книги / Прочность сварных соединений при переменных нагрузках
..pdfна нее носит случайный характер. Со вокупность проходов одного или раз ных кранов по подкрановой балке пред ставляет собой случайный процесс на гружения. В элементах сжатой части подкрановой балки, например в верх нем поясе и прилегающей к нему части стенки балки, напряжения будут из меняться в виде случайного широкопо лосного процесса. В нижнем поясе и растянутой части стенки воздействия тех же мостовых кранов обусловят изменение напряжений по типу случай ных узкополосных процессов нагруже ния. Такое различие в нагружениости разных элементов балки вызвано тем, что сжатая часть подкрановой балки реагирует на воздействие каждого кат ка крана раздельно, а растянутая — только на воздействие мостового кра на в целом. Особенности работы под крановых балок (так же как и других конструкций) рассмотрены в следую щем томе. Здесь же обращается внима ние лишь на то, что одно и то же слу чайное нагружение конструкции может по-разному выразиться в ее отдельных частях. В одних элементах может на блюдаться узкополосный процесс, в других — широкополосный.
В соответствии с теорией случайных процессов все реальные режимы пере
менного нагружения металлических конструкций принято разделять на двасамостоятельных класса: случайные стационарные и случайные нестаци онарные. Априори под случайным ста ционарным режимом нагружения по нимают такой режим, вероятностно статические параметры которого не из меняются во времени. Соответственна случайным нестационарным называется режим нагружения с изменяющимися во времени вероятностно-статистиче скими параметрами.
Для учета случайных режимов на гружения при оценке сопротивления усталости элементов конструкций не обходимо, во-первых, установить, ка кие из его вероятностных параметров, достаточно полно характеризуют про цесс применительно к решению рассма триваемой задачи, во-вторых, опреде лить значения этих параметров. Так,, для учета случайных режимов нагру жения в расчетах на усталость важно правильно установить величину и по вторяемость переменных напряжений. В процессе экспериментального исследо вания влияния различных режимов на гружения на сопротивление усталости образцов может возникнуть необходи мость и в соблюдении последователь ности чередования циклов нагружения.
Рис. 14. Примеры ши рокополосных случай ных процессов изме нения напряжений в чериаковой раме дра ги у подвеса (7), в средпем сечении (2) и в стенке подкрановой балки прп наезде че тырех- (3) и шестнадцатикаткового {4) мо стового крана. Стрел кой показано направ
ление движения крана.
При решении большинства |
практи |
правило, |
не рассматриваются. |
Вместе |
|||||||
ческих задач в качестве моделей ре |
с тем многие металлические конструк |
||||||||||
альных режимов нагружения принима |
ции работают под воздействием нагру |
||||||||||
ются случайные стационарные процес- |
зок, которые изменяются по типу слу |
||||||||||
►сы. При этом обычно оцениваются сред |
чайных |
нестационарных |
процессов. |
||||||||
нее значение и дисперсия переменной |
В качестве примера можно назвать на |
||||||||||
составляющей, |
корреляционная |
функ |
грузки, |
действующие |
на |
пролетные |
|||||
ция, |
функция |
спектральной |
плотнос |
строения мостов, величина и интенсив |
|||||||
ти, |
плотность |
распределения |
вероят |
ность которых со временем возраста |
|||||||
ностей и |
статистики, характеризую |
ют. |
Случайные нестационарные ре |
||||||||
щие |
число |
пересечений среднего уро |
жимы |
нагружения характерны |
также |
||||||
вня. |
|
|
|
|
|
для конструкций антенно-мачтовых со |
|||||
Случайные нестационарные |
режимы |
оружений, башен, высотных труб, мор |
|||||||||
нагружения более сложны в описании. |
ских |
глубоководных платформ, испыты |
|||||||||
Для их характеристики требуется зна |
вающих воздействие ветра или морских |
||||||||||
чительно больше исходных данных, чем |
волн. |
В |
ряде случаев |
такой |
режим |
||||||
для стационарных. В инженерных рас |
удается представить в виде квазиста- |
||||||||||
четах такие режимы нагружения, |
как |
ционарного ступенчатого процесса. |
Г Л А В А В Т О Р А Я
РОЛЬ ФАКТОРОВ, ОБУСЛОВЛЕННЫХ СВАРКОЙ
На сопротивление усталости металлов и сплавов наиболее существенное вли яние оказывают свойства, состояние и качество поверхностного слоя, харак тер изменения напряжений во времени, концентрация напряжений, абсолют ные размеры поперечного сечения и окружающая среда. Изучению и обоб щению влияния этих факторов на уста лостную долговечность материалов и деталей машин посвящены многие фун даментальные работы [106,119,121,159, 179, 225, 247, 292, 293, 295 и др.]. Установленные закономерности спра ведливы и для сварных соединений. Вместе с тем факторы, связанные с об разованием соединений, не могут быть сведены только к концентрации напря жений. Помимо концентрации напря жений, обусловленной формой соеди нения и технологическими дефектами, сварка вызывает изменение свойств ме талла в зоне термического влияния (ЗТВ) и порождает высокие остаточные напряжения. Значимость этих факторов (особенно остаточных напряжений) в ряде случаев соизмерима с концентра цией напряжений. В связи с этим рас смотрение вопросов сопротивления ус талости сварных соединений целесооб разно начать с выяснения роли концен трации напряжений, неоднородности механических свойств ЗТВ и сварочных остаточных напряжений.
