Размещено на http://www.allbest.ru/

Прочность сварных соединений и конструкций

Надежная прочность - основное требование, предъявляемое к сварным конструкциям. Преобладающее большинство сварных конструкций, несмотря на наличие у них собственных напряжений, работают в различных условиях эксплуатации и не вызывают опасений в их долголетней работоспособности. Однако иногда имеют место случаи разрушения сварных конструкций при пониженных температурах от действия обычных эксплуатационных нагрузок и даже при отсутствии внешних нагрузок, а также случаи самопроизвольного разрушения конструкций в цехах в процессе их изготовления. Причем эти разрушения, как правило, носят характер хрупкого излома.

В настоящее время сварочная техника обеспечивает высокое качество наплавленного металла. Современные способы рационального проектирования сварных конструкций при правильном выборе основного металла и технологического процесса изготовления позволяют устранить влияние собственных напряжений на прочность. Допускаемые напряжения при расчете сварных соединений на прочность устанавливаются в зависимости от основного металла, вида нагрузок, условий эксплуатации и от технологического процесса сварки.

При сварке высокоуглеродистых и легированных сталей, а также при сварке конструкций, работающих при переменных, ударных нагрузках и в особо тяжелых условиях, нормы допускаемых напряжений устанавливаются техническими условиями на изготовление этих конструкций. Механические свойства стыковых швов на низкоуглеродистых сталях должны также удовлетворять требованиям. Так как при изготовлении сварных конструкций собственные напряжения растяжения в активных зонах швов достигают предела текучести, то растягивающие эксплуатационные нагрузки неизбежно вызывает в них пластическое удлинение. Надежная работа конструкций будет обеспечена, если сварные швы обладают достаточной способностью к пластическим удлинениям в условиях эксплуатации. Как правило, пластические свойства сварных швов должны быть не ниже пластических свойств основного металла. Это требование относится в первую очередь к связующим швам, воспринимающим действие внешних нагрузок совместно с поперечным сечением основного металла.

Опасность хрупкого разрушения сварных конструкций возникает в тех случаях, когда в швах образовались очаги хрупкого состояния металла. Факторы, порождающие очаги хрупкого состояния в сварных швах, следующие.

1. Конструктивные недостатки (резкое изменение сечений и неплавные переходы в местах швов, скопление швов, пересечение швов и др.), создающие высокую местную концентрацию силовых и собственных напряжений.

2. Технологические недостатки (непровары, подрезы, трещины, шлаковые включения, поры и др.), уменьшающие рабочее сечение швов и создающие в этих местах концентрацию силовых и собственных напряжений.

3. Нерациональная последовательность наложения сварных швов, которая приводит к созданию значительной плоскостной и объемной напряженности, а следовательно - к ограничению возможности пластических удлинений в сварных швах.

4. Масштабный фактор, проявляющийся главным образом при сварке больших толщин ввиду образования в сварных швах плоскостного и объемного напряженного состояния и появления нестабильных структур из-за повышенной скорости остывания. Оба эти обстоятельства часто приводят к созданию очагов хрупкого состояния металла.

5. Склонность основного металла и сварных швов к переходу в хрупкое состояние при пониженных температурах.

6. Закалочные структуры, образующиеся при сварке стали с повышенным содержанием углерода.

Все эти недостатки в той или иной мере присущи сварным конструкциям. В зависимости от количественного значения каждого из перечисленных недостатков или нескольких вместе работоспособность сварной конструкции может быть значительно понижена. Резкое понижение усталостной прочности в сварных конструкциях происходит из-за повышенной концентрации напряжений. Очень опасным является неблагоприятное сочетание нескольких указанных отрицательных факторов, из-за которых сварное соединение переходит из пластического состояния в хрупкое и становится склонным к хрупкому разрушению.

Полностью устранить отрицательное влияние указанных факторов представляет значительные конструктивные и технологические трудности, так как большинство из них является неотделимыми спутниками сварочного процесса (собственные напряжения, дефекты в швах и др.). Для повышения работоспособности сварной конструкции во многих случаях достаточно снизить отрицательное влияние большинства из них или устранить отрицательное влияние основных из них, что практически вполне осуществимо.

