Неоднорідність механічних властивостей

Тема: Поняття про витривалість швів. Розрахунки на витривалість.

План:

1. Характер циклічного навантаження. Діаграма Сміта;

2. Концентрація напружень від зварювання;

3. Залишкові зварювальні напруження;

Література:

Обов'язкова: [1] Чертов І.М. Зварні конструкції: Підручник.- К.: Арістей, 2006. с. 193-200.

Додаткова: [2] Клименко Ф.Є. Металеві конструкції: . Львів: Світ 2002 с. 33- 34

Характер циклічного навантаження. З метою вивчення границь витривалості в залежності від характеристики циклу навантаження будують так звану діаграму витривалості Сміта, подану у схематизованій формі на рис.

Вона дає можливість на підставі експериментального визначення границі витривалості при симетричному циклі σ_-1 елементарно по діаграмі знайти границі витривалості при будь-якому циклі σ_R. Обґрунтуванням до цього служить положення, що для ряду матеріалів руйнування визначається головним чином діапазоном змін напружень σ_-1, у той час як постійна складова (σ_max – σ _min)/2 не має істотного впливу. Діаграма може бути використана до того, як σ_R досягає σ_T. По осі абсцис відкладаються значення середніх напружень циклу σ_т = (σ_max + σ _min)/2, по осі ординат - напруження σ_max_і σ _min . Під кутом 45° до осі абсцис проводиться пряма. Амплітуди σ_а = (σ_max – σ _min) відкладаються симетрично щодо цієї прямої. Прямі перетинаються в точці К, що характеризує цикл із нескінченно малою амплітудою. Умовно приймають, що ця точка відповідає межі міцності σ_в. Відрізок ОА виражає значення границі витривалості при симетричному циклі. При цьому σ_т = 0. У більшості випадків користуються ділянкою діаграми з напруженнями, що не перевищують границі текучості є σ_Т. Із точки D координатами σ_т проводять горизонтальну пряму до перетинання з прямою АК у точці N. Цю точку проектують на пряму А'К (точка М). Ламана лінія АNDМА' виражає схематизовану діаграму втоми в межах пружних деформацій. Відрізок ВС виражає значення границі витривалості при пульсуючому циклі σ₀. Проведемо з точки О пряму під довільним кутом адо осі абсцис, тоді:

За цим відношенням для заданого циклу R знаходять tgα. Точка Р визначає значення границі витривалості при заданому циклі навантаження.

У машинобудуванні нерідко границю витривалості зварних з'єднань при циклі R визначають у такий спосіб. Експериментальним шляхом отримують границю витривалості σ_-1, при циклі R стандартного зразка. Визначають границю витривалості при тому же циклі проектованого зварного з'єднання σ_-1_з. Знаходять відношення

η= σ_-1/ σ_-1_з. . Перебудовують діаграму Сміта в масштабі η і по ній визначають границю витривалості для будь-якого циклу R.

На рис показана діаграма залежності σ_R від характеристики циклу R.

Рис.

Оскільки найменше значення при симетричному циклі (R = -1), то випробування на втому проводять саме для цього циклу навантаження.

Концентрація напружень від зварювання. Джерелом концентрації напружень у зварних з'єднаннях є форма з'єднання і різного виду зварювальні технологічні дефекти. Під концентрацією напружень розуміють місцеве підвищення напружень у зонах різкої зміни перетину тіла, наприклад поблизу отворів, вирізів, переходів зварних швів на основний метал, дефектів металу і зварних з'єднань. Кількісно концентрація напружень у пружній області оцінюється теоретичним коефіцієнтом концентрації, що залежить від геометричних параметрів концентратора:

К_σ = σ_к/ σ_н, К_τ= τ_к/ τ_н

де σ_к, τ_к- максимальні напруження в зоні концентрації; σ_н, τ_н- номінальні напруження.

