Конспект (3 часть) (Конспект лекций 4302)

Прочность сварных соединений при переменных нагрузках.

Прочность при переменных нагрузках зависит главным образом от числа циклов нагружения, амплитуды изменения напряжения, формы и размеров испытуемых образцов, их материала, состояния поверхности, вида нагружения (изгиб, кручение), свойств среды, в которой производится испытание (воздух, вода и т. п.).

Н а рис. 4.1, а показана диаграмма прочности металла в зависимости от числа циклов нагружений N. Максимальное напряжение, при котором материал не разрушается при достаточно большом числе циклов нагружеипя, называется пределом выносливости. При испытаниях стальных образцов предел

выносливости определяют при N = 10⁷.

Е сли образец испытывают при меньшем числе нагружений, то значение разрушающих напряжений называют пределом ограниченной выносливости.

На рис. 4.1, б изображена диаграмма прочности металла в зависимости от числа циклов нагружения, построенная в полулогарифмических координатах.

Число циклов в логарифмическом масштабе отложено по оси абсцисс, а значения разрушающих напряжений — по оси ординат. Опытами подтверждено, что зависимость σ = f (N) (рис. 4.1) при построении в этих координатах может быть изображена двумя отрезками прямой: наклонным и горизонтальным. Горизонтальная прямая соответствует пределу выносливости.

Предел выносливости зависит в значительной степени от характеристики цикла. Цикл — совокупность всех значений напряжений за время одного периода погружения.

Отношение r = σmin/σmax называют коэффициентом амплитуды или характеристикой цикла, где σmin и σmax — соответственно наибольшее и наименьшее напряжения цикла.

На рис. 4.2, а показана схема цикла симметричного нагружения |σmax|=|σmin|, на рис. 4.2,6 — знакопостоянного нагружения, на рис. 4.2, б — асимметричного знакопеременного нагружения |σmax|≠|σmin|, а на рис. 4.2,5——отнулевого. Пределы выносливости, определенные при симметричном цикле, обозначаются σ-1, при отнулевом — σ0, при произвольном — σr. Наибольшее значение имеют пределы выносливости при испытаниях на изгиб, несколько меньшее — при осевом нагружении и наименьшее — при кручении. Характер изменения напряжений по времени бывает различным: как синусоидальным (рис. 4.2, а — г), так и другой формы (рис. 4.2, д,е).

В целях изучения пределов выносливости в зависимости от характеристики циклов строится диаграмма выносливости. Наиболее часто пользуются построением диаграммы выносливости испытуемых образцов по методу Смита, представленной в схематизированной форме на рис. 4.3. По оси абсцисс от кладываются значения средних напряжений цикла σm = (σmax + σmin)/2, по оси ординат — напряжения σmax и σmin. Под углом

45° к оси абсцисс проводится прямая.

амплитуды σv = (σmax – σmin)/2 откладываются симметрично относительно этой прямой.

Рис. 4.2. Осциллограммы пагру

жениц с различными характеристиками циклов.

П рямые пересекаются в точке К, которая характеризует цикл с бесконечно малой амплитудой. Условно принимают, что эта точка соответствует пределу прочности σв. Отрезок ОА выражает значение предела выносливости при симметричном цикле.

При этом σm= 0.

В большинстве случаев пользуются участком диаграммы с напряжениями, не превышающими предела текучести σт. Из точки D

с координатами σт, σт проводят горизонтальную прямую до пересечения с прямой AK в точке N.

Эту точку проецируют на прямую А'К в точку M. Ломаная линия ANDМА' выражает схематизированную диаграмму усталости в пределах упругих деформаций. Отрезок ВС выражает значение предела выносливости при пульсирующем цикле σo; 0В = σo/2.

Проведем из точки О прямую под произвольным углом а к оси абсцисс, тогда

По этому отношению для заданного цикла r определяют tgα. Точка Р определяет значение предела выносливости при заданном цикле нагружения.

Н а рис. 4.4 показана полная диаграмма зависимости σmax и σmin от среднего напряжения σm в области растягивающих и сжимающих напряжении. С ростом средних сжимающих напряжений амплитуда разрушающих напряжений растет, пределом роста

является σт — предел текучести при сжатии.

