Файл: Труфяков, В. И. Усталость сварных соединений.pdf

мости, установленной на образцах без сварки (см. рис. 9). Совпа­ дение указанных кривых, относящихся к образцам с надрезами, так же как и результаты испытания пластин без концентраторов на­ пряжений, позволяет сделать вывод, что в случае малоуглероди­ стых сталей изменения механических свойств металла околошовной: зоны не оказывают заметного влияния на сопротивляемость уста.- лостным разрушениям.

Рис. 12. Выносливость основного металла и зоны термического влияния для стали Ст. 3 (а); 15ХСНД (б и в) и 10Г2С1 (г); черные точки — образцы без сварки; светлые — сварные образцы.

Более сложные процессы происходят при сварке низколегиро­ ванных сталей [3]. В соответствии с термическим циклом в зоне сплавления имеет место диффузия углерода к границе раздела твердого и жидкого металла, а со стороны основного металла на-; блюдается обезуглероженный участок. По мнению А. Е. Дениса, повышенная пластичность этого участка смягчает эффект концент­ рации напряжений при переходе шва на основной металл. Однако в тех случаях, когда граница сплавления обедняется элементами, упрочняющими феррит (например, хромом, кремнием и никелем при сварке стали 15ХСНД), углерода на данном участке остается боль­ ше. Поэтому в зоне сплавления образуется сравнительно хрупкаят видманштеттова структура, более чувствительная к концентрации; напряжений. Кроме того, вследствие разупрочнения феррита не­ которыми легирующими элементами увеличивается разница между.- прочностными характеристиками феррита и перлита, усиливающая: неоднородность у границы сплавления. Исходя из этих представ­ лений, в работе [3] сделан вывод о возможном существенном.

2*

а

/ — край макрошлифа; 2 — средина макрошлифа.

влиянии химической и структурной неоднородности у границы сплавления на выносливость соединений низколегированных ста­ лей, содержащих хром и никель.

Позднее для проверки этого предположения на машине НУ при изгибе с вращением испытывались круглые образцы без кон­ центраторов напряжений (рис. 12, б) и на машине ЦДМ-Юпу при

го вида имела стыковое соединение, выполненное заранее (на общей

Круглые образцы в основном разрушались у галтелей. В отдель­ ных случаях изломы происходили в средней части. Однако резуль­ таты испытаний всех образцов размещаются в одной и той же зоне рассеяния (рис. 12, б). Пластины с выкружками показали меньший разброс. В этом случае вовсе не наблюдалось какого-либо различия между результатами испытаний сварных и несварных образцов (рис. 12, е). Отсюда следует, что химическая, структурная и меха­ ническая неоднородности практически не сказываются на выносли­ вости стали 15ХСНД как при наличии концентраторов напряжений (аа = 2,5), так и без них. Еще меньшую неоднородность создают другие низколегированные горячекатаные стали [3]. Поэтому мож­ но прийти к выводу, что в случае использования в металлоконструк­ циях малоуглеродистых и низколегированных сталей и рекомендуе­ мых режимов сварки изменение свойств околошовной зоны сущест­ венно не влияет на сопротивление усталости сварных соединений.

В последнее время в сварные конструкции внедряются стали по­ вышенной (ат > 40 -4- 50 кГ/мм2) и высокой (ат > 60 -f- 75 кГ/мм2) прочности. В основном это низколегированные стали, прошед­ шие термическую обработку. При сварке они могут разупрочняться, вследствие чего в зоне термического влияния возникает более рез­ кая неоднородность механических свойств. Наличие разупрочненных или упрочненных участков в околошовной зоне зависит от хи­ мического состава стали, сечения проката и режимов сварки (ско­ рости охлаждения) [63, 64, 96].

На рис. 13 по данным исследования, выполненного П. И. Соко­ ловским и В. С. Яковлевой [144], приведены результаты измерения твердости в различных участках зоны влияния термически упрочнен­ ных сталей: 10Г2С (а), 15Г2С (б), 10Г2Б (в), 15Г2Б (г), 15ХСНД без меди (д) и 15ГСМФР (е). Измерения выполнялись на пластинах толщиной 10—12 мм, на которые наплавлялись с двух сторон ва­ лики на погонной энергии 3500 кал/см, что соответствует скорости

22

охлаждения 15—20 град!сек. Как видно из рис. 13, околошовные зоны сварных соединений исследованных сталей имеют участки как с повышенной, так и с пониженной твердостью по сравнению с исходным металлом. На участке перегрева, расположенном не­ посредственно возле сварного шва, твердость значительно выше, чем у исходного металла. Стали 10Г2С, 15Г2С, 15ХСНД на этом участке имеют структуру сорбитообразного перлита с ферритом, местами с видманштеттовой ориентацией. В то же время имеются участки с пониженной твердостью, а следовательно, и с пониженной прочностью. Участки с существенно пониженной прочностью рас­ положены на границе зоны нормализации и неполной перекристал­ лизации. Микроструктура этих участков — феррит и перлит раз­ рыхленного вида.

Резкая неоднородность механических свойств на отдельных уча­ стках зоны термического влияния может на определенной стадии переменного нагружения вызвать концентрацию напряжений, если полагать, что металл, обладающий большей пластичностью, выхоходит раньше из области упругих деформаций в результате накоп­ ления необратимых упруго-пластических деформаций, чем менее пластичный металл. В то же время ограничение деформаций ме­ талла с низким пределом текучести в результате воздействия окру­ жающего более прочного материала создает жесткое объемное на­ пряженное состояние мягкой прослойки, что задерживает в ней развитие пластических деформаций и тем самым сглаживает небла­ гоприятный эффект резкого скачка механических свойств [90]. При статическом нагружении возрастание прочности мягкой про­ слойки по мере уменьшения ее относительной толщины наблюда­ лось О. А. Бакши и Р. 3. Шроном [6, 194].

П. И. Кудрявцевым и А. С. Гельманом проводились опыты по оценке влияния резкой механической неоднородности на усталост­ ную прочность образцов, не имевших концентраторов напряжений.

Исследования выполнялись на цилиндрических образцах диа­

разцов с твердыми прослойками и как материал мягкой прослойки, а сталь 40Х использовалась в качестве основного материала в об­ разцах с мягкой прослойкой и материала твердой прослойки. Об­ разцы изготовлялись с помощью стыковой сварки оплавлением и

до 30 мм. Испытания на усталость проводились на машине УИПМ-20 конструкции ЦНИИТМАШ, осуществляющей круговой изгиб об­

23