Сварные конструкции (часть 1) (1085844), страница 24
Текст из файла (страница 24)
Чтобы сохранить единство подхода к оценке чувствительности листового металла любой толщины к концентрации напряжений как чувствительных к концентрации, так и нечувствительных материалов, следует при σкр > σт переходить к деформационному критерию механики разрушения Vp и давать оценку по отношению (Vp/εT)(√π/2). При σкр < σт оценку можно давать как по Kс, так и по Vp, потому что результаты будут получаться одинаковыми. Вычисление V при а > от производится по тем же формулам, что и К, но вместо среднего расчетного напряжения в ослабленном сечении образца берется средняя деформация εср, определение которой в частном случае при изгибе надрезанного с одной стороны образца может быть проведено по формуле (3.41). Имея металлы с разными свойствами (при этом могут быть представлены образцы разной толщины), можно расположить их по критерию Kcт/σт или(Vp/εт)(√π/2) ряд нечувствительности к концентрации напряжений. В практическом плане следует, однако, иметь в виду, что один и тот же металл разной толщины будет иметь разную чувствительность к сквозной трещине, но может иметь одинаковую чувствительность к несквозной трещине. В образцах с несквозной трещиной при одинаковой чувствительности и одинаковой относительной глубине трещины металл меньшей толщины будет разрушаться при больших напряжениях и больших деформациях, чем тот же металл большей толщины. Это отражает влияние толщины как конструктивного фактора, потому что на малой толщине невозможно иметь трещину более глубокую, чем толщина металла.
В случае нетрещиноподобных дефектов самой разнообразной формы область нечувствительности металла к концентрации напряжений для конкретной толщины и конкретного сварного соединения оценивают по среднему разрушающему напряжению. Если оно составляет не менее 0,95σв, то соединение считается нечувствительным к концентрации напряжений при наличии данного концентратора. На рис. 3.42 показаны кривые изменения прочности сварных соединений с различной глубиной непровара при испытаниях их на растяжение. Если снижение прочности происходит прямо пропорционально уменьшению площади поперечного сечения соединения, т. е. σсрр остщся примерно постоянным, а σв сни жается по прямой (линии 1), то такое сварное соединение условно считают нечувствительным к концентрации напряжений.. Если снижение прочности происходит непропорционально изменению поперечного сечения (кривые 2), то такое соединение считают чувствительным к концентрации напряжений. Такой подход к оценке чувствительности сварных соединений к концентрации напряжений практикуется на базе аппарата теории концентрации напряжений.
Рис. 3.42. Зависимость прочности сварных соединений от глубины непровара
Следует, однако, отметить, что постоянное или мало изменяющееся σtpp еще не свидетельствует о том, что металл или сварное соединение никак не реагируют на изменение коэффициента концентрации напряжений. На рис. 3.43 кривая / показывает зависимость условного напряжения от деформации в гладком образце при статическом нагружении. При наличии небольшой концентрации напряжений зависимость среднего напряжения от средней деформации того же металла выразится кривой 2. В момент разрушения в точке С. средние напряжения могут оказаться выше временного сопротивления, хотя средняя деформация ε при этом будет существенно ниже, чем у гладкого образца. При увеличении концентрации напряжений (кривая 3) снижается не только средняя деформация, но и среднее разрушающее напряжение в точке С3. Степень снижения среднего разрушающего напряжения будет зависеть в каждом конкретном случае от свойств материала и уровня концентрации напряжений. Хотя дефекты и концентраторы в сварных соединениях многообразны, возможна их некоторая схематизация и унификация. Такие дефекты и концентраторы, как неправильной формы трещины, непровары, несплавления, шлаковые и окисные включения, цепочки близко расположенных пор, подрезы, царапины, места перехода от наплавленного металла к основному, вытянутые в длину и расположенные своим большим размером и средней плоскостью перпендикулярно силовому потоку, могут быть сведены к некоторой эквивалентной длине трещины g [см. формулу (3.35)], если допустить возможность образования в острие дефекта трещины небольшой длины Δl, порядка десятых долей миллиметра. Микроскопические исследования показывают, что во многих случаях, хотя далеко не всегда, эти концентраторы действительно содержат короткие трещинки.
Рис. 3.43. Зависимость средних напряжений от средних деформаций при растяжении образцов с различной степенью концентрации напряжений
Методы расчетной оценки работоспособности сварных соединений и конструкций в присутствии трещины интенсивно разрабатываются и совершенствуются. Оценка работоспособности конструкций в присутствии трещины или острого концентратора сводится к определению ряда коэффициентов запаса и сравнению их _с предельно допустимыми. Числовые значения коэффициентов запаса
устанавливаются отраслевыми документами, например рекомендательными техническими материалами ЦНИИТмаша. В расчетах могут использоваться коэффициент запаса по прочности (по среднему разрушающему напряжению) пσ = σср.р/σэ; коэффициент запаса по пластичности (по средней разрушающей деформации) пε=εсрр/εэ; коэффициент запаса по критическому размеру дефекта пг = lкр/lэ; коэффициент запаса по критическому числу циклов погружения nN = NKp/N3; коэффициенты запаса по трещиностойкости, устанавливаемые по коэффициенту интенсивности напряжений — пк = Кс/Кэ и по коэффициенту интенсивности деформаций — nv = Vp/V9.
