книги / Прочность сварных соединений при переменных нагрузках
..pdfрезультаты испытаний 350 образцов, толщина которых изменялась от 1 до 26 мм, а глубина непровара — от 0,7 до 14 мм. Основное предположение о причине столь значительного рассеяния сводилось к тому, что наблюдаемая не стабильность, вероятнее всего, связана с различной остротой непровар. Однако в свете наблюдаемого рассеяния данных важно оценить не только роль геометри ческих факторов, но и влияние поля остаточных напряжений, в котором рас полагается непровар.
Влияпие геометрических размеров не проваров (длины и глубины) изучалось па образцах сечением 26 X 160 мм из ста ли 09Г2С со стыковыми швами и высоки ми остаточными напряжениями. Непро вары располагались посередине высоты стыкового шва и имели в образцах раз
личных |
серий |
размеры 4 X 25, |
8 X |
X 25, 8 |
X 80, |
8 X 160 и 2 X 160 |
мм. |
Непровары длиной менее ширины об разца размещались в средней части шва. Опыты проводились при осевом нагру жении и отнулевом цикле напряжений. Испытания заканчивались после выхо да усталостной трещины на поверхность образца. При таком критерии заверше ния испытаний в стыках, имевших вы соту непровара 8 мм и протяженность дефекта 160, 80 и 25 мм, площади, занятые трещиной, составляли соот ветственно 2000, 1000 и 300 мм3 с неко торыми отклонениями в отдельных об разцах. Тем не менее результаты ис пытаний образцов этих серий были примерно одинаковыми и размещались в одной и той же области рассеяния (рис. 65, а). Отсюда можно сделать вы вод, что длина дефекта не оказывает существенного влияния на долговеч ность стыкового соединения. Согласно линейной механике разрушения изме нение глубины непровара должно ска зываться в большей степени, чем изме нение его длины [300, 372]. Сопоставле ние результатов образцов с дефектами 4 X 25 и 8 X 25 мм (рис. 65, б), а также 2 X 160 и 8 X 160 мм (рис. 65, в) под тверждает это положение. В то же вре мя с понижением рабочих напряжений
Рис. 65. Влияние длины (а) и глубины (б и в) непроваров на сопротивление усталости сты кового соединения:
1 — зона рассеяния результатов |
испытания |
образ |
||
цов с непроварами 8 X 160 (I); |
8 X 80 (II) |
и 8 X |
||
X 25 мм (III); 2 и з — стыки с непроварами соот |
||||
ветственно 4 X 25 и 8 X 25 мм; 4 |
и 5 — стыки с не |
|||
проварами |
соответственно 2 X 160 и 8 X |
160 мм. |
||
влияние |
глубины непровара |
заметно |
уменьшается, и в области больших значений числа циклов перемен напря жений этим влиянием также можно пре небречь.
Причину выравнивания пределов вы носливости следует искать в проявле нии действия остаточных напряжений. При их отсутствии в образцах кривые усталости 2 и 4 на рис. 65 расположи лись бы параллельно кривым 3 и 5, но поскольку образцы в месте дефекта имели высокие остаточные напряже ния (примерно одинаковой величины), их влияние при низких рабочих напря жениях становилось преобладающим, что и определило сходимость соответ ствующих кривых усталости в области
Рис. 66. Кривые усталости образцов с не проварами, расположенными в поле:
1 — сжимающих остаточных напряжений; 2 и 3 —• растягивающих остаточных напряжений, равных соответственно 80 и 200 МПа.
■больших значений долговечности. В то же время аналогичные образцы с раз личной остаточной напряженностью в месте дефекта могли бы показать и дру гие соотношения долговечностей и пре делов выносливости. Именно в этом на до искать основную причину чрезмер ного рассеяния результатов испытаний,
окотором упоминалось выше.
Впоследующих опытах [281] испыты вались такие же образцы с непроварами 5 X 40 и 6 X 60 мм, которые распола гались в зоне высоких растягивающих (примерно 200 МПа), сжимающих (80— 110 МПа) и низких растягивающих {20—80 МПа) остаточных напряжений.
