Прочность паяных соединений

В § 8 гл. 2 были рассмотрены различные типы паяных соедине­ний и технологические методы их получения. Прочность паяных соединений зависит от сочетания механических свойств припоя и основного металла, от конструкции соединения (стыковое, косое, нахлесточное), от прочности связей между припоем и основным металлом, зависящей от их конкретного сочетания, а также от вида технологического процесса пайки и флюсов, от толщины слоя припоя, от соотношения площадей соединения и поперечного сечения соединяемых элементов. Последним фактором часто пользуются для получения равнопрочных с основным металлом соединений, если прочность припоя ниже прочности основного металла. На­пример, путем изменения угла или увеличения длины нахлестки в косых и нахлесточных соединениях можно повысить прочность соединения при недостаточной прочности металла припоя в шве. Благодаря малой толщине припоя и способности его во многих слу­чаях образовывать за счет диффузии новые сплавы или даже пол растворяться в основном металле имеются большие возмож­ности технологическими приемами регулировать прочность пая­ного соединения.

Влияние концентрации напряжений (см. § 19 гл. 2) на проч­ность паяных соединений зависит от вида нагрузки, свойств основного металла и припоя, конструкции соединения. В стыковых соединениях реализуется эффект контактного упрочнения (см. § 3); Концентрация касательных напряжений создает объемное напря­женное состояние, что при достаточной пластичности припоя при­водит к повышению прочности соединения и может рассматри­ваться как положительный эффект. На рис. 3.29 показана зависи­мость прочности стыкового паяного соединения из армко-железа

с пределом прочности σв= 340 МПа, паянного медью, от размера зазора. При срав­нительно тонкой прослойке (h ≤0,3 мм) за счет контакт­ного упрочнения достигается равнопрочность. При даль­нейшем увеличении толщины прослойки прочность падает. В нахлесточных соединениях при статических нагрузках пластичность обычно приме­няемых припоев оказывается достаточной, чтобы воспри­нять концентрацию касатель­ных напряжений и сдвиговых

деформаций без разрушения спая при величине нахлестки, доста­точной для получения паяного соединения, равнопрочного основ­ному металлу. При дальнейшем увеличении длины нахлестки коэффициент концентрации сдвиговых деформаций растет, но умень­шается среднее касательное напряжение на единицу длины нахлест­ки, поскольку предельная нагрузка не может быть выше разруша­ющей нагрузки для сечения основного металла.

Для оценки свойств паяных соединений используют также ха­рактеристики вязкости (см. § 2), получаемые при ударном срезе,
изгибе и комбинированной нагрузке. Ударная вязкость, характе­ризующаяся работой разрушения паяного соединения, в основном
отражает свойства паяного шва, если он существенно уступает по
прочности основному металлу. Ударная вязкость дает представле­ние о пластических свойствах шва как такового и о влиянии тол­щины спая. При прочности шва, близкой к прочности основного
металла, в пластическую деформацию вовлекаются и участки основного металла. В этом случае ударная вязкость характеризует агре­гатную энергоемкость разрушения паяного соединения в целом и его чувствительности к концентрации напряжений при ударном нагружении. Чем выше вязкость, тем меньше чувствительность соединения к концентрации напряжений.

§ 9. Критерии оценки напряженно-деформированного состояния при концентрации напряжении

Разнообразные примеры распределения напряжений в сварных соединениях, которые дают представление о закономерностях концентрации напряжений, рассмотрены в гл. 2. В §2 настоящей главы рассмотрены стандартные методы определения свойств сварных соединений, в которых в основном используются образцы без острых надрезов. В ряде случаев необходимо оценивать сопротив­ляемость металла разрушению на образцах с острыми надрезами. Прежде чем излагать методы и характеристики оценки сопротивляе­мости металлов разрушению в присутствии концентратора, необходимо ознакомиться с критериями и понятиями, которыми при­нято описывать напряженно-деформированное состояние металла в таких случаях.

6} ' ■.