1.КОНЦЕНТРАЦИЯ НАПРЯЖЕНИЙ
ИДЕФОРМАЦИЙ
Под концентрацией напряжений по нимается местное повышение напряже ний в зонах резкого изменения сечения
деформируемого тела. В элементах ме таллоконструкций концентраторами на пряжений являются отверстия, острые углы вырезов, различного рода надре зы, переходы сварных швов на основ ной металл, дефекты металла и свар ных соединений (рис. 15). Иногда ими
могут |
стать |
риски, |
|
царапины, |
мет |
|
ки и |
т. д. |
|
|
|
|
|
При упругом деформировании коли |
||||||
чественной |
оценкой |
концентрации |
на |
|||
пряжений |
служит |
теоретический |
ко |
|||
эффициент |
концентрации напряжений |
|||||
|
«* = |
СТта*/а * = |
8та*/бн |
<2 Л ) |
||
|
|
(ПРИ °тах < |
СТт)- |
|
Коэффициент концентрации напря жений не зависит от свойств материала. При заданном виде деформации на ве личину аа оказывают влияние только геометрические параметры концентрато ра напряжений: его вид, острота и от носительные размеры. Характер рас пределения напряжений в зонах кон центрации в ряде случаев может быть установлен методами теории упругости и пластичности. Но чаще всего его оп ределяют экспериментально: методом фотоупругости, тензометрированием, с помощью лаковых покрытий и др. [96, 174, 191].
Между величиной аа и сопротивле нием усталости образцов или элементов конструкций прямо пропорциональной зависимости нет. Фактическое снижение
пределов |
выносливости |
под |
влиянием |
|
концентрации |
напряжений оценивается |
|||
эффективным |
коэффициентом концен |
|||
трации |
напряжений |
|
|
|
Ко = <*к'0пк = 1 + |
<7о ( « О |
— 1 ) , (2.2) |
ной шириной Ь и |
другими |
параметра |
ной геометрией пгва. В локальных участ |
||||||||||||||
ми шва, можно выбрать режимы свар |
ках сварного шва с высокими уровнями |
||||||||||||||||
ки, близкие к оптимальным с точки |
концентрации напряжений стадия плас |
||||||||||||||||
зрения получения наиболее |
благопри |
тического |
деформирования |
наступает |
|||||||||||||
ятного очертания шва. Например, по |
при напряжениях, близких к пределам |
||||||||||||||||
вышение скорости сварки или свароч |
выносливости |
соединений. |
Пластиче |
||||||||||||||
ного тока приводит к уменьшению шири |
ское |
деформирование наиболее острых |
|||||||||||||||
ны шва. В свою очередь это уменьшает |
концентраторов |
|
напряжений приводит |
||||||||||||||
угол сопряжения 0 и радиус кривиз |
к появлению при разгрузке благо |
||||||||||||||||
ны р. С увеличением диаметра электро |
приятных сжимающих напряжений и на |
||||||||||||||||
да следует |
ожидать противоположного |
ряду с наклепом металла сопровожда |
|||||||||||||||
результата. |
|
|
|
|
|
|
|
ется |
некоторым |
изменением |
радиуса |
||||||
Необходимо, |
однако, |
подчеркнуть, |
кривизны. Поэтому эффективные коэф |
||||||||||||||
что параметры шва нестабильны по его |
фициенты |
концентрации |
напряжений,, |
||||||||||||||
длине, они могут изменяться в доволь |
установленные экспериментально, |
при |
|||||||||||||||
но широких пределах. Радиус перехо |
нимают обычно более низкие значения |
||||||||||||||||
да на основной металл, например, мо |
по сравнению с расчетными, оцененны |
||||||||||||||||
жет |
изменяться от |
десятых и |
сотых |
ми по наихудшим параметрам швов. |
|||||||||||||
долей миллиметра до нескольких милли |
Стыковые соединения. Наиболее низ |
||||||||||||||||
метров, т. е. на порядок и более [6, 18, |
кую |
концентрацию |
напряжений |
соз |
|||||||||||||
184]. Следствием этого является суще |
дают |
стыковые |
соединения. |
Формиро |
|||||||||||||
ственная нестабильность по длине швов |
вание зон повышенной напряженности |
||||||||||||||||
концентрации |
напряжений |
и соответ |
в них обусловлено выпуклостью шва. |
||||||||||||||
ствующих значений аа (см. рис. 15). |
Для |
качественно |
выполненного стыко |
||||||||||||||
Распределения |
коэффициентов концен |
вого соединения средние значения ко |
|||||||||||||||
трации напряжений соединений со сты |
эффициентов концентрации напряжений |
||||||||||||||||
ковыми и угловыми швами, как прави |
обычно не превышают 1,3—2,0. Эти зна |
||||||||||||||||
ло, |
несимметричны |
и |
могут |
быть |
чения существенно возрастают для сое |
