книги / Несущая способность сварных соединений
..pdfпроволоку при постоянных режимах сварки, что и для соеди нений с угловыми швами. При испытании сварных соединений фиксировали экспериментальные значения угла страгивания трещины от вершины непровара а Экс. Сравнение полученных
опытных данных (а кэ^с и а Экс) с расчетными значениями (oj[J0p и сстеор) вполне удовлетворительное (см. табл. 3.4).
Для оценки сопротивляемости сварных соединений с фланго
выми |
швами |
квазихрупкому |
(хрупкому) |
разрушению |
исходили |
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а 3.4 |
|
Основные геометрические параметры |
|
|
|
|||
м результаты испытания сварных тавровых соединений |
|
|||||
п р и криогенных температурах (77 К) |
|
|
|
|||
В. Град |
ИВ |
|
®теор* |
аакс» |
теор |
_ экс |
|
МПа |
°кр. |
||||
|
|
|
град |
град |
МПа |
|
28 |
1,0 |
0,24 |
31 |
29,5 |
44...62 |
48 |
30 |
0,87 |
0,35 |
30 |
29,0 |
90..Л27 |
139 |
30 |
0,29 |
0,36 |
0 |
0 |
278...389 |
318 |
45 |
0,81 |
0,23 |
22,5 |
25,0 |
79...110 |
75 |
45 |
0,35 |
0,52 |
12,8 |
25,0 |
301...421 |
355 |
59 |
0,80 |
0,19 |
15,5 |
12,0 |
75..Л05 |
85 |
60 |
0,30 |
0,36 |
8,6 |
9,5 |
258...360 |
313 |
45 |
0,88 |
0,40 |
22,5 |
24,0 |
89...125 |
98 |
•60 |
0,90 |
0,47 |
15,0 |
14,0 |
83...116 |
92 |
75 |
: 0,82 |
0,20 |
7,5 |
7,0 |
68...Э5 |
61 |
75 |
0,26 |
0,50 |
7,5 |
10,0 |
309...432 |
357 |
75 |
0,90 |
0,30 |
7,5 |
8,0 |
67...94 |
83 |
из тех же допущений, что и при анализе тавровых и нахлесточных соединений. Непровар в корне углового шва в данных соединениях является концентратором продольного сдвига с ко нечным радиусом в вершине. Отличительной особенностью напря женно-деформированного состояния рассматриваемых соедине ний с фланговыми швами является то, что направление силового потока в швах представляет собой винтовую поверхность (см. рис. 3.4). В сечении, прилегающем к свободному от внешней нагрузки торцу накладки, эта поверхность совпадает с плоскостью непровара и наблюдается инициирование трещины от вершины •концентратора. Трещина продвигается в направлении основания флангового шва, затем поворачивается и выходит на направление (биссектрисы прямого угла. После выхода со стороны торца на поверхность шва она продолжает распространяться по длине флангового шва в плоскости, равнонаклоненной к катетам шва (здесь имеется в виду соединение с равнокатетнымн швами).
Для разработки математической модели оценки сопротнвлемости соединений с фланговыми швами квазихрупким разруше ниям, базирующейся на критериях линейной механики разруше ния, использовали подход, предложенный В. А. Винокуровым, согласно которому достаточно ограничиться рассмотрением одно-
го (или двух) фрагментов соединения с наибольшей концентраци ей напряжений. В качестве такого фрагмента выбирали участок шва, в котором происходит зарождение трещины и плоскость раз рушения совпадает с плоскостью непровара (рис. 3.9,а).
С учетом принятых допущений несущую способность соедине ний с фланговыми швами в условиях квазихрупкого (хрупкого) разрушения оценивали по критерию максимальных сдвигающих напряжений [166]:
Р |
и |
Рис. 3.9. |
Соединение |
с фланговыми швами (а) |
И расчетная схема для оценки его трещиностой’ |
||
кости |
в условиях |
продольного сдвига (б). |
__ |
Кшс_______ |
(3.37) |
|
|
где /(шс — вязкость разрушения материала флангового шва при продольном сдвиге; I — размер непровара; фпл, <рк и фр — попра вочные функции соответственно на образование зон локальной текучести в окрестности вершины непровара, на конечность гео метрических размеров соединения и на конечность радиуса в вершине трещиноподобного концентратора (непровара).
Для учета локальной текучести в окрестности вершины тре щиноподобного концентратора использовали поправку Дж. Ирви на на пластичность (на размер пластической зоны гпл). Для трещин продольного сдвига пластическая область в условиях ее автомодельности имеет форму цилиндра радиусом гпл [104]:
ГП1 фм— |
(3.38) |
В условиях продольного сдвига поправочную функцию на ограничение размеров можно представить в форме
(3.39)
где В — расчетный размер, определяемый из характера разру шения сварйого шва (см. рис, 3.9, а) как к [102], при
сточных соединениях наблюдается уменьшение значений ftonnv (Рошп>60°) с ростом относительной глубины проплавления ц. Нетрудно заметить, что оптимальные значения углов (30п т как для
тавровых, так и для нахлесточных соединений находятся в пер вом диапазоне их изменения. Здесь же (см. рис. ЗЛО, а) приве дена зависимость ftomn (TJ), построенная по методике [103]- Удовлетворительное соответствие результатов, полученных по< обеим методикам, позволяет судить об их достоверности.
Рис. 3.10. Зависимость оптимальных значений углов р0Пт от отно сительной глубины проплавления г) тавровых (а) и нахлесточных
(б) соединений (I, II, III — диапазоны изменения углов Р).
Одним из требований, предъявляемых к сварным соединени ям, является обеспечение их равнопрочности присоединяемым элементам (например, нахлестке или стенке тавра).
