1. Визначення навантаження;

2. Значення коефіцієнта надійності.

3. Класифікація навантажень.

Література:

Обов'язкова: [2] Клименко Ф.Є. Металеві конструкції: . Львів: Світ 2002 с. 24 - 25

Додаткова: [1] Чертов І.М. Зварні конструкції: Підручник.- К.: Арістей, 2006. с. 208 - 222

Під час монтажу і експлуатації на конструкції діють різні навантаження, зумовлені власною ма­сою конструкцій та деталей, масою снігу та оже­леді, технологічним обладнанням та масою мате­ріалів, що зберігаються, температурними та сейсмічними впливами тощо. Числові та якісні характеристики навантажень визначають за нор­мативними документами.

Основними характеристиками навантажень і впливів є їхні нормативні значення , які відпові­дають нормальним умовам виготовлення, монта­жу та експлуатації. Можливі несприятливі відхи­лення значень навантажень від нормативних вра­ховують за допомогою коефіцієнтів надійності щодо навантажень, які також приймають згідно з нормами. Розрахункові значення навантажень обчислюють.

Значення коефіцієнта залежить від мінли­вості даного навантаження. Наприклад, порівняно з проектними (нормативними) значеннями маса ізоляційних шарів, виконаних в умовах будівель­ного майданчика, може змінюватися у ширших межах, ніж тих самих шарів, виконаних у за­водських умовах. Тому в першому випадку зна­чення коефіцієнта надійності щодо навантаження вищі, ніж у другому (відповідно γ = 1,3 і γ= 1,2).

Це ж стосується маси несучих конструкцій, які загалом мають менші відхилення маси, ніж ізоляційні шари. Найменші відхилення спостері­гаються для металевих конструкцій, що виготовляються на основі прокатних профілів чи листів з найменшими допусками до лінійних розмірів. У цьому випадку γ = 1,05. Для залізобетонних кон­струкцій, допуски на розміри яких ширші, зна­чення коефіцієнта вище: γ = 1,1. Найвища мін­ливість характерна для навантажень, зумовлених атмосферними явищами — вітром, снігом. Відповідно найвищими є значення γ = 1,4...1,6. Високими є також значення коефіцієнта надійності для на­вантажень, які виникають під час транспортуван­ня і монтажу конструкцій.

Згідно з нормами навантаження класифікують за тривалістю їх дії. Ті, що діють на конструкцію неперервно з часу її виготовлення (власна маса, зусилля попереднього напруження, тиск грунту тощо), називають постійними. Навантаження, які діють лише певний час, називаються тимчасо­вими. У свою чергу, за тривалістю дії тимчасові навантаження поділяють на довготривалі (від ма­си технологічного обладнання, тиску газів, рідин, сипких матеріалів, що зберігаються у складських приміщеннях, тощо) та короткочасні (від тиску вітру, зміни температури, дії кранів, ті, які ви­никають при транспортуванні, ремонтних робо­тах, випробуваннях тощо).

Навантаження, що виникають лише у певних умовах (сейсмічні впливи, впливи при аваріях технологічного обладнання, різкому осіданні грун­тів, обривах тягових канатів тощо), називають особливими.

При одночасній дії кількох навантажень роз­рахунок конструкцій виконують на дію найнесприятливішого їх поєднання. При цьому, врахо­вуючи ймовірність одночасної дії найневигідніших значень окремих навантажень, вводять як множ­ник при навантаженнях коефіцієнт поєднання ψ.

Для визначення розрахункових зусиль у кон­струкціях нормами встановлено два розрахунко­вих поєднання навантажень:

основне поєднання складається з постійних, довготривалих і короткочасних навантажень, дія яких є несприятливою;

особливе поєднання містить несприятливі по­стійні, довготривалі, короткочасні та одне найнесприятливіше (з кількох можливих) особливе на­вантаження.

Коефіцієнт поєднання визначають залежно від тривалості дії навантаження і виду поєднання згід­но з нормативними документами.

Тема: Міцність зварних швів.

План:

1. Значення умови міцності

2. Визначення еквівалентних напружень.

3. Коефіцієнт інтенсивності напружень.

4. Складання умови міцності зварних швів

Література:

Обов'язкова: [1] Чертов І.М. Зварні конструкції: Підручник.- К.: Арістей, 2006. с. 25-27, 175-177

Додаткова: [2] Клименко Ф.Є. Металеві конструкції: . Львів: Світ 2002 с.

