Сварные конструкции. Расчет и проектирование

МЕХАНИЧЕСКАЯ НЕОДНОРОДНОСТЬ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯ, МЯГКАЯ ПРОСЛОЙКА. КОМПОЗИТНЫЕ ШВЫ

Существует много стандартных методов определения механических свойств металлов. Это испытания на растя­жение, испытания гладких образцов на статический изгиб

и надрезанных образцов на ударный изгиб, определение твердости металла, испытание на длительную прочность и др. Большая часть этих испытаний может быть приме­нена для оценки механических свойств металла шва, тер­мического влияния зоны или даже сварного соединения (табл. 3.9).

В испытаниях на статическое растяжение (рис. 3.36) определяют предел текучести от, предел прочности Об,

относительное удлинение после разрыва б, на образцах, рабочая длина которых 10 в пять раз больше диаметра dл, относительное сужение после разрыва |з. Образцы изго­товляют из металла шва, участков зоны термического влияния или наплавленного металла. Отбор образцов ведут либо непосредственно из конструкции, либо из специально сваренных соединений. Такие образцы исполь­зуются для испытаний при нормальной и пониженной температурах.

Для определения сопротивляемости металла разруше­нию при ударных нагрузках в присутствии концентратора проводят испытания на ударный изгиб надрезанных об­разцов (рис. 3.37). Определяют так называемую ударную вязкость а„ металла шва, зоны термического влияния в различных участках и наплавленного металла. Надрез располагают в том месте, где необходимо определить дан­ные свойства. Используют надрезы различной остроты. Чем острее надрез, тем меньше работа, затрачиваемая на

изгиб до появления трещины, и тем больше работа, идущая на распространение трещины по образцу:

а„ = Г/Л,

где W — работа, идущая на ударный излом образца; А — площадь поперечного сечения в зоне надреза.

Рис. 3.37. Образцы для испытаний на ударный изгиб:

а — тупой надрез: б — острый надрез

Сварное стыковое соединение в поперечном сечении имеет несколько участков, которые могут существенно различаться между собой по механическим свойствам 2 (рис. 3.38). Это сам шов /;

/ ? г / зона термического влия-

rV-rr^ п—'— |,ия 2, материал которой

у ряда сталей претерпе­вает структурные прев­ращения и может иметь повышенную твердость и прочность зона высокого отпуска 3, в которой у терми­чески обработанных сталей прочность и твердость пони­жены в результате сварочного нагрева. Далее следует зона 4, нагревающаяся до более низких температур, ма­териал которой по-разному изменяет свои свойства в за­висимости от марки стали или сплава.

Случай неоднородности имеет место при стыковой сварке наклепанных сталей и сплавов, аустеннтных сталей или алюминиевых сплавов, которые упрочнены холодной прокаткой. Нагрев до высоких температур снимает на­клеп, достигнутый при холодной прокатке металла На рнс. 3.39 показано распределение твердости в сварном
соединении из сплава АМгб. Твердость шва зоны терми­ческого влияния близка к твердости отожженного ме­талла. Предел прочности и предел текучести оказываются заметно ниже, чем у основного металла, а пластичность повышается.

Зоны, где металл обладает пониженным пределом теку­чести по отношению к пределу текучести соседнего ме­талла, называют мягки - ми прослойками. 1?0

Паяные стыковые со - 11В единения, припой в ко - 100 торых менее прочен, чем дд

основной металл, так­же содержат мягкую прослойку. Прочность таких соединений зави­сит не только от прочно­сти металла мягкой зо­ны, но и от ее относи­тельного размера his, где h — ширина прослойки, s — толщина металла.

Другим типичным примером образования механической неоднородности и прослоек является сварка термически обработанных сталей. Будем для простоты рассматривать

Рис. 3.40. Твердые и мягкие прослойки в сварных соединения»

сварку без присадочного металла. Тогда шов и зона тер­мического влияния, нагретые до температуры выше Тс„ в процессе охлаждения закаливаются и имеют более вы­сокую твердость и прочность, чем основной металл. Этот участок называют твердой прослойкой (рис. 3.40, а, б). Рядом с ней в обе стороны находятся участки высокоот - пущенного металла, который и по отношению к основному, и по отношению к твердой прослойке имеет пониженный предел текучести. Эти зоны образуют две мягкие про­слойки.

