книги / Сварка в машиностроении. Т. 3

Для металла сварных соединений из. малоуглеродис тых и низколегированных сталей при = ^,4 -г 0,5 и лрв = 0 ,1 -5 - 0,3 по уравнению (29) та = = 0,07 -f- 0,09. Числа циклов Nc до образования трещин при мягком нагружении для заданных Nf определяют по уравнению (24). Изменение температур испытаний сказывается на сопротивлении малоцикловому разрушению при мягком и жестком нагружении. Влияние температур на долговечность при малоцикловом нагружении

учитывается введением в уравнения (22) и (27) характеристик статических меха­ нических свойств для данной температуры.

СОПРОТИВЛЕНИЕ РАЗВИТИЮ ТРЕЩИН

Рассмотренные выше закономерности разрушения относились к двум основ­ ным стадиям разрушения — к моменту образования микротрещины при числе циклов iifc и к моменту полного разрушения Nf. В диапазоне между Nf u Nc происходит рост трещины от начального размера /0 до критического /к. При ампли­ тудах номинальных напряжений оав пределах от 0,3 ат до 0,8ат, когда соблюдаются основные соотношения механики разрушения, скорость развития трещин опре­ деляется размахом Д/( коэффициента интенсивности напряжений, При этом между величиной приращения длины трещины на цикл нагрузки dl/dN и Д/С существует степенная зависимость, предложенная Пэрисом:

где C0i и mai — постоянные, зависящие от материала и условий нагружения. Уравнение (30) справедливо как для основного металла, так и для металла сварных соединений, когда 104 и dl/dN изменяется в пределах от 2-1(Н до 2*10-9 мм/цикл. Параметры уравнения (30) для ряда сварных соединений при­ ведены [6] в табл. 4. Характеристики механических свойств металла этих соеди­

нений при статическом и циклическом нагружении указаны в табл. 3.

4. Параметры уравнения для скорости развития трещин

где Се = 1/2në'f — постоянная, зависящая от пластичности металла; те = 2 —

показатель степени; /0 — начальная длина трещины.

Размах коэффициента интенсивности деформаций Д /(1в в уравнении (32) свя­ зан с размахом коэффициента интенсивности напряжений степенной функцией

где ук — показатель степени, рассчитываемый в зависимости от упрочнения метал­ ла в упругопластической области и уровня номинальных напряжений (величина ук изменяется в пределах 1— 5). При известных условиях циклического нагружения (число циклов N, коэффициент асимметрии цикла г, максимальное напряжение цикла атах), форме и размерах начального дефекта /0 по формулам линейной меха­

ники разрушения определяются коэффициенты интенсивности напряжений /Стах

(или Л/С), на основе интегрирования уравнений (30) — (32) строится зависимость длины трещины / от числа циклов N.

РАСЧЕТНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ

Условия образования трещин малоциклового разрушения в сварных соеди­

не зависит от числа циклов Nc и при симметричном цикле равна деформации пре­ дела выносливости {ееа~-^г) I т0 уравнение (22) можно записать в виде

Для асимметричного цикла с коэффициентом г* асимметрии условных напря­ жений (г* = tfmin/tfmax) снижение о* можно оценить, вычитая из исходной пре­ дельной пластической деформации ef среднюю пластическую деформацию и исполь­

При отсутствии соответствующих экспериментальных данных в расчете следует принять [12]

(для ов = const и коэффициенте асимметрии г = <*т1пЛттах) можно записать ана­ логично уравнению (36), если принять, что амплитуда пластической деформации

определяется половиной ширины петли по уравнениям (1) и (4), а нестационарность амплитуд пластической деформации учитывается показателем степени т0с:

где ев — предельная равномерная деформация при статическом нагружении, соот-

Применительно к нетермообработанным и термообработанным сварным соеди­ нениям, в которых имеются остаточные напряжения а0, предполагается, что сни­ жение амплитуд а* по уравнениям (36) и (38) определяется [12] снижением пре­

делов выносливости а_г. При. отсутствии соответствующих экспериментальных данных в уравнения (36) и (38) вместо предела выносливости о в в о д и т ся предел выносливости для сварного соединения:

Для нетермообработанных сварных соединений в первом приближении напряжения с0 принимаются равными пределу текучести основного металла или металла сварного шва. Таким образом, параметры основных расчетных уравнений (36) и (38) для сварных соединений из конструкционных сталей определяются по харак­ теристикам статических механических свойств ав, а0,2 иф различных зон сварного соединения для нормальных и повышенных температур в соответствии с зависи­ мостями (37), (39) и (40).

Сопротивление малоцикловому разрушению сварного соединения, выпол­ ненного по отработанной технологии с применением ручной, автоматической или электрошлаковой сварки, можно определить [И , 12] по уравнениям (36) и (38) для основного металла с введением коэффициента <рс снижения разрушающих амп­ литуд, устанавливаемого экспериментально:

соединения и основного металла соответственно.

