книги из ГПНТБ / Труфяков, В. И. Усталость сварных соединений

АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНСКОЙ ССР

ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОСВАРКИ им. Е. О. ПАТОНА

В. И. Т Р У Ф Я К О В

УСТАЛОСТЬ

СВАРНЫХ

СОЕДИНЕНИЙ

« Н А У К О В А Д У М К А » К И Е В - 1 9 7 3

П Р Е Д И С Л О В И Е

Известно, что детали машин и элементы конструкций, испытыва­ ющие переменные нагружения, могут разрушаться от усталости при сравнительно низких номинальных напряжениях. Из большого числа факторов, влияющих на сопротивление усталости, наиболее важным является концентрация напряжений. В подавляющем боль­ шинстве случаев трещины зарождаются в зонах изменения сечения или нарушения поверхностного слоя.

Сварные соединения не составляют исключения. Места пере­ ходов шва на основной металл и особенно дефектные участки швов неоднократно становились очагами усталостных разрушений машин и сооружений. В отдельных случаях долговечность сварных соеди­ нений оказывалась более низкой, чем заклепочных и болтовых. Воз­ никло мнение, что сварные соединения создают большую концентра­ цию напряжений, чем круговые отверстия, поэтому они не должны допускаться в изделиях, работающих в условиях переменного на­ гружения.

В действительности основные виды доброкачественных сварных соединений вызывают меньшую концентрацию напряжений, чем от­ верстия. И если они иногда имеют низкую выносливость, то причину этого следует искать в проявлении влияния других факторов, свя­ занных с образованием сварного соединения, главным образом

вдействии остаточных напряжений.

Втечение долгого времени о влиянии остаточных напряжений высказывались противоречивые суждения. Ряд крупных специали­ стов и теперь отводит им второстепенную роль в процессе усталости сварных соединений. Выносливость таких конструкций, как мос­ ты, краны, подкрановые балки, мачты, экскаваторы, строительнодорожные машины и другие изделия с необрабатываемой поверх­ ностью металла и соединений, до сего времени определяется без учета влияния остаточных напряжений. Между тем, регулируя ос­ таточную напряженность, можно не только предупредить прежде­

временные разрушения рассматриваемых конструкций и машин, но

нсущественно повысить их долговечность.

Впредлагаемой работе описаны результаты исследований, показывающих роль основных факторов в изменении сопротивления усталости сварных соединений. Рассмотрены предложения по улуч­ шению экспериментального метода оценки их несущей способности,, приведены уточненные значения и закономерности изменения пре­ делов выносливости основных видов сварных соединений ыалоугле-

3:

\

Е лава I .

ВЛИЯНИЕ НА УСТАЛОСТЬ ФАКТОРОВ, ОБУСЛОВЛЕННЫХ СВАРКОЙ

На сопротивление усталости образцов, деталей машин и конструкций наиболее существенное влияние оказывают концентрация напряжений, абсолютные размеры попе­ речного сечения, качество, состояние и свойства поверх­ ностного слоя, характер изменения рабочих напряжений и окружающая среда. Изучению влияния этих факторов, исследованию физической природы их воздействия и разработке расчетных методов оценки посвящены мно­ гочисленные экспериментальные и теоретические работы, результаты которых нашли отражение в известных мо­

и др.]. Общие закономерности, определяющие выносли­ вость основного металла, остаются справедливыми и в отношении сварных соединений. Вместе с тем факторы, связанные с образованием соединений, не могут быть сведены только к концентрации напряжений. Помимо концентрации напряжений, обусловленной формой со­ единения, сварка вызывает изменение свойств околошов­ ной зоны и порождает высокие остаточные напряжения. С выяснения влияния этих факторов и целесообразно начать рассмотрение вопросов, связанных с определением сопротивления сварных соединений усталостным разру­ шениям.

1. Концентрация напряжений

В несварных изделиях усталостные разрушения, как пра­ вило, начинаются от вырезов, выкружек, отверстий, галтелей и других очагов, вызывающих местное повышение напряжений. В за­ висимости от степени концентрации напряжений, характеризую­ щейся, в частности, теоретическим коэффициентом концентрации, равным отношению максимального напряжения к номинальному

(<ха = ° т а х ) , выносливость изделий или образцов может меняться

в широких пределах, существенно снижаясь при высоких значе­ ниях a a (для касательных напряжений а т ) .

