Сварные конструкции. Механика разрушения и критерии работоспособности

Листать книгу

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

скачать книгу Сварные конструкции. Механика разрушения и критерии работоспособности

Рис. 10.5.4. Размеры подповерхностных дефектов, ирйинмаемые при иодсчете обобщенного размера W
...
содержащих обнаруженные дефекты, исходя из заданного ресурса работы и предельного состояния стенки оболочковой конструкции. В § 14.6 рассмотрена схема построения расчета и номограмма, обеспечивающая оперативность его выполнения.
...
В настоящей главе рассматривается поведение конструкционных материалов, в основном сталей, при низких температурах. Выделение этого вопроса в отдельную главу вызвано тем обстоятельством, что в интервале низких температур у наиболее широко используемых в сварных конструкциях сталей уменьшение вязкости в зоне концентрации напряжений проявляется весьма сильно и может приводить к хрупкому разрушению.
...
Наиболее теоретически обоснованным критерием, который может быть введен в количественные расчеты, является критический коэффициент интенсивности напряжений К1с
...
Рис.11.1.1. Температурная зависимость критических значений коэффициентов интенсивности напряжений Ж1с
...
вязкого к хрупкому состоянию [Ш]. С его помощью ведутся сравнительные испытания сталей, когда важна не абсолютная сопротивляемость хрупкому разрушению, а определение того, какой металл лучше или ниже каких температур металл может вести себя как хрупкий. Кроме критерия 8С
...
Значительное место в оценке свойств сталей при низких температурах занимают критерии, характеризующие сопротивляемость сталей динамическому распространению трещин. Эту группу критериев можно подразделить на количественные и качественные.
...
Для количественных оценок удобными являются энергетические критерии, показывающие, какое количество работы затрачивается на образование единицы поверхности трещины. Известно, что энергия расходуется главным образом на работу пластической деформации металла у берегов пробегающей трещины.
...
Использование критериев прочности, пластичности и вязкости
...
делить с помощью метода тепловой волны, когда трещина пробегает достаточное расстояние (см. гл.6). В этом методе расход энергии на разлет образцов, на упругое деформирование деталей испытательной установки и другие, не относящиеся к разрушению эффекты не регистрируются.
...
Недостатком многих из методов, в которых из полной работы разрушения выделяют ту часть, что расходуется собственно на распространение разрушения, состоит в использовании маленьких образцов. Полученные на них результаты можно использовать лишь для сравнительной оценки сталей по сопротивляемости распространению трещины. Для количественных оценок эти результаты, как правило, мало пригодны.
...
В некоторых методах затраты энергии на зарождение разрушения сводят к минимуму путем увеличения остроты надреза, а уменьшение полной работы разрушения обеспечивают созданием поверхностных (боковых) надрезов, чтобы устранить губы среза. Работу пластической деформации в зоне сжатия при изгибе, уменьшают вставляя в образец прочные вкладыши.
...
Как видно из краткого обзора, при использовании разных методов для одной и той же стали полученные результаты могут быть весьма различны. При количественной оценке сопротивления распространению трещин следует учитывать положение плоскости исходного дефекта относительно направления проката. Если ось Ох
...
Необходимо различать данные, получаемые при низких температурах на конкретных плавках как сравнительные, и данные, которые предполагается использовать в количественных расчетах по оценке сопротивляемости сварных конструкций хрупким разрушениям. Последние должны отражать возможность попадания в конструкцию металла с наиболее низкими значениями вязкости, которые допускается выпускать металлургическому заводу.
...
Отрицательное влияние может быть связано с изменением химического состава и насыщением металла газами, например, вследствие: неудачного выбора присадочного металла, который при смешивании с основным металлом дает химический состав шва, обладающий хрупкостью; неблагоприятных режимов сварки, способствующих этому смешиванию; появления диффузионных прослоек, имеющих состав, отличающийся как от шва, так и от основного металла; случайногб попадания примесей во флюс или в другие сварочные материалы; плохой защиты металла от атмосферных газов; насыщения металла водородом и многое другое [49].
...
Нередко химический состав металла (в среднем) остается без изменения, но свойства металла существенно ухудшаются из-за неблагоприятных изменений структурного состояния металла (рост зерна, закалка, отпускная хрупкость и др.) [82, 284, 101].
...
Особое место занимают процессы, связанные с концентрацией напряжений и деформаций. Этот фактор имеет двоякое значение. Во-первых, возникающая концентрация пластических деформаций во время сварки переводит металл в состояние, близкое к разрушению, или к изменению механических свойств в неблагоприятную сторону, например по механизму деформационного старения. Во-вторых, концентратор напряжений наряду с изменением свойств металла вызывает концентрацию эксплуатационных напряжений [168, 11, 223]. На рис.11.2.1,б можно видеть, что при ступенчатом нагружении образца со сквозным надрезом 1
...