Отношение предела выносливости и предела текучести при испытании стандартных гладких образцов из низкоуглеродистых сталей на изгиб в условиях симметричного цикла равно σ-1 / σт ≈ 0,6÷0,7. Для низколегированных конструкционных сталей отношение σ-1/σт меньше, чем для низкоуглеродистых.

Обычно при повышении температуры пределы выносливости сталей понижаются. В агрессивных средах предел выносливости значительно уменьшается. Прочность деталей конструкций при переменных нагрузках зависит от концентрации напряжений. Эффективным коэффициентом концентрации напряжений Кэ называется отношение предела выносливости гладкого образца к пределу выносливости образца при наличии концентратора; Кэ≥1, причем чем ближе Кэ к 1, тем лучше работает изделие. У хрупких материалов эффективный коэффициент концентрации Кэ близок к теоретическому ασ(см. гл. 3), в пластичных он значительно меньше.

Опытами установлено, что при значениях г, близких к единице, концентрация напряжений не оказывает существенного влияния на предел выносливости. С уменьшением r влияние концентраторов на понижение предела выносливости растет, наибольшего значения Кэ достигает при r = -1.

Расчетным путем пределы выносливости для образцов с концентраторами определяются на основе статистической теории

усталостных разрушений, разработанной С. В. Серенсеном и В. П. Когаевым. Пределы выносливости образцов круглого сечения диаметром а из сталей обыкновенного качества можно находить по соотношению

где ασ —теоретический коэффициент концентрации; ρ — радиус закругления в вершине концентратора.

Чувствительность к концентраторам в образцах из низколегированной стали может быть выше, чем из низкоуглеродистой. Пределы выносливости сталей, испытанных при изгибающих усилиях и симметричных циклах, приведены в табл. 4.1.

Таблица 4.1

Пределы выносливости сталей σ-1, МПа

Предел выносливости основного металла в околошовной зоне иногда изменяется по сравнению с пределом выносливости образцов из основного металла, не подвергавшегося влиянию процесса сварки. Восстановить предел выносливости можно термической обработкой сварного соединения.

Заметное влияние на сопротивление усталости оказывают также размеры сечений образцов или конструктивных элементов. При увеличении диаметра образцов с 10 до 200 мм значения предела выносливости стали 22 снизились с 215 до 165 МПа, а стали 35 — со 155 до 90 МПа.

Крайне отрицательное влияние на усталостную прочность оказывает коррозионный эффект в агрессивных средах (табл. 4.2).

Таблица 4.2

Пределы выносливости сталей в коррозионной среде при N =5·10⁷ цикл

Сварные конструкции в некоторых областях техники подвергают испытаниям при низкой частоте нагружений и доводят до разрушения при нескольких десятках тысяч циклов. Такие испытания называются повторно-статическими. Многие явления, свойственные поведению образцов под усталостными нагрузками, имеют место при повторно-статических нагрузках. Прочность образцов зависит от наличия концентраторов в соединениях, свойств материала и качества сварных соединений.

Тем не менее сопротивляемость сварных соединений нагружениям при низкой частоте (несколько циклов в минуту, в час, в сутки) заметно хуже, чем при испытаниях с высокой частотой. Низкочастотные нагрузки снижают прочность всех видов материала и сварных соединений. Низкочастотным нагружениям подвергаются конструкции подводных судов, резервуарно-котельные конструкции. Низкочастотные колебания нагрузки, модулированные более высокой частотой, особенно резко снижают усталостное сопротивление сварных конструкций.

Собственные напряжения и деформации (перемещения) при сварке.

Основные понятия

В теории сварочных деформаций и напряжений принято использовать расположение осей координат, показанное на рис. 7.1. Ось Ох направлена вдоль шва, Оу — поперек шва в плоскости пластины, Оz— поперек шва в направлении толщины. Соответственно различают напряжения (σx, σy, σz, τxy, τyz, τzx, деформации εx, εy, εz, γxy, γyz, γzx и перемещения точек тела и — по оси Ох, υ — по оси Оу, w— по оси Оz.

