Сварные конструкции (часть 1) (Сварные конструкции), страница 23

Рис. 3.39. Поверхностная Рис. 3.40. Вид поверхностей разрушения
трещина в металле образца из металла толщиной s

Распространение трещин. Для оценки сопротивляемости ме­талла распространению трещин используют разнообразные каче­ственные и количественные характеристики. Среди количественных характеристик более объективными являются энергетические. При движении трещины в листовом металле толщиной s работа затра­чивается в основном на пластическую деформацию металла у по­верхностей разрушения (рис. 3.40), Внутренние участки, нахо­дящиеся в условиях плоской деформации, деформируются меньше, чем участки на поверхности листа, где имеет место плоское на­пряженное состояние и возникают зоны сдвига, поглощающие значительную часть затрачиваемой работы. Чем толще металл, тем менее существенна роль сдвига в полной работе разрушения. В связи-с этим следует различать работу разрушения G_д металла конкретной толщины s и работу разрушения настолько большой толщины, при котором обеспечивается условие плоской деформа­ции С_[д образца. Индекс «д» означает движение трещины. Оче­видно, что С_д > С_1д. Если в конструкции используется метаод конкретной толщины, то нет необходимости определять G_1д.

Имеется много методов определения работы распространения трещины на образцах относительно малых размеров (10 X 10 X 55 мм). Общим недостатком большинства этих методов является игнорирование влияния толщины металла на работу распростра­нения трещины и использование для испытания пластичных (вязких) металлов таких по размерам образцов, внутри которых не мо­жет разместиться зона пластических деформаций, образующаяся у конца трещины в крупном образце. Эти методы должны рас_: сматриваться в основном как средство для сравнительных испыта­ний металлов. Ряд этих методов предусматривает уменьшение до минимума работы зарождения трещины А₃, с тем чтобы вся работа, разрушения, отнесенная к площади разрушения, могла рассматриваться как А_р— удельная работа разрушения при рас­пространении трещины. Например, при испытании по методу Б. А. Дроздовского в призматических образцах сечением 10 X 10 мм создают усталостную трещину глубиной до 3 мм. Широко приме­няются также образцы Шарпи сечением 10 X 10 мм и V-образным надрезом с малым радиусом у дна (см. рис. ЗА, б).

Имеются также методы определения работы распространения трещины с использованием более крупных листовых образцов, с записью параметров процесса или с механическими приемами выделения работы распространения трещины. Основное внимание в этих методах уделяется схеме нагружения образца, по возмож­ности лучше соответствующей реальному процессу и исключающей неучитываемые потери энергии.

В других случаях для определения работы распространения трещины в элементах конструкций применяют метод тепловой.волны, основанный на том, что более 95 % работы, истраченной на рас­пространение трещины, идет на пластическую деформацию и пре­вращается в теплоту. При распространении трещины теплота выделяется практически мгновенно на границе образовавшейся трещины и в дальнейшем распространяется, как от мгновенного плоского источника. На некотором расстоянии от места прохож­дения трещины заранее на поверхности металла или в глубоких тонких отверстиях приваривают электроды в виде проволок диа­метром 0,2 мм, образуя, таким образом, термопары (рис. 3.41, а). Спай 1 должен располагаться на расстоянии х = 3 ÷ 15 мм от трещины, а спай 2 — на достаточном расстоянии, чтобы, когда температура в точке 1 достигнет максимума (рис. 3.41, б), темпера­тура в точке 2 изменилась бы незначительно. Без учета тепло­отдачи, которая в данном случае из-за малой разности температур тела и воздуха ничтожна, G_д можно определить по формуле

С_д = 4,13сpxΔτ_mаx, (3.53)

где ср — объемная теплоемкость.

Для оценки сопротивляемости металла движению трещины ис­пользуют также различные неэнергетические характеристики: волокнистость излома, скорость распространения трещины.

