2768.Несущая способность и расчёт деталей машин на прочность

Сопоставление позиций 15, 16 и 18, 19, а также 22, 23 и 24, 25 (табл. 7) показывает, что пределы выносливости сварных швов на срез и пределы вынос­

среза сварных швов определять исходя из условия равнопрочности с основны­ ми элементами с учетом соотношения допускаемых напряжений: [тсв] = = 0,7 [о], то при переменных нагруз­

у начала флангового шва (образец 2) уменьшают концентрацию напряжений и повышают предел выносливости на 47% (от 7,6 до 11,2 кгс/мм2). Зачистка фланговых швов не дает существенного повышения пределов выносливости (только на 13% — позиции 5 и /). Наибольший эффект в смысле повыше­ ния предела выносливости сварных соединений с накладками, приварен­ ными фланговыми швами, дает добавле­ ние лшбовош шшва, так же как и в слу­ чае приварки угадков.

Соединения в ш р . Предел выносли­ вости сварных тавровых соединений сушщегтаеяш» зависит от глубины прова­ ра,т о шдопаерждаетсяданными табл, &

Эскизы исследованных образцов пока­ заны на рис. 7. При отсутствии раз­ делки кромок и полного провара по

толщине соединяемого листа (какдля образцов б иг) эффективные коэффици­ енты концентрации Кв имеют зиачеиия 2,5—4,0. При разделке кромок и на­

личии более глубокого провара зна­

чения Ка изменяются от 1,1 до 1,7

При полном проваре и механик кой обработке шва, обеспечивающей его

плавные очертания (позиция 11 в табл, 8), предел выносливости сварного тав­ рового соединения практически рав­

няется пределу выносливости образное из основного металла с ирокатшй пленкой. Сопоставление позиций 7 и § (табл. 8) показывает, то приотсутствии

разделки кромок и провара иеиожзо-

вание более прочных сталей не приво­ дит кповышению пределаввдаюлнвоств

соединений втавр.

Сварные соединения с ярисеедаиениыми конструктивными элементами. В ряде случаев к основным шлоевь* элементам конструкциипривариваются различные конструктивною и евязующие элементы (косынки, ©©едините-тв-- ные планки, ребра и т, ®,j), Ш этик случаях сварные швы не передаютуси­ лий, и© врезультатерезкогоизменения сечения основного ©илового элемента

Номер

по

пор.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Марка

основного

металла

(°в н аткге/мм2)

СтЗ (кипящей плавки)

ов = 39,8

от = 25,1

СтЗ (спокойной плавки)

о=40,3

о— 24,2

т’

СтЗ (спокойной плавки)

о и = 43,0

от = 30,5

Литера­ *0 турный источник

2,0

2,0 [3]

1,7

3,0

_

—

-[3]

—

2,9

1,5

1,9

[3]

—

ных швов на основной металл также вызывает снижение пределов выносли­ вости в 1,4—2,4 раза (образцы 10, 11, 21 на рис. 8 и образцы 7 и 8 на рис. 9).

Влияние остаточных напряжений и поверхностного наклепа

на выносливость сварных соединений

Влияние остаточных напряжений связано с характером диаграммы пре­ дельных напряжений при асимметрич­ ных циклах. Из диаграммы следует, что добавление постоянных растяги­ вающих напряжений снижает предель­ ную амплитуду напряжений, а добав­

ление сжимающих напряжений — уве­ личивает ее. В зоне сварного шва действуют остаточные растягивающие напряжения от сварки, величины кото­ рых в ряде случаев достигают предела текучести материала. Если рабочие напряжения изменяются во времени по симметричному циклу, то суммарные напряжения изменяются по асимме­ тричному циклу со средними растяги­ вающими напряжениями, равными оста­ точным. Это приводит к снижению пре­ дельной амплитуды, соответствующей пределу выносливости сварного соеди­ нения. Степень влияния остаточных напряжений на выносливость сварных

соединений можно оценить исходя из следующих соображений.

Предельную амплитуду напряжений при асимметричном цикле можно пред­

Так как для пластин из стали ма­ рок СтЗ или низколегированной толщи­ ной 20—35 мм с прокатной пленкой при растяжении-сжатии фст — 0,2 -г- -г 0,3 [3] (эта же величина т]^ харак­ терна и для многих сварных соедине­ ний), а отношение о0ст/а_х может при­ нимать значения от 1 до 1,5 (и более), то можно считать, что растягивающие остаточные напряжения при сварке могут снизить предел выносливости сварного соединения на 20—50%. Из­ вестны опыты, подтверждающие столь резкое влияние остаточных напряже­ ний [17]. Снижение предела выносли­ вости до 50% может наблюдаться при неблагоприятном сочетании остаточных напряжений и рабочих напряжений, а также вида и формы сварного соеди­ нения и других факторов, определяю­ щих степень влияния остаточных на­ пряжений.

