Сварные конструкции (часть 1) (1085844), страница 16

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 16)

в направлении координатных осей х, у, г. Упругие составляющие деформации вызывают изменение объема тела.

При неодноосном напряженном состоянии в общем случае в каждой точке тела имеются напряжения σ_х, σ_у, σz, τ_ху, τ_уг, τ_гх и деформации ε_х, ε_у ε_г, γ_ху, γ_уг, γ_гх. Важными характеристиками напряженного и деформированного состояния являются, σi —-интенсивность напряжений, εi—интенсив­ность деформаций:

Энергетическая теория пластичности принимает, что пластиче­ские деформации при сложнонапряженном состоянии возникают при σi= σ_т (σ_т — предел текучести). Это положение в целом хорошо подтверждается экспериментами. Из него, в частности, вытекают некоторые важные в практическом отношении следствия. При трехосном растяжении или сжатии отдельные компоненты могут заметно превосходить предел текучести металла, но при этом σi< σ_T и пластические деформации не возникнут. При двухосном напряженном состоянии, когда σ₁ =— σ₃, а σ₂ = 0, что соответ­ствует чистому сдвигу, пластические деформации начнутся при максимальном напряжении σ₁= σ_т√3< σ_т.

Для расчетов напряженного состояния за пределами упругих деформаций используют теории пластичности. Одно из основных положений теорий пластичности состоит в том, что для различных напряженных состояний конкретного металла принимается спра­ведливой одна и та же экспериментальная зависимость между напряжениями и деформациями.

Деформационная теория пластичности устанавливает единую связь между интенсивностью напряжений о_; и интенсивностью деформаций z_t независимо от схемы напряженного состояния. Эта связь может быть найдена для каждого конкретного металла из результатов испытаний на одноосное растяжение. При этом напря­женном состоянии согласно (3.8) получаем σi = σ. Связь между ε_i и ε найдем с учетом ε₁ = ε и зависимости (3.4), из которой полу­чаем ε₂ = ε₃ = — μ' ε. Тогда согласно формуле (3.9) имеем

ε_I = (2/3)(l + μ')ε= ε - ε₀ = ε -(l-2 μ_упр)σ/(3E), (310)

где ε₀ = (ε₁ + ε ₂ + ε₃)/3 — средняя деформация, которая связана со средним напряжением σ₀ = (σ₁ + σ₂ + σ ₃)/3 зависимостью σ ₀ = (1 — 2μ_упр) σ₀/Е. Так как σ₂ = σ₃ = 0. то σ₀ = σ₁/3 = σ/3.

Более точной является теория течения, которая устанавливает единую связь между интенсивностью напряжений σ_iи интегралом

∫dε_I; интенсивности приращений пластических деформаций неза­висимо от схемы напряженного состояния. Эта связь также может быть получена из результатов испытаний на одноосное растяже­ние. При одноосном растяжении σ₁= σ_х = σ . Величина dε_I может быть найдена из общей зависимости для многоосного нагружения:

где dε_x dy_zx —приращения пластических деформаций на

бесконечно малом участке деформирования. При одноосном растя­жении dγ = 0, а согласно (3.5) dε_w = dεz. = - (½) dεx =

^{1 v} ' пл пл пл

=-(½)dε Тогда из (3.11) получаем dεy = dεx,a ∫dε =εx

пл 'пл ^лпл пл пл

На рис. 3.2, а показана типичная зависимость σ_i = f (εi),
а на рис. 3.2, б— зависимость σ_i = f(∫ dεi) для материала
с упрочнением. Для при­
ближенного аналитиче- а) б)
ского описания диа­
грамм растяжения, ког­да упругой деформацией
по сравнению с пласти­
ческой можно пренеб­
речь, используют зави­
симость σ_i =A x

Рис. 3.2. Диаграммы зависимости a_t — f (e,-) (a)

(б), используемые в теории

пластичности

εi — интенсивность пластических

где Аип — постоянные для конкретного материала;

деформаций.

Показатель степени п носит название показателя степени упроч­нения материала при пластической деформации; для углеродистых и низколегированных сталей в неупрочненном состоянии п= 0,25/0,3; для сталей высокой прочности п = 0,05 / 0,1. По­вышение прочности металла обычно сопровождается уменьшением п. Неупрочняемый, так называемый идеально упругопластический, материал имеет п = 0. Показатель степени п не является мерой пластичности металла, обнаруживаемой при разрушении. Однако в большинстве случаев общая закономерность состоит в том, что чем меньше п, тем меньше δ.

