РАСЧЕТ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ С УЧЕТОМ КОНЦЕНТРАЦИИ НАПРЯЖЕНИЙ

ВЛИЯНИЕ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ НА ПРОЧНОСТЬ

Статическая нагрузка. Исследования прочности сварных пло­ских и цилиндрических элементов из малоуглеродистой стали, находящихся в различном начальном напряженном состоянии (в исходном состоянии после сварки, отжига, предварительного 34 нагружения, холодной проковки швов), показали, что в условиях вязкого разрушения прочность их не зависит от начального на­пряженного состояния и для всех этих элементов является одина­ковой как при линейном, так и при плоском напряженном состоя­нии от внешней нагрузки [14; 25; 26].

Исследование прочности сварных образцов с особо резким изменением формы (крестовых образцов с предельно сближенными концевыми элементами), находящихся в различном начальном на­пряженном состоянии, показало, что низкая температура и высо­кие концентраторы напряжений сами по себе весьма сильно влияют на прочность, значительно ее снижая. Испытания показали, что для всех таких образцов, начиная от температуры —50° С и ниже, снижение прочности происходит примерно в одинаковой степени, вне зависимости от их начального напряженного состояния.

Отсутствие существенного влияния начального напряженного состояния на прочность этих образцов можно объяснить тем, что при статической нагрузке (даже и при таких тяжелых условиях) имеет место некоторая пластическая деформация, величина ко­торой оказывается достаточной, чтобы компенсировать вредное проявление остаточных растягивающих напряжений (главным об­разом за счет некоторого снижения резкости концентратора).

Таким образом, для конструкций из малоуглеродистых ста­лей, эксплуатирующихся при низкой температуре, снятие остаточ­ных сварочных напряжений не может создать существенного по­вышения прочности. Предотвратить в этих случаях опасность хрупкого разрушения можно снижением резкости концентраторов.

Наличие значительных пластических деформаций при разру­шении ударом, производимым падающим грузом, приводит к тому, что различия в начальном напряженном состоянии отдельных об­разцов в этом случае также не проявляются.

Вибрационная нагрузка. Испытания, проведенные при вибра­ционной нагрузке, показали, что предел выносливости плоских образцов с продольными швами из малоуглеродистой и низколеги­рованной сталей, при наличии остаточных растягивающих напря­жений в зоне шва, не ниже, чем предел выносливости подобного образца из основного металла. Это объясняется тем, что металл в районе сварного шва упрочняется в результате происходящих при сварке пластических деформаций и степень этого упрочнения оказывается достаточной для компенсации действия остаточных растягивающих напряжений. Отжиг таких образцов чаще приводит к снижению их предела выносливости, так как, снимая в них на­пряжения, он одновременно уничтожает и положительное действие наклепа, созданного сваркой и прокаткой.

Вибрационные испытания сварных образцов с резкими кон­центраторами напряжений показали, что снятие остаточных на­пряжений отжигом и в этом случае не дает положительного результата. Значительное повышение предела выносливости 3* 35

образцов с резкими концентраторами может быть достигнуто в ре­зультате применения предварительного растяжения. При исследо­вании причин такого повышения прочности было установлено, что предварительное растяжение образцов с резкими концентраторами напряжений следует рассматривать не только как меру снятия напряжений, а главным образом как метод упрочнения, связан­ный с появлением местных пластических деформаций. Пластиче­ские деформации, происходящие в наиболее напряженных участ­ках образцов, сглаживают резкость концентраторов, что имеет существенное значение для прочности таких образцов. Местный наклеп этих участков имеет также большое значение, так как он в этом случае происходит в наиболее важном месте. Кроме того, в процессе развития пластических деформаций происходит изме­нение начального напряженного состояния. При этом растягиваю­щие остаточные сварочные напряжения могут быть полностью устранены и даже, при достаточно значительной пластической деформации, в этих участках могут быть созданы остаточные сжи­мающие напряжения.

