книги / Сварка в машиностроении. Т. 3

ки ветвей диаграмм 1— 6 отсечены допускаемым уровнем напряжений по условиям статического нагружения. Ветви диаграмм предельных напряжений практически параллельны.

Рис. 14. Совмещенная диаграмма предельных напряжений стыковых соединений низкоуглеродистых ста­ лей (ф, от = 24 -f- 25 кгс/мм2), низколегированных (О, от = 33 ~ -î- 40 кгс/мм2) и сталей повышенной прочности (и, ах = 60 кгс/мм2):

1 — 3 — предельные статические напря­ жения соответственно низкоуглероднстых, низколегированных и высоко­ прочных сталей; 4—6 — области ра­ ционального использования соответ­ ственно низкоуглеродистой, низколеги­ рованной и высокопрочной низколеги­ рованной сталей

Аналогичные диаграммы и закономерности получены применительно к свар­ ным соединениям низколегированных сталей. В соответствии с эксперименталь­ ными данными [17] пределы выносливости сварных соединений с высокими рас­ тягивающими остаточными напряжениями практически не зависят от прочности основного материала [17]. На совмещенной диаграмме сварному соединению более прочной стали соответствует линия предельных напряжений, относящаяся к менее

прочному материалу, продолженная до заданного уровня предела текучести или предельного статического напряжения (рис. 14).

Дефекты сварных швов существенно снижают сопротивление усталости соеди­ нения, особенно в тех случаях, когда они располагаются в зонах высоких растяги­ вающих остаточных напряжений. В то же время вид диаграмм предельных напря­ жений сохраняется (рис. 15).

Во всех случаях ветви диаграмм предельных напряжений наклонены под углом 45° к оси абсцисс. Это указывает на то, что для рассматриваемых условий предельные амплитуды оа (или размахн напряжений 2оа) не зависят от среднего

напряжения цикла о т . Поэтому расчет на усталость в многоцикловой области при N > 2— 5 млн. циклов может проводиться по размахам напряжений без учета влияния асимметрии цикла. Применительно к необрабатываемым после сварки качественным соединениям допустимые размахи напряжений 2оа, отвечающие

В последнее время, особенно в США и Англии, расчет сварных соединений все более часто выполняют по размахам напряжений. В частности, такой подход принят в новом британском стандарте BS153 для расчета на усталость сварных соединений мостов и других конструкций. Тем не менее в среднецикловой области (при 10^ < N < 2 *10° циклов) отмеченные выше закономерности изменения сопро­ тивления усталости нарушаются и расчет по размахам напряжений в этой области может приводить к заметным погрешностям. Это связано с тем, что с увеличением напряжения от переменных нагрузок в зонах концентрации под влиянием пласти­ ческих деформаций растягивающие остаточные напряжения могут изменять не только свою величину, но и знак. Вследствие этого меняются сопротивления уста­ лости сварного соединения и диаграммы предельных напряжений становятся ины­ ми. На рис. 16 приведены диаграммы предельных напряжений нахлесточных соеди­ нений с фланговыми швами. В среднецикловой области размахи напряжений заметно изменяются в зависимости от асимметрии цикла. С понижением г размахи напряжений возрастают и относительное влияние этой зависимости усиливается с уменьшением N.

Перестает действовать и другая отмеченная ранее особенность, касающаяся влияния прочности материала. В среднецикловой области сопротивление усталости сварных соединений заметно увеличивается с повышением прочности основного металла. На рис. 17 совмещены диаграммы предельных напряжений при различ­ ных числах циклов N для стыковых соединений сталей различной прочности (сплош­ ной линией показаны диаграммы низкоуглеродистой стали с пределом текучести 24— 25 кгс/мм2, пунктирными линиями — соответствующие диаграммы низко­ легированных сталей с пределом текучести 30—40 кгс/мм2 и штриховой линией — диаграммы сталей с пределом текучести 60 кгс/мм2.

Эти диаграммы построены по данным большого числа кривых усталости, полу­ ченных [17] при испытании сварных образцов сечением 200 X 26 мм при коэффи­ циентах асимметрии г, равных — 1; 0; + 0 ,3 ; + 0 ,5 и +0,75 .

