Сварные конструкции. Механика разрушения и критерии работоспособности

Листать книгу

Страницы: ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...

скачать книгу Сварные конструкции. Механика разрушения и критерии работоспособности

В соединениях с лобовыми швами (рис.9.3.7,б) форму перехода от шва к основному металлу определяют параметры р и <р (рис.9.3.9). При экспериментальном исследовании с использованием методов фотоупругости и топографической интерференции было показано, что коэффициент концентрации напряжений аа
...
приводит к увеличению коэффициента концентрации напряжений в месте перехода шва к основному металлу, которое тем больше, чем больше угол перехода <р.
...
В работе [30] показано, что концентрация напряжений вблизи углового шва существенно зависит от характера передачи нагрузки в сварном соединении.
...
Вредное влияние концентрации напряжений в тавровых соединениях (рис.9.3.10) особенно сильно проявляется в конструкциях подкрановых балок. Многочисленные обследования в действующих цехах показывают, что большинство усталостных трещин появляется в сварных швах и в основном металле верхней части стенок балок, непосредственно воспринимающих местные давления от катков кранов. При этом источником трещин чаще всего являются непровары стенки и другие концентраторы, а долговечность подкрановых балок в цехах с весьма тяжелым режимом работы мостовых кранов составляет всего 4-6 лет [258].
...
Степень влияния концентрации напряжений на выносливость конструктивного элемента может оказаться различной в случае, если концентратор располагается в основном металле или в зоне сварного соединения. Так, при испытании различных типов соединений из низколегированной стали Ml6с были получены пределы вьшосливости, представленные в табл. 9.3.1.
...
Из этой же стали испытаниям подвергали плоские образцы без сварных швов с выточками различной глубины и остроты. При этом в обоих случаях значения коэффициентов ас определяли поляриза-ционно-оптическим способом на моделях, подобных образцам, подвергавшимся усталостному нагружению. Полученные зависимости предела вьшосливости от коэффициента ао представлены на рис.9.3.11 [321]. Можно видеть, что различие между пределами выносливости пластин
...
Рис.9.3.11. Зависимость пределов выносливости от теоретического коэффициента концентрации напряжений:
...
Значительно большая часть работ посвящена изучению усталостной прочности соединений, сваренных дуговым методом, и меньшая — прочим, в частности контактным. При работе под переменными нагрузками у сварных соединений, выполненных контактным методом, имеется ряд важных
...
факторы, оказывающие влияние на предел выносливости
...
Рис.9.3.12. Кривые малоцикловой усталости стыковых соеяипений различной прочности при от нулевом цикле напряжений:
...
Подтверждение этому можно видеть на рис.9.3.12 [320]. Однако перелом кривой усталости означает не только переход от квазистатического к усталостному разрушению, но и смену места разрыва с основного металла на сварное соединение. При этом по мере увеличения числа нагружении кривые усталости сталей различной прочности начинают сближаться.
...
Таким образом, с увеличением числа циклов нагружении, в особенности знакопеременных, представление о целесообразности использования сталей прочных и высокопрочных радикально меняется. На рис.9.3.13 можно видеть, что при наличии концентрации напряжений, в особенности в присутствии коррозионной среды, предел выносливости материалов различной прочности оказывается практически одинаковым [202]. Это подтверждается сопоставлением пределов выносливости, полученных при симметричных нагрузках для большой группы низколегированных сталей: 14Г2, 19Г, 15ГС, 15Г2С, 10ХСНД, 15ХСНД, 09Г2С, 10Г2СД, 14ХМН, ДФР и др. [321].
...
стыковых соединениях при малой ширине зоны разупрочнения неблагоприятный эффект резкого скачка механических свойств, способный привести к концентрации деформаций, может сглаживаться эффектом контактного упрочнения, задерживающего развитие пластических деформаций. Циклические испытания специально выполненных образцов с резкой механической неоднородностью при различной
...
