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

определяется в этом случае свойствами мягкого основного металла. При твердом основном металле и мягкой прослойке усталостная прочность соединения зависит от относительной величины прослой­ ки х = hid (отношение толщины прослойки h к диаметру образца d). Прочность соединения с мягкими прослойками значительной ве­ личины (к > 0,75) обусловливается выносливостью материала прослойки. Уменьшение ее относительной толщины ниже кри­

на погонной энергии 11 ООО кал/см. Под влиянием термического цик­ ла сварки металл на отдельных участках зоны термического влия­ ния заметно разупрочнялся. Предел текучести стандартных образ­ цов снижался до 11%. Испытания на усталость при пульсирующем цикле напряжений проводились на машинах ЦДМ-200пу при осе­ вом нагружении. В большинстве сварных образцов разрушения на­ чинались в зоне сплавления. Но так же, как и в ранее описанных опытах, стыковые соединения и пластины основного металла пока­ зали равную выносливость (см. рис. 12, г). Пониженная прочность прослоек и разнородность механических свойств соединения не ска­ зались на сопротивляемости его переменным нагрузкам. Аналогич­ ные результаты были получены при испытании стыковых соединений

Иную картину можно ожидать, когда в мягкой прослойке с существенно пониженными прочностными характеристиками име­ ется концентратор напряжений. Как показали опыты П. И. Куд­ рявцева [91] и Г. И. Клыковой [72], цилиндрические образцы из

2'i

стали 40Х с вваренными вставками различного размера из стали Ст. 3 и надрезами в них существенно изменяют выносливость по сра­ внению с надрезанными образцами из стали 40Х. В этом случае об­ разцы с мягкими вставками из стали Ст. 3 и цельные образцы с над­ резами из стали Ст. 3 показывают одинаковые пределы усталости. Авторы приходят к выводу, что сопротивление усталости механи­ чески неоднородных образцов с концентраторами напряжений определяется не размерами мягкой прослойки (как это наблюда­ лось ранее в опытах с гладкими образцами), а только свойствами материала мягкой прослойки. Поэтому для оценки выносливости механически неоднородных сварных соединений, имеющих концент­ раторы напряжений в зоне пониженных механических характерис­ тик, допустимо ограничиваться испытанием однородных образцов из материала, свойства которого соответствуют свойствам материа­ ла указанной зоны.

Как уже упоминалось, в сварных соединениях некоторых тер­ мически упрочненных сталей (см. рис. 13) участки с пониженной прочностью располагаются на границе зоны нормализации и не­ полной перекристаллизации, т. е. несколько смещены по отношению к концентратору напряжений, который чаще всего совпадает с гра­ ницей сплавления или участком перегрева. Не исключено, однако, что в отдельных случаях, концентратор напряжений может распо­ лагаться на разупрочненных участках зоны термического влияния. Тогда сопротивление усталости соединения будет определяться выносливостью металла с пониженными механическими свойствами.

3. Остаточные напряжения

Сварным соединениям свойственна повышенная концент­ рация напряжений не только от действующих нагрузок, но и от оста­ точных напряжений, порождаемых тепловыми упруго-пластическими деформациями в процессе образования швов [291. Остаточные напря­ жения, изменяя асимметрию цикла, при определенных условиях могут существенно влиять на сопротивление усталости сварных соединений. Вместе с тем влияние этого фактора часто рассматри­ вается в связи с изменением свойств металла околошовной зоны под влиянием термомеханического цикла сварки. Предполагается, что под действием пластической деформации и эффекта термической об­ работки металл околошовной зоны приобретает повышенную со­ противляемость усталостным разрушениям. Возможное понижение выносливости под влиянием растягивающих остаточных напряже­ ний как бы компенсируется повышенным сопротивлением усталос­ ти околошовной зоны. Поэтому оба эти фактора относят к второ­ степенным по сравнению с основным — концентрацией рабочих напряжений.

Успехи в области применения искусственно образуемых сжи­ мающих остаточных напряжений для увеличения долговечности

25-

деталей машин показали их существенную роль в усталостных про­ цессах, а соответствующие закономерности явились предметом даль­ нейших исследований, среди которых определенный интерес пред­ ставляют экспериментальные данные, свидетельствующие о зна­ чительном влиянии растягивающих остаточных напряжений на сопротивление усталости сварных соединений.

В ряде исследований не было обнаружено падения выносливости под действием растягивающих остаточных напряжений [209, 253, 262, 284 и др.]. Опыты проводились на образцах, не имевших над­ резов, выточек, изменений сечений и т. п. Как было установлено позже, остаточные напряжения усиливают свое действие при нали­ чии концентраторов напряжений. В этом случае остаточные напря­ жения могут существенно изменить долговечность соединений, осо­ бенно в области сравнительно низких рабочих напряжений [82, 155, 191, 276 и др.].

