книги / Прочность сварных соединений при переменных нагрузках

мента. При этом эшоры напряжений в зонах сечения, где уровень суммарных напряжений достигал значения ат (на рис. 32, г эти зоны заштрихованы на­ клонными линиями), будут соответст­ вовать эпюрам напряжений от внешнего нагружения (рис. 32, б), смещеппым на величину стт и отображенным симмет­ рично относительно оси ОХ. После пол­ ного снятия внешнего усилия остаточ­ ные напряжения в зоне концентратора составят а 0Ст — от— аасгтах, а при его

уменьшаются до нулевых значения при Птах = пТ, то в зонах концентраторов, например, при аа = 2,5 для этого до­ статочно уровня напряжении, равного 0,4 ат (рис. 33). При дальнейшем росте внешней нагрузки, а также в случае весьма острых надрезов в зонах кон­ центраторов могут формироваться сжи­ мающие остаточные напряжения.

В рамках принятой расчетной схемы второй и последующие циклы нагруже­ ние — разгрузка при том же уровне номинальных напряжений будут про­ ходить при упругом деформировании материала но всему сечению сварного элемента и не приведут к изменению остаточных напряжений в сварных пла­ стинах как с концентраторами, так и без них. В действительности циклы на­ гружения, следующие за первым, при­ водят к незначительному изменению остаточных напряжений [137]. Это обу­ словлено, очевидно, несовершенной уп­ ругостью материала, а также возмож­ ным изменением его свойств но мере накопления числа циклов нагружения [244]. Поскольку такие изменения не­ велики (обычно не превышают 10— 30 МПа), то для инженерных расчетов ими можно пренебречь.

Справедливость предлагаемого под­ хода подтверждается удовлетворитель­ ной сходимостью экспериментальных и расчетных данных, отвечающих уров­ ням внешнего нагружения сварных сое­ динений в многоцикловой области (при сГтах/от < 0^5). На рис. 33 соностав-

лены расчетные и измеренные величины остаточных напряжений в образцах с

влияния остаточных напряжений на со­ противление усталости сварных соеди­ нений. Согласно диаграмме предельных напряжений (см. рис. 6) с возрастанием среднего напряжения цикла от ампли­ туды предельных напряжений оа уменьшаются. При циклическом нагру­ жении сварного соединения с высокими растягивающими остаточными напря­ жениями уровень средних напряжений и зоне сварного шва будет существенно выше номинального. Вследствие этого сопротивление усталости сварного сое­ динения понизится.

По диаграмме предельных напряже­ ний материала, соответствующей зна­ чению аа сварного соединения, и из. приведенных выше соображений о взаи­ модействии остаточных напряжений с напряжениями от внешних нагрузок можно установить области наибольше­ го влияния остаточных напряжений и- оценить их роль в каждом конкретном, случае. Тем не менее основополагаю­ щие экспериментальные исследования позволяют проиллюстрировать влияние остаточных напряжений наиболее убе­ дительно.

В исследованиях [132, 276, 307, 425] показано, что при наличии концентра­ торов напряжений и с понижением уровня внешних нагрузок остаточные*

Рис. 33. Расчетная зависимость уровня оста­ точных напряжений от величины внешнего» нагружения.

г

1 Ш

В

420

”" > Г Г | 7 7 ^ “

4

Рис. 34. Снижение со­ противления устало­ сти под влиянием рас­ тягивающих остаточ­ ных напряжений:

II, V, VI, VII — образ­ цы с высокими растяги­

вающими остаточными напряжениями; I, III,

IV, VII, I X — образцы без остаточных напряже­ ний: 1, 2 — результаты испытания образцов со­ ответственно I и II; 3 — образцов V и VI; 4 — об­ разцов IIIи IV; 5 — об­ разцов VIII; 6 — образ­

цов VII и I X .

напряжения усиливают свое действие. В этих и последующих исследованиях, выполненных в ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР [281], роль растягивающих остаточных напряжений оценивалась путем сопоставления кривых усталости однотипных образцов с высокими и низкими остаточными напряжениями. В зоне концентраторов они наводились искусственным путем.

На рис. 34 приведены характерные ре­ зультаты некоторых испытаний. Об­ разцы / в виде пластин (сталь М16С) с прошлифованным участком и отвер­ стием посередине не имели начальных

текучести ОМ. При этом обращалось внимание на то, чтобы механические

свойства и структура металла у отвер­ стия образцов II были такими же, как вдали от нагрева. Предел ограниченной выносливости на базе 2 106 циклов образцов без остаточных напряжений составил 120 МПа, образцов с высокими растягивающими остаточными напря­ жениями — наполовину ниже.