ширине прослойки (от = 263 МПа и стт = 476 МПа) показали, что наличие твердой прослойки вне зависимости от ее ширины не влияет на предел вьшосливости сварного соединения, он определяется свойствами основного металла (рис.9.3.14,с). Напротив, при мягкой прослойке эффект контактного упрочнения имеет место и усталостная прочность соединения с уменьшением ширины прослойки возрастает (рис.9.3.14,б). Однако такое увеличение сопротивления усталостному разрушению проявляется только в том случае, когда в мягкой прослойке концентраторы напряжений отсутствуют [127]. Объемный характер НДС мягкой
...
Факторы, оказывающие влияние на предел выносливости
...
прослойки в случае наличия концентратора ускоряет процесс возникновения и роста трещины, снижая таким образом сопротивляемость усталостному разрушению.
...
Остаточные напряжения первого рода представляют собой систему сил, взаимно уравновешенных. Этим, по-видимому, определяется особенность их влияния на прочность. Первоначально высказывался тезис об отсутствии какого-либо влияния остаточных напряжений на прочность и несущую способность сварных конструкций при действии статических нагрузок в случае пластического состояния материала, но с оговоркой, что они могут оказывать некоторое влияние на прочность при переменных нагружениях и ударе [217, 243}.
...
Дальнейшие исследования влияния остаточных напряжений на усталостную прочность сварных соединений и узлов проводились главным образом в ИЭС им. Е.О.Патона Было показано, что предел выносливости сварного узла обычно оказывается существенно ниже предела выносливости образцов малых размеров. Такое снижение выносливости имеет место при увеличении как ширины образца, так и его толщины до размеров сечения 200x25, когда достигается минимальное значение предела выносливости и дальнейшее увеличение размеров влияния не оказывает. В этом проявляется наличие остаточных сварочных напряжений, и поэтому для учета их влияния при переменных нагрузках приходится использовать образцы больших сечений, а в образцах меньших размеров создавать остаточные напряжения искусственно, например наплавкой дополнительных валиков [32Ц.
...
Обширные экспериментальные исследования, проведенные с использованием соответствующих образцов из низкоуглеродистых и низколегированных сталей, позволили установить основные закономерности изменения сопротивления усталости сварных соединений [321, 209].
...
Влияние остаточных напряжений проявляется главным образом при наличии концентраторов напряжений. Так, снижение усталостной прочности могут вызвать поры, оказавшиеся в протяженных швах, где остаточные напряжения в направлении вдоль шва имеют наибольшие значения и трещины от пор растут поперек шва.
...
Различие действия остаточных напряжений разных знаков было показано путем испытания образцов с непроваром посередине поперечного стыкового шва. Сжимающие остаточные напряжения в районе непровара создавали вырезкой образцов из общей пластины газовой резкой (рис.9.3.15,с), растягивающие — путем наложения продольных наплавок (рис.9.3.15,6). Распределение остаточных напряжений в этих
...
Факторы, оказывающие влияние на предел выносливости
...
Рис.9.3.18. Зависимость уровня ст/™ в зонах концентрации напряжений от аш
...
Факторы, оказывающие влияние на предел вьшосливости
...
Рис.9.3.20. Диаграмме зависимости уровня устанавливающихся остаточных напряжений о/™
...
В процессе циклического нагружения в зоне концентрации напряжений остаточные напряжения-формируются даже тогда, когда в исходном состоянии их не было.
...
Показано, что как при пульсирующем отнулевом растяжении, так и пульсирующем сжатии образцов без сварки (рис.9.3.20,б) абсолютные значения установившихся остаточных напряжений |о0усс^| оказываются практически одинаковыми при прочих равных условиях и одинаковой геометрии образцов [318]. Представление об изменении |ооу^| в зависимости от | он | и коэффициента концентрации напряжений ас дает пространственная диаграмма, показанная на рие.9.3.20,о.
...
