книги из ГПНТБ / Хрупкие разрушения сварных конструкций

Причину различия в отклонении трещины перед остановкой почти на 80° в образце K25W-1 и всего лишь на 20—30° в образ­ це K0W-3 можно частично объяснить разницей в значениях G

вэтой области.

В1960 г. Бартон и Холл [55] и Ролф, Холл и Ныомарк [56] изучали влияние остаточных напряжений на распространение

Расстояние от края

[54].По оси ординат — скорость ос­ сварными швами [54]. По оси орди­

хрупкой трещины с иной точки зрения. Поле остаточных напря­

101

Хотя Кихара и др. изучали стабильность траектории трещины с точки зрения распределения остаточных напряжений и вязко­ сти разрушения, Холл и др. сосредоточили внимание на измене­ нии скорости распространения трещины и динамических напря­ жениях вблизи вершины распространяющейся трещины. Ско­ рость распространения трещины снижалась от 1215—1520 до 15—90 м/с вместе с падением значений напряжения у вершины трещины, что происходило, когда трещина попадала в первона­ чальную сжатую зону. Однако направление главного напряже­ ния изменялось так, что оно всегда оставалось перпендикуляр­ ным к траектории трещины вблизи ее вершины, и трещина могла распространяться в зоне, где вначале были сжимающие напряжения.

Следовательно, можно сделать вывод, что распространение трещины определяется полем напряжений впереди трещины. По мере ее продвижения напряжения перераспределяются, и трещина отклоняется или разветвляется, оставаясь все время перпендикулярной к изменяющемуся направлению главного растягивающего напряжения в области головной части трещины.

Р А С П Р О С Т Р А Н Е Н И Е Т Р Е Щ И Н Ы П О Д У Г Л О М

К С В А Р Н О М У Ш В У

В 1961 г. Кихара, Кусуда, Иида, Мазда и Мацуока [52] исследовали влияние остаточных напряжений на направление распространения трещины под углом к сварному соединению. Образец с наклонным швом подвергали удару клином при отсут­ ствии внешней нагрузки и под действием растягивающей

102

нагрузки, приложенной перпендикулярно поперечной оси образ­ ца. Испытания были проведены на сварных образцах (неотпущенных и подвергнутых отпуску для снятия напряжений). Траектории трещин показаны на рис. 52 и 53. В скобках даны значения внешнего приложенного напряжения. При отсутствии внешней нагрузки (N30W-3) трещина возникла у надреза и про­ двигалась приблизительно параллельно сварному шву. По мере

Рис. 54 Поле остаточных напряжений и траектория трещины при внешнем напряжении 5,7 кгс/мм2 '[52]: 1 — траектория трещины в образце N30W-2;

2 — ось сварного шва; 3 — направление приложения нагрузки

увеличения внешней нагрузки траектория трещины приближа­ лась к направлению, перпендикулярному к линии действия внешней нагрузки. Как и следовало ожидать, в образцах, под­

103

Глава 3

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ В ПЛАСТИНАХ

В В Е Д Е Н И Е

Глава начинается изложением метода расчета распределе­ ния деформаций и напряжений, в том числе остаточных, в простых и сварных пластинах. Это, вероятно, будет наиболее интересным для тех, кто хотел бы заранее выяснить напряжен­ ное состояние конструкции, например для инженеров, занимаю­ щихся методами снятия напряжений. В заключительной части главы помещены весьма интересные результаты проведенных в Гентском университете исследований распределения деформа­ ций и напряжений в пластинах с надрезами.

Для большинства инженеров очевидно, что вопросы хрупко­ го разрушения связаны с наличием остаточных напряжений; тот факт, что хрупкое разрушение происходило в конструкциях, где

жить, что в практическом смысле остаточные напряжения необходимы (или, по крайней мере, способствуют), но сами по себе недостаточны для того, чтобы вызвать общее хрупкое разрушение. Этот вывод, по-видимому, подтверждается тысяча­ ми работающих сварных конструкций, в которых остаточные напряжения имеют ту же природу и величину, что и в разру­ шившихся, но состояние которых удовлетворительно во всех отношениях. Вполне понятно, что исследователи ищут другие возможные причины хрупкого разрушения; в частности, в преды­ дущих и в последующих главах указывается на важную роль трещин и дефектов, их размеров, повреждения от предваритель­ ного нагружения и т. д.