Рис. 3.30. Распределение напряжений и деформаций в пластине с над­резами:

а — общин вид нагруженной пластины; б — эпюра напряжений п упругой области; в -~ эпюры деформаций и импряжсшш при О > о

На концентрацию напряжений влияют форма элемента (рис. 3.30, а), его линейные размеры (h, t, В), радиус концентра­тора р. угол между гранями концентратора а и вид приложенной нагрузки (растяжение, изгиб, сдвиг и т. п.).

Рассмотрим случай тонкой пластины, когда напряжения по толщине σ _г = 0. В ослабленном концентраторами сечении дейст-* вуют средние напряжения {рис. 3.30, б)

σ _Xcp = σ _AB/h. (3.28)

Степень концентрации напряжений при p≠О примято оцени­вать коэффициентом концентрации напряжений ασ=σxmax/σxср

где Ох_таК —максимальное напряжение.

: Если пренебречь влиянием напряжений σ _у в ослабленном сече­нии, то в упругой области коэффициент концентрации напряжений а_о примерно совпадает с коэффициентом концентрации деформаций

αε = ε _хmax / ε _хср (3.30)

Коэффициенты концентрации напряжений ασи деформаций αε в упругой области не зависят от уровня приложенных напряже­ний σxср.

Если максимальное напряжение достигнет предела текучести σ_т, вблизи концентраторов появятся зоны пластических деформа­ций. Коэффициент концентрации напряжений α _а по мере роста нагрузки будет уменьшаться вследствие отставания роста σ _Хтах от σ _х (рис. 3.30, а).

Если h ^> t, то изменение h при постоянном i мало влияет на коэффициент концентрации напряжений. Такие надрезы называют мелкими. Коэффициент концентрации в них зависит от изменения t. Чем больше t, тем выше коэффициент концентрации. Наоборот, при t^>h коэффициент концентрации напряжений в основном за­висит от изменения h и мало зависит от изменения t. Такие надрезы называют глубокими. В них чем больше h, тем выше коэффициент концентрации напряжений.

Чем меньше радиус концентратора р и угол αмежду его плоско­стями, тем выше коэффициент концентрации. При α = 0, когда грани параллельны, коэффициент концентрации ασ ~√t/р или ασ ~√ h/ р.

В последние два десятилетия для оценки прочности металлов при наличии в них трещин применяют положения линейной меха­ники разрушения. Она оперирует с концентраторами, у которых р — 0. В этом случае расчетное механическое напряжение стано­вится равным бесконечности, а понятие коэффициента концентра­ции напряжений теряет свой смысл. Для оценки поля напряжений вблизи концентратора используют понятие коэффициента интенсивности напряжений в вершине трещины при упругих деформациях, обозначаемого К, и понятие интен­сивности освобождения энергии деформа­ции, обозначаемой G. Рассмотрим растянутую напряжениями a тонкую бесконечную пластину (плоское напряженное состояние), имеющую разрез в виде трещины а = 0 (рис. 3.31, а), и в виде вы­реза с а Ф 0 (рис. 3.31, б).

Для трещины длиной /в бесконечной пластине формула коэффи­циента интенсивности напряжений имеет вид

К = √ (π /2) σ√ l (3-31)

а для интенсивности освобождения энергии

G= π σ²l/(2E). (3.32)

Величина К характеризует распределение напряжений у конца трещины и выражается в Н/м^э/², а величина G — это энергия, осво­бождающаяся в растянутой пластине при возможном подрастании на единицу площади; ее единица — Дж/м². Обе эти вели­чины взаимосвязаны: в случае плоского напряженного состояния

G=K²/E; (3.33)

при плоской деформации

^KR<I G =(1- μ² )K²/E. (3.34)

Понятия плоского напряженного состояния и плоской деформа­ции даны в § 1.