В работе [17] приведены результаты усталостных испытаний образцов трех типов В, Г и Д (рис. 10). Образцы были изготовлены из стали марки М16С (ав -= 43,5 кгс/мм2, стг = 24,7 кгс/мм2) толщиной 16 мм. Швы получены автома­

тической сваркой. Можно считать, что в образцах типа В практически нет остаточных напряжений, направленных вдоль образца (измерения, проведенные рентгеновским методом, показали не­ большую величину оосх). Образцы ти­ па Г и Д отличались порядком наложе­ ния швов. На образце типа Г продоль­ ный шов накладывался после заварки стыкового шва, в результате чего в продольном направлении возникали остаточные напряжения, близкие к пределу текучести. В образце типа Д вначале на пластину наваривались продольные швы, после чего пластина разрезалась и заваривался стыковой шов. В этом случае остаточных напря­ жений вдоль образца практически не образовывалось. Пределы выносливости образцов типа В и Д, определенные на базе 2 млн. циклов при симметричном плоском изгибе, оказались практиче­ ски одинаковыми, равными 11,6— 12,8 кгс/мм2. Предел выносливости образцов типа Г получился равным 7,5 кгс/мм2. Следовательно, остаточные напряжения вызвали снижение вели­ чины а_! на 35—40%.

Еще более резкое снижение предела выносливости получилось при испыта­ нии образцов с отверстием при пло­ ском изгибе (рис. 11). Водной партии образцов с помощью машины для кон­ тактной сварки производился точечный нагрев до температуры 530° С для соз­ дания у края отверстия остаточных растягивающих напряжений. Структу­ ра металла и микротвердость у края отверстия при этом не изменялись. Предел выносливости образцов без остаточных напряжений составил 12,6 кгс/мм2, а с остаточными напряже­ ниями — 6,3 кгс/мм2, т. е. в 2 раза меньше.

Следовательно, остаточные растяги­ вающие напряжения, образующиеся при сварке, вызывают снижение пре­ делов выносливости сварных соедине­ ний, достигающее в неблагоприятных случаях 40—50%.

Отжиг или отпуск сварных соедине­ ний, которые иногда применяются для снятия остаточных напряжений после сварки, оказывают двоякое влияние на выносливость сварных соединений. Сня­ тие остаточных напряжений вызывает повышение выносливости, однако на­ ряду с этим может происходить раз­ упрочнение металла шва околошовной зоны, приводящее к снижению вынос­ ливости. Результирующий эффект от­ жига зависит от сочетания указанных факторов [7]. Выше, в табл. 3, был при­ веден пример положительного влияния высокого отпуска и нормализации на сопротивление усталости стыковых со­ единений из стали марки 22К, выпол­ ненных электрошлаковой сваркой (пре­ дел выносливости повысился от 8,5 до 11—11,5 кгс/мм2, т. е. на 30—35%). Сопоставление позиций 4 и 5 (сталь

сваренных внахлестку продольными и поперечными швами (рис. 12, № 1 и 2). В данном случае отпуск не вызвал из­ менения пределов выносливости.

В табл. 12 приведены значения преде­ лов выносливости стыковых соедине­ ний из стали марки 10, испытанных в тех же условиях (рис. 12, № 3).

Таблица II

Величины пределов выносливости соединений внахлестку из сталей марки 10 при изгибе [7]

В результате отпуска получено неко­ торое снижение предела выносливости стыкового соединения. Поэтому в тех случаях, когда не происходит разу­ прочнения металла околошовной зоны, отпуск оказывает положительное влия­ ние на сопротивление усталости свар­ ных соединений.

В сварных соединениях с высокими растягивающими остаточными напря­ жениями пределы выносливости остают­ ся практически одинаковыми с ро­ стом предела прочности (при переходе

Рис. !2. Схемы испытания сварных образцов на усталость

от углеродистых к легированным ста­ лям [17]). Поэтому применение леги­ рованных сталей в сварных соедине­ ниях оправдывается только для соеди­ нений, работающих при значительных асимметриях цикла (г > + 0,5), когда основную роль играет условие проч­ ности по статическим нагрузкам.