Умова міцності - це порівняння в аналітичному вигляді стану мате­ріалу з відповідним показником його граничного стану. Стан матеріа­лу оцінюється за допомогою рівняння стану. У випадку руйнування внаслідок активного пластичного деформування, втомленості і повзучості (показником граничного стану є відповідне напруження) рівняння стану дозволяють оцінити вплив співвідношення головних напружень на досягнення граничного стану і розрахувати так звані еквівалентні напруження, що інваріантні до діючого виду напружено-деформованого стану. Таким чином, у загальному випадку умова міцності має вигляд:

σ_екв ≤ σ_гр.ст /η = [σ]

У випадку крихкого руйнування умова міцності записується у вигляді

К_І ≤ К_Іс /η = [К_Іс]

де К_І - коефіцієнт інтенсивності напружень в області навколо вершини тріщини; η - коефіцієнт запасу міцності.

Еквівалентні напруження визначаються за допомогою теорій міц­ності, побудованих на механічних моделях граничного стану. Розглядають такі основні чотири моделі (теорії).

Теорія максимальних нормальних напружень. Еквівалентні напру­ження згідно цієї теорії будуть:

σ_екв=σ₁

Теорія найбільшого відносного подовження. Еквівалентні напружен­ня за цією теорією мають вигляд:

σ_екв = σ₁ – μ (σ₂ + σ₃)

Теорія найбільших дотичних напружень. Еквівалентні напруження для цього випадку будуть:

σ_екв = σ₁ – σ₃

Теорія питомої потенційної енергії формозмінення. Еквівалентні напруження визначаються за формулою:

σ_екв = σ₁² + σ₂² + σ₃² – σ₁ σ₂ – σ₂ σ₃ – σ₃ σ₁

Для плоского та об'ємного напруженого стану найбільш поширена четверта теорія, а для лінійного напруженого стану - перша теорія. Наприклад, для осьового розтягування стержня або чистого зсуву (кручення) еквівалентні напруження відповідно будуть:

σ_екв = σ; τ _екв = τ

для двохосьового розтягування пластини:

σ_екв = σ₁ ² + σ₂ ² – σ₁ σ₂

а для плоского вигину:

σ_екв = σ² + 3 τ²

Коефіцієнт інтенсивності напружень.

Коефіцієнт інтенсивності напружень К_І визначається розв'язуванням відповідної задачі теорії пружності для заданої геометрії елемента конструкції, геометрії тріщини або системи тріщин та прикладеної сис­теми сил. Для типових класичних задач теорії тріщин отримано багато рішень подібних задач, які наведені в спеціальній літературі. Як приклад, для широко відомої задачі Гріффітса, коли нескінченна пластина деякої товщини з прямолінійною тріщиною довжиною 2l розтягується в нап­рямку, перпендикулярному до площини тріщини однорідними напруженнями σ значення К_І визначаються за формулою

К_І = σ π l

Складання умови міцності зварних швів

Для забезпечення нормальної працездатності конструкції необхідно, щоб максимальні напруження не перевищували граничних, при яких конструкція досягає відповідного граничного стану.

Для зварних швів при статичному навантаженні критерієм досягне­ння граничного стану є граничні напруження [σ]^зв та [τ]^зв.

Умова міцності складається з урахуванням усіх напружень, які діють у точці перерізу, що розраховується на міцність.

При розв'язуванні таких задач можливі наступні умови міцності:

а) у точці перерізу діють нормальні напруження від кількох сил рис.

б) у точці перерізу діють дотичні напруження від кількох сил, напрям дії яких однаковий рис

в) у точці перерізу діють дотичні напруження від кількох сил, напрям дії яких неоднаковий рис.

г) у точці перерізу діють нормальні й дотичні напруження рис.

д) на елемент діють нормальні напруження на двох взаємно перпендику­лярних площинах рис.

Тема: Поняття про витривалість швів. Розрахунки на витривалість.

План:

1. Характер циклічного навантаження. Діаграма Сміта;

2. Концентрація напружень від зварювання;

3. Залишкові зварювальні напруження;

4. Неоднорідність механічних властивостей

Література:

Обов'язкова: [1] Чертов І.М. Зварні конструкції: Підручник.- К.: Арістей, 2006. с. 193-200.