В сварных соединениях места кон­ центрации напряжений и высоких рас­ тягивающих остаточных напряжений совмещены с ЗТВ сварки. Пластиче­ ские деформации и термическое воздей­ ствие при сварочном нагреве могут упрочнить металл околошовной зоны, повысить его предел текучести. Для оценки раздельного влияния этих фак­ торов на сопротивление усталости свар­ ных соединений проводились усталост­ ные испытания образцов III — VI. В этой серии изучаемые факторы (оста­ точные напряжения и упрочнение ме­ талла, претерпевшего термомеханиче­ ский цикл сварки) могли действовать как раздельно, так и совместно. Об­ разцы III и IV (без остаточных напря­ жений) показали одинаковое сопро­ тивление усталости (о_1 = 120МПа). Не

отличались между собой и результаты испытаний образцов V и VI с высокими растягивающими остаточными напря­ жениями, возникшими от продольных наплавок. Однако линии усталости этих образцов располагаются ниже. Предел

Пластические деформации металла, вы­ званные сваркой, не оказали существен­ ного влияния на сопротивление уста­ лости образцов из низкоуглеродистой стали. Установленное изменение сопро­ тивления усталости относится только за счет воздействия остаточных напря­ жений.

Еще большее снижение сопротивле­ ния усталости под влиянием растяги­ вающих остаточных напряжений наблю­ далось при испытании образцов VII— IX . В образцах VII, вырезанных из общей заготовки (имевшей стыковой шов), и образцах IX (стыковой шов ко­ торых заваривался после разрезки плас­

тин с продольными наплавками) оста­ точные напряжения небольшие. Эти об­ разцы оказались долговечнее образцов VIII с высокими растягивающими оста­ точными напряжениями (они наводи­ лись продольной наплавкой валика).

Во всех опытах наблюдалась одна и та же закономерность: при напряже­ ниях ± (180...200) МПа, т. е. близких к пределу текучести ОМ исследованной низкоуглеродистой стали, сопротивле­ ние усталости образцов с высокими и низкими остаточными напряжениями становилось практически одинаковым. С понижением уровня переменных на­ пряжений остаточные напряжения уси­ ливали свое действие и в равной меро снижали долговечность образцов с из­ мененными и неизмененными свойствами металла в зонах концентраторов напря­ жений.

Неоднозначность проявления оста­ точных сварочных напряжений на раз­ личных уровнях нагрузки связана с неодинаковой величиной их установив­ шихся значений на каждом из этих уровней. При низких уровнях номи­ нальных напряжений (близких к пре­ делу выносливости) величина устано­ вившихся остаточных напряжений в зо­ нах концентраторов сварных соедине­ ний достаточно высока. В этих усло­ виях остаточные сварочные напряжения существенно снижают сопротивление ус­ талости. С ростом внешней нагрузки уровень установившихся остаточных на­ пряжений уменьшается. Вследствие этого происходит сближение кривых усталости соединений с растягивающи­ ми остаточными напряжениями и беа них. Когда величина установившихся остаточных напряжений в зонах кон­ центраторов достигает нулевых значе­ ний, долговечность сварных соединений с высокими исходными остаточными напряжениями и без них практически одинакова.

По тем же причинам роль остаточных напряжений в снижении пределов вы­ носливости сварных соединений зави­ сит от асимметрии цикла внешнего на­ гружения. В наибольшей степени влия-

$ясцгАа/л,М7

Рис. 35. Диаграммы предельных напряжений 'цикла сварных стыковых соединений низко­ углеродистой стали:

1 и V — без остаточных напряжений; 2 и 2 Р — с ■высокими растягивающими остаточными напряже­ ниями.

ние остаточных напряжений на сопро­ тивление усталости сварных соединений проявляется при симметричном цикле нагружения. С ростом значений коэф­ фициента асимметрии цикла В а раз­ ница пределов выносливости сварных

соединений с остаточными напряжени­ ями и без них уменьшается, что влечет за собой изменение наклона линии пре­ дельных напряжений соединений (рис. 35). Если ветви 1—1' диаграммы пре­ дельных напряжений сварных соеди­ нений без остаточных напряжений при их продлении пересекаются, то ветви 2 — 2 \ соответствующие образцам с вы­ сокими растягивающими остаточными напряжениями, практически параллель­ ны [281].

Интенсивность влияния растягиваю­ щих остаточных напряжений зависит также от характера передачи усилия в элементе пли образце, а также от ви­ да напряженного состояния. Для оцен­ ки раздельного влияния концентрации напряжений, изменения свойств ЗТВ и остаточных напряжений в условиях линейного напряженного состояния (из­ гиб) и плоского напряженного состоя­ ния (изгиб с кручением) в работе [15]

напряженность в образцах создавались пересекающимися швами. Сопоставле­ ние пределов выносливости образцов в исходном состоянии, после нормали­ зации и высокого отпуска показало (табл. 5), что при плоском напряжен­ ном состоянии, когда главпые напряже­ ния имеют разные знаки, влияние оста­ точных напряжений сказывается силь­ нее, чем при линейном напряженном состоянии. В то же время влияние кон­ центрации напряжений больше прояв-

и у сварных образцов. Результаты при­ веденных и других исследований [281] согласуются между собой. Во всех опы­ тах усталостные трещины вызывали хрупкие разрушения при низких номи­ нальных напряжениях только после того, как их глубина превысила 3,5— 4,5 мм. То же наблюдается на прак­ тике. Из всех преждевременных раз­ рушений хрупкого характера, очагом которых служили усталостные трещи­ ны, только в одном случае зафиксиро­ вана трещина глубиной мепее 4 мм — при разрушении вагонной тележки [126]. Усталостная трещина имела глубину 3 мм, однако с учетом подреза в этом месте общая глубина надреза равня­ лась 6,5 мм.

