Влияние дефектов на механические свойства сварных соединений и их работоспособность

Формирование сварных соединений в процессе сварки проис­ходит под влиянием большого числа факторов.

Форма, размеры, поверхности сварных швов всегда имеют отклонения от проектных. Радиусы сопряжений швов с основным металлом колеблются в широких пределах. Взаимное расположе­ние соединенных элементов также может отличаться от проект­ного вследствие смещений и угловых поворотов. Сплошность металла сварных соединений в некоторых случаях нарушается из-за появления пор, шлаковых включений, пленок оксидов, несплавление шва с основным металлом, непроплавления соединения, тре­щин и др. Соединения могут иметь подрезы и наплывы. Подобные отклонения на практике оказываются неизбежными и, безусловно, оказывают влияние на механические свойства сварных соединений. Степень влияния различных отклонений в различных условиях эксплуатации будет разной. При малых отклонениях формы соеди­нения от проектной изменение прочности может быть пренебрежимо малым. Поэтому не всякие отклонения и не всегда относят к дефек­там сварных соединений. Дефектами считают недопустимые откло­нения. Граница между теми и другими, конечно, условна и уста­навливается нормами. Нормы, согласно которым отклонения отно­сят к дефектам и браку, должны в первую очередь устанавли­ваться на основе изучения влияния отклонений на прочность и другие эксплуатационные свойства сварных изделий. Однако часто нормы по дефектности устанавливают, ориентируясь на тех­нически достижимый уровень качества сварных соединений, чтобы поддерживать культуру производства на высоком уровне.

Проблема влияния дефектов на прочность сварных соединений крайне сложна и многопланова. Решить ее можно, учитывая усло­вия эксплуатации, характер дефекта и свойства металла сварного соединения. Поэтому исследования в области влияния дефектов на прочность группируются вокруг отдельных вопросов. Напри­мер, в особые направления выделяются вопросы влияния дефектов при переменных нагрузках, в условиях коррозии, при низких тем­пературах и т. д.; в зависимости от вида дефекта рассматривается влияние трещин, непроваров, пор, смещений, мест перехода от на­плавленного металла к основному и т. п.; проводят исследования различных материалов: высокопрочных сталей, алюминиевых и титановых сплавов и т. д. В связи с таким многообразием проб­лем в настоящем параграфе рассматриваются только наиболее принципиальные вопросы чувствительности металла к концентра­ции напряжений, а именно при наличии трещин как наиболее опасных дефектов при статических нагрузках.

Наибольшее влияние дефекты оказывают при переменных на­грузках (см. гл. 4). При статических нагрузках вопрос о влиянии дефектов на прочность в большинстве случаев сводится к вопросу о чувствительности металла к концентрации напряжений. Обще­принятого определения понятия чувствительности металла 'к кон­центрации напряжений не существует. Наметились два направле­ния в оценке чувствительности — на базе аппарата механики раз­рушения в отношении трещин и трещинообразных дефектов и на базе теории концентрации напряжений.

.Все металлы в той или иной мере чувствительны к концентра­ции напряжений. Под действием статической нагрузки при нали­чии трещин в качестве меры чувствительности, а лучше сказать, в качестве меры нечувствительности металла к концентрации напряжений в условиях плоской деформации можно использоватькритический коэффициент интенсивности напряжений металла Ki_c. Чем он выше, тем менее чувствителен металл к концентрации напряжений. Однако при другой температуре тот же самый металл может оказаться чувствительным к концентрации напряжений. Так как каждый металл обладает определенным уровнем проч­ности — пределом текучести и пределом прочности — и обычно предназначен для работы при напряжениях, несколько мень­ших σ_т, то оценку нечувствительности в присутствии трещин более точно можно дать по отношению K1с/ σт. Для образного представ­ления эту величину можно рассматривать как пропорциональную корню квадратному из длины трещины в бесконечной пластине, при которой среднее разрушающее напряжение равно σт. Тогда

K1с/ σт = σ_r√πlт/2/σт=√π/2√lт (3-55)

где 1_t — длина трещины, вызывающая разрушение металла при σ= σ_т.

Для высокопрочных сталей размер l_т составляет миллиметры или даже десятые доли миллиметра — эти стали крайне чувстви­тельны к наличию трещин; низколегированные стали невысокой прочности при комнатной температуре имеют l_т, измеряемое сот­нями миллиметров. Таким образом, чувствительности этих групп сталей к концентрации напряжений различаются более чем в 10 раз.

