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

Т а б л и ц а 2. Коэффициенты концентрации напряжений стыковых соединений, установленные поляризационно-оптическим и расчетным методами

•И высоты пластины приведены в табл. 2. В той же таблице даны зна­ чения а а , подсчитанные по формуле, предложенной Д. И. Навро­ цким 1101]. Заменив усиление шва эквивалентным действием сил, приложенных к поверхности пластины, автор, используя извест­ ные решения теории упругости, получил следующее выражение для определения теоретического коэффициента концентрации на­ пряжений в стыковых соединениях:

10

Как видно из табл. 2, коэффициенты концентрации напряжений, установленные экспериментально при изгибе и растяжении, практи­ чески одинаковы. Значения а „ , полученные расчетным путем, близ­ ки к экспериментально установленным, если отношение высоты

усиления к ширине шва - у - < 0,35. При больших значениях — рас­ хождения между экспериментальными и расчетными а а заметно возрастают (рис. 5, а ) . Расчетные значения достаточно точно отра-

жают зависимость коэффициента концентрации от радиуса перехо­

соединениях, выполненных ручной и автоматической сваркой, не от­

Вто же время в работе [235] указываются и большие значения.

Внахлесточных соединениях с фланговыми швами распределе­ ние напряжений в упругой и пластической областях изучалось ана­ литически методом конечных элементов [229]. Исследования выпол­

ны. Во всех моделях сохранилось условие равнопрочности основной и прикрепляемой пластин (b^ = b2t2 = const), а катет углового шва равнялся толщине прикрепляемой пластины. Длину нахлестки определяли исходя из условия превышения расчетного сечения шва над площадью сечения пластины в 1/3 раз.

11

Для анализа напряженного и деформационного состояний рас­ четные модели (рис. 6) разделялись на треугольные элементы в пред­ положении передачи усилий в их вершинах. Для определения кри-

Масштаб

О10 20 30 АО 50 им

Рис. 6. Вид соединения и расчетная модель.

терия текучести в случае плоского напряженного состояния исполь­ зована теория Мизеса:

которое для линейного приращения может быть представлено в сле­ дующем виде:

12

ний происходит общее перераспределение напряжений. При этом

Модели в виде двух пластин, перекрытых двухсторонними на­ кладками, имитировали нахлесточные соединения с фланговыми швами. Материалом для швов служил клей холодного отвердевания, приготовленный на основе эпоксидной смолы ЭД6-М. Компоненты клея подбирались из расчета равенства модулей упругости швов и основных пластин. Расхождение модулей упругости не превыша­ ло 3%. Швы имели равные катеты.

13

вышали 1,32 [229, 257]. С приведенными данными согласуются дан­ ные, полученные в работе [1691. Исследования выполнялись поляри- зационко-оптическим методом на моделях, соотношение размеров которых соответствовало соотношению размеров в образцах, испы­ танных на усталость (результаты приведены на стр. 7). Коэф­ фициенты концентрации для различных сварных соединений на­ ходились в пределах 1,3—2,3.

исходит не только под влиянием концентрации напряжении, но и под влиянием других факторов, обусловленных образованием свар­

соотношение. Так, например, коэффициент а а стыковых соединений

15

(при обычно встречающемся усилении шва) равен 1,3, а эффективный

2. Изменение свойств металла околошовной зоны

Основной металл, прилегающий к соединяемым кромкам, в процессе сварки нагревается до высоких температур. Эта полоса металла, называемая зоной термического влияния, подвергается своеобразной термической обработке. Структура металла изменя­ ется в соответствии с термическим циклом нагрева и охлаждения. Для каждого участка зоны влияния характерен вполне определен­ ный термический цикл. Вследствие этого различные участки зоны

сплавления металла шва и основного металла. Он соответствует

неполной перекристаллизации располагается между изотермически­

наблюдается лишь частичное измельчение зерен основного металла.