В сварных бислойных соединениях существенное влияние на распределение и уровень остаточных напряжений как после сварки, так и после термообработки может оказать различие коэффициентов линейного расширения соединяемых элементов. Как видно из рис.9.3.21 и рис.9.3.22, последующая термообработка сварных разнородных дисков не только не приводит к устранению остаточных напряжений, но и способствует появлению в зоне соединения резких градиентов напряжений [96, 94]. При усталостном нагружении таких разнородных соединений наличие высокого уровня остаточных напряжений может приводить к снижению их работоспособности. Применительно к лопастям колер крупных гидротурбин было показано, что при термообработке таких колес снижению оост способствует медленное охлаждение от температур отпуска до температур порядка 500 °С. Из рис.9.3.23 видно, что охлаждение сварных плит 0Х12НД-Л + 15Г2В-Л со ско-
...
Факторы, оказывающие влияние на предел выносливости
...
Обеспечение высокой усталостной прочности бислойных элементов, например лопастей крупных колес гидротурбин, облицованных сваркой взрывом, также существенно зависит от сочетания основного металла и металла облицовки. Так, например, образцы из стали 22К, облицованные сталью 1Х18Н10Т, после отпуска 630 'С имели предел выносливости 95 МПа, тогда как образцы, облицованные сталью 1X13 после такой же термообработки, имели предел выносливости 185 МПа, что близко к пределу выносливости стали 22К. Такое повышение усталостной прочности в последнем случае объясняется образованием остаточных сжимающих напряжений в облицовке и под ней"[57, 325].
...
При обычных усталостных испытаниях,вьшолняемых в диапазоне частот нагружения 10... 100 Гц, долговечность изменяется незначительно, и этим фактором обычно пренебрегают. Влияние более низких частот порядка нескольких циклов в минуту может проявляться в некотором смещении всей кривой усталости влево в область меньших долговечнос-тей. Так, испытаниями образцов с отверстиями и образцов со сварными швами из низкоуглеродистой стали было показано, что наиболее заметное снижение долговечности до 2...2,5 раз наблюдается в интервале частот 300...30 циклов в минуту вне зависимости от асимметрии цикла.
...
совпадает с частотой приложения рабочих нагрузок, то для многих элементов конструкций и деталей машин характерны нагружения с двумя и большим числом частот, накладываемых друг на друга. Так, например, еще при первых виброиспьгганиях целых сварных конструкций наблюдалось на первый взгляд странное явление. Первоначальные разрушения наступали нередко не в наиболее напряженных согласно расчету зонах, а в относительно мало напряженных или в "нерабочих" элементах. В тот период достаточного внимания изучению связи таких разрушений с эффектом "дребезжания", то есть беспорядочной вибрации с повышенной по сравнению с частотой основного тона колебаний, уделено не было. Позднее измерения, вьшолненные в процессе эксплуатации различных машин и конструкций, позволили установить, что в условиях двухчастотного нагружения (рис.9.3.24) соотношения этих составляющих могут меняться в широких пределах отношений сг j Oj
...
Исследования, проведенные в ИЭС им. Е.О.Патона, показали возможность определения долговечности Nn
...
Факторы, оказывающие влияние на предел выносливости
...
Эти исследования [317] позволили установить, что коэффициент х остается инвариантным к изменениям, связанным со степенью концентрации напряжений, остаточной напряженностью, характеристикой цикла, видом и уровнем нагружения, но зависит от амплитудных св I он и частотных fB /fn отношений:
...
В результате теоретического исследования, выполненного в [85, 86] на основе энергетических представлений, получено аналитическое выражение, характеризующее изменение долговечности при двухчастотном нагружении относительно одночастотного в виде
...
Факторы, оказывающие влияние на предел выносливости
...