Додаткова: [2] Клименко Ф.Є. Металеві конструкції: . Львів: Світ 2002 с. 33- 34

Характер циклічного навантаження. З метою вивчення границь витривалості в залежності від характеристики циклу навантаження будують так звану діаграму витривалості Сміта, подану у схематизованій формі на рис.

Вона дає можливість на підставі експериментального визначення границі витривалості при симетричному циклі σ_-1 елементарно по діагра­мі знайти границі витривалості при будь-якому циклі σ_R. Обґрунтуванням до цього служить положення, що для ряду матеріалів руйнування визна­чається головним чином діапазоном змін напружень σ_-1, у той час як постійна складова (σ_max – σ _min)/2 не має істотного впливу. Діаграма може бути використана до того, як σ_R досягає σ_T. По осі абсцис відкладаються значення середніх напружень циклу σ_т = (σ_max + σ _min)/2, по осі ординат - напруження σ_{max і} σ _min . Під кутом 45° до осі абсцис проводиться пряма. Амплітуди σ_а = (σ_max – σ _min) відкладаються симетрично щодо цієї прямої. Прямі перетинаються в точці К, що характеризує цикл із нескінченно малою амплітудою. Умовно приймають, що ця точка відповідає межі міцності σ_в. Відрізок ОА виражає значення границі витривалості при симетричному циклі. При цьому σ_т = 0. У більшості випадків користу­ються ділянкою діаграми з напруженнями, що не перевищують границі текучості є σ_Т. Із точки D координатами σ_т проводять горизонтальну пряму до перетинання з прямою АК у точці N. Цю точку проектують на пряму А'К (точка М). Ламана лінія АNDМА' виражає схематизовану діаграму втоми в межах пружних деформацій. Відрізок ВС виражає значення границі витривалості при пульсуючому циклі σ₀. Проведемо з точки О пряму під довільним кутом а до осі абсцис, тоді:

За цим відношенням для заданого циклу R знаходять tgα. Точка Р визначає значення границі витривалості при заданому циклі наванта­ження.

У машинобудуванні нерідко границю витривалості зварних з'єднань при циклі R визначають у такий спосіб. Експериментальним шляхом отри­мують границю витривалості σ_-1, при циклі R стандартного зразка. Визна­чають границю витривалості при тому же циклі проектованого зварного з'єднання σ_-1з. Знаходять відношення

η= σ_-1/ σ_-1з. . Перебудовують діа­граму Сміта в масштабі η і по ній визначають границю витривалості для будь-якого циклу R.

На рис показана діаграма залежності σ_R від характеристики циклу R.

Рис.

Оскільки найменше значення при симетричному циклі (R = -1), то випробування на втому проводять саме для цього циклу навантаження.

Концентрація напружень від зварювання. Джерелом концентрації напружень у зварних з'єднаннях є форма з'єднання і різного виду зварювальні технологічні дефекти. Під концентрацією напружень розуміють місцеве підвищення напружень у зонах різкої зміни перетину тіла, наприклад поблизу отворів, вирізів, переходів зварних швів на основний метал, дефектів металу і зварних з'єднань. Кількісно концентрація напружень у пружній області оцінюється теоретичним коефіцієнтом концентрації, що залежить від геометрич­них параметрів концентратора:

К_σ = σ_к / σ_н, К_τ = τ_к/ τ_н

де σ_к, τ_к- максимальні напруження в зоні концентрації; σ_н, τ_н - номіналь­ні напруження.

Фактичне зниження границь витривалості зразків чи елементів кон­струкцій під впливом концентрації напружень (на прикладі нормальних напружень) оцінюється ефективним коефіцієнтом концентрації напру­жень:

К_σе = σ_-1 / σ_-1к

де σ_-1 – границя витривалості гладкого зразка; σ_{-1 к} – теж саме, для зразка з концентратором напружень.

Границі витривалості зварних зразків (2) помітно нижчі відповідних зна­чень, отриманих на зразках основного металу (1) зі штучними концентра­торами напружень у тому ж діапазоні зміни коефіцієнта К_σ рис.

Рис.

З підвищенням рівня концентрації напружень зростає різниця між границею витривалості зразка з надрізом і границею витривалості звар­ного з’єднання. Ця різниця може досягати значення 50-80 Мпа і бути порівняною з падінням опору втомі, яке викликається концентрацією напружень, обумовленою тільки геометрією концентраторів зварного з’єднання. Отже, вплив концентрації напружень як одного з основних факторів, що визначають довговічність з’єднань, виявляється в сполученні з дією інших факторів – насамперед залишкових зварювальних напружень.