Если при симметричном цикле напряжений стыковые соединения из низко­ углеродистых, низколегированных и высокопрочных сталей имеют одинаковые предельные напряжения при соответствующих значениях N (что связано с прояв­ лением остаточных напряжений), то по мере увеличения коэффициента асиммет­ рии цикла г линии предельных напряжений расходятся, выявляя преимущества более прочных сталей. При г = 0,15, например, размах напряжений, отвечающий низколегированной высокопрочной стали, на 22% выше, чем у низкоуглеродистой. То же наблюдается и у соединений других видов (рис. 18).

В среднецикловой области в большей степени, чем в многоцикловой, следует считаться и с влиянием частоты нагружения. С увеличением частоты нагружения возрастают скорость деформации и упрочнение, вследствие чего может повышаться сопротивление усталости сварного соединения. Медленное нагружение заметно снижает долговечность образцов. Наибольшее падение долговечности наблюдается в интервале частот 300— 30 циклов/мин [17]. Мосты, краны, подкрановые балки, экскаваторы и многие другие конструкции загружаются с меньшей частотой. Поэтому долговечность сварных соединений таких конструкций при N < 5 млн.

циклов должна оцениваться с учетом влияния частоты испытаний образцов. В тех случаях, когда частота испытаний отличается от эксплуатационной, в результате испытаний следует вводить соответствующие поправки. Поскольку сварные образ­ цы чаще всего испытывают на частотах 300— 1800 цнкл/мин, полученные долговеч­ ности рекомендуется понижать в 2—2,5 раза, а ограниченные пределы выносливо­

целей можно принимать без поправок.

Сопротивление усталости сварных соединений в исходном состоянии значи­ тельно ниже выносливости основного материала. Пределы выносливости необра­ ботанных стыковых соединений могут составлять лишь V2, а нахлесточных соеди­ нений V4—Ve пределов выносливости основного металла. Поэтому в некоторых случаях возникает необходимость в использовании мер, повышающих сопротив­ ление усталости соединений.

Оценка эффективности известных способов и разработка новых методов повы­ шения выносливости сварных соединений выполняются по данным специльных экспериментальных исследований. Сопоставление и обобщение результатов этих исследований позволяют установить [17] рациональные области применения от­ дельных способов обработки и выделить наиболее эффективные (табл. 7).

7.Повышение пределов выносливости (в %) сварных соединений низкоуглсродистых и низколегированных сталей после различных видов обработки

Однако универсальных способов повышения сопротивления усталости свар­ ных соединений всех видов при различных условиях их переменного нагружения не существует. Из способов общей обработки конструкции или ее отдельных эле­ ментов наибольшего внимания заслуживают высокий отпуск и предварительная перегрузка конструкций. Эти два способа как бы дополняют друг друга. Если высокий отпуск эффективен в области знакопеременных напряжений и более заметно повышает сопротивление усталости соединений с невысокой концентра­ цией напряжений, то предварительная перегрузка, наоборот, обеспечивает лучшие результаты в области однозначных переменных напряжений и в случае примене­ ния сварных соединений с повышенной концентрацией напряжений.

Способы местной обработки соединений, повышающие выносливость за счет наводимых сжимающих остаточных напряжений, для большинства соединений оказываются более действенными, чем способы, основанные на снижении концент­ рации напряжений. Исключение составляют стыковые соединения, для которых механическая зачистка и электродуговая обработка (сглаживание швов в местах перехода на основной металл с помощью аргоновой горелки и вольфрамового элект­ рода) являются столь же эффективными мерами, как и поверхностно пластичес­ кое деформирование. Поверхностный наклеп наряду с широким применением в машиностроении для упрочнения деталей машин использовался для повышения сопротивления усталости сварных рам тележек подвижного состава и сельско­ хозяйственных машин, мостовых кранов, сварных швов трубопроводов и других изделий [4]. Перспективным может оказаться импульсный способ обработки. Существенно повышая сопротивление усталости сварных соединений, этот способ не снижает их стойко^и при хрупких разрушениях. Для большинства металло­ конструкций машин и сооружений характерен либо нестационарный режим нагру­ жения с меняющейся амплитудой напряжений, либо двухчастотный вид нагруже­ ния.

Применительно к расчетам на усталость сварных соединений имеется несколь­ ко предложений по приведению нестационарного нагружения со случайной измен­ чивостью как максимальных атах, так и минимальных amln напряжений к экви­

валентному стационарному режиму нагружения о э. Однако решения относятся к тому случаю, когда кривые усталости могут быть выражены функцией типа

(15) о гп N = const.

