Сварные конструкции1 134-199стр. (1085847), страница 4

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

Текст из файла (страница 4)

Допускаемое напряжение в основном металле, околошовной зоне и в сварном шве определяется соотношением [σ]p = σr/n, где σr — предел выносливости для элементов, конструкций в зависимости от эффективного коэффициента концентрации Kэ и характеристики цикла r; п — коэффициент запаса, который может быть в первом приближении принят 1,6.

Значения эффективных коэффициентов концентрации напряжений Кэ характерных типов сварных соединений для основного металла приведены в табл. 4.6, а для сварных швов — в табл. 4.8. Значения σr, даны в табл. 4.9.

При ограниченной выносливости, т.е. при числе нагружений

N ≤ 2·10⁶, данные табл. 4.9 умножают на коэффициент ζ, значения которого для Кэ ≥ 2 даны в табл. 4.10.

Таблица 4.8

Коэффициенты Кэ для сварных швов

Следует отметить некоторые особенности расчета сварных соединений, имеющих и фланговые и лобовые швы, эффективные коэффициенты концентрации напряжений которых существенно отличаются по значению. Так, в случае прикрепления полосы только фланговыми швами (рис. 4.16, а) и фланговыми и лобовым (рис. 4.16, б) при расчете соединения по швам используют коэффициент Кэ для флангового шва, а при расчете соединений только с лобовыми швами (рис. 4.16, е) или с обваркой по контуру (рис. 4.16, г) принимают коэффициент для лобового шва.

Произведем расчет сварных соединений согласно нормам подъемно-транспортных машин Минтяжмаша.

Пример 1. Определить несущую способность сварного соединения полосы из углеродистой стали 200 Х 10 мм, приваренной вручную (β = 0,7) к косынке лобовым швом l1 = 20 см и двумя фланговыми l2 = 15 см при катете швов К = 1 см. Характеристика цикла r = 0,2.

Коэффициент концентрации напряжений для сталей С 38/23 согласно табл. 4.6 в зоне фланговых швов принимается равным Кэ = 3,2. Предел выносливости σr при N = 5·10⁶ нагружений согласно табл. 4.9 при Кэ = 3,2 и r = 0,2 принимается равным 76 МПа. Допускаемое напряжение при коэффициенте запаса п = 1,6 равно [σ]р = σr/n = 47,5 МПа.

Несущая способность полосы Р1 = [σ]рF = 47,5·0,002 = 0,095 МН.

Для сварных швов согласно табл. 4.8 и 4.9 Кэ ⁼ 3,0 и σr ≈ 82 МПа. Поэтому допускаемое напряжение в шве при срезе [τ'] = 0,65 σr/n = 33,4 МПа.

Несущая способность швов при β = 0,7

Несущая способность соединения по наименьшему значению составляет 0,095 МП. При расчете по СНиПу несущая способность такого соединения составляет 0,0738 МН.

Пример 2. Проверить прочность уголка 100 Х 100 Х 10 мм из стали С 38/23, прикрепленного фланговыми швами. Усилие Р = 250 кН, число нагружений N = 200 000, r = 0,4 при преобладающем сжатии. Значение Кэ в основном металле у фланговых швов для стали С 38/23 равно 3,2 (см. табл. 4.6). При N = 5·10⁶ и r = 0,4 при преобладающем сжатии σr = 148 МПа (табл. 4.9). При

N = 0,2•10⁶ (табл. 4.10) коэффициент ζ = 1,7, поэтому предел ограниченной выносливости σr огр =148·1,7= 252 МПа.

Допускаемое напряжение в основном металле при п = 1,6

Напряжения в уголке (площадь сечения Р == 19,6 см²) от усилия Р

Так как σ < [σ], то прочность уголка обеспечена.

ГЛАВА 5

ВЛИЯНИЕ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР НА СВОЙСТВА

СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИИ

§ 1. Изменение свойств металлов при понижении температуры

О б изменении свойств металлов при понижении температуры обычно судят, ориентируясь на их свойства при комнатных температурах (18—20°С). Следует различать поведение металлов, установленное на гладких образцах и при статическом нагружений (предел текучести σ0,2, предел прочности σв, истинное разрушающее напряжение σp, относительное удлинение б, поперечное сужение ψ), и поведение металлов при испытании образцов с надрезами при статическом или ударном нагружений. У подавляющего большинства металлов при понижении температуры предел прочности, предел текучести, твердость увеличиваются, и, казалось бы, эти изменения свойств могут быть использованы для назначения более высоких допускаемых напряжений, и облегчения конструкций. Однако это удается сделать редко. Во-первых, многие конструкции эксплуатируются как при низких, так и при повышенных температурах, что заставляет ориентироваться на более низкие значения σ0,2 и σв. Во-вторых, почти во всех деталях и конструкциях имеется концентрация напряжений,а при понижении температуры чувствительность многих металлов к надрезам резко возрастает. На первый план выступает сопротивляемость хрупким разрушениям. Лишь в отдельных случаях, когда максимальные рабочие нагрузки действуют только при низких температурах, а металл при этом нечувствителен к концентрации напряжений, удается повышать допускаемые напряжения. Такие примеры известны в криогенной технике.

Характер изменения свойств металлов при понижении температуры зависит от многих факторов — вида кристаллической решетки,

химического состава, величины зерна, термической обработки — и проявляется по-разному в зависимости от условий нагружения и напряженного состояния. Модуль упругости слабо повышается (рис. 5.1). Изменение σв, σ0,2 и δ5 различных металлов показано на рис. 5.2. Наиболее сильные изменения σв и σ0,2 характерны для коррозионностойких сталей и титановых сплавов (рис. 5.2, а, б).

