Сварные конструкции (часть 1) (1085844), страница 17

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

Текст из файла (страница 17)

снимает наклеп, достигнутый при холодной прокатке металла .На рис. 3.11 показано распределение твердости в сварном соединении из сплава АМгб. Твердость шва и околошовной зоны близки к твердости отожженного металла. Предел прочности и предел те­кучести оказываются заметно ниже, чем у основного ме­талла, а пластичность повы­шается. Представление о раз­мерах зоны и степени разуп­рочнения дает также табл, 3.1. -: Зоны, где металл обладает пониженным, пределом теку­чести по отношению к преде­лу, текучести соседнего метал. на, называют мягкими п р о с л ой к а м и.

Рис. 3.11. Распределение твердости по

Виккерсу сварного шва из сплава АМгб

(s = 2,8 мм)

Паяные стыковые соедине­ния, припой в которых менее прочен, чем основной металл, также содержат мягкую про­слойку. Прочность таких соединений зависит не только от проч­ности металла мягкой зоны, но и от ее относительного размера я = his, где h — ширина прослойки; s— толщина металла.

Таблица 3.1

Изменение свойств наклепанного металла в сварных стыковых соединениях

: Другим типичным примером образования механической неод­нородности и прослоек является сварка термически обработанных сталей. Будем для простоты рассматривать сварку без присадоч­ного металла. Тогда шов и околошовная зона, нагретые до темпе­ратуры выше А_С3, в процессе охлаждения закаливаются и имеют более высокую твердость и прочность, чем основной металл. Этот участок называют твердой прослойкой (рис. 3.12, а). Рядом с ней по обе стороны находятся участки высокоотпущенного металла, который и по отношению к основному металлу, и по от­ношению к твердой прослойке имеет пониженный предел текучести. Эти зоны образуют две мягкие прослойки. В случае если термиче­ски обработанная сталь сваривается аустенитным швом (рис.3.12, б), возникает еще более сложное сочетание мягкого аустенитного шва, двух твердых и двух мягких прослоек. Если отношение пределов текучести прослойки и соседнего участка больше единицы, то прослойка будет твердой; в обратном случае — мягкой.

Рис. 3.12. Твердые и мягкие прослойки в сварных соединениях

Необходимость изучения прослоек объясняется тем, что меха­нические свойства сварных соединений, такие, как прочность, де­формационная способность, энергоемкость при разрушении, а также

Рис. 3.13. Диаграммы зависимости на­пряжения а от деформации е для раз­личных зон сварного соединения при растяжении вдоль шва:

/ — основной металл; 2 —■ зона термиче­ского влияния (твердая прослойка); з — шов

м есто и характер разрушения, зависят от степени и топографии механической неоднородности. Механические свойства об­разца, вырезанного из мягкой прослойки и имеющего низкую прочность, еще не свидетельст­вуют о том, что сварное соеди­нение в целом обладает такими же свойствами. Взаимодействие отдельных зон протекает слож­ным образом, и агрегатная проч­ность сварного соединения, как правило, не совпадает с проч­ностью какой-либо прослойки. Рассмотрим случай, когда растягивающая сила направлена

вдоль шва и все прослойки испытывают одинаковые деформации. Деформационная способность соединения и, как показано ниже, его несущая способность ограничены пластичностью металла наи­менее пластичной прослойки. На рис. 3.13 показаны диаграммы зависимости напряжения от деформации в различных зонах свар­ного соединения. Точки А₁ А₂ и А₃ соответствуют разрушению образца. Разрушение наступит при ε= ε_а2. При этом напряжения σ_i в основном металле, σ₃ в шве и σ₂ в твердой прослойке будут сильно различаться. Продольная растягивающая сила в основном воспринимается участком основного металла, так как его площадьнамного превосходит и площадь поперечного сечения шва, и пло­щадь твердой прослойки. И хотя уровень напряжений σ₂ в твердой прослойке будет велик, средние напряжения будут близки к σ₁ что существенно ниже разрушающих напряжений в точке А₁. Это означает, что прочность сварного соединения с твердой про­слойкой, нагруженного вдоль шва, окажется ниже, чем прочность такого же элемента из основного металла, так как разрушение в последнем случае произойдет при напряжениях, близких к σ₁ < σа, Отрицательное влияние твердой прослойки сказывается сильнее, если по длине соединения встре­чаются резкие изменения сече­ния шва, вызывающие концен­трацию напряжений, или еще хуже — поперечные трещины или другие дефекты в твердой прослойке.

Рис. 3.14. Зависимость σ_в, ψ и Д от

относительной толщины прослойки

При действии силы вдоль шва наличие малопрочных мяг­ких прослоек практически не влияет на общую несущую спо­собность нагруженного элемен­та, так как площадь прослоек обычно невелика.