Отсюда Ка = 1 3 ' 5 ^ 0 1 6 ' ° = 1,9 -4- 2,4.

1R

мического влияния, что указывает на повышение прочности и сни­ жение пластичности металла околошовной зоны.

Поскольку концентраторы напряжений (переходы швов на ос­ новной металл) обычно размещаются в зоне сплавления, наиболь­ ший интерес представляет участок крупного зерна и граница сплав­ ления шва и основного металла.

Участки HRB

I86

II 82 III 80

Непосредственное измерение механических свойств отдельных участков околошовной зоны затруднено. Тем не менее микрообраз­ цы (диаметром 0,8 мм), вырезанные из участка перегрева околошов­

Для малоуглеродистой стали указываются [116] меньшие измене­ ния предела прочности (до 20%), но отмечается возможное более значительное увеличение предела текучести металла на участке крупного зерна.

Исходя из таких характеристик Н. О. Окерблом полагает, что металл зоны термического влияния должен обладать большей со­ противляемостью усталостным разрушениям, чем основной металл. В качестве иллюстрации им приведены результаты испытаний при изгибе с вращением образцов из стали Ст.З диаметром 17 мм с над­ резами глубиной 3,5 мм и радиусом 1 мм. При напряжениях 16,5 кПмм2 образцы с надрезами в околошовной зоне оказались долговечнее образцов с надрезами по основному металлу примерно в 3 раза (испытывалось по два образца). Вместе с тем отмечается [115, 116], что с повышением степени концентрации напряжений сопротивление усталости околошовной зоны вследствие большей чувствительности к концентрации напряжений должно падать бы­ стрее, чем сопротивление усталости основного металла.

Имеющееся противоположное суждение сводится к тому, что термопластическая деформация в околошовной зоне вызывает ста­ рение металла и при наличии концентраторов напряжений это может вызывать понижение выносливости соединения. В низколе­ гированных сталях к причинам, снижающим сопротивляемость соединений переменным нагрузкам, относят неоднородность (по твердости) околошовной зоны, заметную разницу прочностных характеристик отдельных составляющих микроструктуры у гра­ ницы сплавления и химическую неоднородность [3].

В шлифованных образцах и реальных соединениях зона сплав­ ления часто является местом зарождения усталостных трещин.

2 2—2315

мости, установленной на образцах без сварки (см. рис. 9). Совпа­ дение указанных кривых, относящихся к образцам с надрезами, так же как и результаты испытания пластин без концентраторов на­ пряжений, позволяет сделать вывод, что в случае малоуглероди­ стых сталей изменения механических свойств металла околошовной: зоны не оказывают заметного влияния на сопротивляемость уста.- лостным разрушениям.

Рис. 12. Выносливость основного металла и зоны термического влияния для стали Ст. 3 (а); 15ХСНД (б и в) и 10Г2С1 (г); черные точки — образцы без сварки; светлые — сварные образцы.

Более сложные процессы происходят при сварке низколегиро­ ванных сталей [3]. В соответствии с термическим циклом в зоне сплавления имеет место диффузия углерода к границе раздела твердого и жидкого металла, а со стороны основного металла на-; блюдается обезуглероженный участок. По мнению А. Е. Дениса, повышенная пластичность этого участка смягчает эффект концент­ рации напряжений при переходе шва на основной металл. Однако в тех случаях, когда граница сплавления обедняется элементами, упрочняющими феррит (например, хромом, кремнием и никелем при сварке стали 15ХСНД), углерода на данном участке остается боль­ ше. Поэтому в зоне сплавления образуется сравнительно хрупкаят видманштеттова структура, более чувствительная к концентрации; напряжений. Кроме того, вследствие разупрочнения феррита не­ которыми легирующими элементами увеличивается разница между.- прочностными характеристиками феррита и перлита, усиливающая: неоднородность у границы сплавления. Исходя из этих представ­ лений, в работе [3] сделан вывод о возможном существенном.

2*