книги / Сварные конструкции

Для определения прочности сварного соединения в сечении по шву применяются образцы, сечение которых в месте сварного шва уменьшено (рис. 3.4, б). Размеры таких образцов приведены в табл. 3.3.

При испытаниях на статический изгиб сварных стыковых соеди­ нений проверяют их способность к пластическому деформирова­

Если угол изгиба превышает 150°, то-после испытания в при­ способлении по схеме на рис. 3.5, б дальнейшее деформирование образца производится между двумя параллельными нажимными плитами с применением прокладки, толщина которой принимается равной диаметру оправки (рис. 3.5, в).

При испытании образцов с односторонними швами в растяну­ той зоне располагается лицевая сторона шва.

При испытании образцов с двусторонними швами в растянутой

В лияние наклепа. Если при испытании на растяжение образец загрузить за предел текучести, затем разгрузить и после неко­ торого «отдыха» загрузить вторично то напряжение, после кото­

ных нагрузок выше предела текучести и, связанное с этим повышение предела текучести и предела прочности (а также и твердости) называется наклепом.

Подобное же явление наблюдается и при различных других воздействиях на металл, производимых в процессе изготовления конструкций. При этом металл упрочняется, но становится менее пластичным. Почти все методы обработки металла создают наклеп.

Особенно значительный наклеп вызывают операции, которые соз­ дают пластические деформации при холодном состоянии металла.

К числу таких операций относятся: холодная гибка, холодная правка, холодная проковка, которые часто применяются в про^ цессе изготовления металлических конструкций. Наклеп вызы­ вает также и сварка. При этом металл, расположенный вблизи сварного шва, подвергающийся действию'пластических дефор­ маций, вызванных неравномерным нагревом, несколько теряет свои пластические свойства. Суммарное влияние различных опе­ раций, применяемых в процессе изготовления, может привести

кпоявлению местных трещин.

Всвязи с этим необходимо ограничивать степень подобных воздействий и учитывать их при разработке технологического про­ цесса. Этими же обстоятельствами объясняются также и требо­ вания, предъявляемые к металлу по уровню его исходных ха­ рактеристик пластичности.

Для конструкций, при изготовлении которых нельзя избежать холодного деформирования, применяют стали с несколько боль­ шим запасом деформационной способности. К числу таких сталей относятся марки котельной стали 15К, 20К, 25К.

Структуру наклепанного металла можно исправить термиче­ ской обработкой.

Влияние формы. Механические свойства материала конструк­ ции оцениваются следующими характеристиками: модулем упру­ гости Е\ пределом прочности сгв; пределом текучести ат; относи­ тельным удлинением б; относительным сужением ф; ударной вяз­ костью аи\ критической температурой хрупкости Тк и некоторыми другими.

Все эти характеристики определяются по результатам спе­ циальных испытаний стандартных образцов из однородного мате­ риала. Общей связи между всеми указанными механическими характеристиками не установлено. В расчетах на прочность, про­ водимых при проектировании, используются только такие ха­ рактеристики, как £, ав и стт. Такие характеристики, как б, ф, ан, Тк используются лишь для некоторой приближенной оценки деформационной способности материала и его сопротивляемости хрупким разрушениям при наличии концентраторов напряжений и низкой температуры.

Условия работы элементов реальных конструкций, для кото­ рых характерно наличие большого разнообразия форм, сущест­ венно отличаются от условий испытания стандартных образцов.

Условность определения механических характеристик и при­ вязка их значений только к определенной форме стандарт­ ного образца ограничивает возможности определять то влияние, которое оказывает на эти характеристики различная форма, возможная в элементах реальных конструкций. Механические характеристики, полученные при испытании различных по форме образцов, строго говоря, несопоставимы между собой. Особенно

четко это заметно по отношению к характеристикам пластичности. Отражается это также и на значении таких характеристик, как предел прочности, предел текучести и других. Условность опре­ деления предела прочности при испытании стандартного образца состоит в том, что его величина определяется по формуле

большего значения площадь поперечного сечения образца будет иной, чем до начала испытаний. Следовательно, определяться бу­ дет не величина действительного сопротивления разрушению (называемого иногда истинной прочностью), а некоторое условное ее значение, которое связано с вполне определенной заданной формой образца. Изменение площади поперечного сечения в про­ цессе испытания образца связано с процессом образования шейки и с величиной возможного при этом поперечного сужения. При испытании образцов достаточной длины процесс образования шейки может быть осуществлен в полной мере. При испытании коротких образцов он затруднен. Элементы реальной конструкции очень часто обладают такими размерами, при которых процесс образова­ ния шейки бывает ограничен. Таким* образом, только разница между формой элемента реальной конструкции и формой стан­ дартного образца может быть достаточной для того, чтобы для одного и того же материала, обладающего одной и той же проч­ ностью, получить различные значения предела прочности.