Установлено, что вязкий или хрупкий характер поверхности разрушения металла зависит от объема металла, вовлеченного в пластическую деформацию при движении трещины. Хрупкие участки соответствуют малой пластической деформации подповерхностных слоев, вязкие (волокнистые) изломы, наоборот, свидетельо большой пластической деформации металла, указывавшей на большую работу, израсходованную при разрушении. Между работой, затраченной на распространение трещины, и площадью волокнистых участков излома имеется пропорциональная зависи­мость. Резкое уменьшение волокнистости в изломе при понижении температуры испытания свидетельствует о резком уменьшении работы разрушения. Поэтому степень волокнистости излома исполь­зуется как характеристика для определения критической темпера-

туры, например при 50 % площади с волокнистым изломом (см. гл. 5).

Рис. 3.41. Определение работы распростра­нения трещины путем регистрации Т_так по

методу тепловой волны:

а — схема расположения электродов в зоне пред­полагаемого движения трещины; 6 — термический цикл в точке /

Различают распростра­нение трещин со скоростя­ми в десятки и сотни мет­ров в секунду и распрост­ранение трещин при пов­торных нагружениях невы­сокими напряжениями, когда трещина продвигает­ся при каждом цикле на-гружения на весьма малое расстояние. Хрупким раз­рушениям соответствуют

высокие скорости распространения трещин — обычно более 500— 600 м/с, полухрупким и вязким — относительно малые—100— 400 м/с и менее.

При циклических нагрузках регистрируют число циклов и путь, пройденный трещиной. Скорость распространения трещины dlldM (мм/цикл) зависит от размаха интенсивности напряжений Д/С в пределах цикла, в меньшей степени от абсолютного уровня К, и частоты нагружений. Значение dl/dN изменяется в весьма широ­ких пределах: от нуля при малых ΔK и K до 10 мм/цикл и более. Для переменной нагрузки Парисом предложена следующая приближенная эмпирическая зависимость:

dlldN = C0ΔK^a,(3.54)

где С_Р, а — постоянные коэффициенты, определяемые при обработке экспериментальных данных.

§ 11. Влияние дефектов на механические свойства сварных соединений и их работоспособность

Формирование сварных соединений в процессе сварки проис­ходит под влиянием большого числа факторов.

Форма, размеры, поверхности сварных швов всегда имеют отклонения от проектных. Радиусы сопряжений швов с основным металлом колеблются в широких пределах. Взаимное расположе­ние соединенных элементов также может отличаться от проект­ного вследствие смещений и угловых поворотов. Сплошность металла сварных соединений в некоторых случаях нарушается из-за появления пор, шлаковых включений, пленок оксидов, несплавление шва с основным металлом, непроплавления соединения, тре­щин и др. Соединения могут иметь подрезы и наплывы. Подобные отклонения на практике оказываются неизбежными и, безусловно, оказывают влияние на механические свойства сварных соединений. Степень влияния различных отклонений в различных условиях эксплуатации будет разной. При малых отклонениях формы соеди­нения от проектной изменение прочности может быть пренебрежимо малым. Поэтому не всякие отклонения и не всегда относят к дефек­там сварных соединений. Дефектами считают недопустимые откло­нения. Граница между теми и другими, конечно, условна и уста­навливается нормами. Нормы, согласно которым отклонения отно­сят к дефектам и браку, должны в первую очередь устанавли­ваться на основе изучения влияния отклонений на прочность и другие эксплуатационные свойства сварных изделий. Однако часто нормы по дефектности устанавливают, ориентируясь на тех­нически достижимый уровень качества сварных соединений, чтобы поддерживать культуру производства на высоком уровне.

Проблема влияния дефектов на прочность сварных соединений крайне сложна и многопланова. Решить ее можно, учитывая усло­вия эксплуатации, характер дефекта и свойства металла сварного соединения. Поэтому исследования в области влияния дефектов на прочность группируются вокруг отдельных вопросов. Напри­мер, в особые направления выделяются вопросы влияния дефектов при переменных нагрузках, в условиях коррозии, при низких тем­пературах и т. д.; в зависимости от вида дефекта рассматривается влияние трещин, непроваров, пор, смещений, мест перехода от на­плавленного металла к основному и т. п.; проводят исследования различных материалов: высокопрочных сталей, алюминиевых и титановых сплавов и т. д. В связи с таким многообразием проб­лем в настоящем параграфе рассматриваются только наиболее принципиальные вопросы чувствительности металла к концентра­ции напряжений, а именно при наличии трещин как наиболее опасных дефектов при статических нагрузках.