В обычных условиях из образцов указанных сталей влияние растягивающих остаточных напряжений в районе шва всегда компенсируется упрочняющим влиянием местных пластических деформаций. Но в некоторых случаях, например, при сварке жестко закрепленных деталей или когда остаточные напряжения созданы другими методами, районы действия остаточных напряже­ний и концентрации местных пластических деформаций могут быть разделены 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 расположены в слабо рабо­тающей зоне элемента конструкции, то благоприятное влияние местных пластических деформаций не будет уже компенсировать отрицательное действие остаточных напряжений. В этом случае произойдет снижение предела выносливости, определяемое сум­мированием остаточных напряжений с напряжениями от внешней нагрузки. Это может быть подтверждено результатами испытания крестовых образцов, приведенными в табл. 5.

После сварки все образцы были подвергнуты отжигу для сня­тия в них сварочных напряжений. Остаточные напряжения созда­вались последующей специальной обработкой кромок центральной пластины (пластическим обжатием или нагревом), вызывавшей в них местные пластические деформации, что приводило к появле­нию в образцах остаточных напряжений. При данной форме об­разцов не могло проявляться влияние местных пластических де­формаций, сосредоточенных на кромках, так как напряжения на кромках от внешних нагрузок были незначительными. Прочность образцов определялась напряженным состоянием их центральных 36

участков, 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 остаточных напряжений было разде­лено, что позволило оце­нить влияние остаточных напряжений отдельно от влияния других факторов.

Влияние остаточных напряжений в данном слу­чае проявилось достаточно определенно. Растягиваю­щие остаточные напряже­ния привели к снижению предела выносливости, тогда как сжимающие ос - ^

таточные напряжения — к его повышению. 10

Изменение предела вы­носливости в зависимости от остаточных напряжений _ _ ,,

ппелетайпено на пис 9 РиС' 9' УпР°Щепная Диаграмма выносливо

нрсдчаплспи пa j. сти дДЯ уЧета ВЛИЯНИЯ ОСТаТОЧНЫХ Напр я

Если по линии средних жений

напряжений отложить ос­таточные напряжения, то при суммировании с рабочими напря­жениями симметричного цикла общие суммарные напряжения, определяющие значения пределов выносливости образцов с оста­точными напряжениями, будут выражаться крайними линиями диаграммы. При этом значение амплитуды в зависимости от величины остаточных напряжений будет представлять собой на­пряжение, соответствующее пределу выносливости при симмет­ричном цикле от внешней нагрузки.

Аналитически эту зависимость можно выразить следующим образом:

= ^), (И.1)

где cr' j к — предел выносливости образца с остаточными напря­жениями при симметричном цикле действия внешней нагрузки;

(Т_1іК — то же для образца без остаточных напряжений;

°ост — значение остаточных напряжений в опасной зоне; ов— предел прочности образца.

Образцы с надрезами. Если в районе надрезов создавать раз­личные начальные напряжения одновременно с местными пласти­ческими деформациями или без них, то можно раздельно оценить то влияние, которое оказывают на вибрационную прочность оста­точные напряжения и местные деформации (рис. 10).

В результате нагрева средней части плоского образца местные пластические деформации и остаточные напряжения растяжения концентрируются в его средней слабонагруженной части и поэтому не оказывают влияния на прочность, которая в этом случае опре­деляется величиной остаточных сжимающих напряжений, сосре­доточенных в районе надрезов.

При пластическом обжатии средней части образца в ней кон­центрируются местные пластические деформации и остаточные напряжения сжатия. В этом случае прочность образца опреде­ляется сосредоточенными у его надрезов остаточными напря­жениями растяжения.

При нагреве кромок плоского образца местные пластические деформации и остаточные напряжения растяжения концентри­руются уже в районе надрезов, и прочность образца в этом случае определяется взаимным влиянием остаточных напряжений растя­жения и местных пластических деформаций.

В результате предварительного растяжения образца в районе надрезов возникают пластические деформации и остаточные напря­жения сжатия. При предварительном растяжении изменяется также форма надрезов и сглаживается их острота.

Отжиг образцов снимает в них все остаточные напряжения, а также, в известной степени, уничтожает местное упрочнение от наклепа.

Результаты испытания образцов с надрезами приведены в табл. 6.