Влияния формы образцов на механические свойства можно оценить по данным, приведенным в табл. 3.5 и на рис. 3.7, полу­ ченным при испытании на растяжение образцов различного типа

Тип 1 соответствует форме стандартного десятикратного об­ разца и может быть принят в качестве эталона для сравнения. Образцы остальных типов имеют различные надрезы, острота которых повышается по мере перехода от типа 2 к типу 6. Расчет­ ная площадь образцов всех типов была одинаковой.

По результатам испытания видно, что наименьшая разрушаю­ щая нагрузка была получена для образцов типа /. Во всех осталь­ ных случаях значение разрушающей нагрузки было более высо­ ким. Можно отметить также, что степень повышения разрушающей нагрузки увеличивалась в соответствии с остротой надреза. Та­ ким образом, эти результаты показывают, что наличие надрезов приводит к повышению предела прочности образцов. Результаты испытаний этих образцов показывают также, что относительное удлинение ô10 (определенное для всех образцов на десятикратной базе) и поперечное сужение ф по мере роста предела прочности, соответственно, снижались. При этом общая работа пластической деформации также снижалась.

Повышение значений предела прочности для образцов различ­ ных типов связано с соответствующим снижением поперечного сужения площади их поперечного сечения.

Если диаграммы растяжения, полученные для образцов раз­ личного типа, несколько изменить, построив их в координатах «S и Я, которые учитывают соответствующие изменения рабочей площади поперечного сечения образцов, происходящие по мере роста нагрузки, то можно будет сделать вывод о том, что действи­ тельная прочность для образцов всех типов была примерно оди­ наковой.

При этом:

Ф

Здесь S — действительное значение напряжения; Р — растя­ гивающая нагрузка; F — действительное значение площади по­ перечного сечения образца; ф — значение поперечного сужения; Я— условное относительное удлинение в данном сечении образца.

При испытании подобных образцов из хрупких материалов результат получается иной. По мере роста остроты надрезов зна­ чение разрушающей нагрузки не увеличивается, как это отме­ чается для образцов из пластичного материала, а уменьшается. Это объясняется тем, что пластические деформации, которые при­ водят к уменьшению первоначального значения площади попереч­ ного сечения в образцах из пластичного материала, при разруше­ нии образцов из хрупкого материала отсутствуют и поэтому пло­ щадь поперечного сечения для образцов различного типа остается постоянной.

Кроме того, пластические деформации, происходящие при рас* тяжеиии образцов с надрезами из пластичного материала,’ сни­ жают в них концентрацию напряжений, влияние которой поэтому и не может в них проявиться. При испытании же образцов с над­ резами из хрупкого материала, концентрация напряжений сохра­ няется и поэтому влияние ее проявляется в снижении значений разрушающей нагрузки.

Влияние температуры. Основные характеристики механиче­ ской прочности материала определяются при комнатной темпера­ туре (20° С). При изменениях температуры, которые могут иметь место при эксплуатации конструкций в различных природных

вится хрупким.

Эти различные состояния материала весьма существенно про­ являются в поведении материала под нагрузкой. При вязком состоянии материала его разрушение при растяжении происходит при значительных пластических деформациях (о чем можно судить по таким характеристикам, как* относительное удлине­ ние и поперечное сужение). При этом работа, которая затрачи­ вается на процесс разрушения, является достаточно значитель­ ной.

При хрупком состоянии материала его способность к пластиче­ скому деформированию резко снижается. Поэтому разрушение при растяжении происходит* почти без остаточных деформаций. И хотя при этом предел прочности обычно несколько возрастает, работа, которая затрачивается на разрушение материала, оказы­ вается (из-за резкого снижения характеристик пластичности) чрезмерно малой (рис. 3.8).

Таким образом, несмотря на то, что при низких температурах предел прочности материала несколько повышается (что связано главным образом с условностью вычисления значения предела прочности, состоящей в том, что в расчет принимается начальное значение площади поперечного сечения образца, а не действитель­

ное ее значение, соответствующее моменту разрушения), опас­ ность мгновенного разрушения, возможного при случайных пере­ грузках конструкции, возрастает вследствие малой энергоемкости самого процесса разрушения.

При вязком состоянии материала опасность подобного разру­ шения сравнительно невелика, так как энергия дополнительного воздействия от случайных перегрузок, возможных в реальных условиях, может быть поглощена работой, затрачиваемой на про­ цесс пластического деформирования материала.

На переход материала в хрупкое состояние сильное влияние оказывает также и концентрация напряжений, которая повышает значение критической температуры хрупкого разрушения, уве­ личивая этим опасность работы конструкций при низких темпера­ турах.

В связи с этим в конструкциях, предназначенных к эксплуа­ тации в северных районах страны, где возможно снижение тем­ пературы до — 70° С и даже ниже, необходимо применять только пластичные материалы и избегать условий появления различных концентраторов напряжений (резких изменений конструктивных форм и таких пороков сварных швов, как непровары, подрезы и другие дефекты).