Результаты оказались различными (рис. 66). Наибольшую выносливость имели стыки с непроварами на участ ках сжимающих остаточных напряже ний. Предел выносливости этих образ цов на базе 2 млн циклов составил 108 МПа. Наиболее низкая долговеч ность была у образцов, в которых учас ток с непроваром в средней части шва •заваривался в последнюю очередь, что вызывало наиболее высокие растяги вающие остаточные напряжения в мес те дефекта. Предел выносливости таких •образцов составлял только 52 МПа. Промежуточную выносливость имели образцы с растягивающими остаточны ми напряжениями меньшей величины.
Рассматривая непровар как трещино подобный дефект, к оценкам выносли вости дефектных стыков привлекали под
ходы и критерии механики разрушения. При этом исходили из того, что долго вечность соединения может быть опре делена расчетным путем, если известны размер дефекта, толщина материала, ве личина рабочих напряжений [372], а также величина и характер распределе ния остаточных напряжений [10, 157]. Вопросы применения критериев меха ники разрушения для оценки цикличе ской трещиностойкости сварных со единений с трещиноподобными дефек тами и высокими остаточными напря жениями растяжения более подробно рассмотрены в пятой главе.
Смещение кромок в стыковых соеди нениях. Смещение кромок в стыковых соединениях является распространен ным дефектом, оказывающим заметное влияние на несущую способность свар ных конструкций. При осевом растяже нии оно приводит к появлению изги бающего момента от эксцентричного приложения усилия, что вызывает по вышение напряжений в зоне сопряже ния основного металла с металлом шва. Дополнительное повышение напряже ний в зоне сопряжения имеет место так же из-за увеличения теоретического коэффициента концентрации формы шва, обусловленного смещением кро-' мок. Величина напряжений в зоне со пряжения может быть подсчитана по формуле [144] а = опК, где аи — номи нальное значение напряжений, опреде ляемое по сечению основного металла от действующего цикла; К — теоретиче ский коэффициент концентрации свар ного стыкового соединения со смеще нием кромок, К = й’фЛТс (/Сь — теоре тический коэффициент концентрации формы стыкового шва, принимающий значения 2,1—2,7 в зависимости от па раметров шва; К с — теоретический ко эффициент концентрации стыкового шва, зависящий только от величины смещения кромок, К с = 1 + ЗА; А — относительное смещение кромок — ве личина смещения, отнесенная к толщи не листа).
Степень влияния смещения кромок на прочность стыковых соединений зави-
сит главным образом от характера дей |
тами, полученными в ИЭС им. Е. О. Па- |
||||||||||||||||
ствующих нагрузок, а также от чувст |
тона АН УССР. Несмотря на то что дан |
||||||||||||||||
вительности металла шва к концентра |
ные МИС относятся к образцам с по |
||||||||||||||||
ции напряжений. При переменных на |
ристостью до 3 %, а данные ИЭС — к |
||||||||||||||||
грузках |
смещение |
кромок |
стыкового |
образцам с пористостью до 1 %, на |
|||||||||||||
соединения |
оказывает |
существенное |
блюдается заметное отличие в их вза |
||||||||||||||
влияние на предел выносливости, при |
имном расположении. |
Результаты ис |
|||||||||||||||
чем степень снижения зависит от тех |
пытаний образцов без остаточных на |
||||||||||||||||
нологии |
сварки, |
|
величины |
смещения, |
пряжений расположены в зоне И, об |
||||||||||||
прочности стали, толщины свариваемых |
разцов с высокими остаточными растя |
||||||||||||||||
элементов |
и др. |
Экспериментальные |
гивающими напряжениями — в зоне \У, |
||||||||||||||
значения пределов выносливости стыко |
которая отвечает более низкому классу |
||||||||||||||||
вых соединений (растяжение, Яа = 0,1, |
качества изготовления конструкции. На |
||||||||||||||||
N = 2 |
106 циклов) с различной вели |
это указывают и другие результаты |
|||||||||||||||
чиной |
смещения |
|
кромок |
показывают, |
испытаний образцов со стыковыми шва |
||||||||||||
что при относительном смещении кро |
ми и продольными наплавками с по |
||||||||||||||||
мок |
0,1—0,2 |
|
предел |
выносливости |
ристостью, |
составляющей |
примерно |
||||||||||
уменьшается на 10—35 % [196]. |
8 %. Все это дает основание полагать, |
||||||||||||||||
Для оценки влияния смещения кро |
что при |
|
равной пористости |
для |
соеди |
||||||||||||
мок предложена приближенная зависи |
нений |
с |
высокими |
растягивающими |
|||||||||||||
мость, позволяющая с ошибкой 10— |
