ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 17.10.2024
Просмотров: 61
Скачиваний: 0
|
|
|
|
|
Зах |
|
|
3aH |
t= 3- |
|
|
H' |
= |
da |
|
|
|
|
|
|
|
|
2a |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
2a |
|
|
|
|
|
de.a |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Q = Sl + S2v |
+ 2SxSy |
+ |
|
(H' + |
Щ, |
|
|
|
||||
где |
ax, |
Oy — нормальные напряжения; |
тху — касательное |
напря |
|||||||||||||
жение; |
Аах, |
Аау, |
Атху |
— приращения |
напряжений; |
Дех , |
Де,,, |
||||||||||
Ауху |
— приращения деформаций; G — |
Т а б л и ц а |
3. |
Коэффициенты |
|||||||||||||
модуль |
|
сдвига; |
\i |
— коэффициент |
концентрации |
напряжений на- |
|||||||||||
Пуассона; |
ер |
— эквивалентная |
плас |
хлесточпых |
соединений |
с |
флан |
||||||||||
тическая |
деформация. |
|
|
|
говыми |
швами |
в |
зависимости |
|||||||||
|
Полученные в работе |
[229] |
коэф |
от |
размеров основной |
пластины |
|||||||||||
фициенты концентрации |
напряжений, |
|
|
Размеры |
основ |
|
|
||||||||||
относящиеся |
к основной |
пластине на |
Номеомер |
ной |
пластины |
|
|
||||||||||
участках перехода к концам фланго |
модели |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
вых швов, |
приведены |
в |
табл. 3. |
Как |
|
|
|
|
<i |
|
|
|
|||||
видно |
из |
таблицы, |
величина |
коэф |
|
1 |
100 |
9 |
|
|
1,7 |
||||||
фициента |
|
концентрации, |
отвечающая |
|
|
|
|||||||||||
|
|
2 |
180 |
5 |
|
|
2,4 |
||||||||||
упругой |
области |
напряжений, суще |
|
|
|
||||||||||||
|
3 |
300 |
3 |
|
|
3,8 |
|||||||||||
ственно |
|
зависит |
от |
геометрических |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
параметров |
соединения. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
После |
|
наступления |
текучести в местах |
концентрации |
напряже |
|||||||||||
ний происходит общее перераспределение напряжений. При этом
величины |
коэффициентов |
концентрации |
существенно |
меняются. |
|||||||||
|
|
|
|
Для |
соединений |
|
малоуглеродистой |
||||||
|
|
|
|
стали |
характерно |
|
резкое |
снижение |
|||||
|
|
|
|
коэффициента |
концентрации в облас |
||||||||
|
|
|
|
ти малых деформаций и возрастание |
|||||||||
|
|
|
|
его по мере увеличения деформаций. |
|||||||||
|
|
|
|
В |
соединениях |
высокопрочной |
стали |
||||||
|
|
|
|
с |
увеличением |
деформации |
наблюда |
||||||
|
|
|
|
ется |
монотонное |
снижение |
концент |
||||||
|
|
|
|
рации напряжений |
(рис. |
7). |
|
||||||
Пластическая |
деформация, °/° |
|
|
Указанные |
в |
табл. |
3 |
величины |
|||||
Рис. 7. Изменение коэффициента |
коэффициентов концентрации не столь |
||||||||||||
концентрации |
в зависимости |
от |
велики, как |
полагалось |
ранее |
[47, |
|||||||
пластической |
деформации: |
2 — |
198). |
Они согласуются |
с |
опытными |
|||||||
/ — малоуглеродистая |
сталь; |
данными и, в частности, с |
результа |
||||||||||
высокопрочная |
сталь. |
|
|||||||||||
|
|
|
|
тами, полученными |
в Институте элек |
||||||||
тросварки |
при |
изучении |
распределения |
напряжений |
на моделях |
||||||||
из оптически-активного |
материала |
ЭД6-М. |
|
|
|
|
|
|
|||||
Модели в виде двух пластин, перекрытых двухсторонними на кладками, имитировали нахлесточные соединения с фланговыми швами. Материалом для швов служил клей холодного отвердевания, приготовленный на основе эпоксидной смолы ЭД6-М. Компоненты клея подбирались из расчета равенства модулей упругости швов и основных пластин. Расхождение модулей упругости не превыша ло 3%. Швы имели равные катеты.