Степень совместного влияния процесса сварки и формы сварного соединения в случае статических нагрузок наиболее просто можно оценить по второй критической температуре хрупкости Т
...
Влияние процесса сварки и формы сварных соединений
...
ратуры разрушающее напряжение с' может оказаться меньше от (рис. 11.2.2), а это уже свидетельствует о недостаточности общепринятого простого метода расчета на прочность. Вблизи второй критической температуры Т2
...
напряжения. При этом в зависимости от термического цикла у вершины надреза и химического состава металла могут возникнуть многие другие изменения свойств. Все перечисленное в совокупности приводит к тому, что кривая о' (рис.11.2.2) как бы смещается вправо относительно положения, которое она имела для образцов с тем же концентратором напряжений, но до вьшолнения сварки или нагрева. На рис. 11.2.2 эта кривая показана штриховой линией о' .
...
При сочетании многих отмеченных выше неблагоприятных факторов или значительном влиянии одного из них разрушение может происходить самопроизвольно, т.е. только под действием собственных остаточных напряжений.
...
В практике изготовления и эксплуатации сварных конструкций наблюдалось множество подобных разрушений. Наиболее характерные из них представлены на рис. 11.2.4. В случаях а-г
...
Влияние процесса сварки и формы сварных соединений
...
Применительно к сварным соединениям широко распространена оценка их свойств при низких температурах по результатам испытаний на ударный изгиб. Оптимизацию режимов сварки, форм сварных соединений, выбора присадочного металла обычно проводят путем сравнения ударной вязкости Или процента волокна в изломе с целью установления значений критической температуры Т
...
Соотношение между свойствами основного металла и шва может! быть самым различным, в зависимости от выбора присадочного металла, что касается зоны термического влияния, то ее свойства зависят от реакции основного металла на соответствующий Термический цикл сварки.
...
Для повышения хладостойкости сварных соединений используют такие условия сварки ихостав присадочного металла, которые обеспечивают, во-первых, более высокую вязкость металла и, во-вторых, предотвращают появление разного рода трещин, в частности холодных (закалочных) при сварке низколегированных сталей. В случае сварки при низких температурах (ниже минус 40 °С) наблюдаются следующие особенности: изменяются условия горения дуги, увеличивается теплоотдача от изделия в воздух, в десятки раз уменьшается диффузия
...
водорода. В интервале температур 600...500 °С скорости охлаждения сварных соединений увеличиваются на 25...40 %, длительность пребывания металла в интервале температур 300... 100 °С сокращается в несколько раз. В результате снижаются температуры структурных превращений на несколько десятков градусов, существенно понижается возможность удаления водорода из зон, склонных к образованию холодных трещин, смещаются в сторону положительных температур критические температуры хрупкости. В работах В.П.Ларионова с сотрудниками рекомендованы для сварки в условиях низких температур несколько более высокие тепловложения и подогревы, которые уменьшают перечисленные выше вредные влияния [145].
...
Значительную часть разрушений при низких температурах составляют разрушения, связанные с действием переменных нагрузок и усталостью металла [91, 254].
...
Влияние усталости на низкотемпературную хрупкость проявляется двояко. На первой стадии эксплуатации при циклических нагрузках в зонах концентрации напряжений видимых трещин еще нет, однако уставший металл хуже сопротивляется хрупкому разрушению. Применительно к сварным соединениям на это обстоятельство было обращено внимание в совместных со Стебаковым И.М. работах, когда образцы с надрезом предварительно подвергали циклическому нагружению, а затем проводили ударные испытания. Так, на рис.11.2.5 показаны значения ударной вязкости металла околошовной зоны, испытавшего после нанесения надрезов циклические нагрузки. Порог хладноломкости и уровень вязкости существенно изменялись. Из-за низкой вязкости металла при отрицательных температурах критические размеры трещин могут быть весьма небольшими, что затрудняет их своевременное выявление. Данные о количестве разрушений, регистрируемых на работающем оборудовании, показывают, что число их растет по мере увеличения срока службы [288], причем в осенний период при наступлении холодов разрушений обычно больше, чем при тех же температурах в весенний период. Объясняется это двумя причинами: а) накоплением усталости и ростом трещин летом, когда конструкция, как правило, не разрушается благодаря высокой вязкости металла, и б) разрушением в зимний период при очень низких температурах тех элементов конструкций, которые имели небольшие трещины.
...
