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

трещин, показали, что в подавляющем большинстве образцов трещины имели глубину 1,5—3 мм.

Для испытаний на усталость было выбрано шесть видов соеди­ нений и прикреплений, наиболее распространенных в сварных ме-

таллоконструкциях: стыковые; стыковые, пересекаемые продоль­ ными швами; прикрепление фасонок в стык; прикрепление ребер жесткости; нахлесточные с обваркой по контуру; нахлесточные с фланговыми швами [159]. Образцы изготовлялись из малоуглеро­ дистой стали М16С (табл. 15 и 16).

Стыковые соединения испытывались на изгиб при симметричном,

82

X 26, 300 X 26 и 200 X 46мм (см. гл. II). Как видно из рис. 51, боль­ шого рассеяния не наблюдается, особенно при г = — 1 , несмотря на то, что в пределах допуска швы имели различное усиление,_образцы отличались сечением и изготавливались из Металла несколь­ ких плавок. Надо полагать, что по сравнению с влиянием формы соединения в условиях высокой остаточной напряженности роль указанных факторов существенно снижается и они в меньшей сте­ пени влияют на долговечность соединений, чем в образцах О.кГ/ин- небольшого размера.

[99] (Иллинойский университет). В обобщении включены результа­ ты примерно 2000 усталостных испытаний образцов с поперечными необработанными стыками. Образцы были различного сечения: ширина их изменялась до 152 мм, а толщина от 12,7 до 38 мм. Сты­ ки имели Х-, V- и U-образные разделки кромок. При изготовлении указанных образцов не обращалось внимания на остаточную на­ пряженность соединений. Образцы вырезались из общих заранее сваренных пластин, чаще всего имели малые размеры и т. п. Это не могло не сказаться на результатах испытаний и вычисленных за­ тем усредненных значениях пределов выносливости. Поэтому впол­ не объяснимо смещение полученных в ИЭС им. Е. О. Патона преде­ лов выносливости к границам минимальных средних значений,, указанных в диаграмме. Характерно, что наибольшее смещение на­

ьается — то ли балки значительного сечения, то ли плоские образцы небольшого размера. Балки оказывались менее долговечными, чем образцы. В опытах А. Е. Асниса [2], например, плоские образцы

с поперечной наплавкой при напряжениях ± 1 2 кГ/мм2 выдержи­ вали в среднем 1100 тыс. циклов, а сварные балки с такими же на­ плавками на поясах разрушались ранее 350 тыс. циклов. Наблю­ даемое различие в ряде случаев относят за счет влияния масштаб­ ного фактора.

Рис. 52. Пределы выносливости стыковых соединений по данным ИЭС им. Е. О. Патона и Иллинойского университета {N = 2 • 10е):

а, 6 и в — области рассеяния пределов выносливости стыковых соединений

соответственно Х-. V-u U-образных видов по данным Иллинойского универ ­ ситета; г — изменение пределов выносливости по данным ИЭС им. Е. О . Па­ тона.

Образцы сечением 75 X 12 мм вырезались из общей сварной заготовки. Остаточных напряжений в них практически не было, а в балках двутаврового сечения они достигали значительной ве­ личины. В этой связи может представить интерес сопоставление ре­ зультатов испытаний образцов сечением 200 X 30 мм и балок дву­ таврового сечения.

По данным А. Е. Дениса, ограниченный предел выносливости на базе 1 млн. циклов сварных балок с поперечными валиками на по­ ясах составляет 8,2 кГ/мм2. Как видно из рис. 51, образцы сечением 200 X 30 мм со стыковыми швами на базе 1 млн. циклов показы­ вают такой же предел выносливости (8,1 кГ/мм2). В табл. 17 сведены

U

Т а б л и ц а 17. Данные испытаний стыков сварных двутавровых балок

85

результаты испытаний сварных двутавровых балок с различной конструкцией стыков в поясах и стенке, полученные ранее в ИЭС им. Е. О. Патона [188, 1891. Сопоставляя их с данными испытаний

сварки, типу применяемых электродов и т. п. В отдельных случаях эти факторы могут повлиять на долговечность соединения, однако они не являются определяющими. По данным работы [991, Х-образ- ные швы оказались наименее выносливыми (рис. 52). Тем не менее в той же работе сделан вывод, что вид разделки кромок вряд ли мо­ жет оказывать существенное влияние на выносливость стыков и при назначении расчетных сопротивлений не следует делать разли­ чия между Х-, V- и U-образными швами. С этим выводом согласу­ ются результаты испытаний, приведенные на рис. 51. Образцы с Х-образными стыками и образцы с V-образными стыками показы­ вали одинаковую долговечность.

В гл. I было установлено, что коэффициенты концентрации на­ пряжений в стыковых соединениях, выполненных ручной и автома­ тической сваркой, практически одинаковы. По данным большого числа наблюдений [99], средние значения пределов выносливости

86

стыковых соединений, выполненных автоматической и ручной свар­ кой, не отличаются между собой (рис. 53). Влияние такого фактора, как резкость перехода шва на основной металл, заметно уменьшает­ ся в условиях высокой остаточной напряженности.