Залишкові зварювальні напруження. Піс­ля зварювання в зварному з’єднанні утворюються залишкові напруження з різною інтенсивністю компонентів напруженого стану в перерізах зварного з’єднання. Значення залишкових напружень в окремих точках може досягати величини границі (межі) текучості.

У сталях залишкові напруження дуже стабільні в часі. Їхня релаксація протікає вкрай повільно і складає кілька відсотків. У той же час значення і розподіл залишкових напружень істотно змінюються під впливом зов­36т.36то ци навантаження. Високі рівні залишкових напружень, що розтя­гують, приводять до появи пластичних деформацій у зоні шва навіть при незначному зовнішньому навантаженні, викликаючи зміну вихідного поля напружень.

Виконані дослідження на основі неруйнуючого ультразвукового ме­тоду контролю напружень показали, що в багатоцикловій області наван­таження зміна залишкових напружень відбувається, головним чином, при першому циклі навантаження. Наступні цикли викликають значно менші зміни, і рівень залишкових напружень можна вважати практично сталим. Сталий рівень залишкових напружень

σ ^ст_зал залежить від зна­чень і характеру розподілу вихідних залишкових напружень, амплітуди й асиметрії циклу зовнішнього навантаження, а також концентрації нап­ружень, обумовленої типом з’єднання і формою шва.

За схемою ідеально пружного-пластичного матеріалу після першого циклу зовнішнього навантаження залишкові напруження в зоні концен­тратора складуть:

σ = σ_т – К_σσ_max

а при відсутності концентратора:

σ = σ_т – σ_max

Якщо біля краю гладких пластин залишкові напруження розтягу змен­шуються до нульових значень при σ_max= σ_т , то в зонах концентраторів, наприклад при К_σ = 2,5, для цього досить значення напружень, що до­рівнює 0,4σ_т рис. Подальше підвищення зовнішнього навантажен­ня, особливо у випадку дуже гострих концентраторів, приводить до фор­мування стискаючих залишкових напружень.

Рис.

У рамках прийнятої розрахункової моделі другий і наступний цикли навантаження при тому ж рівні номінальних напружень будуть проходити при пружному деформуванні матеріалу по всьому перетину зварного елемента і не приведуть до зміни залишкових напружень у зварних плас­тинах з концентраторами і без них. У дійсності цикли навантаження, що мають місце за першим, приводять до незначної зміни залишкових напру­жень. Це обумовлено, мабуть, недосконалою пружністю матеріалу, а також можливою зміною його властивостей з ростом числа циклів наван­таження. Оскільки така зміна невелика (звичайно не перевищує 10-30 МПа), то в інженерних розрахунках кількістю циклів можна зневажити.

При циклічному навантаженні зварного з'єднання рівень напружень у зоні зварного шва під впливом вихідних залишкових напружень зміню­ється. Унаслідок цього змінюється й опір утомі зварного з'єднання. При наявності концентраторів напружень і зі зниженням рівня зовнішніх на­вантажень залишкові напруження підсилюють свою дію.

У дослідженнях, виконаних у ІЕЗ ім. Е. О. Патона АН України, роль залишкових напружень розтягу, оцінювалася шляхом зіставлення кривих втоми однотипних зразків з високими і низькими залишковими напружен­нями. У зонах концентраторів напруження наводилися шляхом виконан­ня наплавлень або точковим нагріванням. В обох випадках залишкові напруження в зонах концентраторів досягали межі текучості основного металу. У зразках з отворами межа витривалості на базі 2·10⁶ циклів унаслідок впливу залишкових напружень зменшилась вдвічі. Приблизно таке ж зниження опору втомі під впливом залишкових напружень спостерігалося і при випробуванні зварних зразків. Виявилося, що довговічність для зразків з невисокими залишковими напруженнями набагато більша, ніж для зразків з високими вихідними залишковими напруженнями.

В усіх дослідженнях спостерігалася та ж сама закономірність: при напруженнях

± 180...200 МПа, тобто близьких до межі текучості основ­ного металу, опір втомі зразків з високими залишковими напруженнями був практично однаковим. Зі зниженням рівня перемінних напружень дія залишкових напружень підсилювалася і рівною мірою знижувалася довговічність зварних і незварних зразків.