Коэффициент фс учитывает влияние дефектности и образующихся структур сварных швов и зависит от способа сварки, свариваемых металлов и термической

Уравнения (36) и (38) используются для определения запасов по долговечности nN и по амплитудам условных напряжений па на стадии образования трещин:

Nç

(43)

°*аэ

где N3, о*э — число циклов и амплитуд местных условных напряжений элемента конструкции в эксплуатации.

ного суммирования повреждений, равных отношению чисел циклов нагружения на заданном режиме эксплуатации к предельному числу циклов для эксплуата­ ционных нагрузок рассматриваемого режима.

Запасы nN и па по уравнению (43) принимают в зависимости от типа и ответ­

ственности конструкций, устойчивости механических и конструктивных форм. Для сварных конструкций, применяемых в строительстве, энергетическом и хими­ ческом машиностроении, в судостроении эти запасы нужно выбирать соответст­ венно не ниже 5—20 и 1,5—2.

В тех случаях, когда по соображениям безопасности и экономичности допус­ кается эксплуатация сварных конструкций с трещинами малоциклового разруше­ ния, размеры которых превышают размеры дефектов по техническим требованиям дефектоскопического контроля, в качестве предельного в уравнении (43) исполь­

где Nc — число циклов до образования трещины; Nр — число циклов развития трещины до допустимых размеров. Число циклов Nр, как указывалось выше, опре­ деляется интегрированием уравнений (30)— (32) в пределах размеров трещин от начальных /0 до допускаемых /т. При этом допускаемые размеры трещин /т должны быть меньше критических по условиям хрупкого разрушения.

СОПРОТИВЛЕНИЕ УСТАЛОСТИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПРИ МНОГОЦИКЛОВОМ НАГРУЖЕНИИ

ФОРМА КРИВЫХ УСТАЛОСТИ

Сварные элементы мостов, вагонов, тепловозов, кранов, подкрановых балок, экскаваторов, сельскохозяйственных и дорожных машин, цементных печей, антен­ но-мачтовых сооружений и многих других конструкций за срок своей службы могут

Рис. 12. Кривые усталости сварных соединений на базе 100 млн, циклов; соединения:

/ — нахлесточное с фланговыми швами; 2 — стыковое

испытывать число перемен напряжений, исчисляемое миллионами. При проверке на усталость таких конструкций в основе расчетных сопротивлений должны лежать пределы выносливости соединений, т. е. напряжения, отвечающие горизонталь­ ному участку соответствующей кривой усталости (рис, 12), Когда сварной эле-

делы выносливости — напряжения, соответствующие на кривой усталости задан­ ному числу циклов.

При графическом изображении в логарифмических (lgo, lg N) или полулога­ рифмических координатах (a, lg N) кривые усталости сварных соединений могут быть представлены в виде двух прямых: одной — круто падающей и другой — горизонтальной. После перелома происходит некоторое дальнейшее понижение долговечности с возрастанием числа циклов, но для практических целей им обычно пренебрегают. В качестве примера на рис. 12 приведены кривые усталости сварных образцов сечением 200 х 26 мм со стыковыми и с фланговыми швами. Испытания соединений проводились на базе 100 млн. циклов [17].

В зависимости от принимаемого критерия завершения испытаний наклонные участки кривых и места переломов заметно смещаются. Когда критерием завер­ шения испытаний крупногабаритных сварных образцов служит начальная стадия развития усталостной трещины, перелом кривых обычно наблюдается в интервале 1,5—4 млн. циклов и в первом приближении можно полагать, что его положение не зависит от вида соединения и типа образца. Установлено также, что базе 2 *10® циклов соответствует менее 20% точек перелома кривых усталости, в то время как базе 5 млн. циклов — около 99,9% [17].

В наибольшей мере экспериментальным данным отвечает экспоненциальное уравнение кривой усталости с числом циклов в показателе экспоненты

пг

где а — действующее напряжение; ог — предел выносливости; Вит — параметры кривой усталости.

У— (х— 1паг). m v г/

Это уравнение так же, как и уравнение (15), можно использовать для получения значений пределов выносливости (путем экстраполяции результатов испытаний сварных соединений), отвечающих области ограниченной долговечности.

В некоторых случаях кривые усталости получают по результатам испытания сварных образцов до полного излома. Сопоставления их с кривыми усталости, полу­ ченными по критерию образования трещины или начальной стадии ее развития, показывают, что от момента возникновения трещины до полного излома сварные соединения могут выдерживать значительное число перемен нагрузок. При низких напряжениях для полного развития усталостной трещины может потребоваться несколько миллионов циклов. Иногда это может быть использовано для продле­ ния срока эксплуатации конструкции и установления ее расчетной живучести в области ограниченной долговечности. Однако для большинства упомянутых выше металлоконструкций усталостные повреждения, отвечающие начальной ста­ дии образования трещин, имеют решающее значение, так как после достижения этими трещинами определенных критических размеров возможен переход усталост­ ного разрушения к внезапному хрупкому при низких номинальных напряжениях.