Различают плоское напряженное состояние и плоскую дефор­мацию. При плоском напряженном состоянии

σ_г = 0, а ε_г≠0, что соответствует работе тонкой пластины, на­груженной в плоскости пластины напряжениями σ_х и σ_у. Пластина изменяет свою толщину вследствие поперечной (пуассоновой) де­формации. При плоской деформации σ_я = 0, σ_г≠0. Идеальные условия плоской деформации можно представить, если рассматривать пластину, помещенную между двумя абсолютно жесткими плитами, которые позволяют пластине деформироваться в плоскости, но полностью исключают как утолщение, так и уто­нение пластины. Это приведет к тому, что в местах, где пластина должна была бы утолщаться, появятся сжимающие напряжения, σ_г а в местах возможного утонения — растягивающие напряжения σ_г . В обоих случаях при плоской деформации σ_г= μ (σ_х + σ_у).

§ 2. Стандартные методы определения механических свойств сварных и паяных соединений

Существует много стандартных методов определения механи­ческих свойств металлов. Это испытания на растяжение, испытания гладких образцов на статический изгиб и надрезанных образцов на ударный изгиб, определение твердости металла, испытание на длительную прочность и многие другие. Основное назначение этих испытаний состоит в получении количественных характеристик металла, необходимых для выполнения инженерных расчетов. Часть методов предназначена для получения характеристик ме­талла, которые хотя и не участвуют как количественные в расчетах на прочность, но используются для качественной оценки работо­способности изготовляемых из него деталей или для установления соответствия металла техническим условиям на его поставку.

Болыдая часть этих методов испытаний может быть применена также и для оценки механических свойств металла шва, околошовных зон или даже сварных соединений. Тем не менее существу­ет отдельный стандарт (ГОСТ 6996—66 «Сварные соединения. Ме­тоды определения механических свойств»), который специально регламентирует процедуру испытаний только сварных соединений.

Назначение этих методов испытаний состоит в определении механических свойств, которые используются для количественной и качественной оценки работоспособности сварных соединений и конструкций, а также для сравнения механических свойств основ­ного металла и металла сварных соединений с целью оценки соот­ветствия принятой технологии сварки тем требованиям, которые предъявлены к сварной конструкции. Рассмотрим основные требования к образцам и условиям проведения стандартных испытаний сварных соединений.

В испытаниях на статическое растяжение образцов (рис. 3.3) определяют условный или действительный предел текучести σ_т, временное сопротивление σ_в, относительное удлинение после раз­рыва δ₅ на образцах, рабочая длина l₀ которых в пять раз больше диаметра d₀, относительное сужение после разрыва ψ . Образцы изготовляют из металла шва, участков околошовной зоны илинаплавленного металла. Отбор образцов ведут либо непосред­ственно из конструкции, либо из специально сваренных соедине­ний. Такие образцы используются для испытаний при нормальной и ^пониженной температурах. Образцы с резьбой на концах исполь­зуются при различных температурах, в том числе и при повышенных. Для определения сопротивляемости металла разрушению при ударных нагрузках в присутствии концентратора проводят испы­тания на ударный изгиб надрезанных образцов (рис. 3.4). Определяют так называемую удар­ную вязкость α_n метал­ла шва, околошовной зо­ны в, различных участках и наплавленного металла. Надрез распо­лагают в том месте, где необходимо определить

свойства. Используют надрезы с различной остротой. Чем острее надрез, тем меньше работа, затрачиваемая на изгиб образца до появ­ления трещины, и тем больше работа, идущая на распространение трещины по образцу α_n = A/F, где А — работа, идущая на удар­ный излом образца; F — площадь поперечного сечения в зоне над­реза. Величину α_n в СИ выражают в Дж/м² или (чаще) в кратных единицах — МДж/м³. Ранее применялась единица 1 кгс-м/см²≈ я 0,1 МДж/м².

