Студопедия
Случайная страница | ТОМ-1 | ТОМ-2 | ТОМ-3
АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатика
ИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханика
ОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторика
СоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансы
ХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника

Влияние дефектов на механические свойства сварных соединений и их работоспособность

Читайте также:
  1. D) новообразование волокон в процессе физиологической регенерации, при замещении дефектов в органах после их повреждения, при образовании рубцов и др.
  2. I. Общие свойства хрящевых тканей
  3. I. СВОЙСТВА АТМОСФЕРЫ.
  4. II. 27-45. Парикшит подчиняет Кали и укрощает его влияние
  5. III Исследовать влияние сглаживающего фильтра на форму выпрямленного напряжения.
  6. IV Исследовать влияние стабилизатора напряжения на форму выпрямленного напряжения и определить коэффициент стабилизации.
  7. Автомобили и Их Влияние на Чувство Территории
Помощь ✍️ в написании учебных работ
1500+ квалифицированных специалистов готовы вам помочь

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 Kic. 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 σт, 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 = σr√πlт/2/σт=√π/2√lт (3-55)

где 1t — длина трещины, вызывающая разрушение металла при σ= σт.

Для высокопрочных сталей размер lт составляет миллиметры или даже десятые доли миллиметра — эти стали крайне чувстви­тельны к наличию трещин; низколегированные стали невысокой прочности при комнатной температуре имеют lт, 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 K1CT. 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 Кс/σт- При этом Kс — наименьший при рассеянии значения критического коэффициента интенсивности напряжений Kс, которые определены при напря­жениях, меньших σт. Это означает, что из серии значений Кс, найденных и при σ>σт, Кс — 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 Kс в рамках линейной (упругой) механики разрушения, т. е. при напряжениях меньше σт. При большей толщине оценку нечувствительности металла к концентрации напряжений также можно проводить по KCj/σT. При малых толщинах оценка по Kc/σT, т. е. по силовому критерию, приведет к абсурду, так как при σкР > σт значения Kс 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 σкр > σт переходить к деформационному критерию механики разрушения Vp и давать оценку по отноше­нию (VpT)(√π/2). При σкр < σт оценку можно давать как по Kс, так и по Vp, потому что результаты будут получаться одинако­выми. Вычисление V при а > от производится по тем же форму­лам, что и К, но вместо среднего расчетного напряжения в ослаб­ленном сечении образца берется средняя деформация εср, 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 0,95σв, 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. σсрр 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 σtpp 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) пσ = σср.рэ; коэффициент запаса по пластичности (по средней разрушающей деформации) пε=εсррэ; коэффициент запаса по критическому размеру де­фекта пг = lкр/lэ; коэффициент запаса по критическому числу циклов погружения nN = NKp/N3; коэффициенты запаса по трещиностойкости, устанавливаемые по коэффициенту интенсивности напряжений — пк = Ксэ и по коэффициенту интенсивности деформаций — nv = Vp/V9.

В указанных выше соотношениях: σэ, εэ — максимальные сред­ние напряжения и деформации в расчетном сечении в период экс­плуатации изделия или при его испытании; Lкр—критический размер дефекта (трещины), вызывающий разрушение при σ= σэ; — фактический размер дефекта (трещины) в изделии, который в процессе эксплуатации может изменяться от начального раз­мера lэ.п до конечного lэМ за счет своего подрастания при цикличе­ских нагрузках с числом циклов в период эксплуатации Nэ; NKp — число циклов нагрузок, вызывающих подрастание трещины до критического размера lкр; σср.р, εсрф — разрушающие средние напря­жения и деформации в расчетном сечении при наличии в нем тре­щины lэ (в начале эксплуатации — lэ.н, в конце эксплуатации — lэ.K) Kэ Vэ—коэффициенты интенсивности напряжений и деформаций в период эксплуатации изделия или при его испытании, вычислен­ные по σэ, εа и lэ (l.эн или lэ.к); Кс, Vp — критические коэффициенты интенсивности напряжений и деформаций при lэ (lэн или lэк).

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

Экспериментальными значениями

средних разрушающих напряже­ний σтср и средних разрушаю­щих деформаций εср р, а также Кс и Vp 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 0ср.р, еср_р, Kz и Vp 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 lЬ11 и эксплуатацион­ные и испытательные напряжения σэ. По числу циклов нагрузок N9 за период эксплуатации определяют подрастание трещины и находят lЭК. Для lэ.н и lЭ-К определяют разрушающие напряжения σср„ и разрушающие деформации еср р, используя данные, показанные на рис. 3.44. Находят па, который для конкретных конструкций регламентируется соответствующими нормами. Рекомендуется, чтобы па был не менее 1,75—2,5, если σср р < σт. Если σср р > σт или σэ > 0,8σт, достаточно, чтобы пЕ было не менее 7—15. Определяют nt, nN> nK. По рис. 3.44 при σ Ср. =σэ находят критический размер дефекта /кр, а затем щ. Рекомендуется, чтобы щ был не менее 3—6, если берется начальный размер дефекта 1Э Н) или не менее 2—3, если берется конечный размер 1ЭК. Зная размер начального дефекта и имея данные для определения подрастания длины трещины, по /SiK определяют число циклов N' , а затем и rtv. Значение nN должно быть не менее 10. Коэффи­циент запаса по трещиностойкости пк находят, вычисляя К по формулам линей­ной механики разрушения, т. е. в предположении справедливости формул для упругой стадии работы материала с учетом известных аэ, /э н, 1ЭЛ, а Кс бзрут при тех же 1ьп и /Э-К. Аналогично находят V3, который в упругой обласги равен

2К/(√πE), а затем и nv. Коэффициенты запаса по трещи ностойкости устанавли­ваются техническими условиями. В случае линейной зависимости К от нагрузки на конструкцию пк = па, пу = п .

К дефектам сварных соединений относят также и неоднородность механических свойств, когда она достаточно велика. Например, хрупкие зоны, т. е. зоны с низким K1c, 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 lнр, где она почти не расходуется на пластические деформации металла, и равная πlxpσ2/ (4E), затем идет на прохождение трещины по более вяз­кому участку при длинах трещин l, меньших критических, lхр < l< lKp.

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

ГЛАВА 4

Доверь свою работу ✍️ кандидату наук!
1500+ квалифицированных специалистов готовы вам помочь

Дата добавления: 2015-07-08; просмотров: 325 | Нарушение авторских прав


 

 

Читайте в этой же книге: Распределение усилий в точечных соединениях, выполненных контактным способом | Концентрация напряжений в паяных швах | Некоторые понятия теории упругости и пластичности | Стандартные методы определения механических свойств сварных и паяных соединений | Изменение свойств наклепанного металла в сварных стыковых соединениях | Механические свойства стыковых сварных соединений из сталей | Механические свойства стыковых сварных соединений из цветных сплавов | Прочность и пластичность угловых швов | Прочность точечных сварных соединений | Прочность паяных соединений |
<== предыдущая страница | следующая страница ==>
Характеристики сопротивляемости металла разрушению в присутствии концентраторов| СОПРОТИВЛЕНИЕ УСТАЛОСТИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ И МЕТОДЫ ЕЕ ПОВЫШЕНИЯ

mybiblioteka.su - 2015-2022 год. (0.045 сек.)