Файл: Майзель В.С. Сварные конструкции учебник.pdf

Рис. 3.7. К определению влияния формы образцов на их свой­ ства: а — типы образцов; б — диаграммы растяжения в коорди­ натах а—ô; в — диаграмма растяжения в координатах S — к

Тип / соответствует форме стандартного десятикратного об­ разца и может быть принят в качестве эталона для сравнения. Образцы остальных типов имеют различные надрезы, острота которых повышается по мере перехода от типа 2 к типу 6. Расчет­ ная площадь образцов всех типов была одинаковой.

По результатам испытания видно, что наименьшая разрушаю­ щая нагрузка была получена для образцов типа /. Во всех осталь­ ных случаях значение разрушающей нагрузки было более высо­ ким. Можно отметить также, что степень повышения разрушающей нагрузки увеличивалась в соответствии с остротой надреза. Та­ ким образом, эти результаты показывают, что наличие надрезов приводит к повышению предела прочности образцов. Результаты испытаний этих образцов показывают также, что относительное удлинение б10 (определенное для всех образцов на десятикратной базе) и поперечное сужение ф по мере роста предела прочности, соответственно, снижались. При этом общая работа пластической деформации также снижалась.

Повышение значений предела прочности для образцов различ­ ных типов связано с соответствующим снижением поперечного сужения площади их поперечного сечения.

Если диаграммы растяжения, полученные для образцов раз­ личного типа, несколько изменить, построив их в координатах 5 и к, которые учитывают соответствующие изменения рабочей площади поперечного сечения образцов, происходящие по мере роста нагрузки, то можно будет сделать вывод о том, что действи­ тельная прочность для образцов всех типов была примерно оди­ наковой.

При этом:

Здесь S — действительное значение напряжения; Р — растя­ гивающая нагрузка; F — действительное значение площади по­ перечного сечения образца; ф — значение поперечного сужения; к — условное относительное удлинение в данном сечении образца.

При испытании подобных образцов из хрупких материалов результат получается иной. По мере роста остроты надрезов зна­ чение разрушающей нагрузки не увеличивается, как это отме­ чается для образцов из пластичного материала, а уменьшается. Это объясняется тем, что пластические деформации, которые при­ водят к уменьшению первоначального значения площади попереч­ ного сечения в образцах из пластичного материала, при разруше­ нии образцов из хрупкого материала отсутствуют и поэтому пло­ щадь поперечного сечения для образцов различного типа остается постоянной.

Кроме того, пластические деформации, происходящие при рас­ тяжении образцов с надрезами из пластичного материала, сни­ жают в них концентрацию напряжений, влияние которой поэтому и не может в них проявиться. При испытании же образцов с над­ резами из хрупкого материала, концентрация напряжений сохра­ няется и поэтому влияние ее проявляется в снижении значений разрушающей нагрузки.

Влияние температуры. Основные характеристики механиче­ ской прочности материала определяются при комнатной темпера­ туре (20° С). При изменениях температуры, которые могут иметь место при эксплуатации конструкций в различных природных

\ Эти различные состояния материала весьма существенно про­ являются в поведении материала под нагрузкой. При вязком состоянии материала его разрушение при растяжении происходит при значительных пластических деформациях (о чем можно

ной.

При хрупком состоянии материала его способность к пластиче­ скому деформированию резко снижается. Поэтому разрушение при растяжении происходит почти без остаточных деформаций. И хотя при этом предел прочности обычно несколько возрастает, работа, которая затрачивается на разрушение материала, оказы­ вается (из-за резкого снижения характеристик пластичности) чрезмерно малой (рис. 3.8).

Таким образом, несмотря на то, что при низких температурах предел прочности материала несколько повышается (что связано главным образом с условностью вычисления значения предела прочности, состоящей в том, что в расчет принимается начальное значение площади поперечного сечения образца, а не действитель­

ное ее значение, соответствующее моменту разрушения), опас­ ность мгновенного разрушения, возможного при случайных пере­ грузках конструкции, возрастает вследствие малой энергоемкости самого процесса разрушения.

При вязком состоянии материала опасность подобного разру­ шения сравнительно невелика, так как энергия дополнительного воздействия от случайных перегрузок, возможных в реальных условиях, может быть поглощена работой, затрачиваемой на про­ цесс пластического деформирования материала.

На переход материала в хрупкое состояние сильное влияние оказывает также и концентрация напряжений, которая повышает значение критической температуры хрупкого разрушения, уве­ личивая этим опасность работы конструкций при низких темпера­ турах.

В связи с этим в конструкциях, предназначенных к эксплуа­ тации в северных районах страны, где возможно снижение тем­ пературы до — 70° С и даже ниже, необходимо применять только пластичные материалы и избегать условий появления различных концентраторов напряжений (резких изменений конструктивных форм и таких пороков сварных швов, как непровары, подрезы и другие дефекты).

В л и я н и е в ы с о к и х т е м п е р а т у р также прояв­ ляется в изменении механических свойств материала. В таких установках, как паровые и газовые турбины, а также в различных агрегатах атомной энергетики, отдельные детали должны работать при температуре, доходящей до 500° С и выше.

Когда материал длительное время находится под напряжением в условиях действия высокой температуры, то его прочность опре­ деляется одновременным действием трех факторов — нагрузки, времени и температуры.

В этих условиях большое значение имеет такое свойство мате­ риала, как ползучесть, т. е. медленное нарастание пластических деформаций (медленная текучесть) при силовых воздействиях, меньших, чем те, которые вызывают появление пластических де­ формаций в обычных температурных условиях.