Повышение сопротивления усталости можно обеспечить, во-первых, снижением в сварных соединениях концентрации напряжений, а во-вторых, благоприятным изменением поля остаточных напряжений. Минимальную концентрацию напряжений стремятся сюеепечить как за счет рационального выбора видов соединений, а также методов и приемов сварки, так и путем устранения резких переходов от шва к основному металлу, механической зачисткой, электродуговой обработкой или нанесением покрытий.
...
Все названные способы оказываются эффективными в частных случаях. Механическая зачистка швов, по данным 1321], дает повышение усталостной прочности в соединениях встык при R ~
...
Влияние покрытий изучено еще в ограниченной степени. Так, в работе [349] было показано, что нанесение полимерных покрытий на образцы с надрезом при знакопеременном изгибе повышает их усталостную прочность
...
Высокий отпуск является наиболее универсальным способом снятия остаточных напряжений. Целесообразность использования такого приема для уменьшения искажений размеров и формы конструкций в процессе механической обработки, при вылеживании и эксплуатации не вызывает сомнений. Однако наряду со снятием остаточных напряжений высокий отпуск может вызвать существенное изменение структуры и свойств металла, в особенности в зонах концентрации пластических деформаций. Поэтому значительный период времени целесообразность использования высокого отпуска для конструкций, работающих под переменными нагрузками, оставалась неясной, поскольку результаты исследований различных авторов в пятидесятых годах были противоречивы [378, 344].
...
Дальнейшие исследования позволили раскрыть сложный характер влияния на усталостную прочность снятия остаточных напряжений высоким отпуском в зависимости от характеристики цикла, уровня
...
Методы повышения сопротивления усталости сварных соединений 329
...
Рис.9.4.1. Выносливость образное из стали 1412 с пересекающимися швами в исходном состоянии (1) и после высокого отпуска (2) при знакопеременном, пульсирующем и асиммитричном циклах:
...
низкоуглеродистьгх и низколегированных сталей при доброкачественном их выполнении работают в эксплуатации вполне удовлетворительно и без высокого отпуска. Соединения с угловыми швами, обладающие низкой усталостной прочностью, не улучшают своих качеств в результате отпуска, а, напротив, их ухудшают, в особенности при циклах 0.
...
Однако опыт изготовления ряда сложных и ответственных сварных конструкций (котлов, сосудов высокого давления, конструкций атомной промышленности, криогенной аппаратуры и др.) показывает, что не только высокий отпуск, но в ряде случаев и более высокотемпературная термическая обработка оказываются необходимы и используются как для снятия остаточных напряжений, так и для выравнивания и улучшения структуры металла.
...
С 40-х годов ставились обширные эксперименты по изысканию методов регулирования остаточных напряжений обращением их из вредных факторов в полезные. Одним из инициаторов повышения усталостной прочности сварных соединений наложением на них полезных остаточных напряжений методом механического воздействия был ЦНИИТМАШ [126].
...
Первоначально были поставлены эксперименты по обдувке соединений разных типов на дробеструйной установке. Было показано, что эффект повышения усталостной прочности в этом случае достигается созданием в поверхностных слоях, в том числе в зонах концентраторов, напряжений сжатия. Последние уменьшали остаточные напряжения растяжения, наиболее опасные в отношении возникновения трещин. Однако дробеструйная обработка позволяет получить глубину наклепанного слоя не более 0,7 мм.
...
Более эффективным и производительным оказался способ обработки пучком проволок. По данным ЦНИИТМАШ, за 1ч возможно упрочнить 5...6 м шва, причем остаточные напряжения в обработанном слое достигают 320 МПа при глубине до 2 мм. Разработчики метода широко рекомендуют его для повышения усталостной прочности многих видов конструкций: рам тележек подвижного состава, мостовых кранов и т.д.
...
Следует подчеркнуть, что метод поверхностной обработки эффективен и в соединениях с угловыми швами, а также в других соединениях с выраженными концентраторами напряжений. В сварных соединениях, не имеющих резко выраженных концентраторов, применение указанного метода столь эффективных результатов не дает [126].
...