Рассмотрим работу мягкой прослойки при растяжении стыко­вого соединения поперек шва (рис. 3.14) достаточно большой протя­женности за плоскость чертежа. В упругой стадии нагружения мяг­кая прослойка и соседние участки деформируются однородно, и при достижении предела текучести материала мягкой прослойки σ_т в ней возникает пластическая деформация, в то время как соседние участки остаются в упругом состоянии. При дальнейшем повыше­нии нагрузки и деформации коэффициент поперечной деформации μ у прослойки будет выше, чем у соседнего металла. По мере разви­тия пластической деформации в прослойке μ→0,5, в то время как в упругих частях μ= 0,3. Из-за неодинаковой поперечной деформации возникают касательные напряжения, максимальные на плоскостях раздела. Они будут, препятствовать поперечному сужению прослойки в направлении толщины листа. Чем уже про­слойка, т. е. чем меньше х = h/s, тем меньшее поперечное сужение получает прослойка к моменту возникновения в ней истинных разрушающих напряжений σ_p. Так как среднее истинное разруша­ющее напряжение σ_p меняется мало, то в более узких мягких про­слойках площадь утоненного поперечного сечения прослойки F_y к моменту разрушения будет больше, а следовательно, будет больше и разрушающая сила Р_р :

Р_р = σ_p F_p (^3.13)

В этом заключается причина повышения несущей способности (эффект контактного упрочнения). Повышение разрушающей силы не может происходить беспредельно, так как соседние с мягкой^: прослойкой более прочные участки также при определенных условиях начнут пластически деформироваться. Чем более прочны соседние зоны, тем больше эффект контактного упрочнения. Твердые прослойки, находящиеся рядом с мягкими, усиливают этот эффект. Можно рассматривать идеализированный случай работы мягкой, прослойки, считая соседние с прослойкой участки металла абсо­лютно твердыми, недеформируемыми. Тогда будут выполняться условия плоской деформации, так как деформация в направлении за чертеж будет равна нулю (см. § 1). В этом случае временное сопротивление соединения с мягкой прослойкой σ'_в можно опреде­лить по формуле

σ'_в = σ_Вн Kх. (3.14)

где σ_Вн — временное сопротивление металла мягкой прослойки;
Кx — коэффициент контактного упрочнения в случае плоской
деформации:

Кx = (π+1/x)/(2√3). ,(3.15)

Если прослойка не идеально прямоугольная, как это бывает в сварных соединениях, то х = F/s², где F — площадь попереч­ного сечения прослойки; s — толщина металла.

Прочность соединения достигнет прочности соседнего, более прочного металла, если временное сопротивление σ'_в в формуле (3.14) станет равным временному сопротивлению σ_Вт более проч­ного металла. При этом Кх = σ_в / σв_м.По формуле (3.15) опре­делим предельную относительную толщину прослойки χ_пред, при которой достигается равнопрочность соединения:

χ_пред = 1/(2√3Kχ_пред - π) (З.16)

Например, если σ_Вт /σ_Вm=1,2, то по формуле (3.16) получаем χ_пред=1. При К.χ_пред > 1,2 относительная толщина мягкой прослойки χ_пред должна быть еще меньше. Следует, однако, иметь виду, что повышение прочности соединения с мягкой прослойкой за счет уменьшения к ограничено уровнем истинного разрушающего напряжения металла мягкой прослойки.

Относительное поперечное сужение ψ в мягкой прослойке и аб­солютное удлинение образца Л зависят от относительной толщины прослойки к и свойств металлов в соединении. На рис. 3.14 видно, что в широких прослойках, когда эффекта контактного упрочне­ния еще не наблюдается, ψ остается постоянным при уменьшении и, а Δ постепенно падает по мере уменьшения доли длины участка мягкой прослойки в общей длине образца. В области контактного упрочнения ψрезко падает, так как возрастают поперечные каса­тельные напряжения, препятствующие сужению прослоек. Удли­нение образца Δ при уменьшении χ также сначала уменьшается, но затем, когда реализуется повышение прочности, Δ возрастает, поскольку в пластическую деформацию в большей мере вовлекается основной металл.

Мягная прослойка

При испытании соединений с мягкой прослойкой на изгиб до¹ разрушения разрушающий момент М_р, при котором появляются трещины в прослойке, не зависит от относительной ширины прослойки χ. Это можно объяснить тем, что разрушение при изгибе не связано с образованием шейки и изменением размеров попереч­ного сечения. Поэтому касательные напряжения, действующие вблизи границ мягкой прослойки, хотя и влияют на процесс пласти­ческой деформации во время нагружения, но не изменяют суще­ственно толщины образца и его момента сопротивления. Разрушение наступает, когда максимальное напряжение в крайнем волокне достигает истинного разрушающего напряжения металла мягкой

Рис. 3.16. Мягкая широ­кая прослойка в кольце­вом шве цилиндрического сосуда, работающего под внутренним давлением р

Ркс. 3.15. Схематичное распределение напряжений при изгибе полосы с мяг-' кой прослойкой

прослойки σр.. Если принять, что зависимость напряжения σ от де­формации ε при σ>σ_г имеет линейный характер и к моменту разру­шения эпюра напряжений в сечении выглядит, как показано на рис. 3.15, то разрушающий момент равен

M_p = W(σр+0,50), (3.17)

Характеристики

Список файлов книги