Сварные конструкции. Механика разрушения и критерии работоспособности

Листать книгу

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

скачать книгу Сварные конструкции. Механика разрушения и критерии работоспособности

480 Влияние коррозионной среды на работоспособность сварных конструкций
...
различные участки фронта трещины. Это предположение подтверждают результаты испытания дискового образца в коррозионной среде типа 3%-ного раствора NaCl. В ходе испытания циклическое нагружение чередовали с выдержкой образца под постоянной нагрузкой. Развитие разрушения контролировали визуально и методом акустической эмиссии с помощью прибора "АМУР-Д4". Использование в этом приборе принципа триангуляции позволяло определять координаты источника акустической эмиссии.
...
На рис. 13.2.6 показаны отдельные контуры фронта трещины, полученные по фотографиям излома образца после испытания, и гистограммы сигналов акустической эмиссии. При циклическом нагружении (рис.13.2.6,с) трещина развивалась равномерно и в длину, и в глубину. Форма исходного фронта трещины практически не изменялась, интенсивность сигналов акустической эмиссии оставалась приблизительно одинаковой по всей длине трещины. После циклического нагружения образец оставили под постоянной нагрузкой. При этом характер гистограммы изменился (рис. 13.2.6,6) — наибольшую интенсив-
...
«=.13.2.6. Схемв изменения фронте поверхностной трещины н гистограммы сигналов кустической эмиссии при чередовании циклического и статического нагружения
...
ность имели сигналы, идущие из центральной части фронта трещины, т.е. от участков, находящихся в условиях плоской деформации. Последующее циклическое нагружение вызывает преимущественный рост трещины в длину, о чем свидетельствует большая интенсивность сигналов акустической эмиссии, идущих от концов трещины (рис. 13.2.6,*). Аналогичные изменения кинетики развития поверхностной трещины при смене режимов нагружения иллюстрирует рис.13.2.6,г,й. Осмотр поверхностей излома после испытания показывает, что при коррозионном растрескивании трещина может развиваться в длину под поверхностью, образуя так называемый "язык". В результате такого искривления фронта трещины в приповерхностной зоне видимый на поверхности рост трещины замедляется или вовсе прекращается, тогда как на участках фронта трещины вблизи малой полуоси, т.е. в направлении толщины, где сохраняются условия плоской деформации, коррозионное растрескивание может продолжаться.
...
Рассмотренные особенности роста трещин в коррозионной среде нельзя не учитывать при оценке трещиностойкости конструкций. Смена участков фронта трещины, на которых происходит преимущественное развитие разрушения, хотя и вызывает ускорение субкритического роста отдельных участков фронта поверхностной трещины, однако общее продвижение этого фронта определяется совокупным действием ряда факторов. По-видимому, в качестве предельного состояния следует принимать не достижение Kj = KIscc , а К, < К,с на контуре фронта поверхностной трещины, так как именно этот момент характеризует возможность наступления нестабильности поверхностной трещины и внезапного превращения ее в сквозную.
...
Другой причиной возможного нарушения инвариантности характеристик коррозионной трещиностойкости является ветвление трещины. Оно присуще практически всем материалам: сталям, титановым, алюминиевым сплавам [231, 183J. Различают микроветвление, когда отклонение траектории роста трещины от магистрального направления соизмеримо с размером зерна, и макроветвление — образование боковых ветвей, отходящих от магистральной трещины на расстояние, значительно превышающее размер зерна
...
Макроветвление уменьшается с уменьшением размера зерна и с переходом от плосконапряженного состояния к плоской деформации. Макроветвление на поверхности более развито, чем в глубине. Результаты испытаний образцов из титановых сплавов показывают, что по мере снижения коррозионной трещиностойкости материала степень макроветвления возрастает.
...
Обычно при оценке величины Kj для коррозионной трещины исходят из допущения, что она прямая и острая. Очевидно, что ветвление трещины приводит к снижению величины коэффициента интенсивности напряжений в ее вершине. Для того, чтобы учесть этот эффект
...
482 Влияние коррозионной среды на работоспособность сварных конструкций
...
