• Гідрологія і Гідрометрія
• Господарське право
• Економіка будівництва
• Економіка природокористування
• Економічна теорія
• Земельне право
• Історія України
• Кримінально виконавче право
• Медична радіологія
• Методи аналізу
• Міжнародне приватне право
• Міжнародний маркетинг
• Основи екології
• Предмет Політологія
• Соціальне страхування
• Технічні засоби організації дорожнього руху
• Товарознавство продовольчих товарів

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_-1з. Знаходять відношення

η= σ_-1/ σ_-1з. . 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_зал залежить 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:

1. Акцентуація характеру – перебільшений розвиток певних властивостей характеру на шкоду іншим, в результаті чого погіршуються відносини з оточуючими людьми.
2. Анізотропія властивостей металів.
3. Взаємодія ієрархій підструктур особистості та їх властивостей
4. Визначення показників механічних властивостей гірських порід методом статичного втискування штампа
5. Визначення протеолітичних властивостей мікроорганізмів
6. Визначення цукролітичних властивостей мікроорганізмів
7. Вимірювання механічних напружень
8. Вимірювання механічних сил та тиску
9. Діагностика властивостей особистості в управлінні персоналом
10. ЕНЕРГЕТИЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕХАНІЧНИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ В СТАТИЧНИХ РЕЖИМАХ
11. За допомогою зміни властивостей металів.
12. За допомогою зміни властивостей середовища.

Переглядів: 1000