||||||||||||
описаны соответствующими |
законами, |
динений с подрезами, порами, непро |
|||||||||||||||
например Вейбулла, Гумбеля, логариф |
варами, наплывами, при смещении сты |
||||||||||||||||
мически нормальным и другими имею |
куемых кромок, |
наличии угловатости. |
|||||||||||||||
щими |
положительное |
смещение |
зако |
Следует отметить, что по данным раз |
|||||||||||||
нами. |
Такой |
характер |
распределения |
личных исследователей значения а& |
|||||||||||||
теоретических |
коэффициентов концен |
стыковых соединений колеблются в до |
|||||||||||||||
трации напряжений вызван доминиру |
вольно широких пределах даже тогда* |
||||||||||||||||
ющим влиянием на их значения радиу |
когда применяются одни и те же мето |
||||||||||||||||
сов перехода шва на основной металл, |
ды их определения. Используя, на |
||||||||||||||||
распределения |
которых |
в большинстве |
пример, |
поляризационно-оптический |
|||||||||||||
случаев несимметричны [14, 18, 160, |
метод исследования, в работах [281, |
||||||||||||||||
184, 346]. Остальные параметры швов, |
377] |
о* = |
1,2...1,3, а в [63, 378] |
сса = |
|||||||||||||
включая ширину, |
высоту выпуклости, |
2,5...3,0. Промежуточные значения |
|||||||||||||||
катеты и углы |
сопряжения с основным |
получены в работе [346]. По-видимому^ |
|||||||||||||||
металлом, |
вполне |
удовлетворительно |
это вызвано не столько методическими |
||||||||||||||
описываются нормальным законом рас |
особенностями |
выполненных |
исследо |
||||||||||||||
пределения. Механизированные |
спосо |
ваний, сколько |
очертаниями испыты |
||||||||||||||
бы сварки обеспечивают формирование |
ваемых образцов, моделирующих реальг |
||||||||||||||||
швов с более стабильными размерами, а |
ное сварное соединение. |
|
|
|
|||||||||||||
следовательно, и концентрацией напря |
Методы теории упругости [167], кон |
||||||||||||||||
жений по сравнению со швами, выпол |
формного |
отображения |
[107} Колосо |
||||||||||||||
ненными вручную. |
|
|
|
|
|
ва — Мусхелишвили |
[283], численный |
||||||||||
Трещины усталости не всегда зарож |
[19, |
107, |
235, |
283] и другие |
подходы |
||||||||||||
даются в зонах с наименее благоприят |
[18, |
146, |
220, |
308] |
позволяют устано- |
Таблица 2 , Расчетные формулы для определения теоретического коэффициента концентрации напряжений стыкового соединения
Формула |
Литератур |
ный источник |
|
|
а° = |
1 + 1^ г [ Л1п ^ |
- |
Я |
о |
+ |
^ + |
^ |
- р |
^ |
+ Го], |
(2-4) |
[163] |
|||||||
где А = |
аг (сЬ в! — 1) |
|
а1 |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
^-1— ^1----- - + |
— |
рх вЬ аг; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
П = |
ох + |
0,167а® + |
0,008а®; |
Я„ = |
ах + |
0,305а'] + |
0,019а]; |
|
|
|
|||||||||
|
|
Пг = |
0,33а] + |
0,033а]; |
/?, = |
0,167а] + |
0,38а]; |
Т0 = |
вЬ а,; |
|
|
|
|||||||||
°1 = |
а (6 — 2р); Р1 = |
р (6 — 2р); |
а |
= |
] |
/ |
^ |
± |
^ |
_ ; |
* = |
0,9 [1/(1 + Л)]* |
|
|
|||||||
|
|
|
|
аа — 1 + ■ |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
(2.5) |
[107] |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
/ р ( ^ - + ^ + 4 ) |
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
«„ = |
1 + |
1.1А |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.0) |
[283] |
||
|
|
|
а<т= |
1 + ~з |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.7) |
[19] |
|||
|
|
|
|
|
|
к -т с* - ! - + 4 -г + 5 ь- + р |
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
1 — ехр [— 0,9 V(I + |
2А)/(2А) (я — 9)] |
|
|
А/р |
|
0,65 |
|
|
|||||||||||
®<, = |
|
|
|
|
(2.8) |
[361] |
|||||||||||||||
1 + |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, 8 (1 ^ |
“ |
) - : |
|||||||
|
|
1 — ехр [— 0,9 V(I + 2к)/(2к) (я/2)] |
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
-Е— Л1 |
+ _1 |
+ . |
0,8 |
\ 10.5 |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
«сг= 1 + |
81П0 \ * |
' |
|
6 |
^ |
*)] |
|
|
|
(2.9) |
[235] |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
вить |
общие зависимости коэффициента |
|
ведены в табл. 3. Необходимые пара |
||||||||||||||||||
аа от геометрических параметров сое |
|
метры швов, принятые при расчете |
