книги из ГПНТБ / Труфяков, В. И. Усталость сварных соединений

что растягивающие напряжения не превышают 1000—1200 кГ/смг по концам шва и 400 кГ/см2 — в средней его части. В образцах тол­ щиной 30 мм растягивающие остаточные напряжения выше. У кон­ цов шва их величина равна 1600—2000 кПсм2.

Подрезы создавались путем предварительного оплавления от­ дельных участков кромок разделки. Глубина подрезов изменялась от 1,0 до 3,5 мм. Располагались они в различных зонах остаточной

/резами глубиной 1—1,5 мм на участках шва с остаточной на­

пряженностью ниже 1000 кГ/см2;

Она зависит как от глубины подреза, так и от величины остаточных напряжений в месте его расположения. При этом эффект того и другого фактора примерно одинаков. Увеличение глубины подре­ за в два раза снижает на 15% предел выносливости. Примерно та­ кое же падение предела выносливости (на 18%) наблюдается и в результате увеличения растягивающих остаточных напряжений от 500—1000 до 1500—2000 кПсм2. Однако следует учитывать, что изменение предела выносливости от 16,5 до 11,8 кГ/мм2 происходит не только вследствие усиления концентрации напряжений, но и под влиянием растягивающих остаточных напряжений, равных • 500—1000 кПсм2, а суммарное влияние обоих факторов снизило пре­ дел выносливости от 16,5 до 8,2 кГ/мм2, т. е. на 50%.

Для построения диаграмм предельных напряжений швов с под­ резами помимо полученных значений пределов выносливости, ха­ рактеризующих пульсирующий цикл напряжений, необходимо знать пределы выносливости при других коэффициентах несиммет­ рии цикла. Однако в первом приближении для построения диа-

114

грамм можно воспользоваться параллельностью линий пределов выносливости доброкачественных и дефектных соединений и огра­ ничиться только полученным значением. При этом пределы вынос­ ливости доброкачественных стыковых соединений стали 09Г2С можно принять по данным более полных испытаний, выполненных ранее: о_, = 7,8 кГ/мм2 и а0 = 15,8 кГ/мм2 (см. гл. III). Постро­ енные таким образом диаграммы предельных напряжений стыковых, соединений с подрезами пока­ заны на рис. 73.

28, г—

Согласно диаграммам, пре­ делы выносливости дефектных соединений при симметричном цикле могут принимать зна­ чения от 6,0 до 4,0 кГ/мм2 в зависимости от глубины под­ реза и уровня остаточной напряженности.

ление по условиям усталости для необработанных стыковых соеди­

целесообразно исходить и при оценке допустимости подрезов в ло­ бовых швах.

Правилами изготовления металлоконструкций пролетных строе­ ний мостов подрезы поперек усилия без исправления не допуска­ ются [147]. Менеежесткие(требования в части подрезов указываются

в общестроительных правилах изготовления стальных конструкций. Нормы допускают подрезы глубиной до 1 мм при толщине стали свыше 10 мм. Если исходить из полученных данных, то это тре­ бование можно сохранить для элементов и соединений малоуглеро­ дистых сталей, испытывающих переменные напряжения с характе­

от 1 до 26 мм, а глубина непровара от 0,7 до 14 мм. Причины столь значительного рассеяния результатов подробно не выяснялись. Ос­ новное предположение сводилось к тому, что наблюдаемая неста­ бильность, вероятнее всего, связана с различной остротой непро­ варов.

В последнее время к оценкам выносливости стыков с непроварами привлекаются критерии механики разрушения. При этом ис­ ходят из того, что долговечность соединения может быть определена расчетным путем, если известен размер дефекта, толщина материа­ ла и величина рабочих напряжений [201, 226]. Здесь также сохра­ няется традиционный подход — дефекты понижают сопротивление усталости только под влиянием концентрации напряжений.

116

Надо полагать, что в свете наблюдаемого рассеяния данных при­ чины, вызывающие падение выносливости стыков с непроварами, должны быть изучены более полно. Так же, как и.при других де­ фектах, важно оценить не только роль геометрических факторов, но и влияние поля остаточных напряжений, в котором располагает­ ся непровар.