В указанных выше соотношениях: σэ, εэ — максимальные средние напряжения и деформации в расчетном сечении в период эксплуатации изделия или при его испытании; Lкр—критический размер дефекта (трещины), вызывающий разрушение при σ= σэ; lэ — фактический размер дефекта (трещины) в изделии, который в процессе эксплуатации может изменяться от начального размера lэ.п до конечного lэМ за счет своего подрастания при циклических нагрузках с числом циклов в период эксплуатации Nэ; NKp — число циклов нагрузок, вызывающих подрастание трещины до критического размера lкр; σср.р, εсрф — разрушающие средние напряжения и деформации в расчетном сечении при наличии в нем трещины lэ (в начале эксплуатации — lэ.н, в конце эксплуатации — lэ.K) Kэ Vэ—коэффициенты интенсивности напряжений и деформаций в период эксплуатации изделия или при его испытании, вычисленные по σэ, εа и lэ (l.эн или lэ.к); Кс, Vp — критические коэффициенты интенсивности напряжений и деформаций при lэ (lэн или lэк).
Для выполнения поверочных расчетов во всех указанных выше вариантах необходимо располагать следующими данными: 1.
Экспериментальными значениями
средних разрушающих напряжений σтср и средних разрушающих деформаций εср р, а также Кс и Vp во всем возможном диапазоне изменения размера трещины l с учетом ее геометрических соотношений и положения (поверхностная трещина, сквозная) (рис. 3.44). 2. Экспериментальными (или расчетными) зависимостями подрастания трещины Δl от числа циклов N при разных ΔK, т. е. всеми необходимыми значениями коэффициентов в формуле (3.54) в широком диапазоне ΔK
Рис. 3.44. Схематические зависимости 0ср.р, еср_р, Kz и Vp от раз-меса тиешины I
Процедура расчета различна в зависимости от того, отыскивается ли допустимый размер дефекта или производится проверка допустимости уже имеющегося дефекта. В последнем случае расчет проще. Для отыскания допустимого размера дефекта может
быть использован метод последовательного перебора. Рассмотрим порядок расчета при определении допустимости имеющегося дефекта.
Пусть известны размер и очертания начального дефекта lЬ11 и эксплуатационные и испытательные напряжения σэ. По числу циклов нагрузок N9 за период эксплуатации определяют подрастание трещины и находят lЭК. Для lэ.н и lЭ-К определяют разрушающие напряжения σср„ и разрушающие деформации еср р, используя данные, показанные на рис. 3.44. Находят па, который для конкретных конструкций регламентируется соответствующими нормами. Рекомендуется, чтобы па был не менее 1,75—2,5, если σср р < σт. Если σср р > σт или σэ > 0,8σт, достаточно, чтобы пЕ было не менее 7—15. Определяют nt, nN> nK. По рис. 3.44 при σ Ср. =σэ находят критический размер дефекта /кр, а затем щ. Рекомендуется, чтобы щ был не менее 3—6, если берется начальный размер дефекта 1Э Н) или не менее 2—3, если берется конечный размер 1ЭК. Зная размер начального дефекта и имея данные для определения подрастания длины трещины, по /SiK определяют число циклов N' , а затем и rtv. Значение nN должно быть не менее 10. Коэффициент запаса по трещиностойкости пк находят, вычисляя К по формулам линейной механики разрушения, т. е. в предположении справедливости формул для упругой стадии работы материала с учетом известных аэ, /э н, 1ЭЛ, а Кс бзрут при тех же 1ьп и /Э-К. Аналогично находят V3, который в упругой обласги равен
2К/(√πE), а затем и nv. Коэффициенты запаса по трещи ностойкости устанавливаются техническими условиями. В случае линейной зависимости К от нагрузки на конструкцию пк = па, пу = п .
К дефектам сварных соединений относят также и неоднородность механических свойств, когда она достаточно велика. Например, хрупкие зоны, т. е. зоны с низким K1c, могут явиться даже при малых размерах дефекта источником разрушения. Опасность хрупких зон состоит также в том, что они, будучи по размерам примерно в два раза меньше критических трещин для основного качественного металла, тем не менее способны вызвать протяженные разрушения. Объясняется это тем, что энергия, освободившаяся при пробегании трещины по хрупкому участку lнр, где она почти не расходуется на пластические деформации металла, и равная πlxpσ2/ (4E), затем идет на прохождение трещины по более вязкому участку при длинах трещин l, меньших критических, lхр < l< lKp.
Достигнув критических размеров, трещина далее распространяется, используя энергию, освобождающуюся при ее дальнейшем подрастании. В расчетах хрупкую зону длиной lхр следует рассматривать как трещину длиной 2lхр.