|||||||||||||||||||
динения и условий их нагружения. Наи |
|
значений аа, соответствовали реальным |
|||||||||||||||||||
более известные формулы для расчет |
|
стыковым |
|
соединениям. Шлифы |
выре |
||||||||||||||||
ного определения коэффициентов аст сты |
|
зались случайным образом из общих |
|||||||||||||||||||
ковых соединений приведены в табл. 2. |
|
предварительно сваренных |
заготовок. |
||||||||||||||||||
Они |
получены |
аппроксимацией |
ана |
|
Объем каждой статистической выборки |
||||||||||||||||
литических решений |
функциями |
соот |
|
включал не менее 40 единичных изме |
|||||||||||||||||
ветствующих видов. Различие их обус |
|
рений. |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
ловлено |
особенностями |
используемых |
|
|
Формулы |
(2.5), (2.7) — (2.9), |
полу |
||||||||||||||
моделей, принятыми допущениями и спо |
|
ченные на основе численных решений, |
|||||||||||||||||||
собами аппроксимации. |
|
|
|
|
|
|
|
дают |
сопоставимые |
результаты |
(см. |
||||||||||
Значения аст, |
вычисленные по |
фор |
|
табл. 3). Несколько меньшие значения |
|||||||||||||||||
мулам табл. 2 , могут существенно от |
|
получаются при использовании форму |
|||||||||||||||||||
личаться друг от друга. Применитель |
|
лы (2.4), при выводе которой не учиты |
|||||||||||||||||||
но к сталям различной прочности и наи |
|
вались нормальные |
напряжения, |
свя |
|||||||||||||||||
более |
|
распространенным |
способам |
|
|
занные с наличием выпуклости шва. |
|||||||||||||||
сварки расчетные значения аа, полу |
|
Формула (2.6), по-видимому, дает за |
|||||||||||||||||||
ченные по формулам (2.4) — (2.9), при |
|
вышенные |
значения |
а ст. |
|
|
Характер |
зависимости |
коэффициента |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
аа от основных геометрических пара |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
метров |
стыкового |
шва |
показан |
на |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
рис. 16 [18]. Наибольшее влияние |
на |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
концентрацию |
напряжений |
оказывает |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
радиус кривизны в месте перехода сты |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
кового шва на основной металл. При |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
малых его значениях и отношении Н1Ь > |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
> 0,2...0,3 величина аавозрастает силь |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
нее. |
Заметное |
влияние |
на |
концентра |
Рис. 16. Зависимость коэффициента концент |
|||||||||||||||||||
цию напряжений оказывают также об |
||||||||||||||||||||||||
рации напряжений от размеров стыкового сое |
||||||||||||||||||||||||
щие размеры выпуклости шва, оцени |
|
|
|
|
динения |
[18]. |
|
|
|
|||||||||||||||
ваемые отношением его высоты к ши |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
рине к/Ь. С ростом отношения уровень |
рассматриваемые |
|
коэффициенты |
кон |
||||||||||||||||||||
концентрации напряжений повышается. |
|
|||||||||||||||||||||||
После наступления текучести в зо |
центрации |
напряжений |
и деформаций |
|||||||||||||||||||||
нах |
концентрации |
линейная |
зависи |
простой |
зависимостью. |
|
|
|
|
|||||||||||||||
мость между деформациями и напряже |
|
Соединения |
с |
|
угловыми |
швами. |
||||||||||||||||||
ниями нарушается. По этой причине |
В тавровых соединениях, угловые швы |
|||||||||||||||||||||||
коэффициенты |
концентрации |
упруго |
которых не передают основной нагруз |
|||||||||||||||||||||
пластических напряжений К^п и дефор |
ки (например, |
места прикреплений ре |
||||||||||||||||||||||
бер |
жесткости), |
концентрация напря |
||||||||||||||||||||||
маций К& не совпадают и их рассмат |
||||||||||||||||||||||||
ривают |
раздельно. |
В |
сравнении |
с |
жений ненамного |
выше, |
чем |
в стыко |
||||||||||||||||
вых соединениях. В основном |
она оп |
|||||||||||||||||||||||
величиной |
а0 коэффициент Куап за пре |
|||||||||||||||||||||||
ределяется |
величиной |
радиуса |
пере |
|||||||||||||||||||||
делом текучести падает, а К \п повыша |
||||||||||||||||||||||||