Неоднозначність прояву залишкових зварювальних напружень на різних рівнях навантаження пов'язана з їхньою релаксацією і неоднако­вими сталими значеннями на кожному з цих рівнів. При рівнях номіналь­них напружень, близьких до границі витривалості, значення сталих за­лишкових напружень у зонах концентраторів зварних з'єднань досить високі. У цих умовах залишкові зварювальні напруження істотно знижу­ють опір втомі з'єднань. З ростом зовнішнього навантаження рівень ста­лих залишкових напружень унаслідок їхньої релаксації зменшується. У результаті цього відбувається зближення кривих втоми з'єднань із залиш­ковими напруженнями розтягу і без них.

З тих же причин роль залишкових напружень зменшується з підви­щенням асиметрії циклу зовнішнього навантаження. Найбільшою мірою вплив залишкових напружень на опір втомі зварних з'єднань виявляється при симетричному циклі навантаження. З ростом значень коефіцієнта асиметрії циклу різниця границь витривалості зварних з'єднань із залиш­ковими напруженнями і без них зменшується. Інтенсивність впливу за­лишкових напружень розтягу залежить також від характеру передачі зу­силля і виду напруженого стану. Про це, зокрема, можна судити за ре­зультатами дослідження на вигин і вигин із крутінням зварних зразків Концентрація напружень і залишкові напруження у них створювалися швами, що перетинаються. Зіставлення границь витривалості зразків у вихідному стані, після нормалізації і високого відпуску показує, що при плоскому напруженому стані (вигин із крутінням), коли головні напружен­ня мають різні знаки, вплив залишкових напружень позначається сильні­ше, ніж при лінійному напруженому стані (вигин). У той же час вплив концен­трації напружень більше виявляється при вигині, ніж при чистому зсуві.

Таким чином, ступінь впливу залишкових напружень розтягу зале­жить від виду з'єднання, асиметрії циклу, напруженого стану і характеру передачі зусиль. У ряді випадків цей вплив може бути порівняний з ефек­том концентрації напружень.

Неоднорідність механічних властивостей. Зварні з'єднання ха­рактеризуються значною неоднорідністю механічних властивостей в нап­рямку, перпендикулярному шву, яку прийнято зображувати у вигляді м'я­кого або твердого прошарку (розділ 2). Численні дослідження опору звар­них з'єднань втомі показали, що хімічна, структурна, механічна неодно­рідності, пов'язані з утворенням зварних швів практично не впливають на границю витривалості з'єднань з низьковуглецевих, низьколегованих та високоміцних сталей при багатоцикловому навантаженні.

До особливих умов навантаження відносять навантаження при низькій чи високій температурі або в умовах корозійного середовища.

Холодостійкість зварних з’єднань.

Службові характеристики (властивості) зварних з'єднань з низько­вуглецевих і низьколегованих сталей значно змінюються при зниженні температури. Зі зниженням температури для цих сталей межа текучості, міцності і витривалості підвищуються, а відносне подовження і поперечне звуження зменшуються. Тобто падає в'язкість і підвищується крихкість. Для інших металів, наприклад алюмінієвих і титанових сплавів, аусте­нітних сталей, ця тенденція малопомітна і виявляється тільки при дуже низькій (кріогенній) температурі. В умовах низької температури голов­ною службовою характеристикою зварних з'єднань є їх здатність чинити опір крихкому руйнуванню, тобто холодостійкість. Тому питання холодо­стійкості прийнято розглядати у тісному зв'язку з крихкістю металів.

Крихкість металу - це не властивість металу, а його стан. На перехід від в'язкого стану до крихкого впливають фактори, які знижують здатність металу до пластичного деформування. Основними з них є:

- зниження температури (впливає на механічні властивості; значення межі текучості наближається до значення межі міцності);

- наявність концентрації напружень, залишкових напружень (вплива­ють на ступінь об'ємності напруженого стану; підвищення об'ємності напруженого стану зменшує здатність металу до пластичного дефор­мування);

- товщина металу (впливає на об'ємність напруженого стану, чим біль­ша товщина, тим вища об'ємність напруженого стану);

- хімічний склад металу (впливає на механічні властивості металу; збільшення кількості вуглецю знижує пластичність металу, а збіль­шення кількості хрому, міді і нікелю підвищує пластичні властивості). Для оцінки холодостійкості зварних з'єднань використовують багато

критеріїв. Одним з них є температура переходу від в'язкого руйнування до крихкого. При в'язкому руйнуванні поверхня злому має волокнистий вигляд