Однако не всегда толщина металла достаточна, чтобы можно было создать условия плоской деформации и дать оценку нечувст­вительности по K_1C/σ_T. Уход от плоской деформации не означает перехода к плоскому напряженному состоянию. В условиях непло­ской деформации существует широкая гамма промежуточных на­пряженных состояний. Чем меньше толщина проката из одного и того же металла, тем менее чувствителен он к концентрации напряжений, т. е. его разрушение при одной и той же длине l сквозной или одной и той же относительной глубине l/s несквозной трещины будет происходить при более высоких напряжениях. В известной мере можно говорить, что толщина в данном случае является фактором хотя и не относящимся к свойствам металла, но влияющим на его чувствительность к наличию трещин. При сквозных трещинах нечувствительность металла конкретной тол­щины к концентрации напряжений в условиях неплоской деформа­ции может быть оценена по отношению К_с/ σ_т- При этом K_с — наименьший при рассеянии значения критического коэффициента интенсивности напряжений K_с, которые определены при напря­жениях, меньших σ_т. Это означает, что из серии значений К_с, найденных и при σ > σ_т, К_с — максимальное, которое может быть вообще воспринято металлом данной толщины без разруше­ния при наличии сквозной трещины. Образная трактовка Kст/σт=√π/2√lт остается той же самой, что дана для формулы (3.55). В случае поверхностных (несквозных) трещин оценка нечувст­вительности металла к концентрации напряжений для монолитных деталей большого сечения также проводится по соотношениютак как условия плоской деформации здесь могут быть реализованы полностью. В листовых металлах с толщиной выше определенного уровня, различного для каждого отдельного металла, несквозная трещина также может создавать условия для корректного опреде­ления K_с в рамках линейной (упругой) механики разрушения, т. е. при напряжениях меньше σ_т. При большей толщине оценку нечувствительности металла к концентрации напряжений также можно проводить по K_Cj/ σ _T. При малых толщинах оценка по Kc/ σ _T, т. е. по силовому критерию, приведет к абсурду, так как при σк_Р > σт значения K_с будут получаться тем меньше, чем тоньше металл.

Чтобы сохранить единство подхода к оценке чувствительности листового металла любой толщины к концентрации напряжений как чувствительных к концентрации, так и нечувствительных материалов, следует при σ _кр > σ_т переходить к деформационному критерию механики разрушения V_p и давать оценку по отноше­нию (V_p/ε_T)(√π/2). При σ_кр < σ_т оценку можно давать как по K_с, так и по V_p, потому что результаты будут получаться одинако­выми. Вычисление V при а > о_т производится по тем же форму­лам, что и К, но вместо среднего расчетного напряжения в ослаб­ленном сечении образца берется средняя деформация ε_ср, опреде­ление которой в частном случае при изгибе надрезанного с одной стороны образца может быть проведено по формуле (3.41). Имея металлы с разными свойствами (при этом могут быть представ­лены образцы разной толщины), можно расположить их по кри­терию Kcт/σт или(Vp/εт)(√π/2) ряд нечувствительности к концен­трации напряжений. В практическом плане следует, однако, иметь в виду, что один и тот же металл разной толщины будет иметь раз­ную чувствительность к сквозной трещине, но может иметь оди­наковую чувствительность к несквозной трещине. В образцах с несквозной трещиной при одинаковой чувствительности и оди­наковой относительной глубине трещины металл меньшей тол­щины будет разрушаться при больших напряжениях и больших деформациях, чем тот же металл большей толщины. Это отражает влияние толщины как конструктивного фактора, потому что на ма­лой толщине невозможно иметь трещину более глубокую, чем толщина металла.

В случае нетрещиноподобных дефектов самой разнообразной формы область нечувствительности металла к концентрации на­пряжений для конкретной толщины и конкретного сварного соеди­нения оценивают по среднему разрушающему напряжению. Если оно составляет не менее 0,95σ_в, то соединение считается нечувстви­тельным к концентрации напряжений при наличии данного кон­центратора. На рис. 3.42 показаны кривые изменения прочности сварных соединений с различной глубиной непровара при испыта­ниях их на растяжение. Если снижение прочности происходит прямо пропорционально уменьшению площади поперечного сече­ния соединения, т. е. σ_срр остщся примерно постоянным, а σв сни жается по прямой (линии 1), то такое сварное соединение условно считают нечувствительным к концентрации напряжений.. Если снижение прочности происходит непропорционально изменению поперечного сечения (кривые 2), то такое соединение считают чув­ствительным к концентрации напряжений. Такой подход к оценке чувствительности сварных соединений к концентрации напряже­ний практикуется на базе аппарата теории концентрации напря­жений.