26

При некоторых условиях растягивающие остаточные напряже­ ния снижают предел выносливости изделия или образца на 35—50%. В опытах ИЭС им. Е. О. Патона [155] при плоском изгибе и симмет­ ричном цикле напряжений испытывались пластины из малоугле­ родистой стали М16С шириной 200 мм и толщиной 26 мм с прошли­ фованным участком и отверстием посредине. В одной партии образ-

ۥ/0*

«

I

6

Рис. 16. Деформации в крестовом образце (в) при номинальных на­ пряжениях 4 кПмм2 (а) и 8 кГ/мм1 (б):

1 — общая деформация; 2 — упругая деформация; 3 — пластическая дефор­ мация .

цов для создания у края отверстия растягивающих остаточных напряжений в соответствующих местах на контактной машине про­ изводился точечный нагрев до 530° С. Остальные образцы не нагре­ вались; остаточных напряжений в них не было. Ограниченный пре­ дел выносливости образцов без нагрева (следовательно, и без остаточных напряжений) составил свыше 12 кГ/мм2, а с нагревом только 6 кГ/мм2 (рис. 15, а).

В описанном опыте обращалось внимание на то, чтобы механи­ ческие свойства и структура металла у отверстия в местах наибольшей

27

концентрации напряжений была такая же, как и вдали от на­ грева. Выносливость образцов изменялась под влиянием только одного фактора — остаточных напряжений. В реальных сварных соединениях места концентрации рабочих и остаточных напряжений совмещаются с зоной термического влияния сварки. Возникающие в этой зоне пластические деформации могут упрочнить металл, повысив его предел текучести. Некоторые исследователи этому об­ стоятельству придавали большое значение, полагая, что повышен­ ная сопротивляемость металла зоны полностью нейтрализует вред­ ное влияние остаточных напряжений [114, 256]. В качестве дока-

Т а б л и ц а 4. Результаты испытаний образцов с резким концентра­ тором напряжений

зательства приводились результаты испытаний крестовых образцов

ные образцы повышали свою выносливость в одинаковой степени

Вопрос о влиянии на усталость повышенных и пониженных ме­ ханических свойств металла околошовной зоны подробно рассмат­ ривался в параграфе 2. Было установлено, что этот фактор не мо­ жет существенно изменять сопротивление усталости сварных со­ единений. Что же касается результатов, полученных в работе [256], то они не противоречат этому выводу. Крестовые образцы имели весьма резкий концентратор напряжений. При этом он располагал­ ся е местах сосредоточенной передачи усилий, где создавались Еысокие рабочие напряжения. В этой же зоне достигал',: своего мак­ симума и растягивающие остаточные напряжения, равные 26— 27 кГ/мм2. Как было установлено [264], при таких условиях даже небольшие внешние усилия вызывают в крестовом образце сущест­ венные остаточные деформации (рис. 16). Значительная часть рас­ тягивающих остаточных напряжений в шве снимается, а в корне

28

надрезов создаются локальные остаточные напряжения сжатия, которые и приводят к повышению предела выносливости образцов. Очевидно, только в этой связи следует рассматривать данные, при­ веденные в табл. 4.

В сварных конструкциях, испытывающих переменные напряже­ ния, не допускаются соединения с резкими концентраторами на­ пряжений, подобные рассмотренным в крестовых образцах. После­ дующие опыты относились к менее острым концентраторам напря­ жений и реальным сварным соединениям. При этом изучаемые факторы (остаточные напряжения и измененные свойства около­ шовной зоны) могли действовать как раздельно, так и совместно [155, 265]. Эти опыты показали, что по сравнению с той существен­ ной ролью, которую играют остаточные напряжения, влияние упрочнения околошовной зоны практически не проявляется. В част­ ности, сопоставлялись результаты испытаний на усталость четырех

момеханический цикл сварки (усиление наплавки сострагивалось). Остаточных напряжений в этих образцах не было, они снимались при вырезке образцов из общей заготовки. Образцы IV и V идентич­ ны образцам / / и / / / , но отличались от них остаточной напряжен­ ностью. Путем продольных наплавок в образцах IV и V создава­ лись растягивающие остаточные напряжения, величина которых вблизи отверстия достигала 16—17 кГ/мм2. При этом свойства ме­ талла у концентратора напряжений от теплового воздействия на­

званное сваркой, не оказало существенного влияния на сопротив­ ление усталости образцов. Наблюдаемое изменение выносливости произошло только в результате действия остаточных напряжений.

Еще более резкое падение выносливости под влиянием растяги­ вающих остаточных напряжений наблюдалось при испытании образ­ цов с пересекающимися швами (см. рис. 15, б). Образцы VI (выре­ занные из общей заготовки) и образцы VII (стыковой шов которых заваривался после разрезки пластин с продольными наплавками), не имевшие значительных остаточных напряжений, показали прак­ тически одинаковый предел выносливости, равный 12—13 кГ/мм2. В то же время предел выносливости образцов VI 11с высокими ос­ таточными напряжениями составлял только 7 кГ/мм2.

29