(результат пластичної деформації), а при крихкому руйнуванні поверхня злому стає кристалічного виду (відсутність пластичної деформації). В за­лежності від співвідношення наявності волокнистого і кристалічною характе­ру злому розрізняють дві так звані критичні температури Т_кр1 (50% волок­нистого характеру злому) і Т_кр2 (відсутність волокнистості). При температурі Т_кр2 середні напруження σ_с в перерізі, що руйнується, дорівнюють значенню межі текучості металу σ_Т при відповідній температурі (рис. ). Прийма­ється, що при температурі Т > Т_кр1 - (область 1) метал руйнується в'язко; при температурах Т_кр1 > Т > Т_кр2 (область 2) має місце квазікрихке руйну­вання, а при температурі Т > Т_кр2 - (область 3) - крихке руйнування. Критичні температури вказують лише на перехід з одного стану до іншого, але не характеризують кількісно холодостійкість металу.

Рис.

Процеси зварювання (теплові, металургійні, деформаційні та інші) суттєво впливають на холодостійкість (значення критичних температур) зварних з'єднань внаслідок:

1. Утворення крихких зон в металі шва через зміну хімічного складу металу шва в порівнянні з основним металом за рахунок невдалого легування або забруднення небажаними речовинами і газами.

2. Утворення крихких при низьких температурах біляшовних зон за рахунок термічного впливу зварювання - швидкого охолодження, рос­ту зерна, структурних змін. Ступінь цього впливу вирішальним чином залежить від хімічного складу основного металу, способу його виробництва і вихідного стану. Наприклад, на холодноломкість металу в зоні великого зерна електрошлакових з'єднань впливає ступінь роз­кислення, вміст фосфору і сірки, спосіб одержання заготівки (кування, лиття); на холодноломкість біляшовних зон термічно-зміцнювальних катаних сталей при електродуговому зварюванні - величина погонної енергії зварювання.

3. Концентрація пластичних деформацій і деформаційне старіння ме­талу в зонах непровару і різкої зміни форми з'єднань, тріщинах і т. п., що знаходяться в межах зони термічного впливу зварювання. Цей випадок є найбільш розповсюдженою причиною крихких руйнувань зварних з'єднань при низьких температурах; він багаторазово відтво­рювався в лабораторних умовах.

Шляхом росту концентрації деформацій і ефекту старіння можна викликати практично будь-яке зниження міцності сталей при низьких температурах. Деформаційне старіння підсилюється, якщо воно відбува­ється в зоні великого зерна. По кількості крихких руйнувань, зареєстро­ваних у зварних конструкціях при низьких температурах, на першому місці знаходяться руйнування, що виникли від концентраторів, розташо­ваних у зоні зварювання, де протікали значні пластичні деформації, ви­никали залишкові напруження розтягу, і відбувалося старіння металу. Значна частина крихких руйнувань була викликана тріщинами від втоми, що з'явилися через незадовільне конструктивне оформлення з'єднань, у сполученні з низькою опірністю основного металу поширенню крихких руйнувань.

Зареєстрована деяка частина руйнувань, що виникли від

ділянок металу з низькими пластичними властивостями через забруд­нення металу і його поганого захисту в нагрітому стані.

У статично навантажених об'єктах руйнування з'являлися переважно при різкому зниженні температури, коли внаслідок нерівномірного охолодження конструкції виникали додаткові напруження.

Поширення руйнувань за межі зон пластичних деформацій, де вплив зварювання практично був відсутній, відбувалося, звичайно, внаслідок низьких, механічних властивостей основного металу (наприклад, крих­кості) і не залежало від умов зварювання.

Попередження крихких руйнувань зварних з'єднань і конструкцій при низьких температурах може бути здійснене усуненням причин, що їх викликають. Існує кілька основних шляхів підвищення опору крихкому руйнуванню:

1. Вибір основного металу для зварних конструкцій, що характеризу­ються малою схильністю до деформаційного старіння і досить висо­ким опором поширенню руйнувань при температурах експлуатації виробу. Розвиток руйнування при використанні основного металу з високою енергією руйнування при поширенні в ньому тріщини мож­ливий лише при наявності дефектів у зонах ушкодження металу знач­ної довжини (наприклад, у поздовжніх швах трубопроводів). У біль­шості зварних конструкцій зміни внаслідок зварювання носять ло­кальний характер, через що руйнування, що почалося, не буде поши­рюватися по основному металу. Загартування і відпуск основного ме­талу є ефективним засобом підвищення енергії руйнування сталей при низьких температурах.