Значение а определяют расчетным путем или экспериментально [266]. Помимо факторов, определяющих механические процессы разрушения, на коррозионную трещиностойкость металла существенное влияние могут оказывать электрохимические условия в вершине трещины. Установлено [165, 238], что по мере развития трещины электрохимическое состояние в вершине трещины, интегрально характеризуемое водородным показателем рН и электродным потенциалом <р, непрерывно изменяется, причем, в зависимости от скорости роста трещины устанавливаются различные значения рН и <р. Например, если коррозионное растрескивание титанового сплава в 3%-ном растворе NaCl протекает со скоростью меньше 2 • 10~3 мм/с, электродный потенциал постепенно увеличивается и может достигать + 0,2...0,4 В (Н.В.Э), а раствор в полости трещины подкисляется до рН = 2,5...3. При скоростях роста трещины, превышающих 2 • ДО"3 мм/с, электродный потенциал достигает -0,8 В ( Н.В.Э), и в полости трещины наблюдается подщелачивание до рН = 9... 10 [165].
...
При испытании пассивирующихся металлов кинетика изменения электродного потенциала в процессе испытания может служить индикатором начала коррозионного растрескивания и прекращения роста трещины. На рис. 13.2.7 показана синхронизированная во времени запись изменения электродного потенциала, длины трещины и интен-
...
сивности сигналов акустической эмиссии при Испытании компактного образца с усталостной трещиной на коррозионное растрескивание. Для того, чтобы проследить кинетику процессов, происходящих перед остановкой трещины, нагружение образца осуществляли путем расклинивания берегов треЩины, в результате чего с ростом трещины коэффициент интенсивности напряжений в ее вершине постепенно убывал.
...
Сопоставляя между собой три графика, можно видеть, что максимум интенсивности сигнатов акустической эмиссии, соответствующий наибольшему темпу роста трещины, практически совпадает по времени с наибольшим разблагораживанием электродного потенциала. Уменьшение темпа коррозионного растрескивания сопровождается уменьшением акустической эмиссии и резким смещением электродного потенциала к положительным значениям. Таким образом, в случае разрушения пассивирующихся металлов кинетика электродного потенциала несет информацию об интенсивности протекания механических процессов на контуре трещины. Степень разблагораживания потенциала характеризует в данном случае не столько абсолютный размер трещины, сколько темп его изменения. Так же как и сигналы акустической эмиссии, изменение электродного потенциала позволяет более
...
Зависимость электрохимической обстановки в вершине трещины от скорости разития разрушения позволяет предположить, что сопротивление страгиванию трещины должно отличаться от сопротивления ее развитию. Действительно, проведенные на сплаве типа ВТ20 исследования показали, что пороговое значение К/5СС, соответствующее страгиванию трещины, выше, чем значения К^сс,
...
Влияние коррозионной среды на работоспособность сварных конструкций
...
диалогичное снижение сопротивления коррозионному растрескиванию наблюдается и в том случае, когда при испытании на коррозионное растрескивание выдержке образца под статической нагрузкой предшествует его циклическое нагружение непосредственно в коррозионной среде [165]. В этом случае деформационная активация металла в вершине трещины усиливает электрохимическую гетерогенность, сдвигает электродный потенциал, что в соответствии с общими представлениями коррозионной электрохимии напряженно-деформированного металла [246] должно снижать пороговое значение KIscc.
...
При циклическом нагружении конструкции в коррозионной среде ее разрушению предшествует устойчивое подрастание трещины до критического размера. Анализ закономерностей этого процесса позволяет оценить ожидаемое изменение размеров дефекта в течение срока эксплуатации конструкции. Основой для такого анализа служит кинетическая диаграмма усталостного роста трещины.
...
Закономерности роста трещин при циклическом нагружении
...
По мнению автора работы [374], первый тип диаграммы характерен для системы алюминий—вода. Влияние окружающей среды является в этом случае результатом взаимодействия усталости и агрессивного воздействия среды.
...