хода углового шва на основной металл; |
||||||||||||||||||||||||
ется. Взаимосвязь коэффициентов кон |
как и в стыковых соединениях, она пе |
|||||||||||||||||||||||
центрации упругих и упруго-пласти |
ременна по длине шва. Исследование |
|||||||||||||||||||||||
ческих напряжений и деформаций ус |
распределений напряжений, выполнен |
|||||||||||||||||||||||
танавливается |
на |
основе |
соотноше |
ное методом конечных элементов, пока |
||||||||||||||||||||
ния |
[119] |
|
|
|
|
|
|
|
|
зало, что концентрация напряжений в |
||||||||||||||
|
К1п1иа1 = Р{*а, стп, т), |
(2.10) |
таких соединениях слабо зависит от |
|||||||||||||||||||||
где |
Р (аа, |
ап, |
т) — некоторая |
функ |
соотношения |
катетов |
швов, |
особенно |
||||||||||||||||
ция |
соответственно |
геометрии, |
уровня |
при больших радиусах перехода [103]. |
||||||||||||||||||||
нагружения и упруго-пластических |
В то же время, по данным работы [346], |
|||||||||||||||||||||||
свойств |
материала. |
В |
случае |
Р (аа, |
она несколько повышается с увеличе |
|||||||||||||||||||
Оп, т) = |
1 приходим к известному вы |
нием глубины проплавления и ширины |
||||||||||||||||||||||
ражению |
Г. |
Нейбера, |
связывающему |
привариваемой пластины. |
|
|
|
|||||||||||||||||
Таблица 3. |
Расчетные теоретические коэффициенты концентрации напряжений |
стыковых |
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
соединений |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Класс стали |
|
|
|
Способ сварки |
|
|
Значения а а, полученные по формулам |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
(2.4) |
| (2.5) |
| |
(2.6) |
| |
(2.7) | |
(2.8) | |
(2.9) |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
Высокопрочпая |
|
Ручная |
|
|
|
|
|
1,17 |
1,37 |
|
2,35 |
|
1,26 |
1,37 |
1,37 |
|||||||||
|
|
|
|
|
Механизированная в С02 |
|
1,46 |
1,85 |
|
6,90 |
|
2,05 |
2,05 |
2,02 |
||||||||||
Низколегирован |
Стыковая электроконтактная |
|
1,16 |
1,23 |
|
1,68 |
|
1,31 |
— |
|
— |
|||||||||||||
ная |
|
|
|
|
Механизированная порошковой |
1,32 |
1,95 |
|
2,04 |
|
1,69 |
1,62 |
1,85 |
|||||||||||
|
|
|
|
|
проволокой |
|
|
|
|
1,64 |
2,28 |
|
3,23 |
|
1,92 |
2,64 |
2,34 |
|||||||
|
|
|
|
|
Ручная |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
Нпзкоуглеродис |
Ручная |
|
|
|
|
|
1,72 |
2,14 |
|
2,11 |
|
2,30 |
2,67 |
2,45 |
||||||||||
тая |
|
|
|
|
Механизированная под флюсом |
1,62 |
2,37 |
|
2,42 |
|
2,38 |
2,77 |
2,55 |
Коэффициенты а а в зависимости от геометрических параметров тавровых соединений могут рассчитываться из соотношений, полученных в работах со ответственно [160, 14, 413, 361]:
« „ - н - о, 5 ] / Т 1 / 2 ± Е х
х [ 1 _ ехр ( - 1 , 9 - 1 ) ] ; (2.11)
а<т=1 +
|
1 — ехр |^— 0,9 X |
|
|
||
+ 2А + |
0,3 (Т — 26) |
(я - 0 ) |
|||
V1 |
|
|
2к |
|
|
1 — ехр |
— 0,9Х |
|
|
||
X V |
г + |
2Н+ 0,3 (Т + 26) |
к |
||
|
|
2Н |
|
2 |
|
_________ 1________ |
|
10,65 |
|||
I -{- 2Н |
0,3 (I -{- 26) |
2 |
. (2.14) |
||
[Р 2,8 |
|
|
— |
||
|
|
|
|
|
Точность оценки аа по выражению (2.11) составляет около 15 %. Близкие к получаемым по данной формуле ока-
Рис. 17. Зависимость коэффициента а а от
■относительной длины (1) и ширины (2) на кладки в нахлесточных соединениях с флан
говыми швами [281].
зываются значения а 0, |
рассчитывае |
мые по другим зависимостям. |
|
Приведенные формулы |
получены в |
основном на основе численных решений задач теории упругости с последующей аппроксимацией полученных значений функциями соответствующих видов. Данное обстоятельство определяет бли зость результатов расчета по приве денным зависимостям.
В угловых швах крестообразных и нахлесточных соединений (см. рис. 15) создается значительно большая концен трация напряжений. Она вызывается не только резкостью перехода углового шва на основной металл, но и общей формой соединения, соотношением раз меров его отдельных элементов. Наи большую концентрацию напряжений создают нахлесточные соединения с фланговыми швами. Неравномерность распределения срезывающих напряже ний по длине накладки вызывает до полнительную концентрацию напряже ний у концов фланговых швов, где, как правило, и зарождаются усталост ные трещины в основном металле.