13
В одних моделях менялась длина нахлеста (от 20 до 150 мм), в других —ширина накладки (от 10 до 144 мм) при неизменной ширине основной пластины (150 мм). Отношение толщин основной пластины и накладок оставалось постоянным и равным 2. В допол
нительных моделях изменялась также и толщина |
накладок. |
|
|||||||||
Из представленных на рис. 8 зависимостей коэффициента кон |
|||||||||||
центрации от длины нахлестки (Г) |
и соотношения ширины накладки |
||||||||||
и основной пластины {аг1а) можно видеть, что |
изменение длины |
||||||||||
шва |
незначительно |
сказывается на концентрации |
напряжений. |
||||||||
|
|
|
|
|
Только |
при |
очень |
коротких |
|||
|
|
|
|
|
швах, недопускаемых |
на |
прак |
||||
|
|
|
|
|
тике, это влияние заметно воз |
||||||
|
|
|
|
|
растает. |
Значительно |
больше |
||||
|
|
|
|
|
концентрация |
напряжений |
из |
||||
|
|
|
|
|
меняется |
в случае |
увеличения |
||||
|
|
|
|
|
ширины накладки. В то же вре |
||||||
0 |
02 |
Ofi |
QS |
0.8 L й |
мя с увеличением их толщины |
||||||
Рис. 8. Зависимость коэффициента кон |
коэффициенты |
концентрации, |
|||||||||
приведенные на рис. 8, умень |
|||||||||||
центрации напряжений от длины на |
|||||||||||
хлестки (/) и соотношения ширины |
шаются. |
|
|
|
|
|
|||||
накладок основной |
пластины (2). |
При соотношениях |
геометри |
||||||||
|
|
|
|
|
ческих размеров накладок |
и ос |
|||||
новных пластин, наиболее часто встречающихся на практике, коэф фициенты концентрации у концов фланговых швов, очевидно, могут изменяться в пределах 1,8—3,2.
Отсюда можно сделать вывод, что большинство сварных сое динений создает меньшую концентрацию напряжений, чем клепа ные соединения или круговые отверстия, коэффициент концентра ции которых равен трем.
Соединения других видов характеризуются промежуточными значениями коэффициентов концентрации напряжений по сравне нию с а а , установленными для стыковых соединений и нахлесточных с фланговыми швами.
Добавление лобового шва снижает неравномерность напряжений в нахлесточном соединении, но, когда имеются только лобовые швы, концентрация напряжений возрастает. Наиболее благоприят ным очертанием обладает пологий шов, создающий низкую концент рацию напряжений в месте перехода на основной металл. Однако и в этом случае концентрация напряжений в корне лобового шва
остается повышенной, соизмеримой |
с концентрацией напряжений |
у его конца при отношении катетов |
1 : 1 . |
Изучению распределения напряжений в соединениях с лобовы ми швами посвящено много исследований [106, 200, 235, 257, 263 и др.]. Однако результаты их существенно расходятся. В ряде работ указываются коэффициенты концентрации, равные 3; 4 и более. В то же время по данным недавно проведенных исследований в То кийском университете, коэффициенты концентрации напряжений, установленные аналитическим методом конечных элементов, не пре-
вышали 1,32 [229, 257]. С приведенными данными согласуются дан ные, полученные в работе [1691. Исследования выполнялись поляри- зационко-оптическим методом на моделях, соотношение размеров которых соответствовало соотношению размеров в образцах, испы танных на усталость (результаты приведены на стр. 7). Коэф фициенты концентрации для различных сварных соединений на ходились в пределах 1,3—2,3.