В л и я н и е в ы с о к и х т е м п е р а т у р также прояв­ ляется в изменении механических свойств материала. В таких установках, как паровые и газовые турбины, а также в различных агрегатах атомной энергетики, отдельные детали должны работать при температуре, доходящей до 500° С и выше.

Когда материал длительное время находится под напряжением в условиях действия высокой температуры, то его прочность опре­ деляется одновременным действием трех факторов — нагрузки, времени й температуры.

В этих условиях большое значение имеет такое свойство мате­ риала, как ползучесть, т. е. медленное нарастание пластических деформаций (медленная текучесть) при силовых воздействиях, меньших, чем те, которые вызывают появление пластических де­ формаций в обычных температурных ^условиях.

При расчетах имеет значение такая характеристика этого процесса, как предел ползучести, т. е. наибольшее напряжение, при котором скорость нарастания пластической деформации или общая деформация (за определенный срок) не превышает опреде­ ленной величины (для заданной .температуры).

Допускаемая величина суммарной деформации обычно ^ 1 % , а допускаемая скорость ползучести составляет от 10“2 до 10~7 % в час.

При длительных воздействиях высоких температур под нагруз­ кой имеет значение и такая характеристика, как длительная проч­ ность, которая характеризует способность материала длительное время сопротивляться разрушению, без потери вязкости и плас­ тичности.

Длительная прочность — это нормальное напряжение, вызы­ вающее разрыв образца после заданного срока непрерывного действия нагрузки при определенной температуре.

Ресурс работы деталей турбин может изменяться в пределах

теплоустойчивых и жаропрочных сталей в интервале температур 450° — 750° С.

В соответствии с уровнем жаропрочности наиболее распростра­ ненные хромомолибдеиовые стали перлитного класса находят

6# 7кгс/ мм2( W fМПа)

Рис. 3.9. Значения длительной прочности в зави­ симости от температуры:

1 — малоуглеродистые стали; 2 — хромомолибденовые стали; 3 — хромистые стали; 4 — аустенитные жаропроч­ ные стали; 5 — специальные жаропрочные сплавы на

никелевой основе

применение в узлах турбин, работающих при температуре до 550° С. В интервале температур 550—600° С применяются хроми­ стые стали. В зоне температур 600—650° С используются аусте­ нитные жаропрочные стали. При температурах выше 650° С применяются специальные сплавы на никелевой основе.

Особенности действия повторно-переменной нагрузки. Влияние концентрации напряжений наиболее сильно проявляется при действии повторно-переменной (вибрационной) нагрузки. Это объясняется тем, что под действием многократно повторяющихся нагружений разрушение деталей происходит при напряжениях, которые не только значительно ниже предела прочности, но даже ниже предела текучести. При таких сравнительно невысоких зна­ чениях напряжений пластические деформации либо совсем отсут­ ствуют, либо весьма малы, поэтому концентрация напряжений не может быть устранена в процессе нагружения (подобно тому, как это имеет место при разрушениях, вызываемых статической нагрузкой) и сохраняется на всем протяжении времени действия

повторно-переменной нагрузки, что и приводит к появлению мест­ ных разрушений в наиболее напряженных участках. Появившаяся трещина является'очагом разрушения и при дальнейшем действии переменной нагрузки, постепенно разрастаясь, приводит к пол­ ному разрушению всего сечения.

Процесс постепенного накопления повреждений, развивающийся в материале при многократном приложении нагрузки и приводя­ щий к его разрушению, называется усталостью. Выносливостью называется свойство материала противостоять усталости.

Пределом усталости (или пределом выносливости) называется наибольшее напряжение аг, которое может без разрушения выдер-

iS)0

а)б

Рис. 3.10. Изменение напряжений от переменной нагрузки: а — симме-* тричный цикл при г = —1; б — пульсирующий цикл при г — 0

жать испытуемый образец при весьма большом количестве циклов нагружения.

В обозначении предела выносливости индексом указывается характеристика цикла переменной нагрузки г, которая может иметь различные значения в зависимости от условий нагружения.

К настоящему времени наиболее хорошо изучены закономер­ ности применительно к условиям действия вибрационной нагрузки, характерным для различных конструкций машиностроительного типа. В этом случае изменение величины нагрузки, происходящее от воздействий вращающихся частей машин, характеризуется опре­ деленной закономерностью, подобной той, которая показана на рис. 3.10.

Предел выносливости определяется экспериментально по ре­ зультатам вибрационных испытаний серии одинаковых образцов. Число образцов в серии составляет 8— 12 шт. При этом каждый образец испытывается только на одном уровне напряжений до разрушения или до заданного (базового) числа циклов. По резуль­ татам таких испытаний строится график, выражающий зависимость между напряжениями (значение которых для отдельных образцов, входящих в серию, задается различным) и количеством циклов переменного нагружения, выдержанным образцами цо разрушения. График, характеризующий зависимость величины разрушающих напряжений от количества циклов (рис. 3.11), называется кривой