остаточными |
напряжениями должны |
|||||||||||||||
15 % определять предел усталости сты |
приниматься зоны качества на один |
||||||||||||||||
ковых соединений со смещением кромок |
уровень ниже тех, которые рекомендует |
||||||||||||||||
различных материалов для толщин 4— |
МИС. Аналогично обстоит дело со свар |
||||||||||||||||
30 мм [144], |
|
|
|
|
|
|
ными соединениями, имеющими непро |
||||||||||
|
|
|
стде/стл = 1/Кс, |
|
(3.11) |
вары или подрезы. |
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
По-видимому, более обоснованно до |
|||||||||||||
|
|
вп — пределы усталости соот |
|||||||||||||||
где о>яс, |
пустимость дефектов в сварных соеди |
||||||||||||||||
ветственно со смещением и без смеще |
нениях оценивать по диаграммам пре |
||||||||||||||||
ния кромок. |
|
|
|
|
|
|
дельных |
напряжений. |
Эксперимен |
||||||||
Если |
сварная |
|
конструкция |
кроме |
тально установленных значений преде |
||||||||||||
стыковых содержит соединения других |
лов выносливости соединений с порами, |
||||||||||||||||
типов, то нормирование смещения кро |
подрезами и непроварами, которые при |
||||||||||||||||
мок в стыковых соединениях по формуле |
ведены выше и характеризуют отнуле- |
||||||||||||||||
(3.11) |
должно основываться на значении |
вой цикл напряжений, достаточно для |
|||||||||||||||
предела выносливости того типа сое |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
динения, который имеет самый высокий |
Рпс. 67. |
Сопоставление |
результатов испыта |
||||||||||||||
уровень |
концентрации |
напряжений |
|||||||||||||||
|
|
ний швов с норами: |
|
||||||||||||||
(т. е. на минимальном значении предела |
1— 4 — данные |
МИС образцов с |
пористостью до |
||||||||||||||
выносливости из возможных). В кон |
3 %; 5 — данные ИЭС им. Е. О. Патона |
АН УССР |
|||||||||||||||
для образцов с |
высокими |
остаточными |
напряже |
||||||||||||||
струкциях только со стыковыми сое |
|
|
ниями и пористостью по 1 %. |
|
|||||||||||||
динениями |
для |
|
нормирования |
смеще |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
ния кромок должно задаваться допусти |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
мое |
рассеяние |
предела |
выносливости |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
соединения |
без |
|
смещения. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Оценка допустимости дефектов. При |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
веденные выше величины пределов вы |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
носливости |
рекомендуются |
в |
качестве |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
исходных |
для |
определения |
предельно |
|
|
|
|
|
|
|
допустимых напряжений. Применитель но к пористым соединениям на рис. 67 сопоставлены данные МИС с результа
Рис. 68. Диаграммы предельных напряжений сварных соединений в зонах высоких растя гивающих остаточных напряжений:
1 |
и |
1 ' |
— дефектов нет |
(стыковой шов стали |
09Г2С); |
|||
2 |
и |
2 ' |
— поры |
в стыковых |
или угловых швах; 3 |
|||
и 3 ' |
— подрезы |
стыковых швов глубиной 2—3,5 мм; |
||||||
4 |
и |
4 ' — непровары; |
5 и |
6 — основные |
расчет |
|||
ные |
сопротивления соответственно |
малоуглеродис |
||||||
|
|
|
тых и |
низколегированных |
сталей. |
|
построения таких диаграмм. Действи тельно, в первом приближении можно воспользоваться параллельностью ли ний предельных напряжений, которая имеет место для соединений с высокими остаточными напряжениями и подтвер ждается результатами испытаний об разцов с подрезами при различной асимметрии цикла [281]. Ограничи ваясь установленными значениями пре делов выносливости при Я0 = 0 и при нимая угол наклона линий предельных напряжений, составляющий 45° с осью абсцисс, строили диаграммы предель ных напряжений для стыков с непро варом, пористых швов и соединений с
подрезами при расположении этих де фектов в зонах высоких растягивающих остаточных напряжений, представлен ные на рис. 68. Для сопоставления здесь же нанесена диаграмма стыков без дефектов. Как и следовало ожидать, наиболее низкой выносливостью обла дают стыки с непроварами. По сравне нию со стыками без дефектов пределы выносливости стыков с непроварами снижены в 3 раза. При симметричном цикле напряжений предел выносливости равен только 25 МПа. Поэтому непро вары не должны допускаться в элемен тах и соединениях, испытывающих пе ременные напряжения.