Когда усталостные трещины зарождаются по линии сплавле­ ния шва и основного металла, сварочные материалы не оказывают

Рис. 54. Кривые усталости сварных соединений с пересекающимися швами (а), прикреплений поперечных планок (б и г), прикрепление фасонок в стык (в):

/ — симметричный цикл напряжений; 2 — пульснрующш'1 цикл; 3 — асимметричный цикл, г = +0,3 .

существенного влияния на усталость соединений [99]. Лишь в отдель­ ных исследованиях применение электродов с низким содержанием водорода приводило к повышению пределов выносливости примерно на 10%. В то же время не следует пренебрегать рекомендациями по выбору электродов для конструкций, испытывающих перемен­ ные нагрузки. Для сварки таких -конструкций должны применяться электроды, позволяющие получить швы без подрезов, пор и других дефектов, существенно снижающих выносливость соединений. Кро­ ме того, следует иметь в виду, что в тех случаях, когда очагами усталостных разрушений служат технологические дефекты сварки,

87

свойства металла шва могут заметно сказаться на выносливости соединения.

Стыковые соединения в металлоконструкциях часто пересека­ ются продольными швами (например, угловыми в сварных двутав­ ровых балках). В ряде случаев наложение этих швов может изменить эпюру остаточной напряженности стыка и понизить его выносли­ вость. Поэтому расчетные сопротивления усталости для стыков, пере­ секаемых продольными швами, следует принимать более низкими.

Т а б л и ц а 18. Химический состав сталей Ст. Зсп, Ст. Зпс и Ст. Зкп толщиной 30 м м , %

Как уже указывалось, все образцы изготовлялись из стали М16С.

ной ВСт. Зпс и кипящей стали Ст. Зкп (табл. 18 и 19). Сварка выпол­ нялась вручную электродами УОНИ 13/45 диаметром 4 мм.

Образцы испытывались на изгиб при симметричном цикле на­ пряжений. Трещины усталости"во всех образцах зарождались по линии сплавления шва с основным металлом. В их расположении закономерностей не наблюдалось, чаще всего одновременно возника­ ло несколько очагов усталостного разрушения.

Способ раскисления стали не сказался на выносливости соеди­

88

говечности стали Ст. Зкп, черные кружки — долговечности стали Ст.Зсп и наполовину черные — долговечности стали Ст. Зпс. Прак­ тически указанные результаты образуют одну кривую усталости. Поскольку вид соединения не мог играть существенной роли, надо полагать, что пределы выносливости сварных соединений других видов также не зависят от марки малоуглеродистой стали и способа ее раскисления.

Для получения пределов выносливости соединений при пульси­ рующем (г = 0) и асимметричном (г = +0,3) циклах напряжений испытывались на изгиб образцы из стали М16С. Дополнительно испытывалось на растяжение при пульсирующем цикле пять образцов

источниках [52, 192] указываются более высокие значения а0 , рав­

величина о0 на базе 2 млн. циклов получена и в ИЭС им. Е. О. Патона (рис. 54, г).

Прикрепление фасонок в стык было представлено образцами, показанными на рис. 54, в. Швы выполнялись ручной сваркой; их концы достаточно плавно переходили на основной металл. Испы­ тания проводились на изгиб при симметричном и пульсирующем циклах напряжений. Характерно, что усталостные трещины за­ рождались в наплавленном металле, вблизи концов швов. При даль­ нейшем развитии трещины переходили в основной металл. Пре­

Помимо плоских образцов при симметричном цикле напряжений испытывались две сварные балки из стали Ст. Зкп с фасонками, при­ варенными в стык к нижним поясам [189]. Переменные усилия на балку передавались в средней ее части через консоли. Около фасонок номинальные напряжения равнялись ±12,5 кГ/мм2. Обе балки выдержали примерно равное число перемен напряжений — 405 и 472 тыс. циклов. Усталостные трещины образовались в основ­ ном металле у концов фасонок. Долговечность прикрепления ока­ залась практически такой же, как и плоских образцов с фасонками. Результаты испытаний балок показаны на рис. 54, в крестиками. ""Наиболее низкой выносливостью обладают нахлесточные со­ единения с фланговыми швами. По сравнению с другими сварными соединениями они создают наибольшую концентрацию напряжений. Кроме того, в процессе сварки у концов шва создаются высокие растягивающие остаточные напряжения. Трещины усталости в та­ ких соединениях, как правило, возникают в основном металле

8»

Рис. 55. Кривые усталости нахлесточных соединении с фланговыми шва­ ми (а) и с обваркой по контуру (б):

/ — симметричный цикл; 2 — пульсирующий цикл, изгиб; 3 — пульсирующий цикл, растяжение; 4 — асимметричный цикл, г = 0.3; 5 — асимметричный цикл, г = 0,6.