книги / Сварные конструкции

усталости (или кривой Веллера). Эта зависимость показывает, что при некотором предельном значении напряжений разрушение не будет происходить даже при весьма большом количестве циклов. Об этом свидетельствует наличие горизонтального участка на кривой усталости. Предел выносливости и соответствует уровню напряжения горизонтального участка кривой выносливости. Ко­ личество циклов, при котором производится определение предела выносливости, называется базой испытания.

Циклом напряжений называется совокупность последователь­ ных значений переменных напряжений за один период их изменения ння (рис. 3.10).

а)б

Основными параметрами цикла напряжений являются следую­ щие: Т — период цикла; огаах — максимальное напряжение цикла (наибольшее по алгебраической величине); amln — минимальное напряжение цикла (наименьшее по алгебраической величине); бт— среднее напряжение цикла; аа — амплитуда напряжений цикла.

Параметры цикла напряжений связаны между собой следую­ щими зависимостями:

„ __ Стах ~Ь Cmin .

2 »

пffmax — Сщт .

— 2 »

а тах = °т + °а\

°mln =

База испытания устанавливается в зависимости от физических свойств материала и для различных материалов она может быть различной.

Для стальных образцов база испытания принимается равной N0 = 107. Для образцов из алюминия (а также для некоторых дру­ гих материалов, кривые усталости которых не имеют горизонталь­ ного участка) она принимается равной N0 = 5-.107. Такое

большое значение базы испытаний целесообразно принимать для деталей конструкций машиностроительного типа, которые в процессе работы могут подвергаться воздействию и значительно большего количества циклов переменной нагрузки.

Для металлических конструкций многих других отраслей промышленности и строительства в соответствии с условиями их эксплуатации количество циклов переменной нагрузки может быть значительно меньшим. Так, например, считают, что для корпусных судовых конструкций количество циклов переменной нагрузки за весь период службы не превышает N = 10е; для мостовых кон­ струкций N — 2 - 10е; такое же значение базы принято и длякрановых металлических конструкций.

Всвязи с этим для таких конструкций определяют ограничен­ ный предел выносливости при значительно'меньшей базе. Обычно

вэтих случаях принята база N = 2-106.

Взависимости от характеристики цикла г, представляющей собой отношение минимального значения напряжений crmln от

вибрационной нагрузки и максимальному их значению огаах^г =*

=gm1П■), величина предела выносливости меняется. Это изме­ нах /

нение выражено графиком, приведенном на рис. 3.11, б.

Для непосредственного применения в расчетах более удобными являются прямолинейные зависимости, в связи с чем линия вы­ носливости строится в логарифмических координатах (рис. 3.12, а). Диаграмма выносливости, построенная в координатах о и ат с некоторым приближением, может быть принята прямолинейной. Она позволяет определять значениё предела выносливости при различных характеристиках цикла (рис.. 3.12, б).

Вибрационные испытания серии образцов обычно проводят в следующем порядке.

Для первого образца принимают напряжение, заведомо пре­ вышающее предел выносливости о х > аг, и определяют число циклов Ni, при котором произойдет его разрушение. Для второго образца напряжение принимают несколько меньшим а 2 < а х и также определяют число циклов N2, при котором произойдет разрушение. Так поступают последовательно и с другими образ­ цами, для которых при меньших задаваемых значениях напряже­ ний будет, как правило, получаться соответственно большее значение числа циклов, выдержанных до разрушения. Степень снижения напряжений, задаваемых для отдельных образцов, сле­ дует выбирать с учетом получения возможно лучших условий для построения кривой выносливости в диапазоне изменения коор­ динат, определяемом базой испытания. При таком порядке испы­ таний необходимо добиться, чтобы один из последних образцов, испытанный при самом низком уровне напряжений, достиг задан­ ной базы испытания без разрушения. При этом в случае, если разность между значениями напряжений, принятыми для этого

соответственно, ниже линии пределов выносливости гладких.образ­ цов (рис. 3.12, в).

Диаграмма выносливости может быть с достаточной степенью точности построена по двум точкам. В качестве таких точек ис­ пользуются либо два значения предела выносливости, получен­ ные экспериментальным путем для двух различных значений характеристикицикла, либо только одно значение предела вы­ носливости, а в качестве второго значения используется предел прочности, который условно принимается в качестве предела вы­ носливости при характеристике цикла г — 1.