Диаграммы второго типа характерны для тех случаев, когда рост трещины под действием окружающей среды непосредственно связан с выдержкой под постоянной нагрузкой без каких-либо особых эффектов взаимодействия.
...
Для изделий, эксплуатирующихся при многоцикловом нагружении, необходимо учитывать влияние коррозионной среды на пороговое значение циклической трещиностойкости К/Лс. В зависимости от воздействия среды оно может как уменьшать, так и увеличивать пороговое значение циклической трещиностойкости [268]. Например, за счет клинового эффекта продуктов коррозии усиливается влияние эффекта неполного закрытия трещины, в результате чего уменьшается эффективный размах коэффициента интенсивности напряжений. Коррозионное затупление и ветвление трещины приводит к ослаблению напряженного состояния в вершине трещины.
...
Анализ большого объема экспериментальных данных позволил авторам работы [268] оценить степень влияния коррозионной среды на пороговую характеристику циклической трещиностойкости различных сталей и сплавов. В качестве характеристики степени влияния среды принято отношение (3/Л = К/Лс/К/Л (где Kthc
...
Для конструкций, работающих в области малоцикловой усталости, представляет интерес оценить влияние среды на Пэрисовский участок диаграммы усталостного разрушения. Как показывают эксперименты, степень влияния среды на скорость роста трещины в данном случае существенно зависит от уровня KImax и сопротивления сплава коррозионному растрескиванию. При KImax > KIscc значительно возрастает зависимость скорости роста трещины от частоты нагружения и формы цикла. Так, на рис. 13.3.3 видно, что для сплава ВТ20
...
486 Влияние коррозионной среды на работоспособность сварных конструкций
...
Рнс.13.3.2. Влияние уровня прочности различных конструкционных материалов на коэффициент pft, определяющий изменение под воздействием коррозионной среды [268]:
...
/ — алюминиевого сплава; 2 — мартенситных коррозионно-стойких сталей; 3 — титановых сплавов; 4 — умеренно легированных сталей
...
По гипотезе Вэя-Лендиза [375] развитие разрушения можно рассматривать как сумму чисто механического (усталостного) роста трещины и роста трещины, вызванного коррозионными процессами (в частном случае — коррозионным растрескиванием). Скорость роста трещины определяется из следующего уравнения:
...
Количественное согласование результатов при использовании данного метода ограничено. Вместе с тем метод суперпозиций позволяет качественно проанализировать влияние на долговечность частоты нагружения, формы цикла, асимметрии нагружения, роль остаточных напряжений. Например, остаточные сварочные напряжения увеличивают вклад второго члена уравнения (13.3.1) в развитие разрушения за
...
Закономерности роста трещин при циклическом нагружении
...
счет того, что в течение каждого цикла нагружения возрастает длительность периода, когда Kj > К1жг. В материалах, склонньгх к коррозионному растрескиванию, под действием остаточных сварочных напряжений растяжения возможен рост трещины даже в том случае, когда цикл изменения внешней нагрузки имеет отрицательную асимметрию.
...
488 Влияние коррозионной среды на работоспособность сварных конструкций
...
Закономерности роста трещин при циклическом нагружении
...
Электрохимические условия в вершине трещины существенно отличаются от условий на поверхности [239, 263]. Вследствие этого роль коррозионных процессов на стадии развития разрушения может оказаться значительной, а результаты воздействия коррозионной среды — неоднозначными. Так, исследования циклической трещиностойкости углеродистых и низколегированных сталей в среде номинальных параметров реакторов с кипящей водой [330], а также другие эксперименты позволили сделать вывод [263], что диаграммы усталостного роста трещины в коррозионной среде не являются инвариантными характеристиками трещиностойкости материала. Их параметры зависят от начальных условий нагружения, геометрии образца, длительности нагружения. Однако экспериментально установлено [240], что коррозионную трещиностойкость материала в водных средах однозначно определяют конкретные сочетания значений коэффициента интенсивности напряжений, водородного показателя среды и электрохимического потенциала в вершине трещины.
...