Эффективным способом снятия растягивающих и даже создания сжимающих остаточных напряжений является перегрузка конструкций. Например, при перегрузке сварного соединения ребра с пластиной напряжениями до 0,9 отек, остаточные напряжения с 112 уменьшались
...
Предварительная статическая нагрузка, вызывающая напряжения, равные допускаемым в основном металле, повышает усталостную прочность на 40-50% в соединениях стыковых, угловых, связующих [366, 14].
...
Был разработан метод создания полезных сжимающих напряжений в зонах концентраторов точечным нагревом и получены убедительные данные о возможности его использования для повышения усталостной прочности соединений разного типа [367, 354, 353]. Помимо точечного, делались попытки создания полезных сжимающих напряжений прогреванием полос металла вдали от концентраторов [80].
...
Из всех приемов обработки сварных соединений наименее трудоемкой является локальная обработка зон концентрации напряжений взрывом с целью создания в них напряжений сжатия. Предложение использовать такой метод для повышения сопротивления усталостному разрушению сварных соединений было сделано впервые в ИЭС им. Е.О.Патона в начале 60-х годов. Поздние исследования этого метода были выполнены и за рубежом.
...
Обработку взрывом применяют для снятия остаточных напряжений в стыковых швах декомпозеров для повышения их коррозионной стойкости. Использование такой обработки для повышения усталостной прочности сварных металлоконструкций еще требует преодоления ряда формальных и организационных препятствий [320].
...
Применительно к сварным соединениям низкоуглеродистых и низколегированных сталей данные об эффективности различных видов обработки представлены в табл. 9.4.1.
...
Можно видеть, что для большинства соединений приемы обработки, направленные на создание сжимающих остаточных напряжений, оказываются эффективнее, чем методы, основанные на снижении концентрации напряжений. Исключение составляют стыковые соединения, для которых механическая зачистка швов и электродуговая обработка столь же эффективны, как и поверхностный наклеп.
...
Приведенные в табл. 9.4.1 данные подтверждают ранее высказанные соображения о том, что улучшение усталостной прочности имеет главным образом качественный характер, тогда как количественное улучшение достаточно неопределенно и в зависимости от наличия дополнительных факторов может давать весьма значительный разброс результатов. Поэтому при расчете сварных конструкций в процессе проектирования использование этих данных оказывается практически
...
Повышение пределов выносливости сварных соединений низкоуглеродистых и низколегированных сталей (%) после различных видов обработки [320]
...
Методы повышения ссдвотивлеивя упал ости равных соединений 333
...
недоступным. Однако в серийном производстве при отлаженной технологии обработки, обоснованной проведением специального исследования, такие мероприятия могут давать эффект, в особенности с позиции увеличения запаса по долговечности.
...
Расчет усталостной прочности сварных строительных конструкций в течение ряда лет претерпевал изменения за рубежом, а также в СССР в результате развития научно-исследовательских работ, главным образом в
...
В СССР допускаемые напряжения на сварные швы впервые регламентированы "Едиными нормами строительного проектирования" в 1930 году [214, 215].
...
Первые технические условия проектирования сварных мостов НКПС 1932 года (СССР) требовали понижения дрпускаемых напряжений для "сварных соединений, испытывающих переменные усилия" путем умножения на "коэффициент уменьшения допускаемых напряжений у ", определяемый независимо от вида соединения и формы шва по формуле [274]
...
Развитие подходов к назначению норм допускаемр" напряжений
...

Основы металлографии и пластической деформации стали
Оборудование для контактной сварки постоянным током
Справочник конструктора металлических конструкций
Сварные конструкции. Механика разрушения и критерии работоспособности
Сварка пластмасс ультразвуком
Основы сварочного дела
Газовая сварка и резка металлов

"Сварка-ЛИБ" - Техническая библиотека сварщика | Сварка, термообработка, материалы, металлы и сплавы

admin

Сварные конструкции. Механика разрушения и критерии работоспособности