2. Нормалізація чи загартування з відпуском зварних деталей. Такі опе­рації не тільки усувають негативні наслідки впливу зварювання на структуру металу зварних з'єднань, але і поліпшують властивості ос­новного металу.

3. Застосування високого відпуску. Високий відпуск є ефективним засо­бом, що дозволяє відновити пластичні властивості металу, втрачені в результаті протікання пластичних деформацій і старіння металу в концентраторах. Одночасно загальний високий відпуск значно знижує залишкові напруження і накопичену потенційну енергію при зварю­ванні. Місцевий відпуск застосовують головним чином як засіб віднов­лення пластичності металу.

4. Конструктивне оформлення окремих елементів, що зменшує як кон­центрацію власних деформацій у процесі зварювання, так і концент­рацію робочих напружень у процесі експлуатації конструкції.

5. Призначення послідовності складально-зварювальних операцій і технологічних прийомів виконання зварних з'єднань, що виключають різкі концентратори напружень у зоні пластичних деформацій, у тому числі дефекти у виді непроварів, тріщин, несплавок, підрізів і інш.

6. Застосування присадкових металів, що забезпечують високу плас­тичність і в'язкість металу швів при низьких температурах.

7. Використання раціональних режимів зварювання, що виключають по­яву зон зі зниженими механічними властивостями при низьких тем­пературах.

Отже, при проектуванні зварних з'єднань, працюючих в умовах низь­ких температур, головне завдання полягає у виборі відповідного металу,

враховуючи значення критичних температур та ударної в'язкості. Чим нижча критична температура і вища ударна в'язкість, тим вища холодо­стійкість металу. Розрахунки напружено-деформованого стану (на міцність) проводять аналогічно випадку експлуатації конструкції у звичайних умовах.

Жароміцність зварних з’єднань.

Жароміцність - це здатність матеріалу чинити опір навантаженню при підвищеній температурі. Із зростанням температури підвищується теплова енергія коливання атомів, зростає інтенсивність дифузійних про­цесів і знижується міцність міжатомних зв'язків, що призводить до змен­шення міцності металів і зростання їх пластичності. На рис. наведені дані про характер впливу підвищення температури на механічні власти­вості деяких металів.

Рис. Вплив підвищення температури на міцність сг_в (суцільна лінія) і

пластичність 8 (пунктирна лінія): 1 - сталь низьковуглецева,

2- легована перлітна сталь, 3 - жароміцна сталь.

В умовах, сприятливих для пластичного деформування, в металах мають місце два процеси - повзучість і релаксація.

Повзучість - здатність металу до безперервного пластичного деформування при постійному навантаженні (рис. ).

Рис.

При навантаженні стержня силою Р в ньому виникне загальна дефор­мація

ε = ε_пр + ε_пл. Під час витримки при температурі Т пружна деформа­ція є_пр залишається незмінною, а пластична складова ε_пл буде безпе­рервно зростати, що призведе і до збільшення загальної деформації ε.

Релаксація - це перехід пружної деформації в пластичну в умовах постійної загальної деформації елемента, що навантажується. Розтягне­мо стержень до деформації ε = ε_пр + ε_пл жорстко його закріпимо. При цьому в стержні утворяться напруження, пропорційні пружній деформації σ = ε_пр Е . В умовах постійної загальної деформації є і витримки при температурі Т пружна деформація буде трансформуватися у пластичну (тобто зменшуватися), що призведе до зниження напружень σ.

Основною розрахунковою характеристикою міцності металу зварного з'єднання при високих температурах є межа тривалої міцності σ_тм- нап­руження, які викликають руйнування при заданій температурі за роз­рахунковий термін експлуатації.

При проектуванні зварних з'єднань, працюючих в умовах високих тем­ператур, напружено-деформовний стан металу визначається як і у випад­ку експлуатації при звичайних температурах. Умова міцності має вигляд:

σ ≤ [σ]_тм

де [σ]_тм - граничні напруження; [σ]_тм = σ_тм /К, К - коефіцієнт запасу міцності К = 1,6...2,0.

На рис. представлені залежності номінальних граничних напру­жень від температури для деяких металів: 1 - сталь 10; 2 - сталь СтЗ;

За температурними умовами роботи доцільно виділити дві групи ви­сокотемпературних конструкцій: 1) працюючих при підвищених темпера­турах (до 350-400°С для перлітних і 500°С для аустенітних сталей), коли ефектом повзучості можна зневажити; 2) працюючих при більш високих температурах в умовах повзучості.

