книги из ГПНТБ / Хрупкие разрушения сварных конструкций

напряжения соответственно по упругим линиям GKGK и G'K'G'K' (если амплитуда приложенного напряжения оех остается постоянной, меньшей предела текучести оу) .

Впредыдущих случаях предполагалось, что первое нагруже­ ние осуществлялось растяжением. Конечно, если сначала образец подвергать сжатию, то в сжатой зоне пластическое течение возникнет при ас > щ; в случае, если а, > ас, обе зоны окажутся пластически деформированными.

Взаключение можно сказать, что если внешние напряжения

впервом цикле знакопеременного нагружения имеют тот же знак, что и наибольшие остаточные напряжения, то пластиче­ ская деформация произойдет только в этой зоне; если же внешние напряжения и наибольшие остаточные напряжения разного знака, то пластическая деформация произойдет и в сжа­ той, и в растянутой зонах.

Д е ф о р м а ц и и при ст ат и 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

ся деформаций, то пусть луч OD' соответствует закону Гука, а отрезки OF и OF' — начальные остаточные упругие деформации в зонах растягивающих и сжимающих напряжений. Тогда де­ формации при нагружении будут перемещаться соответственно по линиям FGD и F'G'D'. Следует заметить, что когда остаточ­ ные напряжения равны нулю, остаточные деформации также должны быть равны нулю, так что прямые ВА и GF будут пере­ секаться в точке М, а В'А' и G'F' — в точке М, причем обе точки

112

М II М' должны лежать на оси аех■Такое построение позволяет определить ес и et, если известны сгс, at и еу. Пока внешнее нап­ ряжение остается меньшим ОЕ, образец в целом ведет себя уп­ руго, и деформации следуют по прямым FG и F'G', параллель­ ным линии закона Гука OD'. Как только в зоне с растягиваю­ щими остаточными напряжениями начнется пластическое тече­ ние, деформации больше не будут следовать закону Гука. Ранее было показано, что сжатая зона достигает предела текучести, только когда его достигнут внешние напряжения; при этом нап­ ряжении деформация в сжатой зоне будет иметь значение гу. Та­ ким образом, деформации в сжатой зоне будут идти по прямой G'D', а деформация в растянутой зоне при пластической дефор­ мации пойдет по прямой GD, параллельной G'D'. Из этих рассуждений можно сделать вывод, что если к образцу приложена внешняя растягивающая нагрузка, соответствующая пределу те­ кучести, то зона растягивающих остаточных напряжений будет пластически деформирована на величину DD' = ес + et, т. е. на величину, равную сумме начальных остаточных упругих дефор­ маций в зонах сжатия и растяжения. При этом максимально воз­ можная пластическая деформация может быть вдвое больше де­ формации, соответствующей пределу текучести; она произойдет в случае, если ес = е/ = Ъу.

Легко показать, что если приложено внешнее растягивающее

цов из малоуглеродистой стали, то придется сделать вывод, что деформация 2ву, равная приблизительно 0,5%, является ничтож­ ной по сравнению с удлинением при разрыве (порядка 1 0 0 %), наблюдаемым обычно на практике. Таким образом, у однород­ ного идеально пластичного материала, не имеющего физических несплошиостей, при наличии остаточных напряжений предел прочности должен быть выше предела текучести, или, другими словами, не может возникнуть так называемое хрупкое разру­ шение при низких напряжениях.

Д е ф о р м а ц и и 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

Если к образцу приложить внешнее напряжение оех, то на­ пряжения и деформации будут меняться так, как это показано

на рис. 6 . При разгрузке деформация будет следовать закону Гука. При последующих циклах нагружения и разгрузки мате­ риал будет работать упруго.

Д е ф о р м а ц и и при п р и л о ж е н и и н а г р у зк и п р о т и в о п о л о ж н о г о з н а к а

деформация произойдет только при приложении растягивающей нагрузки. Изменение напряжений и деформаций показано на рис. 7. После первого цикла нагружения материал ведет себя целиком упруго (линии GHG и G'H'G').

Если остаточная деформация сжатия больше, чем в растяну­ той зоне, то пластическая деформация произойдет сначала в зо­ не остаточных деформаций растяжения, если в первом полуцик­ ле приложенная нагрузка была растягивающей. При изменении знака нагрузки зона с остаточными деформациями сжатия так­

а пластическая деформация в сжатой зоне при внешнем напря­ жении —Оех будет

О

ес

Из этого выражения следует, что если ес = et, пластической деформации в зоне сжатия не будет; оно также показывает, что пластическая деформация резко возрастет, если будет велика разница между начальными остаточными деформациями в зонах сжатия и растяжения. Такой случай имеет место, например, при поверхностном упрочнении, когда остаточные деформации в .поверхностном слое, как правило, велики, в то время как основной металл с остаточными деформациями противополож­ ного знака занимает по сравнению с ним во много раз боль­ ший объем.