У металлов и сплавов с гранецентрированной кубической решеткой (γ-Fе, А1, Сu) с понижением температуры предел текучести по сравнению с пределом прочности повышается незначительно — они относятся к хладостойким. Пластичность и ударная вязкость у них почти не меняются. У металлов и сплавов с объемноцентрированной кубической решеткой (α-Fе, Сr) предел текучести повышается значительно сильнее, чем предел прочности, пластичность заметно понижается — они относятся к хладноломким . Изменение предела текучести у сталей зависит от его уровня при комнатных температурах. Чем ниже предел текучести при 20 °С, тем сильнее он изменяется при понижении температуры (рис. 5.3).

Отметим еще ряд особенностей в изменении свойств металлов при понижении температуры.

1. Пластичность обычно уменьшается. Более резко — у конструкционных углеродистых и низколегированных сталей. Слабее — у других металлов. В некоторых случаях происходит увеличение пластичности (у ряда алюминиевых и медных сплавов).

2. Сопротивление усталости при переменных нагрузках в большинстве случаев возрастает.

3. Чувствительность к концентрации напряжений при острых надрезах возрастает, а ударная вязкость (работа разрушения) уменьшается наиболее заметно у железа, углеродистых и низколегированных сталей невысокой прочности, которые имеют резко выраженную область температур перехода от вязкого к хрупкому разрушению.

Понятие хрупкого разрушения в первую очередь следует связывать с энергоемкостью распространения разрушения, т.е. с глубиной зоны пластических деформаций, возникающей при прохождении трещины, и значением пластической деформации у поверхности разрушения. При

значительной пластической деформации, возникающей как на поверхности, так и в глубине, поверхность разрушения волокнистая. При отсутствии пластической деформации или крайне малом ее значении поверхность излома кристаллическая.

К вязким разрушениям относят такие, поверхность которых имеет полностью волокнистый излом. К хрупким разрушениям относят разрушения с кристаллической поверхностью излома. Промежуточное положение занимают полухрупкие разрушения, у которых часть поверхности имеет кристаллический, а часть поверхности — волокнистый излом. Понижение температуры, увеличение скорости нагруження, увеличение концентрации напряжений способствуют переходу от вязких форм разрушения к хрупким.

Высокая работоспособность многих деталей машин, сварных соединений и элементов сварных конструкций при пониженных температурах решающим образом зависит от их способности сопротивляться хрупким разрушениям. Следует, однако, отметить, что для многих материалов даже комнатные температуры могут быть областью их хрупкого поведения и лишь при повышенных температурах разрушения становятся вязкими.

Рассмотрим основные методы оценки свойств металлов при изменении температуры в связи с возможным их охрупчиванием. Наиболее распространенным и простым методом оценки изменения свойств является испытание на ударную вязкость. При этом испытании выявляется как абсолютный уровень ударной работы разрушения αн, который довольно сильно зависит от типа и остроты надреза, так и характер разрушения — вязкий или хрупкий (рис. 5.4). Чем острее надрез, крупнее зерно, больше размеры образца и выше скорость нагружения, тем правее и ниже располагается кривая αн. Так же смещается и кривая В. Принято определять так называемую первую критическую температуру Ткр1, при которой площадь волокнистого излома составляет 50 %.

Для деталей, в которых возможно присутствие трещин или других трещиноподобных дефектов, проводят сериальные испытания *

* Сериальные испытания предусматривают определение свойств металлаили сварных соединений в некотором интервале изменения какого-либо параметра с достаточно мелким шагом его изменения; сериальные температурные испытания проводят обычно с шагом ΔТ = 5 ÷ 15 °С, чтобы получить плавную кривую изменения исследуемой характеристики.

образцов металла для определения К1с (Кс), G1c (Gc) или δc. Характер изменения кривых К1с, G1с, δc сходен с кривой αн на рис. 5.4. По расположению экспериментальных точек судят о безопасных уровнях напряжений и области температур эксплуатации.

Для конкретных деталей или узлов может быть путем испытаний определена так называемая вторая критическая температура Ткр2 (рис. 5.4), при которой среднее разрушающее напряжение образца или конкретной детали σср.р становится равным пределу текучести металла при этой температуре. Величина Ткр2 может быть различной в зависимости от коэффициента концентрации напряжений в детали, характера приложения нагрузок, среды, наличия собственных напряжений. В некоторых случаях Ткр2 > Ткр1 например, при расположении концентраторов напряжений в зонах пониженной вязкости металла (в местах закалки при сварке, деформационного старения металла, плохой защиты). Разрушение σср.р ≤ σт может произойти в пределах хрупкой зоны при температуре, при которой трещина в основном металле может распространяться дальше, только как вязкая.

В связи с возможностью распространения трещин в металле на значительные расстояния, что важно для таких конструкций, как трубопроводы, корпуса кораблей, определяют также удельную работу динамического (быстрого) распространения трещины Gс.д в листовом металле. Обычно для этих целей используют крупные образцы, позволяющие, во-первых, образоваться у острия трещины такому размеру зоны пластических деформаций, который характерен для реальной конструкции, и, во-вторых, подвести значительную энергию к концу трещины, чтобы имитировать условия разрушения конструкции с большой накопленной потенциальной энергией. Характер кривой Gс.д при этом сходен с αн на рис. 5.4, но кривая Gс.д располагается заметно правее. При этих испытаниях одновременно можно получить результаты для построения кривой В.

Характеристики

Список файлов книги