Диаграмма предельных напряжений стыковых соединений с подрезами глу биной 2—3,5 мм в зонах высоких рас тягивающих остаточных напряжений по казывает, что предел выносливости таких соединений при Ва = —1 принимает зна чение 41 МПа. Аналогично могут быть построены диаграммы предельных напряжений для других типов сварных соединений швы которых содержат подре зы. Эти диаграммы и рекомендуется ис пользовать при оценке допустимости подрезов в швах.
Сопоставив диаграмму предельных на пряжений пористого шва с диаграммой предельных напряжений бездефектных соединений, можно заключить, что для тех соединений, диаграммы которых расположены выше линии выносливости пористого шва, поры опасны (па участ ках высоких растягивающих остаточ ных напряжений), а для соединений, диаграммы которых находятся ниже этой линии, они не опасны, так как не снижают долговечности соединения. Представляется, что такой подход к оценке выносливости пористых соеди нений и их допустимости в сварных конструкциях наиболее обоснован.
Г Л А В А Ч Е Т В Е Р Т А Я
ПРОЧНОСТЬ И ДОЛГОВЕЧНОСТЬ СОЕДИНЕНИЙ В МАЛОЦИКЛОВОЙ ОБЛАСТИ
Ряд конструкций и машин авиацион |
маций вблизи сварных швов с учетом |
ной, металлургической, нефтехимиче |
конструктивно-технологических особен |
ской, судостроительной, энергетической |
ностей их выполнения. Вместе с тем |
идругих отраслей промышленности первостепенное значение в малоцикло
воспринимает циклические нагрузки, заметно превышающие пределы вынос ливости соединений соответствующих видов. Число перемен напряжений за весь срок службы таких конструкций составляет 104—Ю5 циклов, отвечая малоцикловой области нагружения. Прочность и долговечность материалов и элементов конструкций в условиях малоциклового нагружения наиболее интенсивно исследуются в последние десятилетия. Основные результаты ра бот этого направления обобщены в ряде статей, сборников, монографий [65, 66, 153, 159, 161, 164, 194, 198, 200, 201, 231, 239, 286, 386]. Некоторые вопросы деформирования и разрушения сварных соединений при малых числах циклов нагружения рассмотрены в работах [69, 105, 135, 149, 226, 354, 368, 389 и др.]. Основная особенность малоциклового нагружения состоит в упруго-пластиче ском характере развития местных, а в ряде случаев и номинальных напряже ний и деформаций. Это вызывает необ ходимость изучения статических и ци клических свойств применяемых мате риалов при напряжениях, превышаю щих пределы текучести, и режимах нагружения, отвечающих различным ус ловиям изменения напряженно-дефо].» мированного состояния. В связи с воз растанием роли неоднородности механи ческих свойств при высоких уровнях нагружения важное значение приобре тают исследования, направленные на изучение упруго-пластических дефор
вой области сохраняют результаты изу чения долговечности реальных соеди нений, позволяющие наиболее полно и комплексно оценить роль специфиче ских для сварки факторов. По этой при чине анализ прочности и долговечности соединений при малоцикловом нагруже нии целесообразно начать с рассмотре ния результатов испытаний образцов в исходном после сварки состоянии.
1.КВАЗИСТАТИЧЕСКИЕ
ИУСТАЛОСТНЫЕ РАЗРУШЕНИЯ
Исследования показали, что верхние части кривых усталости, описывающие несущую способность соединений в об ласти малых долговечностей, состоят из двух участков, соответствующих раз личным механизмам разрушения: квазистатическому и усталостному [198, 200, 201, 231]. Первый из них происхо дит при напряжениях, близких к преде лу прочности материала, и сопровожда ется пластическим деформированием всего сечения с поцикловым накопле нием деформаций и образованием шейки подобно разрушению при однократном, приложении нагрузки. Усталостный ха рактер разрушения имеет место при бо лее низких уровнях нагружепия. Длянего характерно формирование и после дующее развитие в зонах конструктив ной концентрации напряжений и дефор маций трещин усталостного происхож дения вследствие преимущественного» протекания в них процессов цикличе-
Рис. 69. Сопротивление сварных соединений
.низкоуглеродистой стали М16С квазпстатп- •ческим (7) и усталостным (2) разрушениям
(До = О:
I — разрушение по основному металлу; I I — сты ковое соединение; I I I — тавровое соединение; IV, 'V — соответственно нахлесточное двух- и односто роннее соединение.