В более общей постановке, когда уравнение кривой описывается экспонен­ циальным уравнением (47), задача рассматривается в работе [14]. При ее решении принимается:

1) гипотеза Пальмгрена-Майнера о линейном характере накопления усталост­ ного повреждения

где ni — число циклов, воспринимаемое на i-м уравне напряжений <j/; Ni — пре­ дельная долговечность при напряжении о*;

2) в координатах amjn, amax зависимость предельного напряжения о,- от коэф­ фициента асимметрии цикла твыражается уравнением

где о0 — среднее значение предела выносливости при г = 0; k — тангенс угла наклона линии предельных напряжений к оси amjn (для сварных соединений с вы­

сокими остаточными напряжениями k = 1).

Переменные эксплуатационные нагрузки представляются стационарным случайным процессом, о свойствах которого судят по одной достаточно продолжи­ тельной реализации. Весь диапазон изменения напряжений делят на р уровней С одинаковыми промежутками между ними и считают, что amax tотвечает уровню I

или располагается между уровнями i и (i + 1), a ominy соответствует уровню /

или находится между уровнями / и (/ + 1). Любая последовательность циклов т:.:кого процесса представляется в виде |пц |матрицы. Если матрица определена подостаточно продолжительной записи процесса изменений напряжений в эксплуа­ тационных условиях,то отношение числа циклов я/y с экстремальными значениями °та х / и aminy к П0ЛН0МУ числу циклов'я определит вероятность появления таких циклов в процессе. С увеличением числа уровней уменьшается интервал Да между

о таху) появления минимума на t-м уровне после максимума на /-м уровне. Зная

зависимость общего числа циклов п от времени Т, можно определить число циклов изменения напряжений от amaxj до amin^ за это время:

i<ro

RrQ— расчетное сопротивление усталости при г = 0. В том случае, когда расчет

выполняется по эквивалентному напряжению (аэ < Rr)t его значение рекомен­ дуется определять по формуле

Другой вид нагружения — двухчастотный (или в общем случае — полигармоиический) характерен тем, что на деталь или элемент конструкции одновременно воздействуют два (или более) вида переменных напряжений, существенно отличаю­ щихся своими частотами. Такие нагружения могут испытывать транспортные ма­ шины, корпуса реакторов, барабаны котлов, лопасти колес гидротурбин (рис. 19, а), мосты (рис. 19, б), подкрановые балки, антенно-мачтовые сооружения и многие другие изделия (рис. 19). В этих машинах и сооружениях высокочастотные составляющие чаще всего порождаются вибрациями механического, гидродина­ мического или иного происхождения.

При определении ресурса большинства изделий и конструкций отрицательное воздействие вибраций часто либо совсем не учитывается, либо учет этого воздейст­ вия сводится только к увеличению амплитуды основного переменного напряже­ ния на незначительную величину, отвечающую высокочастотной составляющей цикла оа.п (рис. 20).

Простое увеличение амплитуды одночастотного нагружения неэквивалентно воздействию двухчастотного нагружения. Даже в том случае, когда двухчастотиый режим нагружения при изгибе с вращением заменяется одночастотным с размахом напряжений, равным максимальной величине изменения высокочастотной состав­ ляющей (рис. 21), долговечность в первом случае оказывается более низкой, чем во втором, Эти результаты указывают и на то, что для описания накопления уста*

соотношений у - от 100 до 5000, подтвердила инвариантность коэффициента х при /н

изменении концентрации напряжений (рис. 23), остаточных напряжений, асиммет­ рии цикла, вида нагружения и температуры. В то же время установлена существен­

ная зависимость коэффициента х от соотношения частот ~ и некоторое влияние /н

от свойств материала.

Установленные закономерности позволяют определять долговечность материа­ лов и сварных соединений при двухчастотном нагружении Nд по кривым усталос­ ти, отвечающим одиочастотному нагружению, путем деления экспериментально

его также можно определить по номограмме (рис. 24).

Коэффициент V в формуле (9) принимают в зависимости от используемого материала:

Предполагаемый метод расчета на усталость при двухчастотном нагружении отличается простотой и согласуется с ранее полученными экспериментальными данными.