При расчетах имеет значение такая характеристика этого процесса, как предел ползучести, т. е. наибольшее напряжение, при котором скорость нарастания пластической деформации или общая деформация (за определенный срок) не превышает опреде­ ленной величины (для заданной температуры).

Допускаемая величина суммарной деформации обычно «ё1%, а допускаемая скорость ползучести составляет от ІО'2 до ІО-7 % в час.

При длительных воздействиях высоких температур под нагруз­ кой имеет значение и такая характеристика, как длительная проч­ ность, которая характеризует способность материала длительное время сопротивляться разрушению, без потери вязкости и плас­ тичности.

Длительная прочность — это нормальное напряжение, вызы­ вающее разрыв образца после заданного срока непрерывного действия нагрузки при определенной температуре.

Ресурс работы деталей турбин может изменяться в пределах

теплоустойчивых и жаропрочных сталей в интервале температур 450° — 750° С. •

В соответствии с уровнем жаропрочности наиболее распростра­ ненные хромомолибденовые стали перлитного класса находят

Рис. 3.9. Значения длительной прочности в зави­ симости от температуры:

7 — малоуглеродистые стали; 2 — хромомолибденовые стали; 3 — хромистые стали; 4 — аустенитные жаропроч­ ные стали; 5 — специальные жаропрочные сплавы на никелевой основе

применение в узлах турбин, работающих при температуре до 550° С. В интервале температур 550—600° С применяются хроми­ стые стали. В зоне температур 600—650° С используются аусте­ нитные жаропрочные стали. При температурах выше 650° С применяются специальные сплавы на никелевой основе.

Особенности действия повторно-переменной нагрузки. Влияние концентрации напряжений наиболее сильно проявляется при действии повторно-переменной (вибрационной) нагрузки. Это объясняется тем, что под действием многократно повторяющихся нагружений разрушение деталей происходит при напряжениях, которые не только значительно ниже предела прочности, но даже ниже предела текучести. При таких сравнительно невысоких зна­ чениях напряжений пластические деформации либо совсем отсут­ ствуют, либо весьма малы, поэтому концентрация напряжений не может быть устранена в процессе нагружения (подобно тому, как это имеет место при разрушениях, вызываемых статической нагрузкой) и сохраняется на всем протяжении времени действия

повторно-переменной нагрузки, что и приводит к появлению мест­ ных разрушений в наиболее напряженных участках. Появившаяся трещина является очагом разрушения и при дальнейшем действии переменной нагрузки, постепенно разрастаясь, приводит к пол­ ному разрушению всего сечения.

Процесс постепенного накопления повреждений, развивающийся в материале при многократном приложении нагрузки и приводя­ щий к его разрушению, называется усталостью. Выносливостью называется свойство материала противостоять усталости.

Пределом усталости (или пределом выносливости) называется наибольшее напряжение ог, которое может без разрушения выдер-

Рис. 3.10. Изменение напряжений от переменной нагрузки: а — симме­ тричный цикл при г — —1; б — пульсирующий цикл при г = 0

жать испытуемый образец при весьма большом количестве циклов нагружения.

В обозначении предела выносливости индексом указывается характеристика цикла переменной нагрузки г, которая может иметь различные значения в зависимости от условий нагружения.

К настоящему времени наиболее хорошо изучены закономер­ ности применительно к условиям действия вибрационной нагрузки, характерным для различных конструкций машиностроительного типа. В этом случае изменение величины нагрузки, происходящее от воздействий вращающихся частей машин, характеризуется опре­ деленной закономерностью, подобной той, которая показана на рис. 3.10.

Предел выносливости определяется экспериментально по ре­ зультатам вибрационных испытаний серии одинаковых образцов. Число образцов в серии составляет 8— 12 шт. При этом каждый образец испытывается только на одном уровне напряжений до разрушения или до заданного (базового) числа циклов. По резуль­ татам тайих испытаний строится график, выражающий зависимость между напряжениями (значение которых для отдельных образцов, входящих в серию, задается различным) и количеством циклов переменного нагружения, выдержанным образцами то разрушения. График, характеризующий зависимость величины разрушающих напряжений от количества циклов (рис. 3.11), называется кривой

усталости (или кривой Веллера). Эта зависимость показывает, что при некотором предельном значении напряжений разрушение не будет происходить даже при весьма большом количестве циклов. Об этом свидетельствует наличие горизонтального участка на кривой усталости. Предел выносливости и соответствует уровню напряжения горизонтального участка кривой выносливости. Ко­ личество циклов, при котором производится определение предела выносливости, называется базой испытания.

Циклом напряжений называется совокупность последователь­ ных значений переменных напряжений за один период их изменения ния (рис. 3.10).

а) б

Основными параметрами цикла напряжений являются следую­ щие: Т — период цикла; сгшах— максимальное напряжение цикла (наибольшее по алгебраической величине); amln — минимальное напряжение цикла (наименьшее по алгебраической величине); от— среднее напряжение цикла; аа — амплитуда напряжений цикла.

Параметры цикла напряжений связаны между собой следую­ щими зависимостями:

свойств материала и для различных материалов она может быть различной.

Для стальных образцов база испытания принимается равной N 0 = 107. Для образцов из алюминия (а также для некоторых дру­ гих материалов, кривые усталости которых не имеют горизонталь­ ного участка) она принимается равной 0 — 5 • ІО7. Такое