книги / Прочность сварных соединений при переменных нагрузках
..pdfРис. 94. Поле интенсивностей деформаций стыкового соединения стали М16С, о = = 284 МПа.
ел,х
Рис. 95. Развитие деформаций в нахлесточных соединениях низкоуглеродистых сталей М16С (.1) и СтЗГдс (2).
пластической области развитие дефор маций у выпуклости шва запаздывает по сравнению с ОМ.
Отмеченные закономерности дефор мирования наглядно иллюстрируются характером поля деформаций стыкового соединения стали М16С (рис. 94). От четливо виден более высокий уровень интенсивностей деформаций в ОМ по
сравнению с их значениями у выпук лости шва и в ЗТВ. При этом поле де формаций имеет характерную седловидность с явно выраженной впадиной в ЗТВ и последующим плавным сниже нием до уровня деформированного со стояния МШ.
В тавровых и нахлесточпых соедине ниях наблюдаются более высокие уров ни концентрации упругих напряжений (см. табл. 4). В упруго-пластической области уровни деформаций у угловых швов также превышают их значения, достигаемые в зоне перехода выпуклости стыкового шва на ОМ. В то же время да же для двухстороннего нахлесточного соединения уровень пластических де формаций в зоне углового шва остается ниже их значений в ОМ (рис. 95). Допол-
Рпс. 96. Интенсивность деформации у угло вого шва нахлесточного одностороннего сое динения (2), в основном металле (2) и в зоне термического влияния (3) стыкового соедине ния стали М16С.
Рпс. 97. Развитие деформации в стыковом сое динении стали 13ХГМФ, выполненном меха низированной сваркой под флюсом (а) п электрошлаковым способом (б):
1 — основной металл; 2 — зона концентратора; 3 — зона термического влияния; 4 — металл шва.
пительное влияние изгибающего мо мента при нагружении нахлесточных односторонних соединений (см. рис. 91) приводит к появлению значительных пластических деформаций в месте пере хода шва на ОМ на ранних стадиях де формирования. Как показывают вы полненные методом делительных сеток измерения при номинальных напряже ниях, не превышающих 0,8ат, уровни деформаций у углового шва соединения данного вида достигают 8—9 % (рис. 96). Следовательно, в отличие от стыковых, тавровых и нахлесточных двухсторон них соединений механическая неодно родность вблизи сварных швов оказы вает второстепенное влияние на законо мерности упруго-пластического дефор мирования нахлесточных односторон них соединений. Решающим фактором в последнем случае является наличие изгибающего момента.
Деформирование соединений низколе гированных сталей. В сварных соеди нениях низколегированных сталей ме ханические свойства ЗТВ близки к их значениям для ОМ (см. рис. 85). В свя8и с этим механическая неоднород
ность соединений низколегированных сталей оказывает менее заметное влия ние на закономерности их упруго пластического деформирования. Под тверждением этому служат результаты экспериментального изучения законо мерностей деформирования соединений низколегированной стали 13ХГМФ [43]. Деформации у выпуклости стыкового шва данной стали, выполненного меха низированной сваркой под флюсом, в исследованном диапазоне упруго-пла стических напряжений заметно превы шают их значения в остальных зонах со единения, включая ОМ (рис. 97, а).
При электрошлаковой сварке соеди нений обычно формируется более бла гоприятное очертание швов по сравне нию с ручной и механизированной свар кой под флюсом. Такое положение имело место, в частности, и в соединениях стали 13ХГМФ, выполненных данными способами сварки (см. параграф 2 дан ной главы). Вследствие этого в пласти ческой области наибольшие деформации развиваются в ОМ, опережая их значе ния для других зон соединения (рис. 97, б). Следовательно, закономерности уп руго-пластического деформирования со единений определяются совместным вли янием механической неоднородности и размерами выпуклости шва.