Общая закономерность здесь такова: чем выше концентрация напряжений, тем ниже сопротивляемость сварных соединений низкотемпературному разрушению. Как правило, следует считать недопустимым использование при низких температурах тавровых соединений с непроваром, расположенным перпендикулярно силовому потоку (рис. 11.2.6). Опасность такого непровара зависит от его размеров, уровня
...
Влияние процесса сварки и формы сварных соединений
...
эксгогуатационной нагрузки и свойств металла. Можно видеть, что при понижении температуры по мере снижения вязкости металла направление разрушения таких швов изменяется, приближаясь к отрыву.
...
В нахлесточных соединениях (рис. 11.2.7) плоскость непровара обычно расположена вдоль силового потока и поэтому мало влияет на прочность при низких температурах. Здесь большое влияние оказывает концентрация напряжений, зависящая от размера а,
...
Рис.11.2.6. Изменение направления плоскости разрушения угловых швов таврового соединения при понижении температуры
...
разрушение происходит либо путем среза по швам, либо по основному металлу после значительной пластической деформации. При понижении температуры разрушения начинают возникать у окончания флангового шва на уголке, причем пластичность резко падает.
...
Следует отметить, что в условиях ограниченной пластичности и вязкости металла при испытании соединений, не содержащих очень
...
острых концентраторов, в некотором диапазоне понижения температур прочность не снижается, но даже может несколько повьпяаться. Приближение к области критических температур по изменению значений прочности определить обычно не Удается. Если же одновременно измерять деформацию по перемещениям на базе АВ
...
шающей деформации, особенно резкое при приближении к критической температуре. Поэтому измерение перемещений при испытаниях в усло-
...
Влияние процесса сварки и формы сварных соединений
...
виях низких температур следует считать, как правило, обязательным. Низкие значения деформаций будут указывать на близость к хрупкому, разрушению.
...
Вопрос о низкотемпературной хрупкости сварных соединени! часто связывают с отпуском конструкций после сварки, видя в не! эффективное средство повышения сопротивляемости сварных конструк ций разрушениям. Большинство сварных конструкций успешно эксплуа тируется и при низких температурах, не подвергаясь высокому отпуску., Однако чем значительнее отрицательная степень влияния сварки и чем' ниже качество металла по сплошности и его склонности к деформационному старению, тем эффективнее положительное влияние отпуска на работоспособность сварных конструкций при низких температурах.
...
Наличия остаточных растягивающих напряжений, всегда возникающих после остывания конструкции, еще недостаточно, чтобы вызвать хрупкое разрушение даже при значительной толщине сваренных элементов. Дополнительным фактором должна быть концентрация напряжений, вызванная либо формой сварного соединения, либо дефектами сварки, либо низким качеством металла по сплошности. Высокий отпуск существенно снижает остаточные напряжения, но, конечно, не устраняет концентраторы напряжений. Необходимость введения высокого отпуска зависит от степени концентрации напряжений. При умеренной концентрации напряжений отпуск не является необходимым. Однако дополнительным отрицательным фактором может послужить концентрация пластических деформаций при сварке, в. особенности если она сопровождается деформационным старением металла. Здесь отрицательное влияние концентраторов проявляется дважды: сначала в процессе сварки, вызывая концентрацию пластических деформаций и изменение механических свойств, затем во время эксплуатации, вызывая концентрацию рабочих напряжений.
...
Данные, представленные на рис. 11.2.8, когда в зоне надреза образцов производили наплавку и получили снижение низкотемпературной прочности и пластичности, а высокий отпуск восстанавливал их до прежнего уровня, иллюстрируют двоякое положительное влияние отпуска как по части снижения остаточных напряжений, так и по части восстановления свойств металла, в данном случае пластичности [25].
...
Отрицательное влияние могут оказывать зоны высокой закалки металла. Если они совпадают с зонами концентрации напряжений, то от них может начаться низкотемпературное разрушение. Высокий отпуск, как известно, очень заметно уменьшает твердость закаленных участков и тем самым благоприятно влияет на прочность.
...
В тех случаях, когда отрицательные сварочные факторы проявляют себя слабо, польза высокого отпуска незаметна. Рациональным проектированием, применением металла высокого качества и оптимальным построением технологического процесса сборки и сварки можно
...
создавать сварные конструкции, хорошо противостоящие низкотемпературным хрупким разрушениям, не прибегая к отпуску сварных конструкций после сварки.
...
Развитие методов оценки работоспособности сварных соединений
...
Таким образом, главными компонентами, которые должны подвергаться количественной оценке, являются концентрация напряжений и свойства металла в отношении хладостойкости. ■
...
При обсуждении возможностей расчетной оценки будем исходить из того, что сварное соединение, например с угловыми швами, спроектировано и рассчитано на статическую прочность без учета концентрации напряжений и хладостойкости металла. Требуется определить его работоспособность с учетом концентрации напряжений И
...