По данным испытаний ИЭС им. Е. О. Патона, на рис. 75 пред­ ставлены кривые усталости стыков с непроварами различной про­ тяженности и глубины. Влияние этих факторов изучалось на об-

С0,НГ/Ш2

электродами с основным покрытием. Непровары располагались по­ средине высоты стыкового шва и имели в образцах различных се­ рий размеры 4 X 25, 8 X 25, 8 X 80, 8 X 160 и 2 X 160 мм. Непровары длиной менее ширины образца размещались в средней части шва.

Опыты проводились при осевом нагружении и пульсирующем, цикле напряжений. Испытания заканчивались после выхода уста­ лостной трещины на поверхность образца. При таком критерии за­ вершения испытаний трещины усталости в образцах различных се­ рий занимали неодинаковую площадь шва. В стыках, имевших вы­ соту непровара 8 мм и протяженность дефекта 160, 80 и 25 мму площади шва, занятые трещиной, составляли соответственно 2000^ 1000 и 300 мм2 с некоторыми отклонениями в отдельных образцах. Тем не менее результаты испытаний образцов этих серий были при­ мерно одинаковыми и размещались в одной и той же области рассея­ ния (рис. 75, а). Отсюда можно сделать вывод, что длина дефекта не оказывает существенного влияния на долговечность стыкового соединения.

117

Согласно линейной механике разрушения, изменение глубины непровара должно сказываться в большей степени, чем изменение его длины [124, 226J. Сопоставление результатов испытания образ­ цов с дефектами 4 X 25 и 8 X 25 мм (рис. 75, б), а также 2 X 160 и 8 X 160 мм (рис. 75, б) подтверждает это положение. В то же вре­ мя необходимо отметить, что с понижением рабочих напряжений

Причину выравнивания преде­ лов выносливости следует искать в проявлении действия остаточ­ ных напряжений. При отсутствии

остаточных напряжений в образцах кривые усталости 2 и 4 (рис. 75) располагались бы параллельно кривым 3 и 5, но, поскольку образ­ цы в месте дефекта имели высокие остаточные напряжения (пример­ ло одинаковой величины), их влияние при низких рабочих напря­ жениях становилось доминирующим, что и определило сходимость соответствующих кривых усталости в области больших значений N. В то же время аналогичные образцы с различной остаточной напря­ женностью в месте дефекта могли бы показать и другие соотноше­ ния долговечностей и пределов выносливости. Р1менно в этом надо •искать основную причину чрезмерного рассеяния результатов испытаний, о котором упоминалось выше. В последующих опытах

ты оказались различными [268]. Наибольшую выносливость имели стыки с непроварамн на участках сжимающих остаточных напряже-

118

ний. Предел выносливости этих образцов на базе 2 млн. циклов составил 10,8 кГ/мм2. Наиболее низкая долговечность была у образ­ цов, в которых участок с непроваром в средней части шва завари­ вался в последнюю очередь, что вызывало самые высокие растяги­ вающие остаточные напряжения в месте дефекта. Предел выносли­ вости таких образцов составлял только 5,2 кГ/мм2. Промежуточную выносливость имели образцы с растягивающими остаточными на­ пряжениями меньшей величины (рис. 76).

Если эти результаты нанести на обобщенный график (рис. 77), приведенный в работе [226], то можно убедиться, что полученное рассеяние в основном связано с остаточной напряженностью. При этом можно предположить, что в случае более высоких сжимающих остаточных напряжений в зоне дефекта долговечность стыкового

в работе [226] было получено следующее уравнение кривой уста­ лости применительно к стыковому соединению с непроваром в центре шва:

It — толщина образца; 2ах — размер непровара в направлении тол­ щины образца; 2ят р — размер критической трещины; N — число циклов до разрушения или до заданного размера усталостной тре­ щины; В и С — постоянные (С = BE*); Ф — коэффициент, зави­ сящий от соотношения протяженности и глубины непровара; Е — модуль упругости.