Преимущественное влияние выпукло сти шва на развитие упруго-пластических
деформаций |
в соединениях |
низколеги |
1 — концентратор; 2 |
— металл |
шва: з |
— основной |
|||||
металл; 4 |
— зона термического илишшл.| |
||||||||||
рованных сталей прослеживается также |
ответствующие ОМ (см. рис. 98, б)% |
||||||||||
на примере стали Х70, сварка которой |
|||||||||||
выполнялась вручную и механизирован |
что обусловлено более |
благоприятным |
|||||||||
ным способом под флюсом. Формируе |
очертанием |
шва. |
|
|
|||||||
мые при данных способах сварки вы |
С достижением предела текучести де |
||||||||||
пуклости |
швов |
создавали |
достаточно |
формации ОМ резко возрастают, опе |
|||||||
высокие |
уровни концентрации упругих |
режая их развитие в местах плавного |
|||||||||
напряжений, |
достигающие |
в среднем |
очертания швов (см. рис. 98). Деформа |
||||||||
величин |
1,64 и 2,58 соответственно для |
ции ЗТВ в данной области нагруже |
|||||||||
ручной и механизированной сварки под |
ния также возрастают, заметно уступая |
||||||||||
флюсом. Измерения и расчеты показали, |
при этом уровню деформаций ОМ. Вслед |
||||||||||
что уровни деформаций в зонах концен |
ствие развитой выпуклости швов и вы |
||||||||||
трации определяются преимущественно |
соких |
механических свойств |
наплав |
||||||||
резкостью перехода шва на основной |
ленного металла уровни деформаций в |
||||||||||
металл. Для наиболее резких концен |
данной |
зопе |
соединений, выполненных |
||||||||
траторов с малыми радиусами в месте |
механизированной сваркой под флюсом |
||||||||||
перехода шва на ОМ уровни деформаций |
и вручную, остаются невысокими во |
||||||||||
максимальны и заметно превышают их |
всем диапазоне упруго-пластического |
||||||||||
значения в других зонах соединения |
деформирования (см. рис. 98). |
|
|||||||||
(рис. 98). При ручной сварке уровни |
Циклическое нагружение. Вследствие |
||||||||||
деформаций в зонах наиболее острых |
неоднородности |
свойств |
материалов и |
||||||||
концентраторов |
соединений |
лишь |
не |
различия в исходном уровне их дефор |
|||||||
значительно |
превышают значения, |
со- |
мирования |
в |
процессе |
циклического |
нагружения |
|
происходит |
перераспреде |
нием |
концентрации |
напряжений, |
от |
||||||||||||||||||||
ление |
деформаций |
между |
отдельными |
ветственной за усталостное разрушение |
|||||||||||||||||||||||
зонами соединений. Для изучения зако |
всего соединения. По этой причине в |
||||||||||||||||||||||||||
номерностей |
перераспределения дефор |
большинстве практических важных слу |
|||||||||||||||||||||||||
маций в стыковых соединениях стали |
чаев при расчетном определении дол |
||||||||||||||||||||||||||
СтЗГпс осуществлялось поцикловое фик |
говечности соединений |
поцикловое |
пе |
||||||||||||||||||||||||
сирование муаровых полос с после |
рераспределение |
напряженно-деформи |
|||||||||||||||||||||||||
дующим |
расчетом |
|
деформированного |
рованного состояния между отдельными |
|||||||||||||||||||||||
состояния различных зон (рис. 99). |
|
зонами |
не учитывают. |
|
|
|
дефор |
||||||||||||||||||||
|
Наиболее заметно по числу циклов |
Коэффициенты концентрации |
|||||||||||||||||||||||||
нагружения |
деформации |
|
нарастают |
в |
маций. Отмеченные |
особенности |
упру |
||||||||||||||||||||
ОМ, тогда как у основания выпуклос |
го-пластического деформирования со |
||||||||||||||||||||||||||
ти шва и в металле ЗТВ их изменения |
единений, связанные с их конструктив |
||||||||||||||||||||||||||
невелики. |
|
Следовательно, |
отмеченная |
ным оформлением, |
способом |
выполне |
|||||||||||||||||||||
выше закономерность, связанная с пре |
ния, |
уровнем |
нагружения |
и неодно |
|||||||||||||||||||||||
имущественным деформированием ОМ |
родным |
характером |
распределения |
||||||||||||||||||||||||
соединений |
низкоуглеродистых |
сталей, |
механических |
свойств, определяют спе |
|||||||||||||||||||||||
при |
циклическом |
нагружении |
|
сохра |
цифику изменения коэффициентов кон |
||||||||||||||||||||||
няется неизменной. В этом случае по |
центрации деформаций |
в рассматрива |
|||||||||||||||||||||||||
цикловое |
перераспределение |
деформа |
емой области нагружения. |
|
|
|
|||||||||||||||||||||
ций и напряжений между отдельными |
С переходом в пластическую стадию |