Рассмотрим работу мягкой прослойки при растяжении стыкового соединения поперек шва достаточно большой протяженности за плоскость чертежа (рнс. 3.41). В упругой стадии нагружения мягкая прослойка и соседние с ней участки деформируются однородно, и при достижении предела текучести материала мягкой прослойки а, ц в ней возникает пластическая деформация, в то время как со - а'лш “Дине участки остаются

—і і &—!—2 в упругом состоянии.

При дальнейшем повы­шении нагрузки и де­формации коэффициент поперечной деформации ц у прослойки будет выше, чем у соседнего металла. По мере раз­вития пластической де­формации в прослойке у р 0,5, в то время как

Рис. 3.41. Зависимость яя, if и Л от в упругих частях р=0,3.

относительной толщины прослойки Из-за неодинаковой по­

перечной деформации возникают касательные напряжения, имеющие максималь­ные значения на плоскостях раздела. Они будут препят­ствовать поперечному сужению прослойки в направлении толщины листа. Чем прослойка уже, т. с. меньше отно­шение Л/s, тем меньшее поперечное сужение получает прослойка к моменту возникновения разрушающих на­пряжений Оряар. В более уЗКИХ МЯГКИХ ППОСЛОЙКЭХ ПЛО - щадь утоненного поперечного сечения прослойки -4 угон к моменту разрушения будет больше, а следовательно, будет больше и разрушающая сила Яр;,зр.

В этом заключается причина повышения несущей спо­собности (эффект контактного упрочнения). Повышение разрушающей силы не может происходить беспредельно, так как соседние с мягкой прослойкой и более прочные участки также при определенных условиях начнут пла­стически деформироваться Чем прочнее соседние зоны, тем больше эффект контактного упрочнения. Твердые прослойки, находящиеся рядом с мягкими, усиливают этот эффект.

Мягкие прослойки могут образовываться не только в зонах термического влияния. При сварке толстостенных изделий мягкие прослойки образуются в толще самих швов. Толщина, направление и расположение указанных
прослоек могут регулироваться технологическими при­емами.

Наличие мягких прослоек в шве может повысить его несущую способность за счет образования в них пласти­ческих деформаций и перераспределения поля напряжений.

Освещение вопроса о мягких прослойках получено в научно-педагогической школе проф. О. А. Бакши Челя­бинского политехнического института (ЧПИ) и исполь­зуется при разработке технологических процессов сварки.

Одним из видов неоднородности механических свойств металла является анизотропия, которая выражается в различии свойств металла при нагружении его в разных направлениях. Различными могут быть пластичность, удар­ная вязкость, коэффициент поперечной деформации, модуль упругости и другие свойства. Анизотропия металла воз­никает чаще всего во время прокатки. Прочность, пла­стичность, ударная вязкость, как правило, выше у образ­цов, вырезанных вдоль проката. Во время разрушения трещина, пересекая волокна, встречает большее сопротив­ление, чем двигаясь вдать волокон. Особенно низкими бывают прочность и пластичность металла по толщине листа. При наличии расслоений в металле пластичность отдельных образцов в этом направлении близка к нулю.

Во время термической резки или сварки, если усадка металла происходит в направлении толщины листа, в зоне расслоений появляются трещины. Передача растягиваю­щих усилий в направлении толщины может предусматри­ваться при проектировании сварных конструкций лишь в тех случаях, когда есть полная уверенность, что исполь­зуемый металл не склонен к образованию расслоений, а механические свойства в направлении толщины соответ­ствуют уровню, предусмотренному техническими требо­ваниями.

Анизотропия может выражаться в различном сопро­тивлении металла пластической деформации, различном упрочнении и, как следствие, в различных коэффициентах поперечной деформации.

В стыковых соединениях при пайке также реализуется эффект контактного упрочнения. Концентрация касатель­ных напряжений создает объемное напряженное состояние. При достаточной пластичности припоя это приводит к повышению прочности соединения и может рассматри­ваться как патожительный эффект.

При дальнейшем увеличении толщины прослойки проч­ность падает. В нахлесточных соединениях при статнче - ских нагрузках пластичность обычно применяемых при­поев оказывается достаточной, чтобы воспринять концент­рацию касательных напряжений и сдвиговых деформаций без разрушения спая при величине нахлестки, достаточной для получения паяного соединения, равнопрочного основ­ному металлу.

Свойства сварных соединений зависят от металла шва и свойств различных зон термического влияния. Для по­давляющего большинства сталей удается получить такой химический состав металла шва и его структуру, которые обеспечивают прочность и пластичность металла шва во многих случаях выше тех же характеристик основного металла. Как правило, этого удается достигнуть непо­средственно после сварки, а иногда — после термической обработки сварных конструкций. Свойства зоны терми­ческого влияния в основном зависят от реакции основного металла на термический цикл сварки.