Приведенные результаты показывают, что остаточные напря­жения влияют на вибрационную прочность образцов с острыми надрезами. В зависимости от знака остаточных напряжений, дей­ствующих в районе надреза, это влияние может быть как положи­тельным, так и отрицательным. При наличии в зоне надреза сжи­мающих остаточных напряжений предел выносливости образцов.38

Рис. 10. Образец с надрезами и эпюры остаточных напряжений в его поперечном сечении, созданные различными методами обработки:

а — при нагреве средней части (серия НС); б — при нагреве кромок (серия НК); в — при штемпелевке средней части (серия Ш); г — после предварительного

растяжения

повышается, тогда как при наличии в этой зоне растягивающих напряжений предел их выносливости понижается. Степень изме­нения предела выносливости определяется условиями суммирова­ния местных остаточных напряжений с напряжениями от полезной нагрузки с соответствующим учетом изменения характеристики цикла суммарных напряжений.

Местные пластические деформации в районе надреза могут в значительной степени повысить предел выносливости образцов. При этом они могут полностью компенсировать отрицательное вли­яние растягивающих напряжений.

Предварительное растяжение приводит к значительному повы­шению предела выносливости образцов с надрезами. При этом основное значение имеет изменение остроты надрезов (увеличение радиуса надреза) и местное упрочнение металла. Кроме того, сказывается и благоприятное влияние остаточных напряжений сжатия, которые создаются предварительным растяжением об­разцов.

Влияние отжига может быть как положительным, так и отри­цательным. Отжиг материала снижает его прочностные характери­стики, уничтожая благоприятное влияние поверхностного наклепа от прокатки. При устранении остаточных растягивающих напря­жений у надрезов отжиг оказывает положительное влияние на вибрационную прочность, при устранении сжимающих остаточных напряжений — отрицательное влияние. Если в районе надрезов 40 сосредоточены одновременно местные пластические деформации и остаточные напряжения, то отжиг не оказывает влияния на проч­ность.

На основании приведенных материалов можно сделать следую­щие выводы.

В подавляющем большинстве случаев для конструкций из до­статочно пластичных малоуглеродистых и низколегированных ста­лей (при условии применения в них сопряжений без особо резкого изменения формы и при высоком качестве их изготовления) оста­точные сварочные напряжения не оказывают существенного влия­ния на прочность ни при статической, ни при ударной, ни при вибрационной нагрузках. Поэтому расчет таких конструкций на прочность может производиться без учета остаточных напря­жений.

При некоторых тяжелых условиях эксплуатации конструкций, возможных при действии низких температур, и при наличии пре­дельно резких изменений формы, вызывающих высокую концен­трацию напряжений, происходит снижение работоспособности кон­струкций, которое характеризуется наличием хрупких разруше­ний и снижением прочности.

В этих условиях решающее влияние на прочность оказывает высокая концентрация напряжений, которая может вызвать зна­чительное повышение критической температуры хрупкости. Влия­ние сварочных напряжений на прочность оказывается значи­тельно слабее влияния, производимого низкой температурой и резкими концентраторами напряжений.

Снижению роли сварочных напряжений способствуют местные пластические деформации, которые происходят в зоне сварных швов при сварке, а также при работе конструкций под нагруз­кой.

В обычных условиях сварочные напряжения и местные пласти­ческие деформации проявляются совместно. Но в некоторых слу­чаях, например, при сварке в жестком закреплении (при сварке монтажных стыков) районы действия остаточных напряжений и местных пластических деформаций могут оказаться разделенными. Тогда влияние остаточных напряжений на прочность будет за­метным. При этом могут быть случаи как снижения прочности, так и ее повышения.

Предварительное нагружение сварных конструкций, в каче­стве которого можно рассматривать их пробные испытания, упроч­няет металл в наиболее напряженных участках и сглаживает остроту концентраторов напряжений.

Учитывая благоприятное влияние предварительного нагруже­ния сварных конструкций, следует рекомендовать конструкции, работающие при низкой температуре или под действием вибра­ционной нагрузки, перед нормальной эксплуатацией подвергать нагружению пробной нагрузкой.

При наличии концентраторов напряжений в сварных конструк­циях, повышение их вибрационной прочности может быть дости­гнуто применением специальных мер, в результате которых в наи­более опасных участках будут созданы остаточные сжимающие на­пряжения В таких случаях возможно применение местного нагрева с расчетом создания в наиболее напряженных местах конструкции остаточных сжимающих напряжений. Возможно также применение пластического обжатия (проковка, проколачивание и другие методы поверхностного наклепа), в результате которого создается местное упрочнение металла наиболее опасных участков кон­струкции.