Для повышения сопротивления уста­ лости сварных соединений исполь­ зуются технологические методы поверх­ ностного упрочнения, как например, обдувка дробью, накатка роликами, наклеп пневматическими молотками

и т. п. Поверхностный наклеп суще­ ственно повышает предел выносливо­ сти. В табл. 3 приведены данные, по­ казывающие, что применение чеканки швов специальными ударными приспо­ соблениями более, чем в 2 раза повы­ шает предел выносливости стыковых сварных соединений из стали марки

22К, выполненных электрошлаковой сваркой.

Влияние дробеструйной обработки и наклепа пневматическими молотками на сопротивление усталости соединений внахлестку и встык при переменном из­ гибе характеризуется данными, пред­ ставленными в табл. 12,11. В этом слу­ чае предел выносливости увеличивается на 30—65%. Дробеструйная обработка и наклеп поверхности швов пневмати­ ческими молотками являются весьма эффективными средствами повышения выносливости сварных соединений.

2. Влияние технологических дефектов сварки на выносливость сварных соединений

При пониженном качестве основного или сварочных материалов (электрод­ ной проволоки, флюсов и т. п.) или при некачественном выполнении сварки в сварных соединениях могут иметь место разнообразные дефекты: холодные и го­ рячие трещины, непровары, поры,

Таблица 12

Предел выносли­ вости

шлаковые включения и т. п. Эти дефек­ ты создают резкую концентрацию на­ пряжений, вследствие чего приводят к существенному снижению сопротивле­ ния усталости, способствуют переходу в хрупкое состояние и оказывают отри­ цательное влияние на работоспособ­ ность сварных соединений.

Горячие трещины, образующиеся при повышенном содержании примесей в металле или при неблагоприятном соче­ тании других причин, зависящих от термического состояния металла при сварке, от конструкции и размеров сварного соединения и т. д., а также холодные трещины, образованию кото­ рых способствуют повышенные оста­ точные напряжения, особенно объем­ ные, являются резкими источниками концентрации напряжений, так как радиус закругления у дна трещины близок к нулю.

Весьма резкая концентрация напря­ жений в стыковых соединениях полу­ чается при наличии непроваров, что является недопустимым в ответствен­ ных сварных соединениях. В работе [ 13] с помощью теоретического решения Нейбера задачи о концентрации напря­ жений у дна выточки вычислены тео­ ретические значения коэффициентов концентрации для непроваров. Так, расчетный «технический» коэффициент концентрации для глубокого непровара (занимающего 50% толщины сечения) аа = 23; на расстоянии 0,5—1 мм от основания непровара действительные напряжения превышают номинальные в 5,5—8,2 раза.

При малом непроваре (6—7% толщи­ ны сечения) максимальный расчетный «технический» коэффициент концентра­ ции а а = 4 ; на расстоянии 0,5—1 мм действительные напряжения в 1,7— 2 раза превышают номинальные. Ре­ зультаты замера этих напряжений тен­ зометром показали величины, близкие к найденным расчетным путем. Вслед­ ствие резкой концентрации напряже­ ний, вызываемой непроварами, полу­ чается существенное снижение преде­ лов выносливости сварных соединений.

В работе 113] приводятся результаты испытания стыковых сварных соеди­ нений из стали марки СтЗ при симме­ тричном цикле изгиба и базе 2 млн. циклов. Образцы имели толщину 18 мм

и двустороннюю разделку кромок, так что непровар получался в срединной части образца, в которой напряжения от изгиба невелики. Тем не менее пре­ дел выносливости снижался:

ном растяжении с коэффициентом асим­ метрии г = 0,2 имел следующие вели­ чины пределов выносливости: при пол­

По данным работ (12, 13] непровары при глубине 20—30% от всего сечения снижают предел выносливости сварных соединений из сталей ЗОХГСЛ, 12Х18Н9Т, алюминиевого сплава Д16Т в 2—3 раза. По данным работы [17] влияние непровара зависит от того,

вкакую зону остаточной напряжен­ ности он попадает. Если непровар в зоне сжимающих остаточных напряже­ ний, то предел выносливости снижается значительно меньше, чем при непроваре

взоне растягивающих остаточных на­ пряжений. Непровары нельзя допу­ скать в сварных соединениях, работаю­ щих при переменных нагрузках [17].

3.Расчет на прочность сварных соединений

Расчет на прочность при статических нагрузках. Расчет сварных швов со­ единений на прочность при статических нагрузках производится по номиналь­ ным напряжениям, вычисляемым в пред­ положении равномерного распределе­ ния их по сечению шва по следующим формулам.

Для соединения встык (рис. 13)

г св

где

F CB= tf ;