Фактичне зниження границь витривалості зразків чи елементів конструкцій під впливом концентрації напружень (на прикладі нормальних напружень) оцінюється ефективним коефіцієнтом концентрації напружень:

К_σе = σ_-1/ σ_-1к

де σ_-1 – границя витривалості гладкого зразка; σ_-1 _к – теж саме, для зразка з концентратором напружень.

Границі витривалості зварних зразків (2) помітно нижчі відповідних значень, отриманих на зразках основного металу (1) зі штучними концентраторами напружень у тому ж діапазоні зміни коефіцієнта К_σ рис.

Рис.

З підвищенням рівня концентрації напружень зростає різниця між границею витривалості зразка з надрізом і границею витривалості зварного з’єднання. Ця різниця може досягати значення 50-80 Мпа і бути порівняною з падінням опору втомі, яке викликається концентрацією напружень, обумовленою тільки геометрією концентраторів зварного з’єднання. Отже, вплив концентрації напружень як одного з основних факторів, що визначають довговічність з’єднань, виявляється в сполученні з дією інших факторів – насамперед залишкових зварювальних напружень.

Залишкові зварювальні напруження. Після зварювання в зварному з’єднанні утворюються залишкові напруження з різною інтенсивністю компонентів напруженого стану в перерізах зварного з’єднання. Значення залишкових напружень в окремих точках може досягати величини границі (межі) текучості.

У сталях залишкові напруження дуже стабільні в часі. Їхня релаксація протікає вкрай повільно і складає кілька відсотків. У той же час значення і розподіл залишкових напружень істотно змінюються під впливом зовт.то ци навантаження. Високі рівні залишкових напружень, що розтягують, приводять до появи пластичних деформацій у зоні шва навіть при незначному зовнішньому навантаженні, викликаючи зміну вихідного поля напружень.

Виконані дослідження на основі неруйнуючого ультразвукового методу контролю напружень показали, що в багатоцикловій області навантаження зміна залишкових напружень відбувається, головним чином, при першому циклі навантаження. Наступні цикли викликають значно менші зміни, і рівень залишкових напружень можна вважати практично сталим. Сталий рівень залишкових напружень

σ ^ст_залзалежить від значень і характеру розподілу вихідних залишкових напружень, амплітуди й асиметрії циклу зовнішнього навантаження, а також концентрації напружень, обумовленої типом з’єднання і формою шва.

За схемою ідеально пружного-пластичного матеріалу після першого циклу зовнішнього навантаження залишкові напруження в зоні концентратора складуть:

σ = σ_т – К_σσ_max

а при відсутності концентратора:

σ = σ_т – σ_max

Якщо біля краю гладких пластин залишкові напруження розтягу зменшуються до нульових значень при σ_max= σ_т , то в зонах концентраторів, наприклад при К_σ = 2,5, для цього досить значення напружень, що дорівнює 0,4σ_т рис. Подальше підвищення зовнішнього навантаження, особливо у випадку дуже гострих концентраторів, приводить до формування стискаючих залишкових напружень.

Рис.

У рамках прийнятої розрахункової моделі другий і наступний цикли навантаження при тому ж рівні номінальних напружень будуть проходити при пружному деформуванні матеріалу по всьому перетину зварного елемента і не приведуть до зміни залишкових напружень у зварних пластинах з концентраторами і без них. У дійсності цикли навантаження, що мають місце за першим, приводять до незначної зміни залишкових напружень. Це обумовлено, мабуть, недосконалою пружністю матеріалу, а також можливою зміною його властивостей з ростом числа циклів навантаження. Оскільки така зміна невелика (звичайно не перевищує 10-30 МПа), то в інженерних розрахунках кількістю циклів можна зневажити.

При циклічному навантаженні зварного з'єднання рівень напружень у зоні зварного шва під впливом вихідних залишкових напружень змінюється. Унаслідок цього змінюється й опір утомі зварного з'єднання. При наявності концентраторів напружень і зі зниженням рівня зовнішніх навантажень залишкові напруження підсилюють свою дію.