Рис. 70. Сопротивление соединений стали
.20ХГСА квазистатическим (7) и усталостным
(2) разрушениям:
I — тавровое соединение; |
I I — стыковое |
соедине- |
||
.яие |
со |
смещением кромок; |
I I I — тавровое |
соедине |
ние |
с |
угловатостью; I V — крестообразное |
соедине |
|
|
|
ние. |
|
|
ского упруго-пластического деформи рования.
Квазистатическая область. Выпол ненные экспериментальные исследова ния выявили специфику смены механиз ма разрушения сварных соединений 156, 139, 282]. В отличие от гладких образцов и иесварных элементов кон струкций переход от квазистатических разрушений к усталостным в соедине ниях сопровождается сменой зоны их локализации (рис. 69, 70). Квазистатические разрушения соединений низко-
.углеродистой стали и М16С, выполнен ных вручную электродами УОНИ 13/45, происходили вдали от шва на ос новном металле. Данная особенность разрушения в квазистатической обла
сти характерна для соединений различ ных видов, включая стыковое, тавровое, нахлесточное двух- и одностороннее. Следовательно, ответственным за не сущую способность соединений в диа пазоне квазистатических разрушений является основной металл (см. рис. 69). Наблюдаемые в пределах ЗТВ низколе гированных сталей средней и повышен ной прочности небольшие по протяжен ности разупрочнепные участки не сни жают разрушающих напряжений сое динений вследствие эффектов контакт ного упрочнения. По этой причте статические и квазистатические разру шения соединений сталей данных клас сов также происходят по ОМ (см. рис. 70).
Локализация квазистатических раз рушений в ОМ фактически означает, что в рассматриваемой области нагруже ния механические свойства последнего оказывают определяющее влияние на несущую способность соединений в це лом. Данный вывод справедлив при обеспечении статической равиопрочиости соединений. В противном случае ло кализация квазистатических разруше ний и несущая способность соединений в рассматриваемой области будут опре деляться характеристиками наименее статически прочной из зон. Обычно это имеет место в соединениях с нагружен ными угловыми швами, размеры кате тов у которых занижены (рис. 71). При этом соединения могут разрушаться сре-
Рис. 71. Квазистатпческпе (/) и усталостные (ТУ) разрушения тавровых (7) и крестообраз ных (2) соединений высокопрочной стали 12ХГН2МФДРА ( Я а = 0).
ЬУПа
зом по телу шва или его подошве, как, например, в случае крестообразных со единений стали 12ХГЫ2МФДРА, сва ренных вручную электродами Э-85 (см. рис. 71). Недостаточные размеры швов привели к соответствующему по нижению разрушающих напряжений во всем диапазоне квазистатических раз рушений. В целом место локализации разрушений и уровень несущей способ ности соединений в квазистатической области надежно оцениваются по ре зультатам статических испытаний, ко торые в этом смысле могут служить кри териальными характеристиками.
По числу циклов область квазистати ческих разрушений является достаточ но протяженной, охватывая в зависи мости от вида соединения, уровня проч ности стали, асимметрии нагружения 102—104 перемен напряжений (см. рис. 69). Результаты испытаний, отно сящиеся к данной области, надежно опи сываются степенным уравнением
(ТтахЛГ< = С* |
(4.1) |
где атах — максимальное напряжение;
Ша — показатель степени; Са — посто янная, численно равная разрушающе му напряжению при однократном при
ложении нагрузки. |
Отсюда С% = |
сгв, |
где ав — временное |
сопротивление |
со |
единения. Тогда выражение (4.1) пре образуется к виду
е^пахА а = Од |
(4.2) |
или |
|
К = (<Яотах)1/т°. |
(4.3) |
Единственным неопределенным пара метром в уравнении (4.3) остается пока затель степени Статистическая об работка результатов испытаний позво лила получить уравнение регрессии, устанавливающее зависимость данного параметра от механических свойств ста ли, определяемых отношением ат/ов (рис. 72). Для отнулевого цикла на гружения
= 02042 (1 — ах/ств). |
(4.4) |
Коэффициент корреляции в данном слу чае составляет 0,925.
