Прочность сварных соединений

З рис. 3.5.2 добре видно, що характеристики міцності за низьких температур помітно зростають (діаграма розтягу зміщується вгору), пластичність – знижується (діаграма стає коротше), при цьому знижується ступінь зміцнення від наклепу (зменшується різниця між границею текучості та тимчасовим опором).

Ці ж закономірності підтверджує і рис. 3.5.3. З нього видно, що зростання границі плинності значно випереджає тимчасовий опір. Їх співвідношення (Re/Rm) з 0,6–0,7 за нормальної температури зростає до 0,9–1 за температур –200 °С. Пластичність у досить великому інтервалі температур зберігає свою величину і може в деяких сталях навіть збільшуватися. Тріщиностійкість же постійно знижується навіть за порівняно невеликого зниження температури. Для різних сталей ці залежності розрізнюються, але загальні закономірності зберігають свою силу.

При розрахунках міцності конструкцій і з'єднань, що працюють за знижених температур, використовують звичайні методи розрахунку, у якості небезпечних приймають напруження границі плинності за нормальної температури, тобто підвищення міцності не враховують. Однак, для таких конструкцій з урахуванням зниження тріщиностійкості матеріалу обов'язково встановлюють обмеження за характеристикою тріщиностійкості (ударної в'язкості, KCV) за низької температури.

3.5.2. Вплив підвищеної температури на механічні властивості основного металу і зварних з'єднань

Перша особливість роботи матеріалу за підвищених температур – зниження характеристик міцності з підвищенням температури (рис. 3.5.4).

Другою особливістю є залежність характеристик міцності

від тривалості навантажування.

Е

Тобто в звичних з курсу опору матеріалів рівняннях, обумовлених законом Гука, з'являється ще одна

201

ності за високої температури наступні:

Границя плинності σT/t – визначається під час короткочасного розтягу з записом діаграми розтягу, аналогічно випробуванням за нормальної температури.

1 – Т1 =20 °С; 2 – Т2 > Т1; 3 – Т3 > Т2;

4 – Т4 > Т3

Границя короткочасної міцності σв/t – визначається також за випробування на короткочасний розтяг.

Границя тривалої міцності στt – відношення навантаження Р, при якому відбувається руйнування розтягнутого нагрітого до температури Т зразка через визначений проміжок часу τ, до вихідної площі поперечного перерізу F. Наприклад,

Границя повзучості σpt/τ – напруження, за якого пластична деформація при заданій температурі за заданий відрізок часу досягає заданої величини. Наприклад, границя повзучості при 900 °С, протягом 1000 год і деформації 1 % запишеться як

σ1900,0 /1000 або σp=1/1000 / 900 .

Перші дві характеристики аналогічні тим, що визначають за нормальної температури. Їх отримують під час короткочасного навантаження, коли впливом часу можна знехтувати. Інші дві характеристики отримують під час тривалої витримки нагрітого зразка під навантаженням (звичайно протягом сотень і тисяч год).

Під час розрахунків міцності конструкцій і вузлів, що працюють за підвищеної температури, необхідно враховувати зазначені вище особливості. Для визначення допустимих напружень у якості небезпечних приймають одну з характеристик міцності з різними коефіцієнтами запасу міцності. Звичайно приймають

202

де n1 = 2...4, n2 = 1,5…2, n3 = 1,5…2, n4 = 1.

3.5.3. Випробування металу на розтяг за підвищеної температури

Методику випробувань встановлює міждержавний стандарт ГОСТ 9651–84 "Метали. Методи випробувань на розтяг при підвищених температурах". Дія його поширюється на чорні і кольорові метали, сплави і вироби з них. Він встановлює методи короткочасних статичних випробувань на розтяг для визначення при температурах t до 1200 °С характеристик міцності: границі пружності

σ0,05/t, границі плинності (фізичної σT/t або умовної σ0,2/t), тимчасового опору σв/t та наступних характеристик пластичності: відносного подовження після роз-

риву δt, відносного звуження після розриву ψt.