Последний способ построения применяется чаще потому, что он является более легким. Однако необходимо заметить, что верх­ няя точка диаграммы, определяемая значением = а^, дей­ ствительного физического смысла не имеет. Она может быть использована только потому, что, упрощая само построение на участке действительной части диаграммы, дает достаточно близ­ кое совпадение с истинными значениями пределов выносливости.

§ 11. К О Н Ц Е Н Т Р А Ц И Я Н А П Р Я Ж Е Н И Й

ВС В А РН Ы Х С О Е Д И Н Е Н И Я Х

Применение сварки открыло исключительно большие воз­ можности в создании новых форм соединений и узлов разчичйых элементов конструкций. Многообразие конструктивных форм стало одной из наиболее характерных особенностей сварных кон­ струкций и способствует их дальнейшему совершенствованию.

Разнообразие качественных характеристик сварных соедине­ ний необходимо для более полного удовлетворения технических и экономических требований, определяющихся условиями изго­ товления и эксплуатации конструкций.

В сварных конструкциях в отличие от клепаных многообразие форм создает условия, при которых диапазон изменения коэффи­ циента концентрации напряжений в различных соединениях и узлах является весьма широким. При этом могут иметь место случаи, когда в зависимости от конструктивной формы сварные соединения по своему напряженному состоянию будут находиться в более благоприятных условиях, чем клепаные.

Такое положение характерно, в частности, для сварных соеди­ нений встык и впритык (при условии, если в последнем случае обеспечено полное проплавление по всей толщине присоединяе­ мого элемента). Однако могут быть также случаи применения в сварных конструкциях менее удачных форм.

Это относится к сварным соединениям внахлестку и к неко­ торым узлам, в которых имеет место резкое изменение формы. Напряженное состояние в таких сварных соединениях и узлах является менее благоприятным, чем в аналогичных клепаных кон­ струкциях, и характеризуется более высокими значениями коэф­ фициента концентрации напряжений.

Наиболее широкое применение в сварных конструкциях по­ лучили соединения встык и впритык, обладающие высокими проч­ ностными характеристиками и обеспечивающие возможность полу­ чения значительной экономии металла. Наряду с ними (в менее ответственных элементах и узлах конструкций) находят примене­ ние соединения внахлестку, которые, хотя и являются менее совершенными по прочностным характеристикам (особенно при вибрационных нагрузках), допускают более легкие условия для заготовительных операций и

эксплуатации, имеет для сварных конструкций большое значение. При оценке прочности различных по форме сварных соединений необходимо учитывать концентрацию напряжений и ее влияние в зависимости от вида нагрузки.

Напряженное состояние соединения встык. На рис. 3.13 пока­ зано распределение напряжений в моделях стыкового соединения. По этим данным можно видеть, что даже в таком благоприятном по форме сварном соединении,, каким является стыковое соедине­ ние, распределение напряжений не является равномерным. Наи­ более значительная концентрация напряжений наблюдается в ме­ стах переходов от шва к основному металлу, расположенных у вы­ ступов шва. Эти участки стыкового соединения являются наиболее опасными.

Местное утолщение стыкового шва вызвано необходимостью иметь некоторый технологический допуск по толщине шва для учета неравномерности процесса переноса металла с электрода в шов.

Размер технологического допуска сравнительно невелик и на­ личие его никак не связано со стремлением увеличить нрочносгь

стыкового шва. Поэтому термин «усиление шва», применяемый иногда для обозначения местного утолщения шва, является со­ вершенно неправильным. Это необходимо подчеркнуть не только для упорядочения терминологии, но главным образом, потому что этот неправильный термин часто приводит к совершенно не­ верным представлениям о прочности сварного стыкового соеди­ нения и к ошибочным рекомендациям по усилению стыковых швов их чрезмерным утолщением. Это вызывает не только излиш­ ние производственные затраты, но может увеличить концентра­ цию напряжений и осложнить условия работы сварных соедине-

ГлМП

Рис. 3.15. Изменение коэффициента концентрации напряжений стыкового сое­ динения: а — в зависимости от высоты усиления; б — в зависимости от радиуса перехода

ний. Поэтому для конструкций, воспринимающих вибрационные нагрузки, подобное «усиление» в действительности может привести

кзначительному снижению прочности.