Надежная работоспособность сварной конструкции будет обеспечена, если при ее изготовлении будут обеспечены указанные ниже основные требования. прочность сварный нагрузка

1. Активная зона швов при действии внешней нагрузки способна обеспечить относительное пластическое удлинение, равное относительному удлинению, соответствующему напряжению предела текучести.

2. Отсутствие конструктивных и технологических недостатков, порождающих концентрацию силовой и собственной напряженности.

3. Наплавленный металл швов плотный и однородный, и сварное соединение свободно от закалочных и нестабильных структур.

4. Сварные швы и основной металл не склонны к переходу в хрупкое состояние при пониженных температурах, т. е. имеют низкий порог хрупкости.

5. Пониженная плоскостная и объемная напряженность сварной конструкции.

Влияние остаточных сварочных напряжений и деформаций на статическую и усталостную прочность сварных конструкций

Сварочные напряжения, возникающие в сварной конструкции, уравновешены в ее пределах: они вызываются внутренними процессами, а не воздействием внешних сил и, следовательно, как во всякой конструкции, так и в любом ее полном сечении в сумме равны нулю. Однако в отдельных элементах конструкций остаточные напряжения от сварки суммируются с напряжением от внешней нагрузки и появляются местные пластические деформации.

На основании схематизированного рассмотрения процесса приложения и снятия внешней нагрузки к образцу, в котором были остаточные сварочные напряжения, можно сделать следующие выводы:

1) приложение внешней нагрузки сразу вызывает перераспределение внутренних напряжений в образце и пластическую деформацию зоны шва;

2) после снятия внешней нагрузки образец остается удлиненным, а внутренние напряжения в нем уменьшаются;

3) если при внешнем нагружении образца напряжения по всему его сечению достигли предела текучести, то после снятия нагрузки никаких внутренних напряжений в образце не останется.

Как видно, сварочные напряжения не снижают прочности конструкции, изготовленной из пластичного материала, обладающего площадкой текучести на диаграмме растяжения. При первом же эксплуатационном нагружении эти напряжения будут уменьшаться. При нагружении до полного исчезновения сварочных напряжений величина пластической деформации зоны шва будет находиться в пределах 0,12-0,15%. Например, для стали Ст. 4С при bs - 2400 кг/м 2 относительное удлинение = 0,12%.

Так как протяженность площадки текучести на диаграмме растяжения составляет 2-3%, то ясно, что при указанном процессе снятия сварочных напряжений под нагрузкой пластические свойства материала используются в весьма малой степени.

Рассмотренная картина относилась только к линейному, т. е. одноосному напряженному состоянию. Однако, как показывают исследования, она остается справедливой и в случае плоского напряженного состояния, т. е. при действии напряжений в двух взаимно-перпендикулярных направлениях.

Некоторое исключение может составить только случай, когда зона растягивающих сварочных напряжений совпадает с очагом местной высокой концентрации напряжений, вызванных конструктивными или технологическими причинами. Например, плоское и даже объемное напряженное состояние, при котором затруднено пластическое деформирование металла, создается в вершине острого угла или надреза. Не исключена возможность, что в таком напряженном участке при резком понижении температуры или других неблагоприятных обстоятельствах может произойти хрупкий разрыв, однако наличие пластичного материала вокруг очага значительно ослабляет эту опасность. Объемное напряженное состояние от укорочения зоны шва может также возникнуть при сварке встык материала большой толщины (50 мм и выше). Г.А. Николаев сообщает, что при сварке элементов из низкоуглеродистых сталей толщиной свыше 50 мм третий компонент остаточных сварочных напряжений достигает 500 кг/см 2, а при толщине 70 мм и более он значительно возрастает (приблизительно пропорционально квадрату толщины свариваемого элемента). В условиях такого резко выраженного объемного напряженного состояния материал становится склонным к хрупким разрушениям. Ввиду этого при сварке стали больших толщин приходится принимать во внимание сварочные напряжения и даже снимать их (например, термообработкой конструкций).

Вопрос о влиянии сварочных напряжений на усталостную прочность в настоящее время находится в стадии изучения.

