенной диаграмме (рис. 48) линии предельных напряжений цик­ ла, относящиеся к различным сталям, совпадают, и каждая из них является продолжением предыдущей, отражаю­ щей сопротивление усталости соеди­ нения менее прочного материала. В ис­ следованном диапазоне Еа совмещен­ ная диаграмма предельных напряжений цикла сварного соединения сталей раз­ личных классов прочности наклонена под углом 45° к оси абсцисс. Это ука­ зывает на то, что предельные амплиту­ ды оа не зависят от среднего напряже­ ния цикла от. Для сварных соедине­ ний с высокими остаточными напряже­ ниями амплитуды предельных напря­ жений цикла оа, установленные при испытании крупномасштабных образ­ цов по критерию начальной стадии разрушения, остаются постоянными во всем диапазоне максимальных напря­ жений и не зависят от класса прочности стали.

Это важное положение о независи­ мости оа от от при высоких остаточных растягивающих напряжениях можно проиллюстрировать и путем анализа взаимодействия в зонах концентраторов остаточных напряжений и напряжений от внешней нагрузки [259]. В зонах концентраторов при циклическом на­ гружении сварного соединения (Еа = 0) с высокими остаточными напряжения­

ми растяжения максимальные Ощах и

Если цикл изменения напряжений, при

котором сГщах достигают предела теку­ чести материала, считать предельным, то такой цикл реализуется в зонах кон­ центраторов сварного соединения с ис­ ходными остаточными напряжениями растяжения, равными ат, независимо от Еа. При равенстве амплитуд на­ пряжений цикла внешнего нагружения

напряжения в зонах концентраторов сварного соединения будут изменяться от От до от — 2ааоа независимо от Еа (рис. 49, а). Поэтому, в отличие от ос­ новного металла и сварных соединений без остаточных напряжений, амплиту­ ды предельных напряжений (номиналь­ ных) цикла (на базе 2—5 млн циклов и более) соединений с высокими остаточ­ ными напряжениями не зависят от Еа.

Предельный цикл напряжений в зо­ нах концентраторов реализуется и в том случае, когда растягивающие ос­ таточные напряжения меньше ат. Для произвольного значения Еа величина

Рис. 49. Изменение напряжений (/ — номи­ нальных, II — в зоне концентратора) в свар­ ном соединении в процессе циклического на­ гружения при различных значениях На (а) и

зависимость максимальных напряжений свар­ ных соединений от уровня средних напряже­ ний цикла внешнего нагружения (б):

1 % 2 — сварные соединения соответственно с высо­ кими растягивающими остаточными напряжениями и без них; 3 — максимальные напряжения в зоне концентратора сварного соединения без остаточных напряжений.

минимальных остаточных напряжений

растяжения Пост, обеспечивающих реа­ лизацию в зонах концентраторов пре­ дельного цикла напряжений, опреде­ ляется из уравнения

аост/ат = 1 “ 2ааа^/ат (1 — Дс), (3.3)

де а" — предельная амплитуда цикла.

Уровень сгост с увеличением Ва умень­ шается, а с ростом концентрации на­ пряжений (при постоянном Ва) — воз­ растает (табл. 15). Предел выносли­ вости сварного соединения с учетом остаточных напряжений можно опре­ делить пз диаграммы предельных на­ пряжений цикла сварного соединения без остаточных напряжений [138]. Для этого достаточно определить амплиту­ ду предельных напряжений соединения без остаточных напряжений, при кото­ рой в зонах концентраторов в процессе циклического нагружения реализует­ ся предельный цикл напряжений, т. е. выполняется условие

Зависимость амплитуды оа и макси­ мальных отхх напряжений цикла со­ единений беэ остаточных напряжений от средних напряжений цикла от пред­ ставляют в линеаризированном виде

где 1 — предельная амплитуда на­

пряжений при от = О,

Зависимость (3.6) соответствует ли­ нии 2 на рис. 49, б. Величина макси­ мальных напряжений цикла в зонах концентраторов сварных соединений без остаточных напряжений (в упругой об­ ласти) определяется из соотношения

которое соответствует линии 3 на рис. 49, б.

Величина средних напряжений цик­

ла <7т1У при котором уровень Отах ДО- стигает значения предела текучести ма­ териала, определяется подстановкой вы­ ражения (3.6) в (3.7), а затем в соотно­ шение (3.4):

Подставив выражение (3.8) в (3.5), получим уравнение для определения амплитуды предельных напряжений цик­ ла сварного соединения с высокими растягивающими остаточными напря­ жениями:

Поскольку величина ст" не зависит от асимметрии цикла внешнего нагруже­ ния, диаграмма предельных напряже­ ний от ах сварного соединения с вы­ сокими остаточными напряжениями представляет собой прямую, наклонен­ ную под углом 45° к координатпым осям ат ах и от (линия 1 на рис. 49, б):

Уравнение этой прямой имеет вид

Области рационального применения в сварных конструкциях сталей раз­ личных классов прочности могут быть определены из обобщенной диаграммы предельных напряжений (см. рис. 48). При отрицательных и небольших по­ ложительных значениях Еа применение любой стали ограничивается на диа­ грамме одной и той же прямой предель­ ных напряжений цикла. В области пе­ ременных напряжений, ограниченной горизонтальной прямой, соответству­ ющей предельным статическим напря­ жениям низкоуглеродистых сталей, наи­ более целесообразно использовать низ­ коуглеродистые стали.

Области рационального применения низколегированных и высокопрочных сталей определяются на диаграмме точ­ ками пересечения линии предельных переменных напряжений с горизонталь­ ными прямыми, отвечающими предель­ ным статическим напряжениям низко­ углеродистых и низколегированных сталей. Выше уровня предельных ста­ тических напряжений низкоуглеродис­ той стали лежит область рационального использования низколегированных ста­

сталей — область целесообразного при­ менения высокопрочных сталей.

В области ограниченной долговеч­ ности амплитуды предельных напря­ жений сварного соединения существенно изменяются в зависимости от асим­ метрии цикла [220, 373]. На рис. 50 приведены диаграммы предельных на­ пряжений нахлесточного соединения с фланговыми швами применительно к различным числам циклов. С повыше­ нием Ва амплитуды напряжений воз­ растают и относительное влияние этой зависимости усиливается с уменьше­ нием ТУ.

Перестает действовать и другая осо­ бенность, касающаяся влияния проч­ ности материала. В области ограни­ ченной долговечности сопротивление ус­

талости сварных соединений заметна увеличивается с повышением прочно­ сти основного металла. На рис. 51 сов­ мещены диаграммы предельных на­ пряжений цикла стыкового соединения сталей различной прочности, соответ­

пряжений соединения низкоуглеродис­ тых, низколегированных и высокопроч­ ных сталей показывают одинаковые пре­ дельные напряжения при соответствую­ щих значениях ТУ, то по мере увеличе­ ния коэффициента асимметрии цикла линии предельных напряжений расхо­ дятся, показывая преимущества сталей с более высокой прочностью. Диаграм­ мы предельных напряжений позволяют определять целесообразные области при­ менения в сварных конструкциях ста-

Рпс. 50. Диаграммы предельных напряжений цикла нахлесточного соединения с фланговы­ ми швами, соответствующие различным чис­ лам циклов.

Рис. 51. Диаграммы предельных напряжений цикла стыкового соединения низкоуглероди­ стых (/), низколегированных (II) и высоко­ прочных (III) сталей для различных чисел цик­ лов:

1, 2%з — предельные статические напряжения со­ ответственно низкоуглеродистых, низколегирован­ ных и низколегированных высокопрочных сталей.

лей повышенной и высокой прочности не только в зависимости от асимметрии

исследований позволили построить по­ добные диаграммы предельных напря­ жений и для других типов сварных соединений. В методических указаниях Госстандарта СССР [213] указанные диа­ граммы приведены во взаимосвязи с видом сварных соединений и узлов, классом прочности стали и расчетным числом циклов.

По сравнению с основным металлом необработанные сварные соединения обладают пониженным сопротивлением

ных стыковых соединений сталей раз­ личных классов прочности составляют 46—32 %, нахлесточных с фланго­ выми швами — 20— 40 % от пределов выносливости основного металла с про­ каткой поверхностью (рис. 52). Область относительного снижения сопротивле­ ния усталости других типов соедине­ ний низкоуглеродистых, низколеги­ рованных и высокопрочных сталей за­ нимает промежуточное положение меж­ ду стыковыми и иахлесточными соеди­ нениями с фланговыми швами.

Сопротивление усталости при цик­ лическом сжатии. Известно, что пре­ делы выносливости материалов в об­

ласти сжатия выше, чем при растяже-

Рис. 52. Диаграммы предельных напряжений цикла сталей различпых классов прочности (7, 2, 3 — соответственно низкоуглеродистые, низколегированные и высокопрочные) с про­ катной поверхностью, а также стыковых (4 — нпзкоуглеродпетые; 4, 4' — низколегирован­ ные; 4, 4 \ 4п — высокопрочные стали) и на­ хлесточных соединений с фланговыми швами (5 — пизкоуглероднетые; 5, 5' — низколеги­ рованные; 5, 5 \ 5" — высокопрочные стали).