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

но и для соединений сталей высокой прочности. Диаграммы пре­

а также соединений с невысокими растягивающими остаточными напряжениями необходимо иметь минимум два значения предела выносливости, установленных при существенно различных значе­ ниях г.

Для инженерных расчетов параллельностью ветвей диаграммы

чести материала. Далее параллельность нарушается, ветви диа­ граммы начинают сходиться. Для образцов с концентраторами на­ пряжений характерен удлиненный вид диаграммы^ересечение_ветвей_ происходит при напряжениях, заметно превышающих вре- "менное сопротивление, установленное на гладких образцах [177].

7. Накопление усталостных повреждений

и ускоренный метод определения пределов выносливости

Разработано несколько способов ускоренного определе­ ния пределов выносливости образцов и моделей [25, 1541. Примени­ тельно к сварным образцам наибольшее распространение (особенно за рубежом) получил метод Локати [88, 132, 239]. Как известно, этот метод основан на гипотезе Пальмгрена — Майнера о линейном

73

характере накопления усталостного повреждения в материале при программном изменении нагрузки. Согласно гипотезе Пальмгрена — Майнера, усталостное разрушение образца или детали наступает тогда, когда сумма относительных величин повреждений детали, получаемых ею на разных уровнях переменных напряжений, достигает единицы:

(7)

где /;,• — число циклов, воспринятое образцом при напряжении о^; N[ — число циклов, выдерживаемое образцом до начала (или пол­ ного) разрушения при том же напряжении.

Для определения предела выносливости по методу Локати в ко­ ординатах a — N или а — \g N строятся три кривые усталости, предположительно соответствующие возможному высшему предель­ ному положению (кривая 1), возможному низшему положению {кривая 3) и промежуточным значениям ординат (кривая 2). Зти кри­ вые являются условными и наносятся в соответствии с данными ранее выполненных испытаний примерно таких же изделий. Точки перелома условных кривых выносливости выбираются также пред­ положительно с учетом уже имеющихся результатов испытания на усталость подобных образцов. Если сведения о положении точки перелома недостаточно полные, ее рекомендуется размещать в райо­ не 1,5—2 млн. циклов.

Расчетное значение предела выносливости определяется по ре­ зультатам испытания одного образца. Образец испытывается при ступенчатом увеличении нагрузки до образования в нем усталостной трещины (или полного излома). Нагружение начинается с началь­ ного напряжения о0 , заведомо меньшего, чем предел выносливости испытуемых образцов. В процессе нагружения выдерживается по­ стоянной средняя скорость роста напряжения:

где Аа — перепад по напряжению между соседними ступенями

В процессе испытания значение п1 должно сохраняться постоян­ ным для всех ступеней нагрузки, кроме последней, на которой про­ должительность испытания определяется образованием усталостной трещины (или полным изломом образца).

Ступени нагружения наносятся на график с кривыми усталости

(рис. 46) и производится суммирование отношения щ для раз­ личных ступеней нагрузок применительно к каждой из трех гипо­ тетических кривых. Дальнейшая обработка полученных данных состоит в определении такого уровня напряжения, для которого

74

сумма повреждений равнялась бы единице. Теоретически это на­ пряжение и соответствует искомому пределу выносливости. Иско­

Основное затруднение, возникающее при использовании этого метода, заключается в том, что не для всех материалов гипотеза

Рис. 46. Определение предела выносливости по методу Локати.

линейного накопления повреждения находит экспериментальное подтверждение [141, 154|. Недостаточная применимость этой гипо­ тезы для сварных соединений в значительной степени объясняется ограниченностью ее экспериментальной проверки и отсутствием данных о процессе накопления усталостных повреждений в случае возможного проявления влияния

Пальмгрена — Майнера испытывались сварные образцы с высокими остаточными напряжениями.

Образцы из стали ВСт. 3 (ат = 24 кГ/мм2, ав = 41 кГ/мм2) были двух видов (рис. 47): с поперечными наплавками и с приваренными планками. Высокие растягивающие остаточные напряжения соз­ давались наплавкой продольных валиков. Образцы одной серии испытывались на изгиб при двухступенчатом однократном изме­ нении нагрузки (рис. 48, а и б), образцы другой серии — при двух­ ступенчатом многократном нагружении (рис. 48, в и г). Цикл на­ пряжений — симметричный. Испытания прекращались после об­ разования в образцах усталостных трещин глубиной 1—2 мм.

При двухступенчатом однократном нагружении влияние оста­

I.)