||||||||||||||||||||||||||
зонами соединений существенного влия |
данные |
коэффициенты, |
|
определяемые |
|||||||||||||||||||||||
ния на их долговечность не оказывает, |
как отношение деформации у выпуклос |
||||||||||||||||||||||||||
поскольку |
разрушение локализуется |
в |
ти шва к их значениям в ОМ (К е%), для |
||||||||||||||||||||||||
ОМ |
и |
носит |
квазистатический |
харак |
соединений низкоуглеродистых |
сталей |
|||||||||||||||||||||
тер |
(см. рис. |
69). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
падают |
до |
значений |
|
0,35—0,45 |
|||||||||||||||
|
Более интенсивно |
напряжения и де |
|
||||||||||||||||||||||||
|
(рис. |
100). При |
дальнейшем нагруже |
||||||||||||||||||||||||
формации |
перераспределяются |
в глад |
|||||||||||||||||||||||||
нии |
вследствие |
появления |
развитых |
||||||||||||||||||||||||
ких сварных |
образцах с контрастными |
||||||||||||||||||||||||||
пластических деформаций у выпуклости |
|||||||||||||||||||||||||||
циклическими свойствами отдельных зон |
|||||||||||||||||||||||||||
шва и в ЗТВ в целом коэффициент К бх |
|||||||||||||||||||||||||||
[69, 187]. При проведении исследова |
|||||||||||||||||||||||||||
несколько повышается |
с |
последующей |
|||||||||||||||||||||||||
ний осуществлялась сварка циклически |
|||||||||||||||||||||||||||
разупрочняемой стали 15Х2МФА с при |
стабилизацией на уровне, не достигаю |
||||||||||||||||||||||||||
менением |
высоконикелевой проволоки |
щем единицы. Данный характер изме |
|||||||||||||||||||||||||
ЭП787. Металл шва данного соедине |
нения коэффициента К бх, по существу, |
||||||||||||||||||||||||||
ния |
при |
циклпческом деформировании |
означает, что область перехода шва на |
||||||||||||||||||||||||
интенсивно |
|
упрочняется. |
При |
цикли |
ОМ по отношению к последнему не |
яв |
|||||||||||||||||||||
ческом |
нагружении |
данного |
|
соедине |
ляется концентратором деформаций. Это |
||||||||||||||||||||||
ния |
деформации в |
ОМ |
нарастают, |
а |
обстоятельство |
обусловливает, в част |
|||||||||||||||||||||
в |
металле |
|
шва |
уменьшаются |
(см. |
ности, |
отмеченный |
факт |
локализации |
||||||||||||||||||
рис. |
88). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Интенсивный характер |
процесса пе |
Рис. |
99. |
Поцпкловая |
кинетика |
деформаций |
||||||||||||||||||||
рераспределения деформаций |
приводит |
стыкового соединения стали СтЗГпс. |
|
||||||||||||||||||||||||
к тому, что после 100 полуциклов на |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
гружения |
|
деформированное |
состояние |
|
|
|
|
ЬлШ |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
ОМ по сравнению с мягкой прослойкой |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
МШ |
оказывается |
выше. |
Разрушение |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
6 |
|
|
V й |
|
Т**~ |
|
|
|
|
||||||||||||||||||
соединений |
|
вследствие |
этого |
локали |
|
|
|
О------- ---------- |
|
||||||||||||||||||
|
х--------- -------- |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
зуется в разупрочняемом ОМ. Вместе с |
4 ------------------ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
тем в реальных соединениях перерас |
9------------------ |
|
|
> |
1 |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
пределение |
напряжении |
п |
деформаций |
^ |
_______________ |
1 |
|
----------- |
: __________ 1 3 |
|
|||||||||||||||||
в |
значительной мере |
затеняется |
влия |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
Р |
Ю1 |
|
|
|
Ю * К ц и м ы |
|
квазнстатических разрушений сварных соединений в ОМ. Применительно к усталостным процессам оценку коэф фициентов концентрации деформаций соединений целесообразно проводить путем сопоставления деформаций у вы пуклости шва с их значениями в ЗТВ
(Кех)• При таком определении коэффи циентов концентрации деформаций влгг янне на их величину неоднородности свойств различных участков соедине ний в значительной мере устраняется. Изменение коэффициентов К ех с повы шением уровня нагружения носит тот же характер, что и для механически однородных надрезанных образцов (см. рис. 100). С переходом в упруго-пла стическую стадию нагружения значе ния данного коэффициента несколько повышаются с последующей стабилиза цией в области развитых пластических деформаций.
