книги из ГПНТБ / Майзель В.С. Сварные конструкции учебник

повторно-переменной нагрузки, что и приводит к появлению мест­ ных разрушений в наиболее напряженных участках. Появившаяся трещина является очагом разрушения и при дальнейшем действии переменной нагрузки, постепенно разрастаясь, приводит к пол­ ному разрушению всего сечения.

Процесс постепенного накопления повреждений, развивающийся в материале при многократном приложении нагрузки и приводя­ щий к его разрушению, называется усталостью. Выносливостью называется свойство материала противостоять усталости.

Пределом усталости (или пределом выносливости) называется наибольшее напряжение ог, которое может без разрушения выдер-

Рис. 3.10. Изменение напряжений от переменной нагрузки: а — симме­ тричный цикл при г — —1; б — пульсирующий цикл при г = 0

жать испытуемый образец при весьма большом количестве циклов нагружения.

В обозначении предела выносливости индексом указывается характеристика цикла переменной нагрузки г, которая может иметь различные значения в зависимости от условий нагружения.

К настоящему времени наиболее хорошо изучены закономер­ ности применительно к условиям действия вибрационной нагрузки, характерным для различных конструкций машиностроительного типа. В этом случае изменение величины нагрузки, происходящее от воздействий вращающихся частей машин, характеризуется опре­ деленной закономерностью, подобной той, которая показана на рис. 3.10.

Предел выносливости определяется экспериментально по ре­ зультатам вибрационных испытаний серии одинаковых образцов. Число образцов в серии составляет 8— 12 шт. При этом каждый образец испытывается только на одном уровне напряжений до разрушения или до заданного (базового) числа циклов. По резуль­ татам тайих испытаний строится график, выражающий зависимость между напряжениями (значение которых для отдельных образцов, входящих в серию, задается различным) и количеством циклов переменного нагружения, выдержанным образцами то разрушения. График, характеризующий зависимость величины разрушающих напряжений от количества циклов (рис. 3.11), называется кривой

усталости (или кривой Веллера). Эта зависимость показывает, что при некотором предельном значении напряжений разрушение не будет происходить даже при весьма большом количестве циклов. Об этом свидетельствует наличие горизонтального участка на кривой усталости. Предел выносливости и соответствует уровню напряжения горизонтального участка кривой выносливости. Ко­ личество циклов, при котором производится определение предела выносливости, называется базой испытания.

Циклом напряжений называется совокупность последователь­ ных значений переменных напряжений за один период их изменения ния (рис. 3.10).

а) б

Основными параметрами цикла напряжений являются следую­ щие: Т — период цикла; сгшах— максимальное напряжение цикла (наибольшее по алгебраической величине); amln — минимальное напряжение цикла (наименьшее по алгебраической величине); от— среднее напряжение цикла; аа — амплитуда напряжений цикла.

Параметры цикла напряжений связаны между собой следую­ щими зависимостями:

свойств материала и для различных материалов она может быть различной.

Для стальных образцов база испытания принимается равной N 0 = 107. Для образцов из алюминия (а также для некоторых дру­ гих материалов, кривые усталости которых не имеют горизонталь­ ного участка) она принимается равной 0 — 5 • ІО7. Такое

большое значение базы испытаний целесообразно принимать для деталей конструкций машиностроительного типа, которые в процессе работы могут подвергаться воздействию и значительно большего количества циклов переменной нагрузки.

Для металлических конструкций многих других отраслей промышленности и строительства в соответствии с условиями их эксплуатации количество циклов переменной нагрузки может быть значительно меньшим. Так, например, считают, что для корпусных судовых конструкций количество циклов переменной нагрузки за весь период службы не превышает N = 10°; для мостовых кон­ струкций N = 2- ІО6; такое же значение базы принято и для кра­ новых металлических конструкций.

Всвязи с этим для таких конструкций определяют ограничен­ ный предел выносливости при значительно меньшей базе. Обычно

вэтих случаях принята база N = 2- ІО6.

Взависимости от характеристики цикла г, представляющей собой отношение минимального значения напряжений amln от

вибрационной нагрузки и максимальному их значению ашах ( г =

, величина предела выносливости меняется. Это изме-

нение выражено графиком, приведенном на рис. 3.11, 6.

Для непосредственного применения в расчетах более удобными являются прямолинейные зависимости, в связи с чем линия вы­ носливости строится в логарифмических координатах (рис. 3.12, а). Диаграмма выносливости, построенная в координатах о и от с некоторым приближением, может быть принята прямолинейной. Она позволяет определять значение предела выносливости при различных характеристиках цикла (рис. 3.12, б).

Вибрационные испытания серии образцов обычно проводят в следующем порядке.