Рис. 3.42. Зависимость прочности сварных соединений от глубины непровара

Следует, однако, отметить, что постоянное или мало изменяю­щееся σ_tpp еще не свидетельствует о том, что металл или сварное соединение никак не реагируют на изменение коэффициента кон­центрации напряжений. На рис. 3.43 кривая / показывает зави­симость условного напряжения от деформации в гладком образце при статическом нагружении. При наличии небольшой концентра­ции напряжений зависимость среднего напряжения от средней деформации того же металла выразится кривой 2. В момент раз­рушения в точке С. средние напряжения могут оказаться выше временного сопротивления, хотя средняя деформация ε при этом будет существенно ниже, чем у гладкого образца. При уве­личении концентрации напряжений (кривая 3) снижается не только средняя деформация, но и среднее разрушающее напряжение в точке С₃. Степень снижения среднего разрушающего напряжения будет зависеть в каждом конкретном случае от свойств материала и уровня концентрации напряжений. Хотя дефекты и концентраторы в сварных соединениях много­образны, возможна их некоторая схематизация и унификация. Такие дефекты и концентраторы, как неправильной формы тре­щины, непровары, несплавления, шлаковые и окисные включения, цепочки близко расположенных пор, подрезы, царапины, места перехода от наплавленного металла к основному, вытянутые в длину и расположенные своим большим размером и средней плоскостью перпендикулярно силовому потоку, могут быть сведены к некото­рой эквивалентной длине трещины g [см. формулу (3.35)], если допустить возможность образования в острие дефекта трещины небольшой длины Δl, порядка десятых долей миллиметра. Микро­скопические исследования показывают, что во многих случаях, хотя далеко не всегда, эти концентраторы действительно содержат короткие трещинки.

Рис. 3.43. Зависимость средних напряже­ний от средних деформаций при растя­жении образцов с различной степенью концентрации напряжений

Методы расчетной оценки работоспособности сварных соединений и конструкций в присутствии трещины интен­сивно разрабатываются и со­вершенствуются. Оценка ра­ботоспособности конструкций в присутствии трещины или острого концентратора сво­дится к определению ряда коэффициентов запаса и срав­нению их _с предельно до­пустимыми. Числовые зна­чения коэффициентов запаса

устанавливаются отраслевыми документами, например рекоменда­тельными техническими материалами ЦНИИТмаша. В расчетах могут использоваться коэффициент запаса по прочности (по сред­нему разрушающему напряжению) п σ = σ_ср._р/σ_э; коэффициент запаса по пластичности (по средней разрушающей деформации) п ε=ε_срр/ε_э; коэффициент запаса по критическому размеру де­фекта п_г = l_кр/lэ; коэффициент запаса по критическому числу циклов погружения n_N = N_Kp/N₃; коэффициенты запаса по трещиностойкости, устанавливаемые по коэффициенту интенсивности напряжений — п_к = К_с/К_э и по коэффициенту интенсивности деформаций — n_v = V_p/V₉.

В указанных выше соотношениях: σ_э, ε_э — максимальные сред­ние напряжения и деформации в расчетном сечении в период экс­плуатации изделия или при его испытании; L_кр—критический размер дефекта (трещины), вызывающий разрушение при σ= σ_э; lэ — фактический размер дефекта (трещины) в изделии, который в процессе эксплуатации может изменяться от начального раз­мера lэ.п до конечного l_эМ за счет своего подрастания при цикличе­ских нагрузках с числом циклов в период эксплуатации N_э; N_Kp — число циклов нагрузок, вызывающих подрастание трещины до критического размера l_кр; σ_ср._р, ε_срф — разрушающие средние напря­жения и деформации в расчетном сечении при наличии в нем тре­щины l_э (в начале эксплуатации — l_э._н, в конце эксплуатации — l_э._K) Kэ V_э —коэффициенты интенсивности напряжений и деформаций в период эксплуатации изделия или при его испытании, вычислен­ные по σ_э, ε_а и l_э (l.э_н или l_э._к); К_с, V_p — критические коэффициенты интенсивности напряжений и деформаций при l_э (l_эн или l_эк).