5

Рис. 1. Вид образцов (а) и зависимости предела выносливости от радиуса дна надреза (б) и от коэффициента концентрации напряжений (в):

/ — сталь СКС-1; 2 — сталь Ст. 3; 3 — сталь 20Г; 4 — сталь ЗОГ.

На рис. 1 для сталей различных марок представлены [187] из­ менения пределов выносливости a_i плоских шлифованных образ­ цов с надрезами в зависимости от обратной величины радиуса дна

6

ав = 41,7-f- 44,8 кГ/мм2. После нанесения выточек образцы под­

вергались высокому отпуску.

Различные серии образцов отличались между собой соотноше-

/а

ниями — и — , позволившими получить концентраторы с величиной ас т от 1,4 до 4,4 (табл. 1). Указанные коэффициенты концентрации определялись экспериментально поляризационно-оптическим ме­ тодом на моделях из оргстекла, а.также расчетным путем по форму­ лам Нейбера [105].

Образцы испытывались на плоский симметричный изгиб на базе

с прокатной поверхностью могут снижаться до 5 кГ/мм2. Очевидно, в равной мере концентрация напряжений должна

проявляться и в сварных соединениях, создающих неравномерное распределение напряжений по сечению элемента. Между тем извест­ но, что пределы выносливости ряда соединений не превышают 2— 4 кГ/мм2 [35, 36, 50, 159]. В частности, такие значения были полу­ чены при испытании сварных образцов, не отличавшихся по разме­ ру от пластин с выточками:

Те и другие образцы испытывались по одной и той же методике (см. гл. III) . Можно предположить, что либо сварные соединения создают более резкую концентрацию по сравнению с рассмотренны­ ми выточками, либо выносливость соединений определяется не толь­ ко концентрацией напряжений, но и другими факторами, влияние которых не получило еще достаточно полной оценки.

7

В сварных элементах и образцах усталостные трещины чаще всего зарождаются по линии сплавления шва с основным металлом. На рис. 3 показаны примеры типичных усталостных разрушений стыковых и нахлесточных соединений. Трещины располагаются под прямым углом к поверхности пластин. Это указывает на то, что их развитие связано с влиянием нормальных напряжений. Опре­ деление концентрации напряжений в указанных местах представля­ ет наибольший интерес.'

Распределение напряжений в сварных соединениях изучалось расчетным путем [47, 101, 102, 106, 257], экспериментальным — тензометрированием моделей [98, 102] — и поляризациоино-опти- ческим методом [117, 125, 165, 202— 204]. Большинство исследований выполнено в начале 30-х годов.

Многие из них не потеряли своей ценности. Тем не менее наиболь­ ший интерес представляют иссле­ дования последнего времени, в ко­ торых распределение напряжений оценивается не только в упру­ гой, но и в пластической области, устанавливаются закономерности изменения а а от параметров со­ единения, расчетные значения со­ поставляются с данными замеров.

Ниже наряду с кратким изло­ жением этих работ приводятся ре­

зультаты экспериментального определения концентрации напряже­ ний в моделях, отвечающих сварным образцам, испытанным на ус­ талость с целью получения зависимости o_i = / (аа ) и сопоставле­ ния ее с ранее установленной для пластин с выточками.

Известно, что наименьшую концентрацию напряжений создают стыковые соединения, наибольшую — нахлесточные с фланговыми швами. В работе [165] коэффициенты концентрации стыковых со­ единений определялись поляризационно-оптическим методом на про­ зрачных моделях, изготовленных из эпоксидной смолы ЭД6-М. Модели были двух видов: точно повторяющие профиль испытанных образцов (рис. 4, а); упрощенные с различными радиусами перехо­ да шва и произвольными соотношениями высоты и ширины усиле­ ния (рис. 4, б). Идентичность моделей первого вида и шаблонов, вырезанных из реальных соединений, проверялась сопоставлением их конфигураций при 20-кратном увеличении с помощью спектраль­ ного проектора ПС-18.

Для изучения напряженного состояния моделей использова­ лись поляризационные установки «Меорта» и КСП-5. Коэффициен­ ты концентрации определялись в точках перехода усиления к пла­ стине при чистом изгибе и растяжении. Полученные значения коэф­ фициентов концентрации в зависимости от параметров усиления

9