Существуют определенные возможности за счет регули­рования термического воздействия сварки получить свой­ства зоны термического влияния, обеспечивающие равно - прочность и достаточную пластичность сварного соеди­нения.

Отрицательное влияние термического цикла на зону термического влияния может проявляться в росте зерна вблизи линии сплавления, понижении пластичности ме­талла в зоне, испытавшей перекристаллизацию, понижении прочности в зоне высокого отпуска, если основной металл перед сваркой находился в термически обработанном состоя­нии. Степень указанных воздействий может меняться в зависимости от термического цикла сварки, химического состава стали и ее термической обработки до сварки.

Получить равнопрочные сварные соединения из алю­миниевых, магниевых и титановых сплавов сложнее, чем из сталей. Во многих случаях соединения из этих сплавов оказываются неравнопрочными с основным металлом.

Для сплавов невысокой прочности, а также для спла­вов, находящихся в ненаклепаином состоянии, предел прочности сварных соединений приближается к пределу прочности основного металла.

В алюминиевых сплавах, которые в исходном состоянии термически упрочнены, соединения после сварки сущест­венно уступают по прочности основному металлу. Терми­ческой обработкой и старением удается заметно повысить прочность сварных соединений и приблизиться к уровню прочности основного металла.

Большинство алюминиевых сплавов хорошо сварива­ются контактной сваркой. Современное оборудование и технология обеспечивают соединение деталей из алюминие­вых сплавов малой и средней толщины. Прочность на отрыв

из-за высокой концентрации напряжений заметно ниже прочности на срезе (рис. 3.42).

Пределы прочности титановых сплавов н зависимости от легирования и термической обработки колеблются в пределах 500. . .1300 МПа. Для большинства титановых сплавов средней прочности характерна относительно не­высокая пластичность по углу загиба (а<80. . .100і) и относительному удлинению (6,—8. . .15%).

В последние два десятилетия для оценки прочности металлов при наличии в них трещин применяют положения линейной механики разрушения. Она оперирует с кон­центраторами, у которых г=0. В этом случае расчетное механическое напряжение становится равным бесконеч­ности, а понятие коэффициента концентрации напряжений

В

теряет смысл. Для оценки поля напряжении вблизи кон­центратора используют понятие коэффициента интенсив­ности напряжений в вершине трещины при упругих де­формациях (/Сіс) и понятие интенсивности освобождения энергии деформации, обозначаемой G.

Рассмотрим тонкую бесконечную пластину (плоское напряженное состояние), растянутую напряжениями о, имеющую разрез в виде трещины а=0 (рис. 3.43, а) и в виде выреза с афО (рис. 3.43, б).

Для трещины длиной I в бесконечной пластине формула коэффициента интенсивности напряжений имеет вид

Y oVl

для интенсивности освобождения энергии

г Л 0*1

Величина К характеризует распределение напряжений у конца трещины и выражается в Н/м'Ч а величина G — это энергия, освобождающаяся в растянутой пластине при возможном подрастании трещины на единицу площади, выражаемая в Дж/м*. Обе эти величины взаимосвязаны: в случае плоского напряженного состояния

G=K*£; (3.38)

при плоской деформации

G = (l — ц*)/С*£. (3.39)

В качестве характеристики напряженно-деформирован­ного состояния используют также понятие раскрытия вершины концентратора б.

Появление трещин в концентраторе. Наиболее распро­страненной характеристикой оценки прочности металла, сварного соединения или детали в присутствии концент­ратора является среднее разрушающее напряжение а, определяемое в случае растяжения и среза отношением разрушающего момента Мр к моменту сопротивления при изгибе W (Mp/W) или отношением разрушающей силы Р к площади ослабленного сечения А. Однако оценка свойств только по среднему напряжению часто не обнаруживает отрицательного влияния концентратора, пока он не пре­высит некоторого значения.

При увеличении размера непровара или ухудшения свойств металла среднее разрушающее напряжение о будет уменьшаться.

Начало движения имеющейся трещины. При растяже­нии бесконечной пластины данной I трещина начинает распространяться после того, как напряжение о достигло определенного (критического) уровня, при котором со­блюдается равенство приращений работы, поглощаемой на разрушение металла, и энергии упругих деформаций пластины, освобождающейся при увеличении трещины. Впервые указанное энергетическое условие для идеали­зированной схемы разрушения рассмотрел Гриффинтс. Тело предполагается идеально хрупким, т. е. энергия расходуется на образование новой поверхности (поверх­ностного натяжения).