Для выполнения поверочных расчетов во всех указанных выше вариантах необходимо располагать следующими данными: 1.

Экспериментальными значениями

средних разрушающих напряже­ний σт_ср и средних разрушаю­щих деформаций ε_{ср р}, а также К_с и V_p во всем возможном диапа­зоне изменения размера трещины l с учетом ее геометрических соотно­шений и положения (поверхност­ная трещина, сквозная) (рис. 3.44). 2. Экспериментальными (или рас­четными) зависимостями подрас­тания трещины Δl от числа цик­лов N при разных ΔK, т. е. все­ми необходимыми значениями ко­эффициентов в формуле (3.54) в широком диапазоне ΔK

Рис. 3.44. Схематические зависи­мости 0_ср.р, е_ср_р, Kz и V_p от раз-меса тиешины I

Процедура расчета различна в зависимости от того, отыски­вается ли допустимый размер де­фекта или производится проверка допустимости уже имеющегося дефекта. В последнем случае рас­чет проще. Для отыскания до­пустимого размера дефекта может

быть использован метод последовательного перебора. Рассмотрим порядок расчета при определении допустимости имеющегося де­фекта.

Пусть известны размер и очертания начального дефекта l_Ь11 и эксплуатацион­ные и испытательные напряжения σ _э. По числу циклов нагрузок N₉ за период эксплуатации определяют подрастание трещины и находят l _ЭК. Для l_э.н и l_Э-К определяют разрушающие напряжения σ_ср„ и разрушающие деформации е_{ср р}, используя данные, показанные на рис. 3.44. Находят п_а, который для конкретных конструкций регламентируется соответствующими нормами. Рекомендуется, чтобы п_а был не менее 1,75—2,5, если σ_{ср р} < σ_т. Если σ_{ср р} > σ_т или σ_э > 0,8σ_т, достаточно, чтобы п_Е было не менее 7—15. Определяют n_t, n_N> n_K. По рис. 3.44 при σ _Ср. =σ_э находят критический размер дефекта /_кр, а затем щ. Рекомендуется, чтобы щ был не менее 3—6, если берется начальный размер дефекта 1_{Э Н)} или не менее 2—3, если берется конечный размер 1_ЭК. Зная размер начального дефекта и имея данные для определения подрастания длины трещины, по /_SiK определяют число циклов N', а затем и rt_v. Значение n_N должно быть не менее 10. Коэффи­циент запаса по трещиностойкости п_к находят, вычисляя К по формулам линей­ной механики разрушения, т. е. в предположении справедливости формул для упругой стадии работы материала с учетом известных а_э, /_{э н}, 1_ЭЛ, а Кс бзрут при тех же 1_ьп и /_Э-К. Аналогично находят V₃, который в упругой обласги равен

2К/( √πE), а затем и n_v. Коэффициенты запаса по трещи ностойкости устанавли­ваются техническими условиями. В случае линейной зависимости К от нагрузки на конструкцию п_к = п_а, п_у = п.

К дефектам сварных соединений относят также и неоднородность механических свойств, когда она достаточно велика. Например, хрупкие зоны, т. е. зоны с низким K_1c, могут явиться даже при малых размерах дефекта источником разрушения. Опасность хруп­ких зон состоит также в том, что они, будучи по размерам при­мерно в два раза меньше критических трещин для основного ка­чественного металла, тем не менее способны вызвать протяженные разрушения. Объясняется это тем, что энергия, освободившаяся при пробегании трещины по хрупкому участку l_нр, где она почти не расходуется на пластические деформации металла, и равная π l_xp σ ²/ (4E), затем идет на прохождение трещины по более вяз­кому участку при длинах трещин l, меньших критических, l_хр < l< l_Kp.

Достигнув критических размеров, трещина далее распростра­няется, используя энергию, освобождающуюся при ее дальнейшем подрастании. В расчетах хрупкую зону длиной l_хр следует рас­сматривать как трещину длиной 2l_хр.

ГЛАВА 4

Дата добавления: 2015-07-08