СОПРОТИВЛЕНИЕ СОЕДИНЕНИЙ РАСПРОСТРАНЕНИЮ УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН

Как уже упоминалось, продолжительность стадии развития усталостной тре­ щины зависит от уровня действующих напряжений и вида нагружения. По числу циклов эта стадия может составлять от 20 до 90% общей долговечности соединения.

Согласно зависимости Пэриса [23] скорость роста усталостной трещины

(й^-) определяется размахом коэффициента интенсивности напряжений ДК по уравнению типа (30):

где С0 и ша — постоянные, зависящие от свойств материала и условий нагруже­ ния.

Формула (55) справедлива в интервале изменения скорости распространения усталостной трещины от 2-10“6 до 2-10~3 мм/цикл, в пределах которого зависи­

мость — f (lg АК) сохраняет свою линейность [18, 23]. При меньших и боль­

ших скоростях роста трещины получаемые расчетные значения в большинстве слу­ чаев не согласуются с экспериментальными данными.

Имеющаяся обширная информация о постоянных Са и та для расчетов по формуле (55) относится в основном к основному металлу. Использование этих данных для сварных соединений в некоторых случаях требует уточнениг в евтгзи с неоднородностью свойств сварного соединения, а также влиянием остаточных напряжений. Последний фактор может существенно изменять скорость развития усталостной трещины [16].

В отличие от стадии зарождения усталостной трещины стадия ее развития чувствительна к свойстам основного металла, сварочным материалам, режиму сварки и термической обработки [6, 13]. Влияние этих факторов на скорость раз­ вития трещины изучено пока еще недостаточно. Для ориентировочных расчетов по формуле ^55) скорости распространения трещины в металле шва, околошовной зоне и основном металле (в случае низких остаточных напряжений) можно исполь­ зовать значения Са/ и по табл. 4.

список л и т е р а т у р ы

1. Богданов Б. Ф. Статическая выносливость сплавов Д16Т, В95АТ и ЗОХГСА при совместном действии нагрузок разной частоты. В кн. «Прочность и долговечность авиа­

в стыковых швах листовой стали под действием повторных нагрузок. Выбор и обоснова­ ние методов и норм контроля качества сварных соединений. Материалы семинара, ЛДНТП, 1976, с. 31-36.

7. Махутов Н. А. Деформационные критерии малоциклового и хрупкого разруше­ ния. — Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. М., ИМАШ, 1973. 71 с.

8. Махутов Н. А. Кинетика развития малоциклового разрушения при повышен­ ных температурах. В кн. «Исследования малоцикловой прочности при высоких темпера­ турах». — М., Наука, 1975, с. 99—123.

9. Муханов К. К., Ларионов В. В., Ханухов X. М. Метод оценки несущей способности сварных стальных конструкций при малоцикловом нагружении. Расчеты на прочность. Вып. 17. М., Машиностроение, 1976, с. 259—284.

10. Мюнзе В. X. Усталостная прочность сварных стальных конструкций. М., Маши­ ностроение, 1968. 310 с.

11.Нормы расчета на прочность элементов реакторов, парогенераторов, сосудов и трубопроводов атомных электростанций, опытных и исследовательских ядерных реак­ торов и установок. М., Металлургия, 1973. 408 с.

12.Прочность при малоцикловом нагружении. Под ред. С. В. Серенсена. М., Наука, 1975. 285 с.

13.Серенсен В. Д., Махутов Н. А. Сопротивление сварного соединения малоуглероди­ стой стали малоцикловому нагружению в зависимости от свойств отдельных зон. —

частотиом нагружении. В ки.: «Прочность сварных соединений и конструкций при пере­

17.Труфяков В. И. Усталость сварных соединений. Киев. Наукова думка, 1973.

216 с.

18.Школьник А. М. Скорость роста трещин и живучесть металла. М., Металлургия, 1973. 215 с.

19.Ярема С. Я., Микитишин С. П. Аналитическое описание диаграммы усталостного

разрушения материалов. — «Физико-химическая механика материалов», 1975, № 6,

с.47—54.

20.Gurney Т. Fatigue of Welded Structures. — Cambridge University Press, 1968.

294c .

21.Manson S. S. Complex subject some simpl approximations experimental mecha­ nics. 1965, N 2, p. 28—36.

22.Monograph on Fatigue strength of Welds. — RSAES, Stockholm, 1969, p. 560.

23.Paris P., Erdogan F. Transactions ASME, ser D, 1963, vol. 85, № 4, c. 60—69.