Значения коэффициентов К ех и К е%
для некоторых видов соединений низ коуглеродистых сталей М16С и СтЗГпс, установленные экспериментально на ос нове методов муаровых полос и делп-
Рнс. 100. Изменение коэффициентов К‘г и
,Л'”^для стыковых (1), тавровых (2) и пахле-
«сточных (3) соединений низкоуглеродистых сталей.
Таблица 31. Коэффициенты концентрации деформации соединений низкоуглеродистых
сталей
Вид соединения |
к'с |
Ке х |
|
с х |
|
Стыковое |
0,60-0,65 |
2,5 -2,8 |
Тавровое |
0,65-0,70 |
2,8 -3,2 |
Иахлесточнос двух |
0,85-0,90 |
3,5-3,9 |
стороннее |
тельных сеток, приведены в табл. 31. Указаны диапазоны наиболее вероят ных значений данных коэффициентов для стабилизированных участков уп руго-пластического деформирования со единений (см. рис. 100). Для соедине ний низколегированных сталей коэф
фициент Кех вследствие его слабой чувствительности к неоднородности ме ханических свойств принимает значе ния, близкие к приведенным в табл. 32 для соединений соответствующих ви дов низкоуглеродистых сталей. Приве денные значения коэффициента концен трации деформаций могут быть рекомен дованы для использования в расчетах долговечности соединений как низко углеродистых, так и низколегирован ных сталей.
5. РАСЧЕТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ
Описанные выше закономерности де
формирования и разрушения |
свар |
ных соединений являются основой |
для |
расчетной оценки их долговечности в
рассматриваемой |
области |
нагружения. |
||||
Такая |
оценка, |
по существу, |
сводит |
|||
ся |
к отысканию |
параметров |
уравне |
|||
ний |
(4.1), |
(4.5), |
отвечающих |
квази- |
||
статическим |
и усталостным участкам |
|||||
кривой |
ограниченной |
долговечности |
(рис. 101), в зависимости от действую щих факторов.
Квазистатическая область. Взаимо связь разрушающих напряжений и дол говечности соединений в квазистатической области описывается на основе степенного уравнения
а ^ т ° == а®, |
(4.17) |
Рис. 101. Общин 1шд кривой усталости.
где |
сг„ — предел прочности соедине |
ния, |
определяемый экспериментально |
либо расчетным путем применительно к статическому нагружению [177, 209].