Для випробування на розтяг за підвищених температур застосовують короткі і довгі циліндричні та плоскі зразки з розрахунковою довжиною, обумовленою так само, як і у випробуваннях за нормальної температури (див. п.п. 3.1.4). За формою та розмірами ці зразки трохи відрізняються (табл. дод. 6Д).

Відмінною рисою циліндричних зразків для випробувань за високих температур є наявність різьби на головках для кріплення в захватах випробувальної машини.

3.5.4. Випробування металу на тривалу міцність

Методику випробувань встановлює міждержавний стандарт ГОСТ 10145–81 "Метали. Метод випробування на тривалу міцність". Дія його поширюється на чорні і кольорові метали, їх сплави. Він встановлює метод випробування на тривалу міцність при температурах t до 1200 °С, якиї полягає у тому, що зразок доводиться до руйнування під дією постійного навантаження розтягу за постійной температури. В результаті випробувань визначають границю тривалої міцності, тобто напруження, що викликає руйнування металу за визначений час випробування при постійній температурі.

Стандарт установлює чотири типорозміри циліндричних зразків (d0xl0 = 5х25 мм, 10х50 мм, 10х100 мм і 7х70 мм) і плоскі зразки з початковою розрахунковою довжиною l0 = 5,65 F0 , де F0 – початкова площа поперечного перерізу робочої частини зразка, мм2. Товщина плоского зразка визначається товщиною прокату. Можливі випробування циліндричних зразків з надрізом, якщо цього вимагають стандарти або технічні умови на продукцію. У цьому випадку діаметр зразка в надрізі приймають як для гладких зразків.

Форма і розміри головок зразка і перехідної частини від головки до робочої довжини визначається конструкцією захватов випробувальної машини. Сполучення головки з робочою частиною повинне бути плавним.

Плоскі зразки можна застосовувати зі збереженням поверхневого шару або з обробленою поверхнею.

203

Встановлений у захвати випробувальної машини та розташований у пічі зразок нагрівають до заданої температури ї витримують при цій температурі не менш 1 год. Для виміру температури зразків на кінцях їх робочої частини встановлюється не менш двох термопар таким чином, щоб гарячі спаї щільно стикалися з поверхнею зразка. Температура випробування, °С, вибирається кратною 50, якщо умови дослідження не вимагають іншої температури.

Після нагрівання зразка і витримки за заданої температури до зразка плавно прикладають навантаження. Тривалість до руйнування за заданої величини напруження є основним показником даного виду випробування. Після руйнування зразка визначають відносне подовження (δ) і відносне звуження (ψ) зразка.

Тривалість випробування встановлюється для кожного металу в залежності від його призначення. Рекомендується визначати границі тривалої міцності на основі випробувань тривалістю 50; 100; 500; 1000; 3000; 5000 і 10000 год, якщо немає інших вимог до випробувань.

У результаті випробувань встановлюється залежність між напруженнями і часом до руйнування, що може бути виражена графічно. За графіками шляхом інтерполяції і екстраполяції визначають границю тривалої міцності металу. Границя тривалої міцності позначається σ із двома числовими індексами: верхній індекс вказує температуру випробування, °С, нижній індекс – задану тривалість випробування до руйнування, год, наприклад, σ1000700 або σ107003 – границя тривалої міцності за 1000 год випробування при температури 700 °С.

Відносне звуження після розриву δ і відносне подовження після розриву ψ визначають за стандартною методикою, аналогічно випробуванням за нормальної температури.

3.5.5. Випробування металу на повзучість

Методику випробувань встановлює міждержавний стандарт ГОСТ 3248–81 "Метали. Метод випробування на повзучість". Дія його поширюється на чорні і кольорові метали, їх сплави. Він встановлює метод випробування на повзучість, який полягає в тому, що зразок протягом тривалого часу піддається впливу постійного зусилля розтягу при постійній температурі. При цьому фіксується деформація зразка в часі. У результаті випробування визначають границю повзучості матеріалу, тобто максимальне напруження, за якого швидкість або величина деформації за визначений проміжок часу не перевищує заданої величини.

Стандарт встановлює наступні основні типи зразків:

циліндричний – діаметр 10 мм, розрахункова довжина 100 мм (нормальний зразок) і 200 мм (подовжений зразок);

плоский – ширина 15 мм, розрахункова довжина 100 мм. Товщина зразка визначається товщиною листа.