Во-первых, необходимо выполнить решение не только упругой, но и пластической задачи о напряженно-деформированном состоянии сложного сварного соединения. Решение должно выполняться с учетом механических свойств металла при соответствующей температуре до уровня нагрузки, при которой хотя бы в одной из точек сварного соединения будет достигнуто критическое состояние.
...
Во-вторых, следует выбрать критическое состояние, при котором решение о напряженно-деформированном состоянии по мере роста нагрузки Р
...
модели. Визуальная регистрация разрушения и обмер разрушенного образца позволяют зафиксировать НДС модели в момент достижения предельного состояния и определить любые параметры НДС, входящие в критерий страгивания трещины (рис. 11.3.2
...
Допустим, что одним из возможных мест разрушения сложного сварного соединения является лобовой шов (рис. 11.3.3), который при низкой температуре может начать разрушаться либо по линии OF
...
Развитие методов оценки работоспособности сварных соединений 423
...
Возможна иная приближенная модель расчета работоспособности сложных сварных соединений при низких температурах. Она не отражает возможности разрушения сварных швов путем среза по линии OF,
...
Рассмотрим простейший случай, когда собственные остаточные напряжения сняты, а свойства металла как в концентраторе, так и за его пределами, одинаковы. Условие неразрушимости можно записать так:
...
Развитие методов оценки работоспособности сварных соединений 425
...
В простейшем подходе предлагается определять Сосв из упругого решения задачи о напряжениях в сложном сварном соединении при эксплуатационной нагрузке Рд.
...
При реализации рассмотренной схемы расчета сварных соединений, предназначенных для работы при низких температурах, нужно иметь уверенность, что используемые в расчете параметры близко соответствуют свойствам металла реальной конструкции. Определяя Gcd
...
Изменение сопротивляемости основного металла и сварных соединений низкотемпературному хрупкому разрушению обычно характеризуют изменением температурных границ вязкохрупкого перехода, т.е. значениями 7"^
...
Распространение такого подхода на область низких температур позволяет путем постановки сериальных испытаний плоских образцов с поверхностной трещиной (см. рис.6.9.2) получать температурную развертку изменения пластической составляющей раскрытия кромок исходной поверхностной трещины 8~ в момент страгивания и 8Мпл
...
Для стали 15ГБ такая температурная развертка представлена на рис. 11.3.4. Видно, что в области температур Ниже Т
...
Развитие методов оценки работоспособности сварных соединений
...
деформации и объемного растяжения, когда стронувшаяся трещина сразу становится нестабильной. Следовательно, в области температур Т<
...
и дефекты разных типов, при их расположении в узлах с различным НДС, то из всего многообразия значений граничных температур вязко-хрупкого перехода наибольший интерес, по-видимому, представляет консервативная оценка, соответствующая максимально возможному значению коэффициента жесткости напряженного состояния j =
...
Таким образом, на примере результатов сериальных испытаний образцов (рис. 11.3.4) можно видеть, что использование максимально жесткой схемы НДС в зоне вершины поверхностной трещины не только обеспечивает корректное определение значений К1с , но и позволяет получить консервативную оценку значений граничных температур Т
...
Суждение о пригодности конкретного сварного соединения для работы в условиях заданного диапазона низких температур должно основываться прежде всего на исключении возможности хрупкого разрушения, т.е. на исключении возможности наступления нестабильности трещины, стронувшейся при очередном нагружении от исходного дефекта, или от усталостной трещины, выросшей от него в процессе эксплуатации. Применительно к стыковому соединению для выполнения такой оценки пригодности необходимы данные:
...
Рис. 11.3.5. Результаты сопоставления трещииостойкости сталей 15ГБ и АБ-Ш1 и металла швов, выполненных многослойной сваркой ферритнымн электродами
...
сварного соединения отличается весьма существенно. При оценке работоспособности таких соединений необходимо учитывать следующее:
...
Постановка таких расчетов на неразрушимость элемента с дефектом при нормальной температуре была рассмотрена в гл. 7 в виде схемы (рис.7.5.14), где наряду с испытанием элемента с поверхностной трещиной рекомендовано использование цилиндрического образца (рис.7.5.15) с кольцевым надрезом или трещиной, позволяющего
...
получать наибольшую для данной толщины материала объемность НДС у фронта трещины. Минимальная металлоемкость такого образца, возможность его изготовления на токарном станке, а также простота моделирования (осевая симметрия) дополняется простотой постановки испытаний при низкой температуре. Поэтому использование схемы экспериментально-расчетной оценки неразрушимости элемента с дефектом (рис.7.5.14) оказывается особенно эффективной применительно к низкотемпературным условиям эксплуатации сварного изделия.
...

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