Из уравнения (4.4) следует, что с по вышением механических свойств стали и соответствующем увеличении отноше
ния сгт/огв показатель степени т2 умень шается, отражая тенденцию к сужению по напряжениям квазистатической об ласти нагружения.
Усталостная область. Переход от ква зистатических к усталостным разруше ниям на кривой усталости прослежи вается достаточно четко в связи с со провождающим смену зоны локализа ции разрушения резким изменением угла наклона (см. рис. 69). Если квазистатический участок пологий, то для усталостного характерно заметное уве личение крутизны, свидетельствующее о существенном возрастании темпа сни жения несущей способности соедине ний в данной области нагружения.
Каждому виду соединения соответ ствует свой наклонный участок кривой усталости. Переход от стыковых к нахлесточным соединениям сопровожда ется смещением данного участка кри вой усталости в сторону меньших дол говечностей. Это приводит к сужению по напряжениям и числу циклов квазистатического участка кривой уста лости.
Основным фактором, определяющим положение верхней точки перелома кри вой усталости и всего ее крутопадаю щего участка, является уровень кон центрации напряжений и деформаций. Более высокие значения коэффициента
Рис. 72. Зависимость показателя степени т* от уровня прочности стали при отнулевом на гружении (т* = 0,042 (1 — оТ/ов)).
концентрации напряжений, характер ные для нахлесточных и крестообраз ных соединений с неполным проплавле нием, обусловливают наиболее низкие их долговечности в диапазоне усталост ных разрушений (см. рис. 69, 70).
Поскольку верхний перелом кривых усталости наблюдается при номиналь ных напряжениях, превышающих пре делы текучести материалов, усталост ные участки располагаются как ниже, так и выше их значений. В последнем случае усталостный механизм разрушепия протекает на фоне развитых упру го-пластических деформаций всего се чения сварного соединения. Для со единений низкоуглеродистых сталей точ ка перелома кривой усталости превы шает предел текучести не менее чем на 100 МПа. С повышением механических свойств сталей эта величина заметно уменьшается (см. рис. 70).
Экспериментальные результаты, от носящиеся к усталостному участку кри вой ограниченной долговечности, в пре делах которого происходит наиболее резкое снижение несущей способности соединений, достаточно надежно опи
сываются степенным уравнением, ана логичным по структуре соотношению (4.1),
ОтяхНт'° = С1, |
(4.5) |
где то — показатель степени; СI — по стоянная.
Наиболее важное значение имеет по
казатель степени то, определяющий темп снижения сопротивления устало стным разрушениям с ростом числа Лг. В ряде работ, посвященных расчету сварных соединений на усталость, при нимается независимость угла наклона усталостного участка от уровня проч ности стали [338, 347, 357, 362]. Извест но и противоположное суждение, когда наклон кривой усталости для сталей различных классов прочности прини мается неодинаковым [198]. Для выяс нения этого вопроса применительно к соединениям сталей различных классов прочности со стыковыми и угловыми швами проведен статистический анализ результатов усталостных испытаний. Рассматривались результаты опытов на сварных образцах небольших размеров,
Т а б л и ц а 2 6 . Зависимость показателя степени т * |
от механических свойств стали |
|||||
для соединении |
различных видов |
|
|
|
||
|
Асиммет |
|
|
|
Коэффи |
Объем |
Соединение |
рия на |
|
< |
|
циент |
выборки |
гружения |
|
|
корреля |
(серий |
||
|
л о |
|
|
|
ции |
опытов) |
|
|
|
|
г (05 %) |
||
|
|
|
|
|
|
|
Стыковое |
0 |
0,15 |
+ |
о,09 |
0,64 |
58 |
|
|
|
ив |
|
|
|
|
—1 |
0,23 |
+ |
0,01 |
0,57 |
23 |
|
|
|
а в |
|
|
|
Тавровое и крестообразное с полным проваром |
0 |
0,22 |
+ |
0,05 |
0,70 |
52 |
|
|
|
ив |
|
|
|
|
- 1 |
0,27 |
+ |
0,11 |
0,74 |
14 |
|
|
|
ив |
|
|
|
Нахлесточпое п крестообразное |
0 |
0,19 |
- ^ + 0 ,0 7 |
0,64 |
37 |
|
|
|
|
ив |
|
|
|
|
—1 |
0,22 |
+ |
0,08 |
0,62 |
18 |
|
|
|
° В |
|
|
|
Соединения всех видов |
— |
0,18 — - + 0,07 |
0,61 |
140 |
Рис. 73. Довери тельные области уравнения регрес-
сии т% = / (о^/ав)
для стыковых сое динений (а) (Яа =
= 0) и соединений различных видов (б)
(т%= 0,18ат/ав + + 0,07).