Нельзя не учитывать также и влияние пластических деформаций (наклепа), возникающих при сварке. Как известно, при наклепе повышаются пределы текучести и прочности, а соответственно и предел усталости материала. В результате оба названных фактора взаимодействуют, и поэтому резкого влияния сварочных напряжений на циклическую прочность сварных соединений не наблюдается. Несколько иначе должен рассматриваться вопрос о влиянии реактивных напряжений на прочность конструкций.

Применением рационального технологического процесса можно предотвратить появление широких зон реактивных напряжений одного знака. Чтобы избежать, например, значительных растягивающих напряжений в палубе, нужно сваривать последними швы, расположенные ближе к нейтральной оси корпуса. В этом случае в палубе и днище либо уменьшатся растягивающие напряжения, либо появятся напряжения сжатия, уравновешивающие растяжение в бортах. По целому периметру корпуса напряжения будут уравновешены, а в наиболее удаленных волокнах - палубе и днище - однозначные растягивающие напряжения не появятся.

При расчетах общей прочности и выборе размеров связей судового корпуса (а также и других металлических конструкций) остаточные уравновешенные напряжения, безусловно, не должны учитываться.

Для предотвращения же реактивных напряжений требуются тщательная проработка и соблюдение технологического процесса изготовления конструкции.

Рассмотрим влияние на прочность структурных напряжений. Под воздействием внешней нагрузки на сварное соединение в зоне шва будут происходить пластические деформации, которые, как мы видели, не оказывают отрицательного влияния на прочность соединений, изготовленных из пластичных материалов. Структурные напряжения свидетельствуют о наличии в зоне шва закалочных структур с пониженной деформационной способностью. В таких зонах при действии внешней нагрузки беспрепятственное перераспределение и снятие напряжений невозможно. На основании этого приходим к выводу, что структурные напряжения при действии внешней нагрузки могут привести к трещинам и надрывам в зоне шва. Наиболее эффективным средством устранения структурных напряжений (если их не удалось избежать выбором режима сварки) является термическая обработка деталей, которая должна осуществляться сразу же после сварки (до образования трещин) с нагревом до 800-850° С. Применение термообработки для снятия сварочных напряжений в изделиях из низкоуглеродистых сталей, как правило, нецелесообразно; в ряде случаев она может привести даже к отрицательным результатам, так как при отжиге снижаются прочностные свойства металла. В таких сталях проводят термообработку только в отдельных конструкциях (при толщине металла свыше 50 мм) для снятия объемных напряжений.

Для конструкций из малоуглеродистых и низколегированных сталей малой и средней толщин снятие сварочных напряжений путем термообработки проводится только в том случае, если конструкция в дальнейшем поступает на механическую обработку. Это обусловливается следующим.

Как указывалось, во всякой конструкции после сварки внутренние напряжения находятся в равновесии. При механической обработке приходится удалять некоторую часть металла. В связи с этим происходит перераспределение напряжений, и в конструкции возникают вторичные деформации. Верхняя часть эпюры продольных напряжений в строганой балке окажется смещенной вниз, хотя общий характер эпюры останется неизменным. Вторичное деформирование сварных деталей во время или после механической обработки (если деталь была жестко закреплена на станке) недопустимо, например, для точных машиностроительных конструкций. Низкотемпературный отпуск позволяет предотвратить это. Вопрос о влиянии сварочных напряжений на прочность конструкций при действии динамических, ударных нагрузок нельзя считать окончательно изученным. Можно предполагать, что в этих условиях влияние напряжений сказывается сильнее, чем при статическом нагружении. Степень динамичности действующего усилия характеризуется коэффициентом динамичности, который выражает отношение наибольшей деформации конструкции к ее деформации при статическом действии того же усилия. При больших коэффициентах динамичности деформации будут происходить в сравнительно ограниченной зоне конструкции. Если зона деформации при динамическом воздействии совпадает с зоной активных сварочных напряжений, то в этом участке можно ожидать появление разрыва. Иногда стремятся избежать этого значительным усилением размеров шва или использованием электродных материалов с особенно высокими пластическими свойствами, обеспечивающими в то же время необходимую прочность.

Сварочные деформации, т. е. внешние формоизменения сварных конструкций в результате сварки, являются очень серьезным фактором, который может повлиять на работу сварной конструкции.