Для других случаев расположения трещин, например в растя­нутой полосе, при боковых трещинах глубиной t (см. рис. 3.30, а),

значение К зависит от отношения размеров t/h. При t» h К ~√ h и практически не зависит от t. Аналогичным образом К зависит

от линейных размеров и при изгибе образцов. При изгибе К также пропорционален σ, ко­торое берется без учета концентрации напряже­ний. Например, σ = σ_ср = M/W (рис. 3.32, а), где W = sh²/6, s — толщина пластины. В ряде случаев в форму­лах для вычисления ЛГ используют среднее на­пряжение без учета ос­лабления, т. е. W = sB²/6, a = P/F (рис. 3.32, 6), где F = Bs — площадь поперечного сечения.

Величины К и G используются для оцен­ки свойств металла при наличии в них трещин.

При испытании в момент начала движения трещины.регистрируют уровень критического напряжения о и, зная размеры образца и трещины, вычисляют по соответствующим формулам критические значения K_с и G_c для испытуемого металла (подробнее эти воп­росы освещены в следующем параграфе).

Для надрезов, заканчивающихся, как и трещина, нулевым ра­диусом, но имеющих угол ее Ф 0 (рис. 3.31, б), значение и размер­ность К зависят от угла а. Если в острие такого выреза есть не­большая трещина АЛ (рис. 3.31, б), значения величин К и G, имею­щих в этом случае уже обычные для себя единицы Н/м3/2и Дж/м², за­висят не только от Δl, но и от длины выреза 1 и угла σ, причем рост G в зависимости от Δl происходит по закону, выражаемому кривой 2 (рис. 3.31, в), крайне быстро и значение G приближается к прямой l, описывающей зависимость G в случае наличия трещины длинен. I. При Δl≥Δl1 кривая 2 и прямая l сливаются, что позволяет рас­сматривать вырез длиной l как некоторую эквивалентную ему тре щину длиной g при том же напряжении <г. Размер эквивалентной Трещины вычисляется по формуле

g = 2G₃E( πσ² ),

где С_э находят по рис. 3.31, в при экстраполяции прямолинейного

участка кривой 2 до пере-

, а) б) сечения с осью G.

Рис. 3.33. Различные случаи определения раскрытия б: с —изменения расстояния между точками А и В; б —раскрытие конца трещины; в — интеграл уп- ругопластических деформаций

Сравнение концентрато­ров с острыми надрезами (р — 0) между собой по длине g позволяет распо­ложить их в определенный ряд по степени опасности, как это делают, используя понятие коэффициента кон­центрации напряжений ασ качестве характери­стики напряженно-дефор­мированного состояния ис­пользуют также понятие раскрытия вершины кон­центратора δ. Первона­чально оно было приме­нено к концентраторам с р≠ 0 и означало прира­щение размера а y дна

выреза (рис. 3.33, а), выражаемое как разность длин A₁В₁ нагружения и АВ до нагружения:

(3.36)

Затем это понятие было перенесено на трещины и стало означать либо раскрытие дна трещины (рис. 3.33, б), что довольно, нерпре деленно, либо интеграл упругопластических деформаций ε на длине CD в пределах зоны пластических деформаций (рис. 3.33, в). В последнем качестве величина 6 как характеристика напряженно-деформированного состояния у конца трещины получает все боль­шее использование.

Характеристикой деформированного состояния металла вблизи надреза является также коэффициент интенсивности деформаций V (м½), который в простейшем случае концент­ратора с параллельнымитранями α= 0 (рис. 3.33, а) вычисляется по формуле

V = ε _тах √ р =ε_ср αε √ р. (3.37)

Комплекс а_е ]/р слабо зависит от р, так как в случае парал­лельных граней надреза коэффициент концентрации αε≈ A/ √p

Значение величины А пропорционально √ 1. При р = 0 (трещина) значение величины V с точностью до постоянного коэффициента совпадает с коэффициентом интенсивности напряжений

V=2К/( √π Е). (3.38)

При α≠0 размерности величин V и К зависят от угла α.

Таким образом, для численного определения V по формуле (3.37) необходимо знать геометрические размеры тела и среднюю деформацию ε_ср.

Использование рассмотренных в настоящем параграфе понятий для определения механических характеристик металла и сварных соединений дано в следующем параграфе.

Дата добавления: 2015-07-08