Экспериментальные исследования [281], выполненные на моделях из оп- тически-активного материала, показали (рис. 17), что теоретические коэффи циенты концентрации напряжений на хлесточных соединений с фланговыми швами в значительной мере изменяются под влиянием соотношения ширины накладки и ширины основной пластины а^а2 и в меньшей степени зависят от длины нахлестки I. Отношение тол щин основной пластины и накладок в данном случае было постоянным и рав ным 2. С увеличением толщины накла
док коэффициенты а а, приведенные |
на |
|||||
рис. |
17, |
уменьшаются. |
Максимальное |
|||
значение |
а а равнялось |
4. При соотно |
||||
шениях |
геометрических |
размеров |
на |
|||
кладок и основных |
пластин, |
наиболее |
||||
часто |
встречающихся |
на |
практике, |
|||
а а = |
1,8...3,2. |
|
|
|
а а, |
|
Примерно такие |
же |
значения |
равные 1,7—3,8, получены в работе [364]. В ней методом конечных элемен тов изучалась концентрация напряже-
иий в основной пластине на участках |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
перехода к концам фланговых швов. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
Исследования |
выполнялись |
примени |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
тельно к низкоуглеродистой и высоко |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
прочной |
(<гт = |
800 МПа) сталям на мо |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
делях, отличающихся шириной Ьх (100, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
180 и 300 мм) и толщиной |
(9,5 и 3 мм) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
основпой |
пластины. Во |
всех |
моделях |
Рис. 18. Зависимость коэффициента |
аа (К*п) |
|||||||||||||
сохранялось |
условие |
равиопрочности |
||||||||||||||||
нахлесточных соединений от уровня деформа |
||||||||||||||||||
основной |
и |
прикрепляемой |
пластин |
|||||||||||||||
|
|
ции [364]: |
|
|
|
|
||||||||||||
{Ь\Ь\ = |
Ъ212 = |
сопз1), |
а катет углового |
|
|
|
2 — высоко |
|||||||||||
1 — низкоуглеродистые |
стали; |
|||||||||||||||||
шва равнялся толщине прикрепляемой |
|
|
прочные. |
|
|
|
|
|||||||||||
пластины. Длину нахлестки |
определя |
значение аа в зоне перехода лобового |
||||||||||||||||
ли исходя из условия превышения рас |
||||||||||||||||||
четного сечения шва над площадью се |
шва на основной металл, по данным ра |
|||||||||||||||||
чения пластины в У З раза. |
|
|
боты [346], может доходить (при кру |
|||||||||||||||
Концентрация напряжений и дефор |
тых углах сопряжения и относительно |
|||||||||||||||||
небольшой |
длине |
подошвы |
углового |
|||||||||||||||
маций в пахлесточных соединениях с |
||||||||||||||||||
фланговыми швами рассчитывается на |
шва) до 5,7. Еще большие значения а0 |
|||||||||||||||||
оспове соотношения [220] |
|
|
|
указываются для корня |
углового шва. |
|||||||||||||
|
|
|
При удлиненной подошве лобового шва |
|||||||||||||||
|
|
|
а„ = - Ь 2^аа'1 , |
|
(2.15) |
|||||||||||||
|
|
|
|
аа в месте перехода на основной металл |
||||||||||||||
где 2а — ширина накладки; I — длина |