|
|
|
|
|
|
|
Соединения |
|
|
а а |
|
|
|
||
|
|
|
Стыковые |
|
|
|
|
|
1,32 |
|
|
||||
|
|
|
Прикрепление |
фасонок в стык |
|
1,40 |
|
|
|||||||
|
|
|
Прикрепление |
ребер жесткости |
|
1,55 |
|
|
|||||||
|
|
|
Нахлесточные |
соединения |
с обваркой |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
по контуру |
|
|
|
|
1,69 |
|
|
||||
|
|
|
Нахлесточные |
соединения |
с фланговы |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
ми швами |
|
|
|
|
2,33 |
|
|
||||
|
Данные испытаний, приведенные выше, позволяют построить |
||||||||||||||
зависимость о_] = |
/ (аа ) |
для сварных |
соединений |
и сравнить |
ее |
||||||||||
с |
аналогичной |
зависимостью |
Оч.кГ/мм2 |
|
|
|
|
||||||||
для подобных |
образцов с выточ |
1 |
|
|
|
|
|
||||||||
ками. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
\ |
|
|
|
|
|
|||
|
Как видно из рис. 9, кривая |
\ |
|
|
|
|
|
||||||||
2 располагается значительно ни |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
же кривой 1. С повышением |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
коэффициента |
концентрации |
на |
|
|
|
|
|
|
|||||||
пряжений |
разница между |
пре |
|
|
|
|
|
|
|||||||
делами |
выносливости |
пластин |
V |
|
|
|
|
||||||||
с |
выточками |
и сварных |
образ |
4 |
|
|
|
||||||||
цов заметно возрастает, достигая |
|
|
|
||||||||||||
6 кГ/мм2 |
при аа = |
2,3. |
Эта |
раз |
? 1 |
|
I |
I |
I |
||||||
ница соизмерима |
с |
падением |
/ |
|
2 |
3 |
4 |
ссб |
|||||||
Рис. 9. Зависимость пределов выносли |
|||||||||||||||
выносливости, |
вызванным |
кон |
|||||||||||||
центрацией |
напряжений. |
Отсю |
вости |
от теоретического |
коэффициента |
||||||||||
концентрации напряжений: |
|
||||||||||||||
да |
видно, |
что снижение |
сопро |
/ — пластины с выточками; |
2 — сварные |
||||||||||
тивления |
|
сварных |
соединений |
соединения . |
|
|
|
|
|||||||
усталостным |
разрушениям |
про |
|
|
|
|
|
|
|||||||
исходит не только под влиянием концентрации напряжении, но и под влиянием других факторов, обусловленных образованием свар
ного |
соединения. |
|
|
аа |
К такому же выводу можно прийти, сопоставляя теоретические |
||
и эффективные коэффициенты концентрации напряжений, рав |
|||
ные отношению предела выносливости образцов основного |
металла |
||
к |
пределу выносливости образцов с концентрацией напряжений |
||
[Ко = |
- g ~ ' • | . Как известно, эффективные коэффициенты |
концент- |
|
V |
|
° — 1к ' |
|
раций |
обычно имеют меньшие значения, чем теоретические, т. е. |
||
а 0 |
> |
Ка- Однако для сварных соединений характерно |
обратное |
соотношение. Так, например, коэффициент а а стыковых соединений
15
(при обычно встречающемся усилении шва) равен 1,3, а эффективный
коэффициент |
концентрации * |
/Сст = 1,9 |
2,4; |
для |
соединений |
с фланговыми |
швами аа — 2,3, |
а Ко = 5,9 |
4- 6,9, |
т. е. |
/Са > а 0 . |
2. Изменение свойств металла околошовной зоны
Основной металл, прилегающий к соединяемым кромкам, в процессе сварки нагревается до высоких температур. Эта полоса металла, называемая зоной термического влияния, подвергается своеобразной термической обработке. Структура металла изменя ется в соответствии с термическим циклом нагрева и охлаждения. Для каждого участка зоны влияния характерен вполне определен ный термический цикл. Вследствие этого различные участки зоны
влияния отличаются |
структурой |
||||||
и |
механическими |
свойствами. |
|||||
Характер изменения |
структуры |
||||||
и механических |
свойств |
зависит |
|||||
от химического |
состава |
металла |
|||||
и |
предшествующей |
термической |
|||||
и |
механической |
обработки |
ме |
||||
талла |
[133, |
150]. |
|
|
|
||
Рис. 10. Зона термического влияния. |
На |
рис. |
10 схематически |
||||
изображены |
шов и прилегающие |
||||||
к нему пять участков зоны термического влияния, характерных |
для |
||||||
малоуглеродистой стали [1901. Участок / |
начинается |
у |
границы |
||||
сплавления металла шва и основного металла. Он соответствует
нагреву |
выше 1000—1100° С и |
может иметь ширину до 2 |
мм. |
||
На этом |
участке |
образуется |
крупнозернистая видманштеттова |
||
структура. Участок |
/ / полной |
перекристаллизации |
претерпевает |
||
такой нагрев и охлаждение во время сварки, который |
можно |
сра |
|||
внить с нормализацией, в результате чего образуется |
мелкое зерно. |
Ширина этого участка колеблется от 0,5 до 2 мм. |
Участок / / / |
неполной перекристаллизации располагается между изотермически
ми поверхностями, имеющими температуры критических |
точек |
ACs |
и ACl (примерно 850 и 723° С). На этом участке шириной |
0,5—1 |
мм |
наблюдается лишь частичное измельчение зерен основного металла.