Показатель степени та зависит от уров ня прочности стали и асимметрии внеш него нагружения. Зависимость данного параметра от механических свойств ста ли для отнулевого нагружения описы
вается |
соотношением |
(4.4): |
та = |
= 0,042 |
(1 — сгт/(Тв). В |
общем |
виде по |
казатель степени тпо устанавливается при совместном решении уравнений (4.1), (4.5):
К = |
'в 0 > ад |
(4.18) |
|
Соа ! аа(3 |
|||
|
|||
|
|
Временное сопротивление соединения определяет общее положение квазистатического участка кривой усталости (см. рис. 101) и является одним из ее
параметров. Показатель т1 не зависит от асимметрии нагружения и устанавли вается в зависимости от уровня прочнос ти стали в соответствии с данными табл. 27. Влияние асимметрии нагруже ния на изменение показателя степени
7По отражается через постоянную Саа, оценка которой в зависимости от харак теристики цикла нагружения осущест вляется на основе соотношений (4.8), (4.9). Важным параметром в уравнении (4.18) является напряжение (тасг, соот ветствующее верхнему перелому кри вой усталости и определяющее смену ха рактера и места локализации разруше ний сварных соединений. Поскольку наклон квазистатического участка не
зависит от вида соединения, в каче стве оценки для может быть приня то соотношение, справедливое для сты ковых соединений,
= ~~2~ (0т°в) |
(4-19) |
Сопоставление расчетных и экспери
ментальных значений та для различ ной асимметрии напряжений стыковых соединений (рис. 102) подтверждает пра вомерность принятых допущений. При
расчетном определении т% учитывалась слабая зависимость напряжений, со ответствующих верхнему перелому кри вой усталости от асимметрии нагру жения соединения рассматриваемого ви да [165, 282]. По известному показателю
степени пг0 может устанавливаться зна
чение оар для соединений других видов:
ту |
„к |
------- |
|
77X1. |
„ |
771 |
у к |
„ о |
о |
гп1г ~т„ |
|
СЗД = (О'в |
/^аа ) |
(4.20) |
Влияние технологии сварки учиты вается через характеристику Пв, а также путем оценки параметров т?, С1а, аао
с использованием свойств материала зоны соединения, ответственной за раз рушение. Остаточные напряжения в диа пазоне квазистатических разрушений не оказывают заметного влияния на несущую способность соединений.
Более длительный анализ процесса накопления квазистатических повреж дений осуществляется на основе
Рис. 102. Расчетные и экспериментальные значения показателя стеиени т*:
1 — Н а » >—1; 2 — В в = —0,5; 3 — п а = +0,5.
лоциклового рассмотрения процесса |
де |
ния соединений в рассматриваемой об |
||||||||||||||||||||||||
формирования. В качестве критерия раз |
ласти нагружения [105, 141, 149, 220Л |
|||||||||||||||||||||||||
рушения [159] |
используется |
равенство |
320, 340]. На этих принципах построе |
|||||||||||||||||||||||
накопленной |
деформации |
ее |
значению |
ны действующие в нашей стране и за |
||||||||||||||||||||||
при |
статическом |
разрушении |
|
ер: |
|
рубежом |
нормативные |
документы, |
ре |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
гламентирующие расчетную оцепку дол |
||||||||||||
|
Б* = |
|
[Д(ЛГ)ЙЛГ /ер = |
1, |
(4.21) |
говечности элементов сварных металло |
||||||||||||||||||||
|
|
конструкций, |
работающих в |
условиях |
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
где функция А (АО отражает кинетику |
малоциклового нагружения |
[178, |
|
325, |
||||||||||||||||||||||
326, 331 и др.]. |
|
|
при данных |
|||||||||||||||||||||||
одностороннего накапливания деформа |
Основная |
предпосылка |
||||||||||||||||||||||||
ций по числу циклов нагружения. Дан |
подходах состоит в использовании пара |
|||||||||||||||||||||||||
ная зависимость определяется экспери |
метров уравнений, описывающих сопро |
|||||||||||||||||||||||||
ментально на основе изучения кинетики |
тивление |
материалов |
разрушению |
при |
||||||||||||||||||||||
ширины петли упруго-пластического де |
мягком или жестком нагружении для |