Всоединениях клепаных конструкций концентрация напря­ жений является более значительной, чем в сварном стыковом соединении (рис. 3.14). Поданным, полученным экспериментально, коэффициент концентрации напряжений для соединений с двухсрезиыми заклепками достигает значения

°ср

В сварном стыковом соединении концентрация напряжений может быть значительно снижена или даже полностью устранена.

Результаты специальных исследований показали, что кон­ центрация напряжений в стыковом соединении зависит от формы шва, главным образом от формы поверхности участков перехода от шва к основному металлу. На рис. 3.15 приведены зависимости коэффициента концентрации напряжений от высоты выступа шва и от радиуса перехода. Уменьшение местных утолщений шва и обеспечение плавных переходов от шва к основному металлу яв­ ляются эффективными средствами снижения концентрации напря­ жений в стыковом соединении. Эти средства являются вполне до-

статочными для того, чтобы обеспечить вибрационную прочность сварного соединения, равной вибрационной прочности гладкого образца из основного металла.

Напряженное состояние соединения впритык. Соединения впритык весьма широко применяются в различных сварных кон­ струкциях. Они характеризуются более значительными измене­ ниями формы по сравнению с соединениями встык, поэтому концентрация напряжений в них может быть более высокой.

На рис. 3.16 показаны эпюры распределения деформаций и

личные типы соединений и соответствующие им эшоры)

Увеличение неравномерности распределения напряжений в се­ чении у швов образца с угловыми швами объясняется влиянием непровара, который, изменяя поток усилий, создает дополнитель^ ную концентрацию напряжений.

Разделка .громок соединяемых элементов, обеспечивающая полный провар по всей их толщине, создает более благоприятные условия работы соединения, которые характеризуются менее зна­ чительной концентрацией напряжений. В этом случае напряжен­ ное состояние соединения впритык приближается к напряженному состоянию соединения встык, поэтому такое конструктивное оформление его рекомендуется применять в наиболее ответствен­ ных случаях, когда снижение концентрации напряжений может повысить надежность работы соединения (например, при^ вибра-, ционной нагрузке).

Высокая концентрация напряжений возникает в сварных конструкциях в местах резкого обрыва отдельных элементов.

Подобные условия были созданы при испытании образца с крес­ товыми соединениями (рис. 3.17).

Такие типы соединения характерны для сопряжений пере­ секающихся плоских элементов, расположенных в различных плоскостях. Примеры применения подобных соединений в реаль­ ных конструкциях встречаются довольно часто.

8) Л*

2,0

1.8

/,8 1.Ц I.?

(,0

О (IÛ 80 120 №0 а, мм

Рис. 3.17. Распределение напряжений в крестовых, соеди­ нениях: а — крестовое соединение; б — эпюра нормаль­ ных напряжений при JC= 0 ; в — зависимость коэффи­

циента концентрации напряжений от расстояния между концевыми ребрами при у = 0

Условия работы среднего участка центральной пластины кре­ стового образца являются весьма сложными. Этот участок харак­ теризуется значительной концентрацией напряжений. Наиболь­ шие напряжения имеют место в точках, расположенных у концов примыкающих ребер. Коэффициент концентрации напряжений зависит от расстояния между концами ребер (размер а на рис. 3.17, а). При большом расстоянии между ребрами поля кон­ центрации напряжений, создаваемые по концам крепления ребер, не оказывают влияния друг на друга. При сближении ребер (при уменьшении размера а) происходит взаимное наложение полей концентрации напряжений и в связи с, этим коэффициент концен­ трации возрастает. Об этом можно судить по графикам на 3.17, б, построенным на основании расчета.

.. Для снижения концентрации напряжений подобных соедине­ ний необходимо увеличивать расстояния между прикрепляемыми концевыми ребрами (расстояние а на рис. 3.17, а) и, кроме того, обеспечивать более плавное изменение формы постепенным умень­ шением ширины концевых ребер и применением дополнительной механической обработки, как это показано на рис. 3.18. При вы-

полнении указанных рекомендаций подобные соединения могут применяться в ответственных сварных конструкциях.