0,25
Р-90% 93.%
020
№
0,5 0,6 0,7 0,0
О
остаточные напряжения в которых были низки. Для соединений всех видов уста новлено наличие тесной статистической связи между показателем степени т? и
механическими свойствами стали. Члены регрессионных уравнений для
отнулевого цикла нагружения приве дены в табл. 26.
Коэффициент корреляции для мас сивов экспериментальных данных, по лученных различными исследователя ми применительно к соединениям раз личных видов, составляет не ниже 0,60. При обработке опытных данных, полученных в условиях одной лабора тории, коэффициент корреляции повы шается до 0,88—0,90.
Заметное рассеяние опытных данных привело к необходимости статистиче ской оценки зависимостей табл. 26. С этой целью на основе решения Бартлера с использованием квантилей I- распределения Стыодента для получен ных регрессионных уравнений постро ены доверительные области, в пределах которых с заданной вероятностью рас положены линии регрессии. В качестве уровпей значимости принимались 90 и 99 %-ные доверительные вероятно сти (рис. 73, а).
Регрессионные уравнения, устанав ливающие зависимость показателя сте пени тпЦ, от механических свойств стали, для соединений различных видов близ ки между собой (см. табл. 27). Провер ка значимости различий остаточных дисперсий и коэффициентов уравнений [294] показала, что регрессионные урав
0,9 |
1 0,5 |
0,6 |
0,7 |
0,6 |
0,9 <5т/6 9 |
6
нения описывают результаты, относящи* еся к одной генеральной совокупности. На основе сделанного вывода полу чена обобщающая зависимость коэф фициента наклона усталостного участ ка кривой о — N от механических свойств стали для соединений рассмот ренных видов (см. табл. 27). Довери тельные области данного уравнения изображены на рис. 73, 6.
Повышение показателя степени то* свидетельствует об увеличении крутиз ны усталостного участка кривой с ро стом механических свойств стали. На глядно это прослеживается на рис. 74, где представлены результаты испыта ний в рассматриваемой области нагру жения стыковых соединений сталей раз личных классов прочности. Наиболее
Рпс. 74. Сопротивление квазистатпческпм и усталостным разрушениям стыковых соеди нении сталей различных классов прочности
(Да = °):
1 — сталь М16С; 2 — сталь 14Г2АФу; 3 — сталь 13ХГМФ; 4 — сталь 07ХЗГНМЮА.
полно |
|
преимущества |
высокопрочных |
талости |
стыковых |
соединений |
стали |
||||||||||||||||
сталей |
реализуются |
|
на |
начальных |
15Г2АФДпс, |
отвечающие |
различной |
||||||||||||||||
участках кривых усталости в диапазо |
асимметрии цикла напряжения. Образцы |
||||||||||||||||||||||
не квазистатических |
и |
малоцикловых |
вырезались из общей сварной заготов |
||||||||||||||||||||
усталостных |
разрушений. При |
обеспе |
ки, |
что |
обеспечивало |
|
идентичность |
||||||||||||||||
чении |
статической |
равнопрочности со |
условий их изготовления. Сварка осуще |
||||||||||||||||||||
единений эти преимущества пропорцио |
ствлялась вручную электродами У ОНИ |
||||||||||||||||||||||
нальны |
разнице |
механических свойств |
13/55. |
|
Асимметрия |
нагружения |
изме |
||||||||||||||||
свариваемых |
сталей. |
С увеличением |
няет |
угол |
наклона |
квазистатического |
|||||||||||||||||
базы испытаний кривые усталости со |
и приводит к смещению усталостного |
||||||||||||||||||||||
единений |
сталей |
|
различных |
классов |
участка кривой ограниченной долговеч |
||||||||||||||||||
прочности |
|
постепенно |
|
сближаются |
ности. С переходом к циклам с преиму |
||||||||||||||||||
вследствие |
отмеченной |
выше |
тенден |
щественно |
положительными |
напряже |
|||||||||||||||||
ции изменения показателя |
степени |
ниями |
смещение усталостного |
участка |
|||||||||||||||||||
Это свидетельствует о постепенном ни |
происходит в сторону больших долго |
||||||||||||||||||||||
велировании |