Большой объем экспериментальных исследований, выполненных за рубежом для сварных сосудов высокого давления из реакторных сталей [9, 330], указывает на принципиальную возможность получения сварных швов, не уступающих по циклической трещиностойкости основному металлу (рис. 13.3.6).
...
490 Влияние коррозионной среды на работоспособность сварных конструкций
...
сварных соединений можно объединить в три группы: — испытания для оценки сопротивления зарождению разрушения; 2 — испытания на коррозионную трещиностойкость; 3 — испытания макетов и узлов в условиях, приближенных к реальным.
...
В настоящее время накоплен большой опыт использования испытаний первой группы. Его обобщение позволило разработать ГОСТ 26294-84.
...
Стандарт устанавливает четыре метода испытаний [290]: при постоянной нагрузке; при постоянной деформации; с остаточными сварочными напряжениями; при сложнонапряженном состоянии.
...
В качестве критерия оценки сопротивляемости сварных соединений коррозионному растрескиванию выбраны: наличие или отсутствие коррозионного растрескивания за установленный срок испытания; время до появления коррозионных трещин, больших некоторого, заранее установленного размера; уровень безопасных напряжений, не вызывающих растрескивания.
...
В качестве объекта испытания при постоянной нагрузке и деформации приняты сварные образцы, типоразмеры которых определены ГОСТ 6996-66 "Сварные соединения. Методы определения механических свойств".
...
Для удобства моделирования напряженного состояния, возникающего в сварных конструкциях различных типов, ГОСТ 26294-84 рекомендует три вида образцов с остаточными сварочными напряжениями: дисковые образцы, пластины и образцы с патрубком. Ряд размеров подобран так, чтобы обеспечить сопоставимость результатов испытаний, полученных на образцах различной толщины. В стандарте приведены рекомендации по выбору состава среды и условий ускоренных испытаний в зависимости от марки основного металла испытуемого сварного соединения.
...
В использовании второй группы методов испытаний накоплен значительно меньший опыт. Признано, что наиболее удобной для инженерной практики характеристикой статической коррозионной трещиностойкости является параметр К1жс.
...
За рубежом наибольшее распространение получил метод, предложенный Брауном, который заключается в следующем. Образец с предварительно созданной усталостной трещиной нагружают ступенчато, выдерживают на каждой >ступени в коррозионной среде и контролируют рост трещины. В качестве параметра коррозионной трещиностойкости KIscc принимают максимальное значение Kj,
...
§ 13.4. Методические аспекты оценки сопротивления коррозионному растрескиванию сварных соединений
...
заданной базы испытания. В силу рассмотренных в §13.2 особенностей разрушения в коррозионной среде, этот метод дает, как правило, завышенные значения KIscc. Кроме того, длительность таких испытаний сравнительно велика, т.к. в зависимости от свойств металла и среды длительность выдержки образца на каждой ступени может колебаться от нескольких минут до 2... 100 часов.
...
Стандарт предусматривает три метода испытаний: по времени .до разрушения образцов с трещиной; по страгиванию трещины при постоянной нагрузке; по остановке трещины. Предусмотрено использование четырех типов образцов: плоского с центральной трещиной на растяжение; призматического с боковой трещиной — на изгиб и два варианта образцов на внецентренное растяжение.
...
ГОСТ 9.903-81 во многом не совершенен. Он не предусматривает контроль электрохимических процессов при испытании, не учитывает морфологию зоны разрушения, рекомендуемые им толщины образцов не всегда обеспечивают получение минимальных значений KIjcc.
...
В процессе испытания необходимо вести контроль электрохимической обстановки в вершине трещины, при расчете величины Kj
...
Важным условием корректного проведения испытаний на коррозионное растрескивание является четкое фиксирование момента начала развития разрушения или момента прекращения роста коррозионной трещины. Визуальное слежение отличает простота и надежность, но для уверенного фиксирования изменения длины трещины требуется значительное увеличение длительности проведения испытания, поскольку начальные скорости роста трещины могут не превышать 10"8 м/с.
...