У дослідженнях, виконаних у ІЕЗ ім. Е. О. Патона АН України, роль залишкових напружень розтягу, оцінювалася шляхом зіставлення кривих втоми однотипних зразків з високими і низькими залишковими напруженнями. У зонах концентраторів напруження наводилися шляхом виконання наплавлень або точковим нагріванням. В обох випадках залишкові напруження в зонах концентраторів досягали межі текучості основного металу. У зразках з отворами межа витривалості на базі 2·10⁶ циклів унаслідок впливу залишкових напружень зменшилась вдвічі. Приблизно таке ж зниження опору втомі під впливом залишкових напружень спостерігалося і при випробуванні зварних зразків. Виявилося, що довговічність для зразків з невисокими залишковими напруженнями набагато більша, ніж для зразків з високими вихідними залишковими напруженнями.

В усіх дослідженнях спостерігалася та ж сама закономірність: при напруженнях

± 180...200 МПа, тобто близьких до межі текучості основного металу, опір втомі зразків з високими залишковими напруженнями був практично однаковим. Зі зниженням рівня перемінних напружень дія залишкових напружень підсилювалася і рівною мірою знижувалася довговічність зварних і незварних зразків.

Неоднозначність прояву залишкових зварювальних напружень на різних рівнях навантаження пов'язана з їхньою релаксацією і неоднаковими сталими значеннями на кожному з цих рівнів. При рівнях номінальних напружень, близьких до границі витривалості, значення сталих залишкових напружень у зонах концентраторів зварних з'єднань досить високі. У цих умовах залишкові зварювальні напруження істотно знижують опір втомі з'єднань. З ростом зовнішнього навантаження рівень сталих залишкових напружень унаслідок їхньої релаксації зменшується. У результаті цього відбувається зближення кривих втоми з'єднань із залишковими напруженнями розтягу і без них.

З тих же причин роль залишкових напружень зменшується з підвищенням асиметрії циклу зовнішнього навантаження. Найбільшою мірою вплив залишкових напружень на опір втомі зварних з'єднань виявляється при симетричному циклі навантаження. З ростом значень коефіцієнта асиметрії циклу різниця границь витривалості зварних з'єднань із залишковими напруженнями і без них зменшується. Інтенсивність впливу залишкових напружень розтягу залежить також від характеру передачі зусилля і виду напруженого стану. Про це, зокрема, можна судити за результатами дослідження на вигин і вигин із крутінням зварних зразків Концентрація напружень і залишкові напруження у них створювалися швами, що перетинаються. Зіставлення границь витривалості зразків у вихідному стані, після нормалізації і високого відпуску показує, що при плоскому напруженому стані (вигин із крутінням), коли головні напруження мають різні знаки, вплив залишкових напружень позначається сильніше, ніж при лінійному напруженому стані (вигин). У той же час вплив концентрації напружень більше виявляється при вигині, ніж при чистому зсуві.

Таким чином, ступінь впливу залишкових напружень розтягу залежить від виду з'єднання, асиметрії циклу, напруженого стану і характеру передачі зусиль. У ряді випадків цей вплив може бути порівняний з ефектом концентрації напружень.

Неоднорідність механічних властивостей.Зварні з'єднання характеризуються значною неоднорідністю механічних властивостей в напрямку, перпендикулярному шву, яку прийнято зображувати у вигляді м'якого або твердого прошарку (розділ 2). Численні дослідження опору зварних з'єднань втомі показали, що хімічна, структурна, механічна неоднорідності, пов'язані з утворенням зварних швів практично не впливають на границю витривалості з'єднань з низьковуглецевих, низьколегованих та високоміцних сталей при багатоцикловому навантаженні.

До особливих умов навантаження відносять навантаження при низькій чи високій температурі або в умовах корозійного середовища.

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
Складання умови міцності зварних швів	\|	Холодостійкість зварних з’єднань.

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.007 сек.