Для первого образца принимают напряжение, заведомо пре­ вышающее предел выносливости о 1 аг, и определяют число циклов N ІУ при котором произойдет его разрушение. Для второго образца напряжение принимают несколько меньшим о2 <-<г1 и также определяют число циклов N 2 при котором произойдет разрушение. Так поступают последовательно и с другими образ­ цами, для которых при меньших задаваемых значениях напряже­ ний будет, как правило, получаться соответственно большее значение числа циклов, выдержанных до разрушения. Степень снижения напряжений, задаваемых для отдельных образцов, сле­ дует выбирать с учетом получения возможно лучших условий для построения кривой выносливости в диапазоне изменения коор­ динат, определяемом базой испытания. При таком порядке испы­ таний необходимо добиться, чтобы один из последних образцов, испытанный при самом низком уровне напряжений, достиг задан­ ной базы испытания без разрушения. При этом в случае, если разность между значениями напряжений, принятыми для этого

образца и для ближайшего предыдущего образца, невелика (не выходит за установленные для этого пределы), то это значение напряжений может быть принято в качестве предела выносливости. Если же эта разность будет велика, то следует испытать еще один образец при напряжении, значение которого должно быть проме­ жуточным между напряжениями, принятыми для указанных двух предыдущих образцов. При этом разность между напряжениями для двух последних ступеней нагружения не должна превышать 5% от значения предела выносливости.

Для повышения степени достоверности результатов при напря­ жениях, находящихся на уровне предела выносливости, должно быть испытано не менее двух образцов.

Для образцов с концентраторами напряжений предел вынос­ ливости понижается. При этом его обозначение в отличие от пре­ дела выносливости гладкого образца аг принимается с дополни­ тельным индексом k и имеет вид агк.

Степень снижения предела выносливости при наличии кон­ центраторов напряжений характеризуется эффективным коэффи­ циентом концентрации напряжений ß, который определяется от­ ношением соответствующих пределов выносливости при симме­ тричном цикле (т. е. при характеристике цикла г = — 1):

На диаграмме выносливости линия пределов выносливости для образцов с концентратором напряжений располагается,

соответственно, ниже линии пределов выносливости гладких образ­ цов (рис. 3.12, в).

Диаграмма выносливости может быть с достаточной степенью точности построена по двум точкам. В качестве таких точек ис­ пользуются либо два значения предела выносливости, получен­ ные экспериментальным путем для двух различных значений характеристики цикла, либо только одно значение предела вы­ носливости, а в качестве второго значения используется предел прочности, который условно принимается в качестве предела вы­ носливости при характеристике цикла г = 1.

Последний способ построения применяется чаще потому, что он является более легким. Однако необходимо заметить, что верх­ няя точка диаграммы, определяемая значением Oj = ав, дей­ ствительного физического смысла не имеет. Она может быть использована только потому, что, упрощая само построение на участке действительной части диаграммы, дает достаточно близ­ кое совпадение с истинными значениями пределов выносливости.

§ 11. КОНЦЕНТРАЦИЯ НАПРЯЖЕНИЙ В СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ

Применение сварки открыло исключительно большие воз­ можности в создании новых форм соединений и узлов раздичных элементов конструкций. Многообразие конструктивных форм стало одной из наиболее характерных особенностей сварных кон­ струкций и способствует их дальнейшему совершенствованию.

Разнообразие качественных характеристик сварных соедине­ ний необходимо для более полного удовлетворения технических и экономических требований, определяющихся условиями изго­ товления и эксплуатации конструкций.

В сварных конструкциях в отличие от клепаных многообразие форм создает условия, при которых диапазон изменения коэффи­ циента концентрации напряжений в различных соединениях и узлах является весьма широким. При этом могут иметь место случаи, когда в зависимости от конструктивной формы сварные соединения по своему напряженному состоянию будут находиться в более благоприятных условиях, чем клепаные.

Такое положение характерно, в частности, для сварных соеди­ нений встык и впритык (при условии, если в последнем случае обеспечено полное проплавление по всей толщине присоединяе­ мого элемента). Однако могут быть также случаи применения в сварных конструкциях менее удачных форм.

Это относится к сварным соединениям внахлестку и к неко­ торым узлам, в которых имеет место резкое изменение формы. Напряженное состояние в таких сварных соединениях и узлах является менее благоприятным, чем в аналогичных клепаных кон­ струкциях, и характеризуется более высокими значениями коэф­ фициента концентрации напряжений.