Рис. 3.4. Образцы для испытаний на ударный изгиб; а — тупой надрез; б — острый надрез

Измерение твердости металла позволяет косвенно судить о его механических свойствах и структурном состоянии, а также позво­ляет определить размеры закаленных и отпущенных зон, степень _упрочнения и разупрочнения металла в сварном соединении. Изме­нение твердости основного металла, металла околошовной зоны и шва производят на приборах Виккерса, Роквелла и Бринелляна макрошлифах поперечного сечения образцов. Твердость опре­деляют вдавливанием в необходимые точки образца индентора — алмазной пирамиды (Виккерс), алмазного конуса (Роквелл) или стального шарика (Бринелль) - с последующим измерением раз­мера отпечатка и пересчетом в соответствующие единицы твер­дости (HV, HRC, НВ).

Испытание сварного соединения на статическое растяжение предназначено для определения прочности сварного соединения. Для определения прочности стыковых соединений используют плоские образцы, представленные на рис. 3.5. Утолщение шва

снимают механическим пу­тем. Разрушение происхо­дит обычно по наименее прочному участку соедине­ния . Уровень прочности, определяемый таким пу­тем, характеризует проч­ность сварного соединения в целом, а не прочность отдельной слабой зоны (см. § 3).

Для определения проч­ности металла шва в об­разцах делают выкружку, ослабляющую среднюю часть образца (рис. 3.6). Определяют временное со­противление по формуле σ'_в= kP/F,

Рис. 3.6. Образец для определения времен­ного сопротивления металла шва при испы­таниях на статическое растяжение

где k — поправочный ко­эффициент, для сталей k = 0,9; F — площадь на­именьшего поперечного сечения до испытания.

Для определения пла­стичности металла стыко­вых сварных соединений

проводят испытания образцов на статический изгиб. Образцы прямоугольной формы (рис. 3.7, а, б), вырезанные вдоль или поперек стыкового шва и механически обработанные со всех сто­рон, помещают на две опоры специального приспособления и производят изгиб образцов посередине пуансоном, имеющим радиус закругления, соответствующий конкретной толщине образца .Изгиб производят до появления трещины или надрывов длиной более 5 мм на растянутой стороне образца. Угол α (рис. 3.7, в) характеризует пластичность металла сварного соединения.

Свойства паяных соединений определяют при ударном и стати­ческом нагружениях согласно ГОСТ 23046—78 и 23047—78. Статическую прочность на срез определяют на образцах соединений внахлестку (рис. 3.8, а) или на образцах паяных телескопических соединений (рис. 3.8, б). Ударные испытания в зависимости от рас­положения спая проводят на различных по форме образцах. Соеди­нения внахлестку испытывают на ударный изгиб или на ударный срез (рис. 3.9, а, б). Паяные соединения встык испытывают на ударный изгиб, располагая ось надреза в плоскости спая (рис. 3.9, в). В случае косого расположения спая под углом 30° или 45° образец для испытания на ударный изгиб имеет более сложную форму (рис. 3.9, г). Во всех случаях ударных испытаний свойства паяных соединений характеризуют работой разрушения А, отнесенной к начальной площади спая F (а = AIF). При прочном и пластичном спае в пластическую деформацию частично вовлекается также и основной металл. Таким образом, удельная работа разрушения α является характеристикой паяного соединения, а не металла припоя.

§ 3. Влияние неоднородности механических свойств на прочность и пластичность сварных соединений

Сварное стыковое соединение в поперечном сечении имеет не­сколько участков, которые могут существенно различаться между собой по механическим свойствам (рис. 3.10). Это сам шов I, около­шовная зона 2, материал которой у ряда сталей претерпевает струк­турные превращения и может иметь повышенную твердость и проч­ность, зона высокого отпуска 3, в которой у термически обрабо­танных сталей прочность и твердость понижены в резуль­тате сварочного нагрева. Далее следует зона 4, нагревавшаяся до более низких температур, материал которой по-разному изменяет свои свойства в зави­симости от марки стали или сплава. В той или иной мере для всех сварных соединений характерно различие механических свойств металла в разных участках, соизмеримых с размерами соединения, главным образом с толщиной свариваемых элементов s, называемое механической неоднородностью. Сварные соединения являются несущими элементами конструкций, в которых неодно­родность свойств может быть весьма значительной. При установив­шемся режиме сварки ширина зон и их механические свойства мало меняются по длине сварного соединения. Обычно рассматри­вают неоднородность свойств и чередование зон в поперечном сечении сварного соединения.

Простейший случай неоднородности имеет место при стыковой сварке наклепанных термически неупрочняемых сталей и сплавов; например аустенитных сталей или алюминиевых сплавов, которые упрочнены холодной прокаткой. Нагрев до высоких температур

Характеристики

Список файлов книги