Расширение и сокращение металла от неравномерного нагрева или охлаждения, а также от структурных превращений образуют так называемые собственные, или внутренние деформации и напряжения при сварке. В отличие от напряжений и деформаций, создаваемых нагрузками, собственные напряжения и деформации существуют в теле при отсутствии каких-либо нагрузок.

Собственные напряжения — это такие напряжения, которые существуют, в теле при отсутствии приложенных к нему поверхностных или объемных (инерционных, гравитационных) сил.

Чтобы более ясно понимать причины образования собственных напряжений, рассмотрим различные виды деформаций металла.

1. Температурные деформации εα вызваны изменением размера частиц тела при изменении температуры. К температурным деформациям условно относят также деформации, возникающие в процессе структурных превращений:

г де а—средний коэффициент линейного расширения в интервале изменения температуры от 0 до Т, включающий в себя и влияние структурных превращений, °С^-1; Т — изменение температуры в какой-либо точке тела, °С.

Сдвиговые температурные деформации γα в изотропных телах не возникают.

2. Наблюдаемые деформации εн, и γн характеризуют изменения размеров тела — линейных и угловых, которые можно зарегистрировзть измерительными приборами. В теории упругости и пластичности их называют деформациями, не присваивая им никакого индекса.

3. Собственные (внутренние) деформации состоят из упругих

εупр, γупр и пластических εпл, γпл.

Указанные виды деформаций с вязаны между собой следующими соотношениями:

Если до процесса нагрева или охлаждения в точке тела возникли начальные пластические деформации ε0пл и γ0пл вызванные предшествующими деформациями, то формулы (7.2) и (7.3) примут следующий вид:

где Δεпл и Δγпл — приращения пластических деформаций на стадии рассматриваемого процесса.

Собственные напряжения классифицируются по различным признакам. По причине, их вызвавшей, они делятся на напряжения от упругого или пластического механического деформирования при сборке, монтаже и правке; от упругих и пластических деформаций из-за неравномерного нагрева деталей; от неравномерного изменения объема тела при фазовых превращениях.

По времени существования они могут быть временными, существующими в период выполнения технологической операции или протекания физического процесса, и остаточными, устойчиво сохраняющимися в течение длительного периода. Собственные напряжения бывают одноосными (линейными), двухосными (плоскостными) и трехосными (объемными). В зависимости от о б ъ е м а, в пределах которого напряжения взаимно уравновешены, они называются напряжениями первого рода (макрообъем), второго рода (зерно) и третьего рода (кристаллическая решетка).

§ 2. Свойства металлов при высоких температурах

Для вычисления собственных напряжений довольно часто приходится использовать характеристики свойств металлов при высоких температурах.

Теплофизические характеристики, такие, как объемная теплоемкость сγ, теплопроводность λ и температуропроводность а, берут обычно средними в необходимом интервале температур. В табл. 7.1 указаны их значения для случая сварки металлов. Коэффициенты

линейного расширения а также обычно берут средними в некотором диапазоне температур. Однако в ряде случаев приходится пользоваться дилатограммами — экспериментально полученными графиками изменения линейного размера образца от температуры (рис. 7.2). В металлах, не испытывающих структурных превращений, изменение длины образца происходит монотонно (рис. 7.2, а), поэтому используют не мгновенное значение α =dε/dt а принимают α = ε/Т = tg0. В металлах со структурными превращениями, например в углеродистых и легированных сталях, график имеет сложный характер (рис. 7.2, б). При охлаждении металла от максимальной температуры нагрева до точки N — начала структурного превращения — происходит монотонное сокращение образца, а затем, несмотря на снижение температуры, его удлинение. После завершения структурного превращения (точка К) образец вновь начинает сокращаться. Положение точек начала Тн и конца Тк структурных превращений зависит от химического состава

металла и термического цикла охлаждения (скорости охлаждения). Чем выше скорость охлаждения, тем ниже Тн и Тк. От состава металла и скорости охлаждения зависит также деформация εс структурного превращения.

Механические свойства металла также зависят от температуры. Модули упругости Е и сдвига G снижаются с ростом температуры, в то время как коэффициент Пуассона μ несколько возрастает