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

Попутно можно отметить, что то же по величине усилие Р =

=52,8 тс могло бы вызвать состояние текучести по всему сечению

идля элемента, не имеющего внутренних напряжений

Поэтому по условиям достижения предельных напряжений, равных пределу текучести, элементы, имеющие начальные свароч­ ные напряжения, и элементы, не имеющие этих начальных (взаимно уравновешенных) напряжений, находятся в одинаковых условиях.

Ввиду того, что при разгрузке сопротивление деформациям сжатия оказывается всеми частями сечения, снижение напряже­ ний произойдет по всему сечению на величину

Таким образом, из приведенного примера видно, что внутрен­ ние уравновешенные в сечении сварочные напряжения не отра­ жаются на работоспособности элемента, поэтому они и не учиты­ ваются при проектировании сварных конструкций, точно так же, как они те учитываются и при проектировании клепаных конструк­ ций, создаваемых тоже из элементов с начальными остаточными напряжениями (созданными прокаткой, литьем, холодным дефор­ мированием и другими методами, применяемыми при изготовле­ нии элементов конструкций).

Совсем иначе процесс суммирования внутренних напряжений с напряжениями от внешней нагрузки проходит в конструкциях из хрупких материалов, разрушение которых происходит без пластических деформаций. В этом случае сварочные напряжения могут складываться с напряжениями от внешней нагрузки по всему сечению детали и вызывать преждевременное ее разрушение.

Так же будут складываться с напряжениями от внешних сил и напряжения реактивные, не уравновешенные в сечении. Поэтому они опасны для прочности сварных конструкций.

Все сказанное полностью подтверждается опытом эксплуатации сварных конструкций, а также специальными опытами по опре­ делению прочности различно напряженных сварных элементов.

Наличие значительных пластических деформаций при разру­

прочность конструкций из хрупких материалов, неспособных

давать пластические деформации. Следовательно, в конструкциях из малоуглеродистых и низколегированных сталей внутренне уравновешенные сварочные напряжения могут снизить прочность сварного соединения лишь в том случае, если материал сварного соединения будет приведен в абсолютно хрупкое состояние, т. е. практически полностью потеряет способность пластически де­ формироваться. Такое состояние материала может иметь место при температурах ниже критической температуры хрупкости, значение которой зависит от формы образца. В этом случае сва­ рочные напряжения, суммируясь с напряжениями от внешней нагрузки, приведут к снижению величины разрушающей нагрузки. Однако если этим исключительно тяжелым условиям работы предшествовала работа конструкции в более легких условиях (например, при положительной температуре), то снижения раз­ рушающей нагрузки не произойдет вследствие смягчения остроты концентратора напряжений за счет пластических деформаций, происходящих при предшествующих нагружениях. Этим и объяс­ няется то обстоятельство, что в реальных конструкциях при ста­ тических нагрузках практически не наблюдается снижения проч­ ности от действия остаточных напряжений.

Анализ результатов всех исследований показал, что при ста­ тической нагрузке низкая температура и высокие концентраторы напряжений сами по себе весьма существенно влияют на прочность элементов, значительно снижая ее. Поэтому, хотя проявление отрицательного влияния остаточных напряжений тоже возможно, все же степень этого влияния ничтожно мала по сравнению с дру­ гими факторами и с ней поэтому практически можно не считаться.

Таким образом, для конструкций эксплуатирующихся при низких температурах, снятие сварочных напряжений с целью повышения их прочности оказывается бесполезным. Предупре­ дить возможное в этих условиях снижение прочности можно лишь устранением концентраторов напряжений.

Пластические деформации при ударном разрушении оказы­ ваются по величине не меньшими, чем при статическом разрушении.

Таким образом, на основании тех же соображений, можно заключить, что общая оценка влияния остаточных напряжен й на прочность при ударе должна быть такой же, как при статиче­ ской нагрузке. Наличие пластических деформаций при ударном разрушении также свидетельствует о том, что разницы в напряжен­ ном состоянии отдельных образцов к моменту разрушения суще­ ствовать уже не должно, поэтому остаточные напряжения не могут оказывать влияния на прочность.

При вибрационной нагрузке разрушение не сопровождается пластическими деформациями. В связи с этим предел выносливо­ сти элементов конструкций в значительной степени зависит от концентрации напряжений, а также от местного изменения свойств металла, которое возможно при различных технологических воз­ действиях в процессе изготовления конструкций. По тем же

причинам влияние остаточных напряжений при вибрационной на­ грузке должно проявляться более заметно, чем при статической нагрузке и ударе, при которых значительные пластические де­ формации, происходящие в процессе нагружения, устраняют остаточные напряжения.

Результаты вибрационных испытаний показали, что при отсутствии концентраторов напряжений остаточные сварочные напряжения не снижают вибрационную прочность образцов из малоуглеродистой и низколегированной стали.