Участок IV располагается в интервале температур от 500 |
550° С |
|||
до точки ЛС ] . Ширина его 2—5 мм. Для участка |
V характерны тем |
|||
пературы 250—350° С. Металл не претерпевает |
видимых |
структур |
||
ных изменений, но на этом участке (шириной от 4 до 22 мм) |
может |
|||
иметь место старение. |
|
|
|
|
Как свидетельствуют приведенные ниже данные, по |
мере при |
|||
ближения к шву возрастает твердость различных |
участков зоны тер- |
|||
* |
По данным ряда исследований [36, 50], предел выносливости основного ме |
|||
талла |
с прокатной коркой (малоуглеродистая сталь) a_j = |
13,5-f- 16,0 |
кГ/мм2. |
|
Отсюда Ка = 1 3 ' 5 ^ 0 1 6 ' ° = 1,9 -4- 2,4.
1R
мического влияния, что указывает на повышение прочности и сни жение пластичности металла околошовной зоны.
Поскольку концентраторы напряжений (переходы швов на ос новной металл) обычно размещаются в зоне сплавления, наиболь ший интерес представляет участок крупного зерна и граница сплав ления шва и основного металла.
Участки HRB
I86
II 82 III 80
IV |
76 |
V |
68 |
Непосредственное измерение механических свойств отдельных участков околошовной зоны затруднено. Тем не менее микрообраз цы (диаметром 0,8 мм), вырезанные из участка перегрева околошов
ной |
зоны стали 55 и испытанные на машине |
ВИАМ, |
позволили |
|||
Г. И. Погодину-Алексееву |
и М. С. Савельевой |
[122] |
установить, |
|||
что |
предел прочности металла на указанном участке |
повышается |
||||
по |
сравнению с пределом |
прочности основного |
металла |
на |
30%, |
|
а относительное сужение поперечного сечения уменьшается |
на |
35%. |
||||
Для малоуглеродистой стали указываются [116] меньшие измене ния предела прочности (до 20%), но отмечается возможное более значительное увеличение предела текучести металла на участке крупного зерна.
Исходя из таких характеристик Н. О. Окерблом полагает, что металл зоны термического влияния должен обладать большей со противляемостью усталостным разрушениям, чем основной металл. В качестве иллюстрации им приведены результаты испытаний при изгибе с вращением образцов из стали Ст.З диаметром 17 мм с над резами глубиной 3,5 мм и радиусом 1 мм. При напряжениях 16,5 кПмм2 образцы с надрезами в околошовной зоне оказались долговечнее образцов с надрезами по основному металлу примерно в 3 раза (испытывалось по два образца). Вместе с тем отмечается [115, 116], что с повышением степени концентрации напряжений сопротивление усталости околошовной зоны вследствие большей чувствительности к концентрации напряжений должно падать бы стрее, чем сопротивление усталости основного металла.
Имеющееся противоположное суждение сводится к тому, что термопластическая деформация в околошовной зоне вызывает ста рение металла и при наличии концентраторов напряжений это может вызывать понижение выносливости соединения. В низколе гированных сталях к причинам, снижающим сопротивляемость соединений переменным нагрузкам, относят неоднородность (по твердости) околошовной зоны, заметную разницу прочностных характеристик отдельных составляющих микроструктуры у гра ницы сплавления и химическую неоднородность [3].
В шлифованных образцах и реальных соединениях зона сплав ления часто является местом зарождения усталостных трещин.
2 2—2315