Сказанное позволяет сделать вывод, что в качестве основного критерия за­ вершения усталостных испытаний круп­ номасштабных сварных образцов сле­ дует принимать предельное докритическое состояние усталостной трещи­ ны, исключающее возможное возникно­ вение преждевременного хрупкого раз­ рушения изделия или конструкции. Для рассмотренных условий наиболь­ шая докритическая глубина усталост­

ной трещины составляет 2—3 мм. При указанных размерах трещпны и должна фиксироваться циклическая долговечность образцов основного ма­ териала и сварных соединений, опре­ деляемая для оценки несущей способ­ ности элементов таких конструьщий, как мосты, краны, подкрановые бал­ ки, антенно-мачтовые сооружения, экс­ каваторы, подвижной состав, дорожные машины и т. п. Наряду с этим основ­ ным критерием при испытании свар­ ных образцов целесообразно фикси­ ровать также момент образования ви­ димой трещины и число циклов, отве­ чающее полному разрушению образ­ ца. В методических указаниях [213] в качестве критериев разрушения (пре­ дельных состояний) при определении пределов выносливости и построении кривых усталости предписывается при­ нимать момент образования макротре­ щины глубиной до 0,5 мм (МОТ); мо­

переход усталостного разрушения свар­ ных соединений в хрупкое при кли­ матических температурах); полное

бо.УПа

Рпс. 38. Кривые усталости стыковых (а) и нахлесточных (б) соединений, полученные по трем критериям завершения испытаний:

1 — МОТ; 2 — ПРТ; з — ПРО.

разрзчпение образцов (ПРО). Допуска­ ется определять характеристики сопро­ тивления усталости сварных соедине­ ний по двум или трем критериям раз­ рушения на одном и том же образце. Но при этом необходимо обеспечить надежный контроль промежуточных предельных состояний образца — МОТ н ПРТ.

Значение предела выносливости не изменяется в зависимости от прини­ маемого критерия завершения испы­ таний. В то же время существенно изменяются пределы ограниченной вы­ носливости и абсциссы точек перело­ мов кривых усталости (рис. 38). Как видно из графиков, от момента возник­ новения видимой трещины до полного излома сварной образец выдерживает значительное число перемен напряже­ ний. При низких напряжениях для полного развития усталостной трещи­ ны может потребоваться несколько мил­ лионов циклов. Принятие критерия наи­ большей докритической трещины поз­ воляет сдвинуть кривую в среднем на

одну треть интервала, характеризую­ щего период развития трещины.

Дальнейшие исследования, связан­ ные с уточнением предельных состоя­ ний и критериев завершения усталост­ ных испытаний сварных образцов, мо­ делей и элементов конструкций, могут получить наибольшее развитие на ос­ нове подходов механики разрушения. Критерии механики разрушения по­ зволяют более четко разграничить ста­ дию возникновения и развития уста­ лостной трещины, точнее установить предельный размер макротрещины с учетом изменения свойств сварного сое­ динения и других факторов, влияющих на процесс перехода усталостной тре­ щины в хрупкую при циклическом на­ гружении в различных условиях.

База испытаний. Элементы пролетных строений мостов, вагонов, тепловозов, кранов, подкрановых балок и многих других сварных изделий и сооружений за срок своей службы могут испытывать свыше 10 млн перемен напряжений. Для таких конструкций максимальная длительность испытаний сварных сое­ динений соответствует правому участ­ ку кривой усталости.

О виде правого участка и располо­ жении места перелома кривой усталос­ ти сварных соединений существует не­ сколько представлений [281]. По наи­ более распространенному мнению, кри­ вые усталости сравнительно мягких сталей и их соединений при графиче­ ском изображении в логарифмических (1& от, Ю или полулогарифмических (а, 1& IV) координатах могут представ­ ляться в виде двух прямых: крутопа­ дающей и горизонтальной. При этом считается, что точка пересечения этих прямых находится в районе N = 2 X X 106 циклов.

После перелома, по-видимому, про­ исходит некоторое дальнейшее пониже­ ние долговечности с возрастанием чис­ ла циклов, но оно настолько незначи­ тельное, что для практических целей им обычно пренебрегают. Но это, в частности, указывают данные испыта­ ний стыковых соединений и образцов