Формула (13) не учитывает влияния остаточных напряжений. При определении расчетной долговечности ее автор рекомендует принимать значение С равным 8 • 107, что соответствует положению нижней границы рассеяния данных, приведенных на рис. 77. По­ скольку рассеяние предопределяется и остаточной напряженностью

119

в месте дефекта, то в общем случае формула должна включать выражение, отражающее скорость развития трещины в зависи­ мости от величины и знака остаточных напряжений. Однако при использовании приведенной выше зависимости для расчетного опре­ деления N, учесть влияние остаточной напряженности в первом приближении можно путем изменения значения С. При высоких растягивающих остаточных напряжениях С может приниматься

ках со сжимающими остаточными напряжениями (штриховая кри­ вая). С понижением уровня переменных напряжений эта разница возрастает. Неодинаково протекает и образование видимой трещины. Если в образцах с растягивающими остаточными напряжениями инкубационного периода практически нет, то в образцах со сжи­ мающими остаточными напряжениями он соизмерим с периодом раз­ вития трещины, что ставит под сомнение правомерность использо­ вания предлагаемой формулы для определения долговечности изде­ лия с дефектами на участках сжимающих остаточных напряжений. И наконец, применительно к рассматриваемым конструкциям более обоснованно исходить из стадии начального образования уста­ лостной трещины (см. гл. II), а не из стадии ее развития, на чем базируется предлагаемый расчетный метод оценки. Все это не поз­ воляет рекомендовать данный метод для широкого использования на практике.

120

Глава IV.

МЕРЫ, ПОВЫШАЮЩИЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ УСТАЛОСТНЫМ РАЗРУШЕНИЯМ

Сварные соединения металлоконструкций не требуют упрочнения, если испытываемые ими переменные стацио­ нарные или эквивалентные напряжения ниже соответ­ ствующих пределов выносливости. Однако, поскольку пределы выносливости необработанных СТЫКОЕЫХ соедине­ ний могут составлять только половину, а нахлесточных соединений х /4 — */„ пределов выносливости основного металла, в ряде случаев возникает необходимость в использовании мер, повышающих сопротивление уста­ лости.

До недавнего времени основное внимание уделялось изучению концентрации напряжений, создаваемой фор­ мой соединения или дефектностью швов. Отсюда и меры повышения выносливости были основаны главным обра­ зом на снижении концентрации напряжений. Успехи в применении искусственно образуемых остаточных нап­ ряжений для увеличения долговечностей деталей машин спссобствовали опробованию созданных в машиностро­ ении способов обработки для повышения выносливости сварных соединений в таких металлоконструкциях, как пролетные строения мостов, краны, железнодорож­ ный подвижной состав, подкрановые балки, экска­ ваторы и строительно-дорожные машины.

Способы обработки, основанные на использовании благоприятных сжимающих остаточных напряжений, не нашли еще широкого применения в перечисленных свар­ ных конструкциях. Тем не менее проведенные исследо­ вания и опытные проверки позволяют оценить их эффек­ тивность и высказать определенные суждения о целесо­ образных областях их использования.

Ниже рассматриваются способы обработки, основан­ ные на снижении концентрации напряжений, изменении остаточной напряженности и применении покрытий.

1. Снижение концентрации напряжений

Концентрация напряжений, вызываемая формой соеди­ нения, в ряде случаев может быть снижена путем создания плавных переходов на основной металл, полного провара сечения, обварки

122

Т а б л и ц а 27. Выносливость соединений после механической обработки швов

элементов по контуру, а также устройства различного рода скосов

ивыкружек. Для уменьшения напряжений в местах концентрации иногда прибегают к удлинению швов, устройству деконцентраторов

ипостановке компенсаторов напряжений.

Плавность перехода к основному металлу чаще всего достигает­ ся механической обработкой швов. На практике такой вид обработки нашел широкое распространенней обычно выполняется абразивными кругами либо фрезами. При этом следы обработки должны распола­ гаться вдоль действующих напряжений.

Наибольший эффект получается от зачистки стыковых швов. Снятие усиления шва заподлицо с основным металлом устраняет

•123