Изучение условий распределения напряжений в различных сварных соединениях способствует более всесторонней оценке условий их работы и позволяет наметить пути для выбора более совершенных форм сварных узлов.

Зона полного проворо

Рис. 3.18. Обработка концов прикрепляемых элементов, рекомендуемая для снижения концентрации напряжений

Первоначальные условия распределения напряжений в про­ цессе эксплуатации конструкций могут изменяться из-за появле­ ния местных пластических деформаций в районе наибольшей кон­ центрации напряжений. В связи с этим в дополнение к данным о первоначальных условиях распределения напряжении необхо­ димо располагать еще характеристиками прочности сварных соеди­ нений при различных видах нагружения.

§ 12. ПРОЧНОСТЬ И ВЫНОСЛИВОСТЬ С В А РН Ы Х СОЕДИНЕНИЙ

Оценка прочности сварных конструкций. Условности, принятые при определении механических характеристик, затрудняют вопрос непосредственной оценки прочности элементов реальных конструк­ ций, в том числе и сварных соединений, только по результатам испытания стандартных образцов.

Механические характеристики, полученные указанным спо­ собом, определяют свойства только самого металла.

Условия работы сварных соединений, для которых характерно наличие различных зон неоднородного металла (основного ме­ талла, металла шва и зоны влияния), а также возможно наличие различных изменений формы, могут существенно отличаться от условий испытания стандартных образцов. Поэтому для оценки прочности сварных соединений необходимо знать не только меха­ нические характеристики металла различных зон, но также рас­ полагать данными, полученными на основании соответствующих испытаний самих сварных соединений.

Как было указано ранее, прочность сварных конструкций и надежность их в работе в общем случае обеспечиваются опреде­ ленным комплексом требований к материалу конструкции, к фор­ мам сварных соединений и технологии изготовления.

Применительно к условиям, наиболее часто встречающимся в практике изготовления сварных конструкций из малоуглероди­ стой и низколегированной стали (т. е. к условиям, когда выбор материала уже произведен), задача обеспечения требуемой проч­ ности сварных соединений несколько упрощается. При этом остает­ ся, учитывая свойства заданного материала, произвести соответ­ ствующий выбор форм сварных соединений и технологии изго­ товления.

Если допустить, что вопросы, связанные с технологией изго­ товления, будут успешно решены, т. е. будет обеспечено (как это и имеет место для конструкций из малоуглеродистой и низколе­ гированной стали) получение сварных соединений высокого ка­ чества, в которых металл шва и околошовной зоны не будет усту­ пать по прочности основному металлу и в то же время будет обес­ печена необходимая пластичность металла указанных участков, то вопрос об оценке прочности всех разнообразных по форме свар­ ных соединений можно будет еще более упростить, конкретизи­ ровав его применительно к определенным условиям.

Такая условность в постановке вопроса об оценке прочности сварных соединений относится только к конструкциям из мало­ углеродистых и низколегированных сталей, технология изготов­ ления которых является хорошо освоенной. Однако подобная схема решения вопросов может быть вполне применимой и по отношению к сварным конструкциям из других материалов. В частности, она применима к конструкциям из некоторых марок легких сплавов (термически неупрочняемых), которые в настоящее время начинают применяться в отдельных отраслях промышлен­ ности и строительства. Таким образом, можно считать, что при­ нятая постановка вопроса об оценке прочности сварных соедине­ ний не относится только к частному случаю, а может быть применима для конструкций, наиболее часто встречающихся в производственных условиях.

Прочность при статической нагрузке. Одним из основных требований, которые предъявляются к материалу для сварных конструкций, является обеспечение достаточной его пластичности. Сварные соединения из малоуглеродистой стали удовлетвори ютэтому требованию и их разрушение обычно сопровождается зна­ чительными пластическими деформациями.

В этих условиях первоначальная концентрация напряжений, наблюдающаяся в различных сварных соединениях, не может оказывать влияния на их прочность, так как в процессе развития пластических деформаций происходит выравнивание напряжений и к моменту разрушения сварного соединения напряжения в его опасном сечении во многих случаях полностью выравниваются.