Наибольшее влияние дефекты оказывают при переменных на­грузках (см. гл. 4). При статических нагрузках вопрос о влиянии дефектов на прочность в большинстве случаев сводится к вопросу о чувствительности металла к концентрации напряжений. Обще­принятого определения понятия чувствительности металла 'к кон­центрации напряжений не существует. Наметились два направле­ния в оценке чувствительности — на базе аппарата механики раз­рушения в отношении трещин и трещинообразных дефектов и на базе теории концентрации напряжений.

.Все металлы в той или иной мере чувствительны к концентра­ции напряжений. Под действием статической нагрузки при нали­чии трещин в качестве меры чувствительности, а лучше сказать, в качестве меры нечувствительности металла к концентрации напряжений в условиях плоской деформации можно использоватькритический коэффициент интенсивности напряжений металла Ki_c. Чем он выше, тем менее чувствителен металл к концентрации напряжений. Однако при другой температуре тот же самый металл может оказаться чувствительным к концентрации напряжений. Так как каждый металл обладает определенным уровнем проч­ности — пределом текучести и пределом прочности — и обычно предназначен для работы при напряжениях, несколько мень­ших σ_т, то оценку нечувствительности в присутствии трещин более точно можно дать по отношению K1с/σт . Для образного представ­ления эту величину можно рассматривать как пропорциональную корню квадратному из длины трещины в бесконечной пластине, при которой среднее разрушающее напряжение равно σт . Тогда

K1с/σт = σ_r√πlт/2/σт =√π/2√lт (3-55)

где 1_t — длина трещины, вызывающая разрушение металла при σ= σ_т.

Для высокопрочных сталей размер l_т составляет миллиметры или даже десятые доли миллиметра — эти стали крайне чувстви­тельны к наличию трещин; низколегированные стали невысокой прочности при комнатной температуре имеют l_т, измеряемое сот­нями миллиметров. Таким образом, чувствительности этих групп сталей к концентрации напряжений различаются более чем в 10 раз.

Однако не всегда толщина металла достаточна, чтобы можно было создать условия плоской деформации и дать оценку нечувст­вительности по K_1C/σ_T. Уход от плоской деформации не означает перехода к плоскому напряженному состоянию. В условиях непло­ской деформации существует широкая гамма промежуточных на­пряженных состояний. Чем меньше толщина проката из одного и того же металла, тем менее чувствителен он к концентрации напряжений, т. е. его разрушение при одной и той же длине l сквозной или одной и той же относительной глубине l/s несквозной трещины будет происходить при более высоких напряжениях. В известной мере можно говорить, что толщина в данном случае является фактором хотя и не относящимся к свойствам металла, но влияющим на его чувствительность к наличию трещин. При сквозных трещинах нечувствительность металла конкретной тол­щины к концентрации напряжений в условиях неплоской деформа­ции может быть оценена по отношению К_с/σ_т- При этом K_с — наименьший при рассеянии значения критического коэффициента интенсивности напряжений K_с, которые определены при напря­жениях, меньших σ_т. Это означает, что из серии значений К_с, найденных и при σ>σ_т, К_с — максимальное, которое может быть вообще воспринято металлом данной толщины без разруше­ния при наличии сквозной трещины. Образная трактовка Kст/σт=√π/2√lт остается той же самой, что дана для формулы (3.55). В случае поверхностных (несквозных) трещин оценка нечувст­вительности металла к концентрации напряжений для монолитных деталей большого сечения также проводится по соотношениютак как условия плоской деформации здесь могут быть реализованы полностью. В листовых металлах с толщиной выше определенного уровня, различного для каждого отдельного металла, несквозная трещина также может создавать условия для корректного опреде­ления K_с в рамках линейной (упругой) механики разрушения, т. е. при напряжениях меньше σ_т. При большей толщине оценку нечувствительности металла к концентрации напряжений также можно проводить по K_Cj/σ_T. При малых толщинах оценка по Kc/σ_T, т. е. по силовому критерию, приведет к абсурду, так как при σк_Р > σт значения K_с будут получаться тем меньше, чем тоньше металл.