В сварных элементах мостов, грузоподъемных, транспортных и дорожных машинах, подвижном составе железных дорог усталостные повреждения вызывают­ ся сравнительно невысокими переменными напряжениями. В то же время эти машины и конструкции могут эксплуатироваться при низких климатических тем­ пературах, а также испытывать небольшие ударные импульсы случайного харак­

тера или же вполне закономерные (например, железнодорожные вагоны или экскаваторы). При таких условиях и толщинах металла 20—30 мм и более резкое падение разрушающих напряжений может наблюдаться при глубине усталост­ ной трещины 3,5— 4,5 мм [17]. В этой связи рассматриваемые конструкции нужно рассчитывать на усталость по критерию зарождения усталостной трещины или начальной стадии ее развития.

СОПРОТИВЛЕНИЕ СОЕДИНЕНИЙ ЗАРОЖДЕНИЮ УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН

Сопротивление сварных соединений зарождению усталостных трещин опре­ деляется следующими основными факторами: концентрацией напряжений, созда­ ваемой формой соединения, остаточной напряженностью в зонах концентрации, дефектностью швов, режимом действующих переменных нагрузок — числом пере­ мен напряжений, их размахом, изменчивостью во времени и частотой. Другие факторы (механические свойства и' химический состав стали, неоднородность свойств околошовной зоны, способ дуговой сварки, тип электродов, конфигурация разделки стыкуемых кромок) оказывают меньшее влияние на стадию образования усталостного повреждения, особенно при напряжениях, близких к пределу вынос­ ливости.

В качественных соединениях, не обрабатываемых после сварки, усталостные трещины, как правило, зарождаются в зонах концентрации напряжений. Наиболее низкую выносливость имеют нахлесточные соединения с фланговыми швами. В та­ ких соединениях напряжения распределяются неравномерно по длине шва. Наи­ более высокая концентрация напряжения создается по концам шва. В этих местах обычно и появляются усталостные трещины.

Обварка по контуру приводит к более равномерному распределению силового потока в нахлесточном соединении. Концентрация напряжений снижается. Вместе с тем добавление лобового шва может увеличить остаточную напряженность соеди­ нения. Тем не менее сопротивление усталости несколько возрастает. В таких соеди­ нениях усталостные трещины обычно зарождаются по линии сплавления лобового шва.

В различных соединительных швах трещины усталости могут возникать в на­ плавленном металле. При дальнейшем развитии они переходят на основной металл. Наименьшую концентрацию напряжений создают стыковые соединения. Такие соединения имеют наибольшую выносливость. Усталостные трещины в стыковых швах наиболее часто появляются по линиям сплавления. В тех случаях, когда могут влиять остаточные напряжения, трещины зарождаются по линии сплавления в зонах высоких растягивающих остаточных напряжений — по середине шва или (если приваривались выводные планки) по концам шва.

Даже весьма качественные стыковые и угловые швы всегда имеют небольшие неровности, наплывы, подрезы и т. д. Эти незначительные изменения профиля шва, усиливая концентрацию напряжений в отдельных точках, могут вызвать преждевременное зарождение усталостной трещины. В то же время такие изъяны шва трудно воспроизвести или учесть при экспериментальном или расчетном определении коэффициентов концентрации напряжений а0 сварных соединений. Для одних и тех же соединений в различных исследованиях получены различаю­ щиеся значения а ст [17, 20]. Концентрация напряжений нахлесточных соединений с фланговыми швами, в зависимости от соотношений геометрических параметров соединения, характеризуется значениями а 0 = 1,8 н- 3,2. Для соединений с лобо­ выми швами а 0 = 3 -î- 4 и более. В то же время по данным аналитических иссле­ дований Токийского университета коэффициенты концентрации таких соединений, относящиеся к упругой области напряжений, не превышают 1,32. С приведенными результатами согласуются коэффициенты концентрации, полученные в Институте электросварки им, Е, О, Паюна АН УССР применительно к качественным соеди-

нениям и наиболее распространенным геометрическим параметрам швов и соеди­ нений:

В местах изменения сечения концентрируются не только напряжения от внеш­ них нагрузок, но и сварочные остаточные напряжения, возникшие в процессе образования швов. Остаточные напряжения, изменяя асимметрию цикла, при опре­

напряжений для основных видов сварных соединений с максимальными оста­ точными напряжениями показаны на рис. 13. Эти диаграммы относятся к низ­ коуглеродистым сталям с пределом текучести 24— 25 кгс/мм2. Они получены по данным усталостных испытаний сварных образцов сечением 200 X 26 мм при раз­ личной асимметрии цикла. База испытаний составляла 10? циклов. Верхние участ*