Слежение за развитием разрушения упрощается при использовании физических методов контроля. Так как при испытании на коррозионное растрескивание практически отсутствуют посторонние шумы, сигналы акустической эмиссии позволяют достаточно четко фиксировать начало растрескивания и момент окончания роста трещины. При испытании пассивирующихся металлов колебания электродного-потенциала также сигнализируют о продвижении трещины. Количественную оценку длины трещины можно получить, фиксируя изменение податливости
...
492 Влияние коррозионной среды на работоспособность сварных конструкций
...
образца, или путем измерения электрического потенциала. Оба эти метода требуют предварительной калибровки и, вероятно, изменение морфологии трещины — ветвление или притупление ее может повлиять на точность количественной интерпретации результатов измерений.
...
Полнота учета действующих факторов, а также эффектов, связанных с одновременностью их действия, определяет степень расхождения' получаемых характеристик сопротивления разрушению образца и конструкции. Поэтому третья группа испытаний предполагает максимальное приближение к реальным условиям.
...
В качестве объекта испытания в данном случае используют элементы натурных сварных узлов, макеты или имитационные образцы. При этом стремятся воспроизвести реальную коррозионную ^обстановку не только составом среды, но и ее параметрами (температура, давление, гидродинамический режим нагружения и др.).
...
Достоинством таких испытаний является сохранение технологического подобия изготовления образца и изделия, а также возможность анализировать кинетику разрушения с учетом реального распределения полей напряжений, возникающих как от внешней нагрузки, так и в результате изготовления сварного узла. Они позволяют определить участки сварного соединения, являющиеся наиболее вероятными инициаторами разрушения, выявить траекторию распространения разрушения, оценить конструкционную трещиностойкость. Последнее представляется важным достоинством испытания элементов конструкций, т.к. нередки примеры, когда, несмотря на высокое сопротивление разрушению образцов, вырезанных из различных зон сварного шва, трещиностойкость сварного элемента оказывается низкой.
...
Испытания сварных узлов получили наибольшее распространение при оценке работоспособности сварных соединений оболочковых конструкций. Характерное для таких конструкций двухосное поле напряжений можно получать гидростатическим нагружением закрепленного по контуру дискового образца или цилиндрической панели [136]. Для сварных элементов с толщиной стенки г < 25 мм можно использовать схемы двухосного растяжения, для сварных соединений из металла толщиной / == 25... 100 мм предпочтение следует отдать схеме Двухосного изгиба [163].
...
Методические аспекты оценки сопротивления растрескиванию
...
Рис. 13.4.1. Типы дисковых образцов для оценки сопротивления коррозионному растрескиванию элементов сварных оболочковых конструкций
...
Примеры расчетных подходов к оценке работоспособности сварных оболочек, работающих в коррозионной среде, рассмотрены в § 14.6.
...
494 Влияние коррозионной среды на работоспособность сварных конструкций
...
Традиционно считают основными два метода расчета сварных юединений: на статическую прочность и на прочность при переменных нагрузках. Применение их регламентировано различными нормативными документами, которые обязательны для
...
Расчет на прочность при переменных нагрузках сварных соединений с угловыми швами еще недостаточно учитывает концентрацию напряжений. Такое положение объясняется отсутствием хорошо разработанных методов определения концентрации усилий, передаваемых сварными соединениями, слабым развитием работ по изучению напряженно-деформированного состояния сварных соединений и общей теории потенциально слабого звена, каким являются сварные соединения.
...
Попытки учесть в определении пределов выносливости сварных соединений радиусы перехода швов к основному металлу, остаточные напряжения в соединениях и форму шва следует рассматривать как средства для оценки пределов влияния этих факторов.
...
Продолжает оставаться в официальных документах по расчету сварных соединений неочерченной граница между расчетом на статическую прочность и на прочность при переменных нагрузках. '
...
Сложившиеся методы расчета исходят из полной сплошности металла сварных соединений. В действительности это обеспечить довольно трудно [2]. Из этого вовсе не следует, что расчеты сварных соединений с несплошностями должны быть отнесены к категории проектных. Однако как контрольные такие методы расчетной оценки опасности обнаруженных и трудно устранимых дефектов должны быть развиты и узаконены. В этих случаях обоснованность тех или иных принимаемых решений должна базироваться на научных положениях.