проявляется так же, как и статической. Очевидно, происходит только релаксация остаточных напряжений без существенного накопления

повреждений. Если же - ^ р - > 0,2, интенсивность накопления повреждаемости резко возрастает, что приводит к разупрочнению

Как уже упоминалось, при испытании образцов критерием раз­ рушения служила начальная стадия развития усталостной трещины. При таком условии проведения опыта напряжения ниже предела выносливости не оказывают заметного влияния на повреждаемость сварных соединений.

Полученные результаты дают основание сделать вывод, что в ряде случаев при ускоренном определении пределов выносливости сварных соединений вполне допустимо исходить из условия раз­

Примером успешного использования метода Локати может слу­ жить, например, оценка выносливости сварных деталей трактора МТЗ-50 в зависимости от влияния технологических параметров

70

Глава III.

СОПРОТИВЛЕНИЕ УСТАЛОСТИ СОЕДИНЕНИЙ

ВИСХОДНОМ СОСТОЯНИИ

Воснову расчетных сопротивлений или допускаемых напряжений сварных соединений по условиям усталости в настоящее время положены результаты испытаний сварных образцов, повторяющих лишь форму соединения. При их изготовлении не обращалось внимания на оста­ точную напряженность образцов. Как правило, они вы­ резались из общей сварной заготовки, имели небольшое сечение, остаточные напряжения в них не соответство­ вали таковым в реальных соединениях. Испытания про­ водились до полного излома на базе 2 млн. циклов.

После уточнения основных положений методики уста­ лостных испытаний сварных соединений возникла необхо­ димость в проведении значительных экспериментальных работ по оценке выносливости основных видов соедине­ ний с учетом влияния всех основных факторов, определя­ ющих несущую способность реальных конструкций. В этой связи ИЭС им. Е. О. Патона были поставлены си­ стематические испытания, проводившиеся в течение ряда лет. Результаты этих испытаний в сопоставлении с дан­ ными других исследований приводятся ниже.

1. Малоуглеродистые стали

Наиболее полные исследования усталости сварных со­ единений выполнялись на образцах из малоуглеродистых сталей, широко используемых в рассматриваемых конструкциях. Основная цель проведения этих исследований заключалась в получении таких значений пределов выносливости, которые отвечали бы сопротив­ лению усталости реальных соединений, когда остаточная напря­ женность в них достигает максимальных значений. Попутно вы­ яснилось влияние на долговечность соединений химического со­ става стали, способа ее раскисления, термического' упрочнения, режима сварки и вида разделки стыковых швов.

Исследования выполнялись в соответствии с основными положе­ ниями, изложенными в гл. I I . Образцы имели достаточное сечение для того, чтобы остаточные напряжения могли достигать максиму­ ма, а при испытаниях на изгиб не проявился эффект поддерживаю­ щих сил. Чаще всего образцы имели ширину 200 мм и толщину 26— 30 мм. В тех случаях, когда остаточные напряжения не оказывали

78

Стыковые швы обычно V-образной формы выполнялись меха­ низированной сваркой. В образцах толщиной 46 мм была принята Х-образная разделка кромок, а в пластинах толщиной 16лши менее стыки не имели скосов (табл. 14). Каждый образец сваривался

Т а б л и ц а 14. Разделка кромок и режимы сварки

6Сf

отдельно; начало и конец стыкового шва располагались на выводных планках, привариваемых к пластине. После сварки удалялись план­ ки и строгались кромки пластин. Остальные виды соединений сва­ ривались вручную. По качеству соединения удовлетворяли требо­ ваниям, установленным для ответственных конструкций при обыч­ ном способе контроля.

Образцы испытывались при осевом нагружении и на плоский изгиб. Пределы выносливости каждого вида соединения определя­ лись при симметричном и пульсирующем циклах напряжений. Не­ которые соединения дополнительно испытывались при г = +0,3; +0,5 и +0,75.

Переменное осевое нагружение выполнялось на универсальной испытательной машине ЦДМ-200пу с пульсаторами двустороннего действия. Частота нагружения этих образцов равнялась 5 гц.