Стандарт допускає в технічно обґрунтованих випадках застосоування зразків іншої форми й інших розмірів. При цьому діаметр циліндричних зразків повинен бути не менше 5 мм, розрахункова довжина дорівнювати 5 або 10 діаметрам.

204

205

повзучості будують діаграми залежності між напруженням і подовженням та за діаграмами знаходять шукані напруження. Після того як границя повзучості буде знайдена не менше ніж при трьох різних температурах випробування, то може бути побудована залежність її від температури.

Границя повзучості позначається буквою σ із трьома числовими індексами: двома нижніми і одним верхнім. Перший нижній індекс показує задане подовження, %, другий – задану тривалість часу випробування, год, верхній індекс – тем-

пературу, °С. Наприклад: σ7000,2 /100 – границя повзучості при деформації 0,2 % за 100 год за температури 700 °С.

3.5.6. Контрольні питання

1.Як змінюється тимчасовий опір сталі зі зниженням температури?

2.Як змінюється границя плинності сталі зі зниженням температури?

3.Як змінюється тріщиностійкість сталі зі зниженням температури?

4.Як змінюється тимчасовий опір сталі з підвищенням температури?

5.Як змінюється границя плинності сталі з підвищенням температури?

6.Як називається напруження, під дією якого зразок руйнується під час випробування на короткочасний розтяг за високої температури?

7.Як називається напруження, під дією якого зразок отримує задане пластичне подовження під час розтягу протягом заданого періоду за високої температури?

8.Як називається напруження, під дією якого зразок руйнується за визначений час під час випробування на розтяг за високої температури?

9.У яких одиницях виміряється границя тривалої міцності?

10.У яких одиницях виміряється границя повзучості?

11.Як позначається границя повзучості?

12.Як позначається границя тривалої міцності?

206

СПИСОК РЕКОМЕНДОВАНИХ ДЖЕРЕЛ

1.Вигли Д.А. Механические свойства металлов при низких температурах. – М.: Мир, 1974. – 376 с.

2.Дидык Р.П., Кузнецов Е.В., Забара В.Н. Физические основы прочности: Учебник. – Днепропетровск: Наука и образование, 2005. – 608 с.

3.Ермолаев Г.В. Расчеты прочности сварных соединений: Учебн. пособие. – Николаев: НКИ, 1992. – 61 с.

4.Кудрявцев И.В., Наумченков Н.Е. Усталость сварных конструкций. – М.: Машиностроение, 1976. – 272 с.

5.Махненко В.И., Починок В.Е. Прочность сварных соединений с дефектами трещинообразного типа. – Киев: Знание, 1980. – 28 с.

6.Махненко В.И. Ресурс безопасной эксплуатации сварных соединений

иузлов современных конструкций. – К.: Наукова думка, 2006. – 620 с.

7.Малинин Н.Н. Прикладная теория пластичности и ползучести. – М.: Машиностроение, 1968. – 400 с.

8.Мюнзе В.Х. Усталостная прочность стальных сварных конструкций. – М.: Машиностроение, 1968. – 312 с.

9.Николаев Г.А., Куркин С.А., Винокуров В.А. Расчет, проектирование и изготовление сварных конструкций. – М.: Высшая школа, 1971. – 760 с.

10.Николаев Г.А., Куркин С.А., Винокуров В.А. Сварные конструкции. Прочность сварных соединений и деформации конструкций. – М.: Высшая школа, 1982. – 272с .

11.Писаренко Г.С., Квітка О.Л., Уманський Е.С. Опір матеріалів з основами теорії пружності й пластичності: Підручник. – К.: Вища школа, 2004. – 65 с.

12.Серенко А.Н., Крумбольдт М.Н., Багрянский К.В. Расчет сварных соединений и конструкций. Примеры и задачи. – Киев: Высшая школа, 1977. – 336 с.

13.Черепанов Г.П. Механика хрупкого разрушения. – М.: Наука, 1974. – 640 с.

14.Чертов І.М. Зварні конструкції: Підручник. – К.: Арістей, 2006. – 376 с.

207

209