...
Существенное значение для некоторых видов сварных конструкций приобретает оценка их работоспособности, связанная с сопротивлением развитию разрушения. Например, для газопроводов после появления в них локальных разрушений, причины которых не могут быть заранее предсказаны, важным является нераспространение разрушения на большие расстояния.
...
В заключении настоящего параграфа целесообразно дать схему взаимосвязи излагаемых в настоящей главе различных методов расчета на прочность при статических и переменных нагрузках. По осям на рис. 14.1.1 отложены степень концентрации напряжений а, логарифм номинального (среднего) напряжения и логарифм числа циклов нагружения. Наименьшей концентрацией обладают соединения стыковые и специально обработанные (группа 1). Далее идут соединения с угловыми швами с естественной концентрацией напряжений (группа 2). Наибольшую концентрацию могут дать трещиноподобные несплошности, которые встречаются в разных видах сварных соединений (группа 3). Очевидно, что во 2 и 3 группах также может быть невысокий уровень концентрации, близкий к уровню 1-й группы. На рис. 14.1.1,й
...
Методы расчета прочности, долговечности и работоспособности
...
Растет на статическую прочность без учета концентрации напряжений 497
...
Рассматриваемый ниже метод расчета при о\ ра6 > от мп, во-пейвых, не учитывает уменьшения пластической деформации вследствие| контактного упрочнения (появления объемных напряжений), что идет в запас, а во-вторых, распространяется только на плоские элементы и продольные швы цилиндрических оболочек
...
В общем случае мягкая прослойка может быть расположена под некоторым углом к главным осям рабочих напряжений (рис. 14.2.1,й,б). Размер "Ь"
...
Перед выполнением собственно расчета должны быть найдены рабочие напряжения в основном металле ох — вдоль прослойки, су
...
Для определения указанных напряжений, например, в случае на рис. 14.2.1,а следует воспользоваться формулами для определения напряжений с учетом поворота осей.
...
Методы расчета прочности, долговечности и работоспособности
...
Если мягких прослоек несколько, расчеты выполняют для каждой прослойки отдельно, а затем перемещения суммируют и сравнивают с предельно допустимыми.
...
Расчет на статическую прочность без учета концентрации напряжений 499
...
При расчете с использованием механических характеристик металла отдельных зон сварного соединения значение о'в
...
Расчет на статическую прочность без учета концентрации напряжений 501
...
родности мягкой прослойки квм и степень механической неоднородности сварного соединения кв
...
502 Методы расчета прочности, долговечности и работоспособности
...
Соединения с угловыми швами. В сварных соединениях с угловыми швами граничные условия при нагружении могут быть заданы либо в виде сил (моментов), либо в виде перемещений.
...
В методах расчета сварных соединений с угловыми швами на статическую прочность для первого вида нагружения, заданного силами или моментами (рис. 14.2.6,о, рис.14.2.7,о), исходят из предположения, что соединенные детали являются абсолютно жесткими телами, а швы и основной металл имеют высокую пластичность.
...
Расчет состоит в определении напряжений в опасных точках-на основе кинематической модели смещения одной детали относительно другой под действием приложенной нагрузки. Найденное максимальное эксплуатационное напряжение сравнивают с допускаемым напряжением или расчетным сопротивлением. Различие подходов в машиностроении и строительстве заключается в следующем. В машиностроении, как правило, общий коэффициент запаса (см. гл.З) непосредственно в расчете не участвует. Он использован заранее при вычислении (установлении) допускаемого напряжения. В строительстве [299] приведены некоторые частные коэффициенты запаса и проектировщик непосредственно во время расчета оперирует ими для определения общего коэффициента запаса, чтобы использовать его в расчете. В остальном процедура расчета совпадает.
...
Сила N, приложенная к уголку, приваренному к пластине (рис. 14.2.6,о) вызывает срез в плоскости пластины и создает два изгибающих момента относительно центра тяжести периметра швов О:
...
Расчет на статическую прочность без учета концентрации напряжений 503
...

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