Если допустить существование однозначной связи между напряжением и деформацией, то рассуждения о причинах

105

Р А В Н О М Е Р Н Ы Е У П Р У Г И Е Н А П Р Я Ж Е Н И Я И Д Е Ф О Р М А Ц И И В О Д Н О Р О Д Н О М М А Т Е Р И А Л Е

П Р И Н А Л И Ч И И О С Т А Т О Ч Н Ы Х Н А П Р Я Ж Е Н И Й

Если мы имеем дело с остаточными напряжениями в одно­ родном материале и нет никаких поверхностных надрезов или внутренних несплошностей, то можно предположить, что рас­ пределение напряжений меняется плавно, т. е. нет резких градиентов или пиков напряжений. Распределение напряжений может быть представлено двумя системами напряжений: одна для растянутой зоны, другая для сжатой. Типичным примером

Р и с . 2. Э п ю р ы о с т а т о ч н ы х н а п р я ж е н и й в о б р а з ц е со с т ы к о в ы м с в а р н ы м ш в о м н в « р а м н о м » о б р а з ц е

такого распределения напряжений может служить распределе­ ние продольных сварочных напряжений в стыковом сварном соединении (рис. 2 ) и идеализированное распределение напря­ жений в так называемом «рамном» образце, показанном на том же рисунке. Если остаточные напряжения возникли в централь­ ной части образца, например вследствие локального нагрева, то в этом месте возникают растягивающие напряжения, а в обеих внешних частях — сжимающие. Такой образец, кроме того, удо­ бен тем, что позволяет рассчитать напряжения, если материал деформирован даже за пределом текучести. В таком случае можно выбрать нужные соотношения площадей сечения внут­ ренней и наружных частей, и тогда можно исследовать свой­ ства стали при напряженных состояниях, показанных на рис. Е

Н а п р я ж е н и я при с т а ти ч е ск о м н а г р у ж е н и и

и р а з г р у з к е

Предположим, что в однородном материале имеются равно­ мерно (т. е. без резких градиентов или пиков) распределенные упругие остаточные напряжения и требуется выяснить, что про­ изойдет, если к образцу будет приложена внешняя растягиваю­ щая нагрузка. Рассмотрим сначала изменение напряженного состояния, а затем картину деформаций.

108

На рис. 3 показана зависимость результирующих напряже­ ний а от напряжений аех, вызванных внешним нагружением. Точки А и А' представляют остаточные растягивающие напря­ жения соответственно at и снимающие ос. Если к образцу при­ ложено внешнее напряжение OF, то изменение растягивающих и снимающих остаточных напряжений будет одинаковым, пока материал находится в упругом состоянии (точки В и В'), но как только суммарное растягивающее напряжение достигнет преде­ ла текучести аѵ, оно останется на этом уровне, а снимающие напряжения будут изменять­ ся по линии В'С'. Если при­ ложено внешнее напряже­

ние OF, то фактические нап­

ряжения равны FC и FC. При снятии внешней нагруз­ ки точки С и С' сместятся в результате упругой разгруз­ ки по линиям CD и C'D'. Та­ ким образом, нагружение и разгрузка позволили сни­ зить остаточные напряжения обоих знаков. Это является примером полезного эффек­ та, связанного с так называ­ емым механическим снятием напряжений; полное снятие напряжений теоретически может быть достигнуто, если внешнее напряжение будет равно пределу текучести ма­ териала. При этом точки А и А' поднимутся по линиям АВЕ и А'В'Е до точки Е, так

что по всему сечению напряжение будет постоянным, равным пределу текучести. При разгрузке от точки Е обе точки «вернут­ ся» в точку 0, в которой остаточные напряжения отсутствуют (см. рис. 3), кроме того, рисунок ясно показывает, что, как толь­ ко напряжения в растянутой зоне достигнут предела текучести, характер напряжений после снятия внешней нагрузки будет со­ вершенно иным, чем в первоначальном состоянии.

Н а п р я ж е н и я при п о в т о р н о м н а г р у ж е н и и и р а з г р у з к е

Обратившись вновь к рис. 3, можно видеть, что после первого цикла нагружения при повторном приложении внешнего напряжения OF напряжения будут изменяться в упругой обла-

109