снижается до 2,1. Длина нахлестки не |
|||||||||||||||||
оказывает |
заметного |
влияния |
|
на кон |
||||||||||||||
флангового шва. В соответствии с фор |
|
|||||||||||||||||
центрацию |
напряжений |
нахлесточных |
||||||||||||||||
мулой (2.15) изменение отношения ши |
||||||||||||||||||
соединений |
с лобовыми |
швами. |
||||||||||||||||
рины накладки к ее длине вдвое (с 0,5 |
||||||||||||||||||
В основу расчетного определения кон |
||||||||||||||||||
до |
1) |
повышает коэффициент |
аа с 2,0 |
|||||||||||||||
центрации напряжений крестообразных |
||||||||||||||||||
до |
3,4. |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
и нахлесточных соединений с лобовыми |
||||||||||||
После |
наступления |
текучести |
в мес |
|||||||||||||||
швами |
могут быть |
положены |
зависи |
|||||||||||||||
тах |
концентрации напряжений |
напря |
||||||||||||||||
мости, |
рекомендуемые |
для |
тавровых |
|||||||||||||||
жения |
перераспределяются, |
при этом |
||||||||||||||||
соединений. Учет дополнительной кон |
||||||||||||||||||
величины К^1существенно изменяются. |
||||||||||||||||||
центрации |
напряжений, |
вызываемой |
||||||||||||||||
Для соединений низкоуглеродистой ста |
передачей силовых потоков через уг |
|||||||||||||||||
ли |
характерно резкое |
снижение К1п в |
ловые швы, в крестообразном |
и нахле- |
||||||||||||||
области малых деформаций и возрас |
сточном |
соединениях |
осуществляется |
|||||||||||||||
тание его по мере увеличения деформа |
введением |
сомножителя |
|
(см. |
работу |
|||||||||||||
ций. В соединениях высокопрочной ста |
[361]) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
ли с увеличением деформации наблюда |
«? = 1 + |
0,24 ^ - + 0 ,1 6 - ^ - , |
(2.16) |
|||||||||||||||
ется монотонное снижение |
(рис. 18). |
|||||||||||||||||
где с — ширина щели. |
|
|
|
|
||||||||||||||
Добавление |
лобового |
шва |
снижает |
|
|
|
|
|||||||||||
неравномерность распределения напря |
Пределы выносливости полноразмер |
|||||||||||||||||
жений |
в нахлесточных |
соединениях. |
ных сварных образцов, как показали |
|||||||||||||||
Коэффициенты концентрации напряже |
исследования, заметно ниже их значе |
|||||||||||||||||
ний соединений, выполненных |
обвар |
ний, полученных на образцах основного |
||||||||||||||||
кой по контуру, ниже, чем при приме |
металла |
с |
концентраторами |
напряже |
||||||||||||||
нении только фланговых швов. Но ког |
ний в том же диапазоне изменения а0 |
|||||||||||||||||
да имеются только лобовые швы, |
(рис. 19). Снижение пределов выносли |
|||||||||||||||||
передающие основную |
нагрузку, появ |
вости сварных соединений по сравне |
||||||||||||||||
ляются |
дополнительные |
напряжения |
нию с образцами, выполненными с вы |
|||||||||||||||
от изгиба и концентрация напряжений |
точками, с повышением уровня кон |
|||||||||||||||||
существенно возрастает. В этом случае |
центрации |
напряжений |
возрастает, |
Рпс. 19. Зависимость пределов выносливости образцов с концентраторами (2) и сварных сое динений (2) от коэффициента концентрации напряжений [281].