|||||||||||||||||||||||||
формирования (см. рис. 86). |
|
|
|
|
расчета долговечности в зонах повышен |
|||||||||||||||||||||
Усталостная |
область. Сопротивление |
ной |
напряженности |
рассматриваемого |
||||||||||||||||||||||
соединений |
усталостным |
разрушениям |
элемента конструкции. Тем самым пред |
|||||||||||||||||||||||
определяется |
более |
широким комплек |
полагается, |
что условия |
деформирова |
|||||||||||||||||||||
сом |
действующих |
факторов, |
|
включая |
ния материала в зонах конструктивных |
|||||||||||||||||||||
вид соединения, размеры его основных |
концентраторов напряжений моделиру |
|||||||||||||||||||||||||
и вспомогательных |
|
элементов, |
геомет |
ются |
|
соответствующими |
испытаниями |
|||||||||||||||||||
рические параметры |
выполняемых |
со |
гладких |
образцов. Уровни |
концентра |
|||||||||||||||||||||
ответствующим способом |
сварки швов, |
ции упругих напряжений необработан |
||||||||||||||||||||||||
уровень, асимметрию и способ нагру |
ных |
сварных |
соединений |
достаточно |
||||||||||||||||||||||
жения, |
остаточные |
напряжения |
и |
др. |
высоки. |
Для |
минимальных |
|
радиусов |
|||||||||||||||||
В связи с этим при построении расчет |
сопряжения выпуклости шва они со |
|||||||||||||||||||||||||
ных методов на основе степенного урав |
ставляют 2—2,5 и более. Следовательно, |
|||||||||||||||||||||||||
нения |
(4.5) |
необходимо |
эксперимен |
изменение |
напряженно-деформирован |
|||||||||||||||||||||
тально |
исследовать |
влияние |
на |
его |
ного состояния в данных участках швов |
|||||||||||||||||||||
параметры туа и С1 всего комплекса |
в большей степени соответствует |
жест |
||||||||||||||||||||||||
действующих |
|
факторов |
с |
|
учетом |
кому режиму нагружения [159, 198, |
||||||||||||||||||||
особенностей |
их |
взаимодействия. Если |
200] вследствие заметного стеснения раз |
|||||||||||||||||||||||
учитывать многообразие факторов, ока |
вития |
деформаций |
окружающим |
|
кон |
|||||||||||||||||||||
зывающих влияние на усталостную дол |
центратор объемом материала. В та |
|||||||||||||||||||||||||
говечность соединений, и сложный ха |
ком случае для зоны концентрации |
|||||||||||||||||||||||||
рактер |
их |
|
взаимодействия, |
|
решение |
справедливо |
|
условие |
(4.13), |
записан |
||||||||||||||||
данной |
задачи |
представляется |
трудно |
ное в виде |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
выполнимым |
из-за |
необходимости |
про |
|
|
|
|
|
еакАГ* = |
Се, |
|
|
|
(4.22) |
||||||||||||
ведения |
большого |
|
объема |
|
экспери |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
где еак — амплитуда деформаций в зоне |
||||||||||||||||||||||||
ментальных |
исследований. Предпочти |
|||||||||||||||||||||||||
тельны в этом смысле модели, |
в основе |
концентрации |
напряжений; |
|
//г*, |
|
Сс — |
|||||||||||||||||||
которых лежит информация о характе |
постоянные |
материала, |
определяемые |
|||||||||||||||||||||||
ристиках деформирования и |
разруше |
по результатам испытаний гладких об |
||||||||||||||||||||||||
ния |
материалов, |
полученных |
по |
ре |
разцов (см. табл. 31). |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
зультатам |
испытаний гладких |
образ |
Уравнение |
(4.22) |
является |
критери |
||||||||||||||||||||
цов. |
Влияние |
конструктивных, |
тех |
альным, |
поскольку |
определяет |
дости |
|||||||||||||||||||
нологических |
|
и |
|
эксплуатационных |
жение |
предельного |
|
по |
образованию |
|||||||||||||||||
факторов в таких подходах учитывается |
усталостных трещин состояния в зоне |
|||||||||||||||||||||||||
с использованием |
аналитических |
пред |
концентрации |
напряжений |
и деформа |
|||||||||||||||||||||
ставлений и установленных общих зако |
ций. Практическое его применение связа |
|||||||||||||||||||||||||
номерностей деформирования и разруше |
но с необходимостью оценки локальных |