Для испытания больших образцов на изгиб в ИЭС им. Е. О. Патоиа была изготовлена [156] электромагнитная виброустановка резонансного действия (рис. 49). Машина позволяет испытывать

79

на плоский изгиб консольные образцы сечением до 10 ООО ммг с мо­ ментом инерции до 1 700 ООО мм*. В зависимости от сечения и длины

силами притяжения электромагнита 4, возникающими при прохож­ дении магнитного потока через образец 2. Наибольших размеров они достигают при частотах, близких к собственным частотам ко­ лебания образцов. Вследствие большой индуктивности электро­

Если испытания выполняются при асимметричном цикле напря­ жений, дополнительно включается мощный электромагнит 8, который питается от генератора постоянного тока 7. Этот электро­ магнит создает в образце требуемую постоянную составляющую напряжений. При наложении на нее переменных напряжений полу­ чается требуемый асимметричный цикл. Коэффициент асимметрии зависит от соотношения постоянной и переменной составляющих и может меняться от —1,0 до +0,6. Чтобы избежать наложения двух различных магнитных потоков, к образцу 2 в месте действия электромагнитов крепится стальная пластина 6, являющаяся от­ дельным магнитопроводом (ярмом) одного из электромагнитов. Подбор заданного напряжения осуществляется с помощью электри­ ческих датчиков сопротивления, наклеенных на образец.

Для обеспечения заданного в соединении напряжения на про­ тяжении всего' периода испытаний установка имеет устройство для автоматического поддержания амплитуды колебания образца. Дат­ чиком служат две упругие изолированные пластинки, находящиеся на различных уровнях по высоте (разность уровней 0,1—0,15 мм). При заданной амплитуде колебаний образца его свободный конец контактирует лишь с одной пластинкой. Как только амплитуда колебаний увеличивается и образец начинает контактировать с обеими пластинками, срабатывает реле, включающее привод пол­ зунка реостата, с помощью которого регулируется частота колеба­ ний. Если амплитуда колебаний уменьшается по сравнению с за-

80

данной и образец не контактирует с пластинками, ползунок реоста­ та перемещается в обратном направлении.

Напряжения измерялись проволочными датчиками сопротивле­ ния с базой 10 мм с помощью тензометрической станции УД-ЗМ (ИМАШ). На каждый образец наклеивалось шесть датчиков, по три в одном сечении. Показания датчиков регистрировались по­ очередно, что позволяло увеличить масштаб осциллограмм. По­ следовательное включение датчиков осуществлялось автомати­ чески.

Испытания, как правило, выполнялись непрерывно до образо­ вания усталостных трещин глубиной 2—3 мм. Отдельные образцы имели трещины глубиной 1 и 4 мм. Прекращение усталостных испыта­ ний в стадии развития трещины требует некоторого навыка по ее обнаружению и установлению глубины. Для этих целей ис­ пользовался ультразвуковой дефектоскоп УЗД-7Н. Поскольку места зарождения усталостных трещин в сварных образцах чаще всего известны, объем прозвучивания не был большим. Из несколь­ ких частот, на которые рассчитан прибор, для обнаружения уста­ лостных трещин выбиралась большая, равна 2,5 Мгц. Для лучшего акустического контакта поверхность образца в местах прохождения щупа смачивалась трансформаторным маслом. Особенно тщательно соединение прозвучивалось до испытания. Сигналы на экране осциллографической трубки, появлявшиеся при первоначальном прозвучивании, запоминались или же о них делались пометки на схе­ матическом чертеже соединения. Обычно величина таких сигналов в последующем не возрастала. Появление же нового растущего сигнала с течением времени указывало, что трещина зародилась. Испытания прекращались после того, как сигнал достигал уровня, отмеченного на экране. Уровень устанавливался при тарировании прибора иа пластинах (такой же толщины, как и образец) с канав­ ками определенной глубины или же по размерам усталостных тре­ щин, обнаруженных в предыдущих образцах и замеренных после их долома. Начало прозвучивания и периодичность его проведения после обнаружения трещин зависели от типа образца, уровня на­ пряжений и вида нагружения. Такой метод обнаружения усталост­ ных трещин и определения их размеров достаточно надежен, но не­ сколько громоздок.

Позднее был освоен визуальный способ обнаружения усталост­ ных трещин с помощью керосина и масла. Затекая в усталостную трещину, смесь при каждом цикле нагружения частично выжима­ ется из нее и образует на поверхности образца небольшие пузырь­ ки. Смесь наносится кисточкой и перед наблюдением сдувается. Осматриваемая поверхность должна хорошо освещаться. О глубине трещины судят по интенсивности пузырения. При глубине 1—3 мм пузырьки заметны невооруженным глазом. Состояние поверхности не имеет существенного значения. Этот метод фиксации трещин бо­ лее субъективен. Но при достаточном опыте он дает вполне удов­ летворительные результаты. Замеры, проведенные после раскрытия