Если в сплошной растянутой пластине толщиной, равной единице, образовать трещину длиной /, то потенци­альная энергия в пластине уменьшится на

и = л(»о*/(4£). (3.40)

Появление новых поверхностей сопровождается затра­тами энергии

^но. = -С/, (3.41)

где С — энергия поверхностного натяжения.

Суммарное изменение энергии составит

tfx—Т?—GI. (3.42)

Если энергия будет освобождаться больше, чем погло­

щаться, трещина начнет самопроизвольно двигаться без увеличения напряжения. Эго соответствует моменту ра­венства приращений энергии, т. е.

“ЗГ«°- (3.43)

Дифференцируя (3.42), получим

^-С-0. (3.44)

Отсюда формулы для критического напряжения и критической длины трещины:

оир = К2С£/я(; (3.45).

'., = Т5Г. (3.46)

Из (3.46) также получим критическое значение энергии!

G = (3.47)

Таким образом, при испытании образца в виде пла­стины с трещиной достаточно зарегистрировать значение напряжения в момент начала движения трещины, чтобы вычислить затем по формуле (3.47) характеристику ме­талла Gc.

Для оценки свойств металла используют также критиче­ское значение коэффициента интенсивности напряжений Кс, т. е. силовую характеристику, связанную с полем напряжений у концов трещины:

Kt = VG£. (3.48)

С учетом (3.47) получим

В качестве характеристики сопротивляемости металла началу движения трещины используют также деформаци­онный критерий бс. критическое раскрытие трещины, которое соответствует раскрытию в момент начала движения трещины.

В других случаях, для определения работы распро­странения трещины в элементах конструкций, применяют метод тепловой волны, основанный на том, что более 95% работы, истраченной на распространение трещины, идет на пластическую деформацию и превращается в теплоту.

Для оценки сопротивляемости металла движению тре­щины используют также различные неэнергетические ха­рактеристики: волокнистость излома, скорость распро­странения трещины

При циклических нагрузках регистрируют число цик­лов и путь, пройденный трещиной. Скорость распростра­нения трещины dl/dN (мм/цикл) зависит от размаха ин­тенсивности напряжений Д/С в пределах цикла, в мень­шей степени — от абсолютного уровня К и частоты на­гружений. Значение dl/dN изменяется в весьма широких пределах: от нуля при малых значениях К до 10“* мм/цикл и более.

Проблема влияния дефектов на прочность сварных соединений крайне сложна и многопланова. Решить ее можно, учитывая условия эксплуатации, характер де­фекта и свойства металла сварного соединения. Поэтому исследования в области влияния дефектов на прочность группируются вокруг отдельных вопросов. Например, в особые направления выделяются вопросы влияния де­фектов при переменных нагрузках, в условии коррозии, при низких температурах и т. д.; в зависимости от вида дефекта рассматривается влияние трещин, непроваров, пор, смещений, мест перехода от направленного металла к основному и т. п,; проводят исследования различных материалов: высокопрочных сталей, алюминиевых и ти­тановых сплавов.

Наибольшее влияние дефекты оказывают при перемен­ных нагрузках (см. ниже гл. 4). Вопрос о влиянии дефек­тов на прочность в большинстве случаев сводится к во­просу о чувствительности металла к концентрации напря­жений.

Неоднородность свойств сварного шва может быть полезной.

Как уже было указано, при сварке элементов больших толщин образование мягких прослоек внутри швов повы­шает в целом их пластические свойства и может предот­вратить хрупкие разрушения.

Другим примером полезной неоднородности могут слу­жить многослойные швы, уложенные из материалов с разными механическими свойствами. Хорошо, если при­сутствует материал с повышенными пластическими свой­ствами в глубине шва при относительно более твердом металле на его поверхности. В особенности рационально иметь пластические зоны в зонах концентраторов в корне стыковых и лобовых швов.

Анизотропия швов оправдывается требованием особых свойств, предъявляемым к поверхностным слоям, напри­мер коррозионной устойчивости.

Конечно, укладка композитных швов наиболее целесо­образна при больших толщинах соединяемых изделий и размеров катетов угловых швов при непременном условии применения запрограммированной контролируемой авто­матической сварки с наличием обратных связей.