При этом отжиг уничтожает остаточные напряжения, однако

сварных швов компенсирует отрицательное действие растяги­ вающих остаточных напряжений. Поэтому отжиг образца, унич­ тожающий упрочняющее влияние наклепа, приводит к сни­ жению вибрационной прочности. Предварительное растяжение, которое значительно повышает вибрационную прочность, следует

в равной мере проявляется как при наличии остаточных напряже­ ний, так и без них), а как метод упрочнения, связанный с появле­ нием местных пластических деформаций. Местные пластические деформации при растяжении создают упрочнение металла в наи­ более напряженном участке и, кроме того, приводят к некоторому изменению формы переходов, смягчая их резкость. Последнее для образцов с высокой концентрацией напряжений может иметь весьма существенное значение. Кроме того, местные пластические деформации от внешней нагрузки приводят также и к снижению остаточных напряжений.

Как отмечалось выше, в обычных условиях влияние растяги­ вающих остаточных напряжений в районе шва всегда компенси­ руется упрочняющим влиянием местных пластических деформа­ ций. Но в некоторых случаях, например при сварке жестко за­ крепленных деталей или когда остаточные напряжения созданы другими методами, районы действия остаточных напряжений и концентрации местных пластических деформаций могут быть отделены друг от друга. Если при этом действие внешней нагрузки будет в большей степени сконцентрировано в районе действия остаточных растягивающих напряжений, а участки, в которых произошли местные пластические деформации, будут располо­ жены в слабо работающей зоне элемента конструкции, то благо­ приятное влияние местных пластических деформаций не будет уже компенсировать отрицательное действие остаточных напря­ жений. В этом случае произойдет снижение предела выносливости, определяемое суммированием остаточных напряжений с напряже­ ниями от внешней нагрузки и изменением характеристики цикла суммарных напряжений. Это может быть подтверждено резуль­ татами испытания крестовых образцов, приведенными в табл. 5.1.

После сварки все образцы были подвергнуты отжигу для снятия в них сварочных напряжений. Таким образом, в исходном состоя­ нии сварочных напряжений в образцах не было. Остаточные напряжения в них создавались последующей специальной обра­ боткой кромок центральной пластины (пластическим обжатием или нагревом), вызывающей в них (в кромках) местные пластиче­ ские деформации. При данной форме образцов влияние местных пластических деформаций, сосредоточенных на кромках, не могло проявляться, так как напряжения на кромках от внешних на­ грузок были незначительными и возможность появления разру­ шения кромок была исключена. Прочность образцов определя­ лась напряженным состоянием их центральных участков, находя­

щихся в упругом состоянии, в которых остаточные напряжения суммировались с напряжениями от внешней нагрузки. Таким образом, при испытании образцов были созданы условия, при которых действие местных пластических деформаций и остаточ­ ных напряжений было разделено, что позволило оценить влияние остаточных напряжений отдельно от влияния других факторов.

Как видно по результатам испытания, влияние остаточных напряжений в данном случае проявилось достаточно определенно. Растягивающие остаточные напряжения привели к снижению предела выносливости, тогда как сжимающие остаточные напря­ жения привели к его повышению.

Рассмотренные условия испытания крестовых образцов с раз­ личными остаточными напряжениями представляют собой слу­ чай, когда остаточные напряжения оказывают влияние на проч­ ность. При этом влияние остаточных напряжений в зависимости от их знака может быть как отрицательным, так и положительным.

Следует отметить, что в данном случае остаточные напряжения не являлись сварочными, а были вызваны другими технологиче­ скими воздействиями. Проявление остаточных напряжений ока­ залось возможным благодаря искусственному разделению районов их проявления от районов с местными пластическими деформа­ циями, а также благодаря применению образцов с предельно высокой концентрацией напряжений.

В настоящее время считается установленным, что при исполь­ зовании в сварных конструкциях достаточно пластичных мате­ риалов, таких, например, как применяющиеся марки конструк­ ционных сталей, уравновешенные в сечении сварочные напряже­ ния на прочность конструкций не влияют при любых условиях загружения и статической и динамической нагрузками.

Поэтому нет необходимости в этих случаях при изготовлении конструкций применять особые меры для снижения напряжений. Это положение не может быть распространено на изделия из хрупких материалов, для которых сварочные напряжения опасны и могут привести к появлению трещин еще при изготовлении изделий. В таких случаях предотвращение появления внутренних напряжений в процессе изготовления необходимо.

Следует также принимать меры для уменьшения реактивных напряжений в сварных конструкциях, появляющихся при сварке в закреплениях, например, при сварке монтажных стыков.

Необходимость снятия сварочных напряжений может быть оправдана также в случаях, когда требуется высокая точность сохранения размеров сварного изделия в продолжении всего периода его службы. Это, в частности, имеет значение для фунда­ ментов под сложные агрегаты, точность центровки валов которых очень высока. При этом, учитывая, что под действием внешней нагрузки внутренние напряжения могут уменьшаться, следует считаться с возможным изменением размеров изделия вследствие перераспределения напряжений и упругих деформаций. Такое