преимуществ |
высокопроч |
вечностей |
и |
сопровождается |
соответ |
|||||||||||||||||
ных сталей с переходом |
в область мно |
ствующим |
уменьшением |
угла |
наклона |
||||||||||||||||||
гоциклового |
нагружения. |
|
|
квазистатического участка (см. рис. 75). |
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Получение |
результатов |
исследова |
||||||||||
|
2. РОЛЬ ОСНОВНЫХ ФАКТОРОВ |
ний при высоких уровнях нагружения в |
|||||||||||||||||||||
|
условиях растяжения — сжатия с коэф |
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
Возможное |
влияние |
отдельных фак |
фициентом |
асимметрии |
К0 ^ |
—0,5 |
за |
||||||||||||||||
торов в малоцикловой области отража |
труднено в связи с потерей продольной |
||||||||||||||||||||||
ется в изменении квазистатического и |
устойчивости образцов. В связи с этим |
||||||||||||||||||||||
усталостного |
участков |
кривой |
ограни |
испытания стыковых, тавровых и на- |
|||||||||||||||||||
ченной |
долговечности. |
Соответственно |
хлесточных соединений |
|
стали |
СтЗГпс, |
|||||||||||||||||
изменяются |
и параметры |
уравнений, |
выполненных |
ручной |
сваркой электро |
||||||||||||||||||
описывающих названные участки кривой |
дами УОНИ 13/45, при различной асим |
||||||||||||||||||||||
усталости. Наибольшее влияние на ма |
метрии |
|
нагружения |
проводились |
в |
||||||||||||||||||
лоцикловую долговечность |
соединений |
условиях |
поперечного |
изгиба. |
|
Расчет |
|||||||||||||||||
оказывают |
асимметрия |
цикла |
напря |
напряжений в наружных волокнах свар |
|||||||||||||||||||
жения, |
способ сварки, |
конфигурация |
ных образцов осуществлялся на осно |
||||||||||||||||||||
швов, остаточные напряжения. |
|
ве модифицированного уравнения Кар |
|||||||||||||||||||||
Асимметрия нагружения. |
С |
измене |
мана — Надаи |
[171] |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
нием |
асимметрии |
|
напряжений |
общий |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
вид кривой усталости в области малых |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
IV, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
долговечностей сохраняется. На рис. 75 |
где |
|
— момент сопротивления |
изги |
|||||||||||||||||||
представлены кривые малоцикловой ус- |
|
||||||||||||||||||||||
Рис. 75. Кривые малоцикловой усталости |
бу; МИ— изгибающий момент; / — про |
||||||||||||||||||||||
гиб образца; |
— производная |
из |
|||||||||||||||||||||
стыковых соединений стали 15Г2АФДпс при |
гибающего |
момента |
по |
прогибу |
об |
||||||||||||||||||
различных |
характеристиках |
цикла нагруже |
разца , |
|
устанавливаемая |
эксперимен |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
ния: |
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
тально. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
1 — п 0 |
= |
+ |
0,5; |
2 — |
Н а = |
0; |
3 — |
Е а |
= —0,5. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Ътал'Шо |
|
|
|
|
|
|
|
|
В связи со спецификой нагружения |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
образцов в условиях поперечного из |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
гиба удается получить усталостные раз |
||||||||||||
500 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
рушения |
при |
папряжениях, |
соответ |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ствующих |
квазистатической |
области |
|||||||||||
|
|
|
|
|
1 ' |
|
|
|
|
||||||||||||||
тлл |
|
|
|
|
2 |
' |
|
ь |
|
нагружения (рис. 76). |
Результаты |
ус- |
|||||||||||
•ЯП |
|
|
|
|
3 |
' |
|
|
лостных |
|
испытаний |
соединепий |
раз |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
100 |
|
|
Ю1 -№г |
Ю* |
1Р |
|
личных видов при симметричном из |
||||||||||||||||
Ю1 10е |
Ю* Ццшиш |
гибе совмещены на рис. |
|
76 с данными, |