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 Н Е О Д Н О Р О Д Н О М М А Т Е Р И А Л Е

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

Если два материала с различными механическими свойства­ ми работают как одно целое, то остаточные напряжения могут возникнуть в результате нагружения и разгрузки. Типичным

] 14

Р и с . 7. Д и а г р а м м а н а п р я ж е н и й и д е ф о р м а ц и й п р и р а з гр у з к е и н а г р у ж е н и и в о б р а т н о м н а п р а в л е н и и

Р и с . 8. Д и а г р а м м а н а п р я ж е н и й и д е ф о р м а ц и й п р и з н а к о ­

п е р е м е н н о м н а г р у ж е н и и

примером такого случая является образец из двух пластин, сваренных встык, который подвергнут после сварки снятию напряжений. Если такой образец нагрузить осевой силой вдоль сварного соединения, то после разгрузки могут возникнуть остаточные напряжения (деформации) вследствие того, что ос­ новной металл и металл шва имеют разные значения предела текучести: а уь и оугѵ (в большинстве случаев а ую > ауь) ■

При действии внешней нагрузки вдоль шва в основном ме­ талле пластическая деформация начнется раньше и напряжение в наплавленном металле будет возрастать, пока в нем тоже не начнется пластическое течение. Ниже рассматривается измене­ ние напряжений и деформаций в таких условиях.

Напряжения при статическом нагружении и разгрузке

Если сварной образец после снятия сварочных остаточных напряжений подвергнуть растяжению в направлении, парал­ лельном шву (рис. 9), то, как только внешнее напряжение

Рис. 9. Диаграмма напряжений в сварном соединении после снятия остаточных напряжений

достигнет предела текучести основного металла, в нем произой­ дет пластическая деформация. При дальнейшем нагружении напряжение в основном металле будет оставаться постоянным, а напряжение в сварном шве будет

где Аь — площадь сечения основного металла; А ю—-площадь сечения шва; А = Аь + Aw— площадь сечения всего образца.

116

Напряжение в металле шва достигнет предела текучести при внешнем напряжении

возникают остаточные напряжения. Поведение наплавленного и основного металла показано на рис. 9. Прямая OACD относится к наплавленному металлу, а прямая ОАВЕ— к основному. Воз­ никающие в образце остаточные напряжения изображаются отрезками OD и ОЕ, причем

растягивающее напряжение в сварном шве

OD = (o9w — oyi)-j*-i

снимающее напряжение в основном металле

OE(ouw- o yb) ^ - .

Величины этих напряжений могут быть значительными, так как обычно, например для сварных швов в конструкциях из ма­ лоуглеродистой стали, величина (oyw — оуь) достигает 1 0 кгс/мм2.

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

Если производить циклически нагружение и разгрузку, то сварной шов и основной металл будут деформироваться упруго до тех пор, пока внешнее напряжение не превысит значение

0 F = Gyex = °yw + °у Ь - J 1-

117

Деформации при приложении нагрузки противоположного знака

дом полуцикле нагружения составляет 2(еую — гуь) ■Хотя общая

грузке и нагружении в обратном направлении

длина образца при такой пластической деформации не меняется, в основном металле могут возникнуть значительные повреж­ дения.

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 В Н Е 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

Практический случай, когда к сварному шву, не подвергнуто­ му снятию напряжений, приложена продольная растягивающая нагрузка, является более сложным, чем описанные выше. Однако

издесь для иллюстрации того, что происходит с напряжениями

идеформациями при нагружении и разгрузке, может быть

применен тот же подход.

119

Напряжения при статическом нагружении и разгрузке

При построении схемы рис. 12 предполагается, что растяги­ вающие остаточные напряжения больше сжимающих, но меньше предела текучести основного металла. Это условие является типичным для многих сварных соединений. Пластическая деформация произойдет по всему сечению, когда внешнее напря­ жение достигнет значения

<Ѵ* = (а да— а і ) ^ЯГ + ( ° " Ь — а с ) А ’

где вс и оі — соответственно сжимающие и растягивающие остаточные напряжения. При приложении такой нагрузки на­ пряжения в металле шва и основном металле будут переме­ щаться по линиям АВС и А 'В 'С соответственно. При разгрузке изменение будет происходить вдоль упругих линий CD и CD'. Остаточные напряжения после разгрузки в сварном шве будут растягивающими:

Полного снятия напряжения нагружением добиться нельзя, так как растягивающие остаточные напряжения после нагруже­ ния образца внешним напряжением оѵех будут иметь величину

менная деформация будет повторяться при каждом цикле наг­ ружения.

Д е ф о р м а ц и и

Полная картина изменения напряжений и деформаций при нагружении, разгрузке и изменении знака нагрузки показана на рис. 13. Верхняя левая и нижняя правая части диаграммы иден-

120