достигая 50—80 МПа. Такое снижение разрушающих напряжений сопостави мо с влиянием концентрации напряже
ний, |
обусловленной только |
геомет |
|
рией |
сварного |
соединения. |
Следова |
тельно, влияние |
концентрации напря |
жений как одного из основных факто ров, определяющих долговечность соединений, проявляется в сочетании с действием других факторов, прежде все го остаточных сварочных напряжений. В ряде случаев может сказаться влия ние неоднородности механических свойств, условий нагружения и др.
В результате совместного влияния комплекса различных факторов эффек тивные коэффициенты концентрации на пряжений сварных соединений могут принимать заметно более высокие зна чения по сравнению с коэффициентами, получаемыми только вследствие неодно родного распределения напряжений в районе сварных швов Г281]. Особенно сти влияния перечисленных и ряда дру гих факторов на сопротивление свар ных соединений усталостным разруше ниям рассмотрены в последующих па раграфах. Особое внимание уделено роли остаточных напряжений.
2.НЕОДНОРОДНОСТЬ СВОЙСТВ СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ
Всварном соединении выделяют три основные зоны: металл шва (МШ), зону термического влияния (ЗТВ) и основ ной металл (ОМ). Свойства МШ пред определяются исходными характерис тиками применяемых сварочных мате
риалов и их изменениями в процессе термического цикла сварки. Получе ние швов с заданными служебными свойствами достигается варьированием состава присадочного материала и ре жимов сварки. Вследствие высоких ско ростей охлаждения и медленного проте кания диффузии состав различных уча стков МШ в процессе кристаллизации сварочной ванны полностью не вырав нивается, приводя к зональной лик вации и внутридендритной неоднород ности отдельных кристаллитов [241]. Заметное влияние на механические свойства МШ оказывает также дефор мационный цикл, сопровождающий про цесс его кристаллизации. Все это при водит к тому, что МШ и ОМ различают ся между собой как в структурном от ношении, так и по механическим, хи мическим и физическим свойствам. Но сами по себе эти различия не становятся причинами преждевременного усталост ного повреждения МШ, если в нем нет трещин, непроваров, пор, шлаковых включений и других дефектов сварки.
Иное положение занимает ЗТВ. По скольку шов переходит на основной ме талл в этой зоне, ее свойства определя ют чувствительность материала к кон центрации напряжений. Поэтому изу чение свойств ЗТВ представляет опре^ деленный интерес. Не менее важно выяснить ее роль и в том случае, когда выполняется механическая обработка стыкового соединения, т. е. удаляется выпуклость шва заподлицо с основным металлом.
Зона термического влияния. Под ЗТВ понимают участок основного ме талла, непосредственно прилегающий к сварному шву и претерпевший в про цессе термодеформационного цикла сварки различные структурные и фа зовые превращения. По своему строе нию ЗТВ неоднородна (рис. 20). В зависимости от температур разогрева в процессе сварки в ее пределах выделя ют несколько участков [241]. Непо средственно к МШ примыкает участок твердожидкого состояния, нагреваемый практически до температуры плавле