Для першої групи зварних вузлів, до яких належать такі відповідальні конструкції, як атомні енергетичні установки, барабани парових котлів і судини нафтохімічних установок, вибір матеріалів підпорядковується за­гальним конструктивно-технологічним вимогам. Сталі, звичайно викорис­товувані для зварних вузлів, що працюють у нормальному діапазоні тем­ператур, можна застосовувати й у даному випадку. Виключення склада­ють сталі, чуттєві до деформаційного старіння в інтервалі температур 200-300°С, а також до 475-градусної крихкості. Наприклад, вироби з кип­лячих низьковуглецевих сталей можна застосовувати лише в умовах до 150-200°С, а феритно-аустенітні сталі у відповідальних зварних вузлах

можна використовувати лише до 300-350°С. Яких-небудь обмежень застосування аустенітних сталей, що зварюються добре, в умовах до 500°С, як, наприклад сталі 12Х18Н10Т, не існує.

При виборі матеріалу й умов виготовлення відповідальних зварних конструкцій з товщиною елементів понад ЗО мм (судини, барабани, ро­тори) для роботи при високих температурах необхідно враховувати не тільки надійну роботу виробу в експлуатаційних умовах, але і відсутність крихких руйнувань під час виготовлення, гідравлічних і інших випробу­вань. Тому матеріал конструкції повинен мати не тільки необхідні влас­тивості при високих температурах, але також і необхідний запас в'язкості при кімнатній і зниженій температурах.

Вибір матеріалів для зварних вузлів другої групи більш складний. Крім загальних вимог щодо здатності до зварювання, ці матеріали повинні забез­печити максимальну однорідність зварного з'єднання і відсутність у ньому розвинутих маломіцних і крихких зон при високих температурах. Виходячи із зазначених вимог, найбільш придатними матеріалами для розглянутих умов роботи є сталі і сплави не здатні до термічного зміцнення. Так, з теплостійких сталей кращими є хромомолібденові сталі: з аустенітних сталей - леговані молібденом і в першу чергу сталі марок Х16Н9М2 і 08Х16Н13М2Б. Зварні з'єднання, виконані з цих сталей, не схильні до падіння міцності і крихких високотемпературних руйнувань в навколошовній зоні. Вони практично мають однакову міцність з основним металом.

Хоча розглянуті вище сталі за умовою експлуатаційної надійності є найпридатнішим матеріалом для зварних вузлів, що працюють в умовах повзучості, по жароміцності вони помітно поступаються сталям і сплавам здатним до термічного зміцнення, і тому застосовуються обмежено. Найбільш розповсюдженими для високотемпературних установок є хромомолібденованадійові сталі, жароміцні високохромісті сталі, леговані ванадієм, ніобієм і вольфрамом; аустенітні сталі і сплави на нікелевій основі з титаном, ніобієм і алюмінієм. У зв'язку з розвинутою неоднорідністю їхніх зварних з'єднань необхідно застосовувати додаткові заходи, що підвищують їхню жароміцність і виключають небезпеку крих­ких руйнувань. Найважливішими з них є:

1. Обмеження міцності основного металу. За цією вимогою межа міц­ності хромомолібденованадійових теплостійких сталей у зварних з'єд­наннях не повинна бути вищою 60-65 кгс/мм², а високохромистих жароміцних сталей перевищувати 80 кгс/мм².

2. Застосування сталей і сплавів на нікелевій основі після електрошла­кового і вакуумно-дугового переплаву.

3. Усунення концентраторів у районі з'єднання і розташування зварних стиків поза зоною дії високих напружень. З цією метою необхідно вводити обов'язкове зачищення чи механічну обробку зовнішньої і внутрішньої поверхонь стиків до плавного сполучення з основним металом. Розташовувати зварні стики поза зонами різкої зміни пере­тину елементів, що з'єднуються.

2. Проведення термічної обробки за режимами, що забезпечують від­сутність утворення крихких зон. Кращими є режими високотемпера­турної термічної обробки - нормалізації з відпуском для зварних з'є­днань теплостійких хромомолібденованадійових сталей і аустенизації з наступною стабілізацією для аустенітних сталей і сплавів на ніке­левій основі.

Тема: Розподіл напружень у зварних швах.

План: