книги / Несущая способность сварных соединений

проволоку при постоянных режимах сварки, что и для соеди­ нений с угловыми швами. При испытании сварных соединений фиксировали экспериментальные значения угла страгивания трещины от вершины непровара а Экс. Сравнение полученных

опытных данных (а кэ^с и а Экс) с расчетными значениями (oj[J0p и сстеор) вполне удовлетворительное (см. табл. 3.4).

Для оценки сопротивляемости сварных соединений с фланго­

из тех же допущений, что и при анализе тавровых и нахлесточных соединений. Непровар в корне углового шва в данных соединениях является концентратором продольного сдвига с ко­ нечным радиусом в вершине. Отличительной особенностью напря­ женно-деформированного состояния рассматриваемых соедине­ ний с фланговыми швами является то, что направление силового потока в швах представляет собой винтовую поверхность (см. рис. 3.4). В сечении, прилегающем к свободному от внешней нагрузки торцу накладки, эта поверхность совпадает с плоскостью непровара и наблюдается инициирование трещины от вершины •концентратора. Трещина продвигается в направлении основания флангового шва, затем поворачивается и выходит на направление (биссектрисы прямого угла. После выхода со стороны торца на поверхность шва она продолжает распространяться по длине флангового шва в плоскости, равнонаклоненной к катетам шва (здесь имеется в виду соединение с равнокатетнымн швами).

Для разработки математической модели оценки сопротнвлемости соединений с фланговыми швами квазихрупким разруше­ ниям, базирующейся на критериях линейной механики разруше­ ния, использовали подход, предложенный В. А. Винокуровым, согласно которому достаточно ограничиться рассмотрением одно-

го (или двух) фрагментов соединения с наибольшей концентраци­ ей напряжений. В качестве такого фрагмента выбирали участок шва, в котором происходит зарождение трещины и плоскость раз­ рушения совпадает с плоскостью непровара (рис. 3.9,а).

С учетом принятых допущений несущую способность соедине­ ний с фланговыми швами в условиях квазихрупкого (хрупкого) разрушения оценивали по критерию максимальных сдвигающих напряжений [166]:

где /(шс — вязкость разрушения материала флангового шва при продольном сдвиге; I — размер непровара; фпл, <рк и фр — попра­ вочные функции соответственно на образование зон локальной текучести в окрестности вершины непровара, на конечность гео­ метрических размеров соединения и на конечность радиуса в вершине трещиноподобного концентратора (непровара).

Для учета локальной текучести в окрестности вершины тре­ щиноподобного концентратора использовали поправку Дж. Ирви­ на на пластичность (на размер пластической зоны гпл). Для трещин продольного сдвига пластическая область в условиях ее автомодельности имеет форму цилиндра радиусом гпл [104]:

В условиях продольного сдвига поправочную функцию на ограничение размеров можно представить в форме

(3.39)

где В — расчетный размер, определяемый из характера разру­ шения сварйого шва (см. рис, 3.9, а) как к [102], при

сточных соединениях наблюдается уменьшение значений ftonnv (Рошп>60°) с ростом относительной глубины проплавления ц. Нетрудно заметить, что оптимальные значения углов (30п т как для

тавровых, так и для нахлесточных соединений находятся в пер­ вом диапазоне их изменения. Здесь же (см. рис. ЗЛО, а) приве­ дена зависимость ftomn (TJ), построенная по методике [103]- Удовлетворительное соответствие результатов, полученных по< обеим методикам, позволяет судить об их достоверности.

Рис. 3.10. Зависимость оптимальных значений углов р0Пт от отно­ сительной глубины проплавления г) тавровых (а) и нахлесточных

(б) соединений (I, II, III — диапазоны изменения углов Р).

Одним из требований, предъявляемых к сварным соединени­ ям, является обеспечение их равнопрочности присоединяемым элементам (например, нахлестке или стенке тавра).

Учитывая, что оптимальные геометрические параметры угло­ вых швов приходятся на первый диапазон изменения углов р, из:

условия равнопрочности Кт)0= —получены соотношения

f

для тавровых соединений:

(3.42)

для нахлесточных соединений:

(3.43)

Данные зависимости «(-ф, |5) для рассматриваемых соединений представлены на рис. 3.11, а, б. Используя их, по заданным зна­ чениям параметров х и т|з можно определить диапазон изменений [ftp]» обеспечивающих равнопрочность соединений присоединяе­ мой пластине. Для этого из точки, соответствующей параметру х» значение которого выбирают из технологических соображений с учетом способа и режима сварки, необходимо провести прямую параллельно оси ft до пересечения с кривой x(i]>, ft), соответствую­ щей заданному значению параметра *ф.

то это означает, что при данных значениях этих величин соедине­ ния неравнопрочны ни при каком значении углов р.

ного металла F) оптимальными с точки зрения несущей способ­ ности являются равнокатетные швы. При сварке с глубоким про­ плавлением, как показали расчеты, проведенные при постоянных значениях F и TJ, применение швов с неравными катетами практи­ чески не приводит к повышению предельной нагрузки Р рассмат­ риваемых соединений.

С другой стороны, анализ соотношений (3.12) — (3.14) позво­ ляет получить важный для практики вывод о том, что при выпол­ нении сварных соединений с однослойными фланговыми швами на постоянных режимах сварки (задана глубина проплавления Я,

J5=60,2 ... 68,7°, что подтверждается результатами [47].

Глава 4 ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ,

СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ И СОСУДОВ ДАВЛЕНИЯ

Инженерные конструкции не могут выполнять свои служебные функции, если характеристики напряженно-деформированного состояния их элементов превосходят допустимые пределы. В та­ ких случаях конструкции либо меняют свою исходную геометри­ ческую форму, либо разрушаются. В связи с этим установление характеристик напряженно-деформированного состояния и их до­ пустимых значений с учетом реальных условий эксплуатации и изготовления (температура, режимы термообработки, сварки, хим­ состав, характер нагрузок и т. д.) для материалов или для кон­ струкции в целом представляет собой важную научно-техниче­ скую задачу. Это составляет основу инженерного расчета конст­ рукций на прочность, жесткость, ползучесть и усталость..

Однако практика исследований последних лет свидетельству­ ет о том, что разрушение элементов конструкций связано, как правило, с наличием концентрации напряжений, в области кото­ рой сначала происходит зарождение, а затем развитие трещины при уровне напряжений гораздо меньше предела прочности или текучести для данного материала конструкции. Важность изуче­ ния процессов распространения трещин в конструкционных мате­ риалах обусловлена также тем, что подобные случаи разрушения конструкций свидетельствуют о недостаточности оценки прочно­ сти материалов, из которых они изготовлены, на основе стандарт­ ных механических характеристик (ов, сгт» б, ф, KCV и др.). Бо­ лее полную информацию о механическом поведении конструкции в условиях хрупкого разрушения (при номинальных напряжениях ниже предела текучести материала) дает использование при ана­ лизе подобных разрушений критериев оценки трещиностойкости материала Кс или Kic (вязкость разрушения); критического рас­ крытия трещины в ее тупиковой части бс; плотности энергии разрушения у, работы распространения трещины при ударном нагружении КСТ и др.

Несмотря на важность данных характеристик для инженерной практики в настоящее время пока недостаточно разработаны эф­ фективные методы их определения как для материалов, так и для сварных соединений. В данной главе представлены некоторые ме­ тодики оценки трещиностойкости конструкционных материалов и их сварных соединений при статических, динамических и устало­