стыкового шва. Поэтому термин «усиление шва», применяемый иногда для обозначения местного утолщения шва, является со­ вершенно неправильным. Это необходимо подчеркнуть не только для упорядочения терминологии, но главным образом, потому что этот неправильный термин часто приводит к совершенно не­ верным представлениям о прочности сварного стыкового соеди­ нения и к ошибочным рекомендациям по усилению стыковых швов их чрезмерным утолщением. Это вызывает не только излиш­ ние производственные затраты, но может увеличить концентра­ цию напряжений и осложнить условия работы сварных соедине-

Рис. 3.15. Изменение коэффициента концентрации напряжений стыкового сое­ динения: а — в зависимости от высоты усиления; б — в зависимости от радиуса перехода

ний. Поэтому для конструкций, воспринимающих вибрационные нагрузки, подобное «усиление» в действительности может привести

кзначительному снижению прочности.

Всоединениях клепаных конструкций концентрация напря­ жений является более значительной, чем в сварном стыковом соединении (рис. 3.14). Поданным, полученным экспериментально, коэффициент концентрации напряжений для соединений с двух­ срезными заклепками достигает значения

k = -Н™*-= 5. аСр

В сварном стыковом соединении концентрация напряжений может быть значительно снижена или даже полностью устранена.

Результаты специальных исследований показали, что кон­ центрация напряжений в стыковом соединении зависит от формы шва, главным образом от формы поверхности участков перехода от шва к основному металлу. На рис. 3.15 приведены зависимости коэффициента концентрации напряжений от высоты выступа шва и от радиуса перехода. Уменьшение местных утолщений шва и обеспечение плавных переходов от шва к основному металлу яв­ ляются эффективными средствами снижения концентрации напря­ жений в стыковом соединении. Эти средства являются вполне до-

Подобные условия были созданы при испытании образца с крес­ товыми соединениями (рис. 3.17).

Такие типы соединения характерны для сопряжений пере­ секающихся плоских элементов, расположенных в различных плоскостях. Примеры применения подобных соединений в реаль­ ных конструкциях встречаются довольно часто.

в) Ks

Рис. 3.17. Распределение напряжений в крестовых соеди­

Условия работы среднего участка центральной пластины кре­ стового образца являются весьма сложными. Этот участок харак­ теризуется значительной концентрацией напряжений. Наиболь­ шие напряжения имеют место в точках, расположенных у концов примыкающих ребер. Коэффициент концентрации напряжений зависит от расстояния между концами ребер (размер а на рис. 3.17, а). При большом расстоянии между ребрами поля кон­ центрации напряжений, создаваемые по концам крепления ребер, не оказывают влияния друг на друга. При сближении ребер (при уменьшении размера а) происходит взаимное наложение полей концентрации напряжений и в связи с этим коэффициент концен­ трации возрастает. Об этом можно судить по графикам на 3.17, б, построенным на основании расчета.

«Для снижения концентрации напряжений подобных соедине­ ний необходимо увеличивать расстояния между прикрепляемыми концевыми ребрами (расстояние а на рис. 3.17, а) и, кроме того, обеспечивать более плавное изменение формы постепенным умень­ шением ширины концевых ребер и применением дополнительной механической обработки, как это показано на рис. 3.18. При вы­

полнении указанных рекомендаций подобные соединения могут применяться в ответственных сварных конструкциях.

Изучение условий распределения напряжений в различных сварных соединениях способствует более всесторонней оценке условий их работы и позволяет наметить пути для выбора более совершенных форм сварных узлов.

Рис. 3.18. Обработка концов прикрепляемых элементов, рекомендуемая для снижения концентрации напряжений

Первоначальные условия распределения напряжений в про­ цессе эксплуатации конструкций могут изменяться из-за появле­ ния местных пластических деформаций в районе наибольшей кон­ центрации напряжений. В связи с этим в дополнение к данным о первоначальных условиях распределения напряжений необхо­ димо располагать еще характеристиками прочности сварных соеди­ нений при различных видах нагружения.§

§ 12. ПРОЧНОСТЬ И ВЫНОСЛИВОСТЬ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Оценка прочности сварных конструкций. Условности, принятые при определении механических характеристик, затрудняют вопрос непосредственной оценки прочности элементов реальных конструк­ ций, в том числе и сварных соединений, только по результатам испытания стандартных образцов.

Механические характеристики, полученные указанным спо­ собом, определяют свойства только самого металла.

Условия работы сварных соединений, для которых характерно наличие различных зон неоднородного металла (основного ме­ талла, металла шва и зоны влияния), а также возможно наличие различных изменений формы, могут существенно отличаться от условий испытания стандартных образцов. Поэтому для оценки прочности сварных соединений необходимо знать не только меха­ нические характеристики металла различных зон, но также рас­ полагать данными, полученными на основании соответствующих испытаний самих сварных соединений.