Учитывая, что оптимальные геометрические параметры угло вых швов приходятся на первый диапазон изменения углов р, из:
условия равнопрочности Кт)0= —получены соотношения
f
для тавровых соединений:
(3.42)
для нахлесточных соединений:
(3.43)
Данные зависимости «(-ф, |5) для рассматриваемых соединений представлены на рис. 3.11, а, б. Используя их, по заданным зна чениям параметров х и т|з можно определить диапазон изменений [ftp]» обеспечивающих равнопрочность соединений присоединяе мой пластине. Для этого из точки, соответствующей параметру х» значение которого выбирают из технологических соображений с учетом способа и режима сварки, необходимо провести прямую параллельно оси ft до пересечения с кривой x(i]>, ft), соответствую щей заданному значению параметра *ф.
Значения углов р |
в диапазоне |
[рр], расположенном |
между- |
||
точками пересечения прямой с кривой я (ф, р), являются |
искомы |
||||
ми |
значениями |
р для |
данных соединений. Значения |
р0Пт (см. |
|
рис. |
3.11, а, б, |
штриховая линия) |
обеспечивают максимальную, |
несущую способность соединений и определяются выражениями (3.40) и (3.41).
С учетом оптимальных значений углов наклона лобовой грани угловых швов для тавровых и нахлесточных соединений па*
Рис. |
3.11. |
Номограммы для определения диапазона |
значений углов |
[Рр ] |
по |
конструктивно-геометрическим параметрам х |
и ^ тавровых |
(а) и нахлесточных (б) соединений (штриховая линия — Ponm). |
|||
лучены |
зависимости я(ф) (рис. 3 .1 2 , а, б). Заштрихованные обла |
сти, расположенные над кривыми я(ф), соответствуют такому со четанию параметров я и ф, при котором достигается равнопрочность соединений присоединяемым элементам. Если совокупность параметров я и ф не отвечает диапазону равнопрочности (ДРП),
Рис. 3.12. Диапазон оптимальных ДРП и нерекомендуемых сочета ний параметров % и Ф тавровых (а) и нахлесточных (б) соеди нений ( ф — разрушение по основному металлу, О — по угловому шву [151]),
то это означает, что при данных значениях этих величин соедине ния неравнопрочны ни при каком значении углов р.
Анализ |
соотношений |
(3.12) — (3.14) |
позволяет |
провести опти |
||
мизацию геометрических |
параметров |
соединений |
с |
фланговыми |
||
швами. Из |
условия |
дР |
|
|
|
ручной дуго- |
— = 0 получено, что в случае |
||||||
|
|
ар |
|
|
|
|
вой сварки |
(т)= 0 ) |
при постоянном объеме (площади наплавлен |
ного металла F) оптимальными с точки зрения несущей способ ности являются равнокатетные швы. При сварке с глубоким про плавлением, как показали расчеты, проведенные при постоянных значениях F и TJ, применение швов с неравными катетами практи чески не приводит к повышению предельной нагрузки Р рассмат риваемых соединений.
С другой стороны, анализ соотношений (3.12) — (3.14) позво ляет получить важный для практики вывод о том, что при выпол нении сварных соединений с однослойными фланговыми швами на постоянных режимах сварки (задана глубина проплавления Я,
см. рис. |
3.4) несущую |
способность соединений |
можно повысить |
в 1 ,2 — 1 , 5 |
раза по сравнению с соединениями, |
имеющими равно |
|
катетные швы за счет |
изменения угла наклона шва в пределах |
J5=60,2 ... 68,7°, что подтверждается результатами [47].
Глава 4 ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ,
СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ И СОСУДОВ ДАВЛЕНИЯ
Инженерные конструкции не могут выполнять свои служебные функции, если характеристики напряженно-деформированного состояния их элементов превосходят допустимые пределы. В та ких случаях конструкции либо меняют свою исходную геометри ческую форму, либо разрушаются. В связи с этим установление характеристик напряженно-деформированного состояния и их до пустимых значений с учетом реальных условий эксплуатации и изготовления (температура, режимы термообработки, сварки, хим состав, характер нагрузок и т. д.) для материалов или для кон струкции в целом представляет собой важную научно-техниче скую задачу. Это составляет основу инженерного расчета конст рукций на прочность, жесткость, ползучесть и усталость..
Однако практика исследований последних лет свидетельству ет о том, что разрушение элементов конструкций связано, как правило, с наличием концентрации напряжений, в области кото рой сначала происходит зарождение, а затем развитие трещины при уровне напряжений гораздо меньше предела прочности или текучести для данного материала конструкции. Важность изуче ния процессов распространения трещин в конструкционных мате риалах обусловлена также тем, что подобные случаи разрушения конструкций свидетельствуют о недостаточности оценки прочно сти материалов, из которых они изготовлены, на основе стандарт ных механических характеристик (ов, сгт» б, ф, KCV и др.). Бо лее полную информацию о механическом поведении конструкции в условиях хрупкого разрушения (при номинальных напряжениях ниже предела текучести материала) дает использование при ана лизе подобных разрушений критериев оценки трещиностойкости материала Кс или Kic (вязкость разрушения); критического рас крытия трещины в ее тупиковой части бс; плотности энергии разрушения у, работы распространения трещины при ударном нагружении КСТ и др.
Несмотря на важность данных характеристик для инженерной практики в настоящее время пока недостаточно разработаны эф фективные методы их определения как для материалов, так и для сварных соединений. В данной главе представлены некоторые ме тодики оценки трещиностойкости конструкционных материалов и их сварных соединений при статических, динамических и устало