В судовых конструкциях, выполняемых преимущественно из листов, сварочные деформации, с одной стороны, вызывают неравномерность в распределении усилий между отдельными участками конструкций, а с другой, - могут изменить критические нагрузки, вызывающие потерю устойчивости.

Предположим, что на перекрытие действуют продольные растягивающие или сжимающие силы. Если на участках пластин между продольными балками в результате сварки появится волнистость (от укорочения швов по периметру каждой клетки), то пластины не смогут воспринимать усилия; они исключаются из работы и при этом уменьшают расчетное сечение перекрытия.

Вследствие этого участки поясков вдоль продольных балок и сами балки окажутся перенапряженными. При последовательной смене знака нагрузки или многократном снятии и возрастании ее к этому еще добавляются усталостные явления. Пластина будет то выпрямляться, то снова выпучиваться. Поперечные швы будут испытывать многократно повторяющийся изгиб и в них иногда могут возникнуть трещины. Как видно, наличие остаточных деформаций из плоскости весьма неблагоприятно влияет на работу перекрытия. Особенно сильно это влияние может сказаться в тех районах, где уже имеется концентрация напряжений, вызванных конструктивными особенностями.

Исключающиеся из работы деформированные участки будут дополнительно увеличивать степень концентрации, доводя ее до опасных пределов. Местные выпучины и волны на обшивке перекрытий часто сопровождаются общим изгибом балок перекрытий. Начальная кривизна балок вызывает появление в них дополнительных напряжений.

В практике чаще наблюдаются сложные деформации конструкций - изгиб, сопровождаемый выпучиванием обшивки и сокращением размеров в плане. Кроме того, в целом корпусе судна могут происходить общий подъем носа и кормы и искажение обводов против теоретического чертежа. Волны и неровности по обшивке судов, так же как и искажение проектных обводов, увеличивая сопротивление и изменяя осадку, отражаются на мореходных качествах судна. Для надстроек и надводной части корпуса они также играют важную роль, потому что мятые, покоробленные перекрытия с выступающими на них валиками швов портят внешний вид судна.

Таким образом, можно сделать заключение, что проблема борьбы с деформациями сварных конструкций имеет первостепенное значение. Деформации сварных конструкций могут быть значительно уменьшены применением не только соответствующего технологического процесса, но и ряда конструктивных мероприятий, что всегда следует иметь в виду проектировщикам.

Хрупкое разрушение

Характеризуется тем, что оно не сопряжено с заметной пластической макродеформацией и, как правило, наблюдается при воздействии средних напряжений, не превышающих предел текучести. Траектория разрушения близка к прямолинейной, излом нормален к поверхности и имеет кристаллический характер. Хрупкое разрушение, как правило, является внутрикристаллическим.

Разрушение в большинстве случаев происходит под воздействием нормальных напряжений и распространяется вдоль наименее упакованной кристаллографической плоскости, называемой плоскостью скола (отрыва) . Но при некоторых условиях эксплуатации (водородное насыщение, коррозия и др.) хрупкое разрушение может быть межкристаллитным (межзеренным). Хрупкое разрушение часто происходит внезапно и распространяется с большой скоростью при малых затратах энергии. В ряде случаев оно приводит к катастрофическим разрушениям сварных конструкций в процессе эксплуатации.

Рис. 1. Образцы для испытаний по методу "Веритас".

Металлы и сплавы c объемно-центрированной кубической решеткой разрушаются вязко или хрупко в зависимости oт состава и условий эксплуатации. Примеси и легирующие элементы, блокирующиe подвижность дислокаций, повышaют склонность к хрупкому разрушению. Перехoд oт вязкого к хрупкому разрушению мoжeт произойти пpи снижении температуры, увеличeнии объемноcти напряженного состояния (большиe толщины, острыe надрезы и трещиноподобные дефекты), повышeнии скорости деформирования.

Процесс хрупкого разрушения в зависимости от характера нагружения (статическое, циклическое) может включать три этапа: возникновение трещин, медленное (стабильное) их развитие и лавинообразное (нестабильное) распространение разрушения. Отдельные конструкции допускаются к эксплуатации c трещиной или трещиноподобным дефектом пpи условии, чтo рабочие нагрузки относительнo малы и нe приводят к страгиванию трещин, или в случае непрерывного контроля зa иx медленным развитием и своевременного предупреждения лавинообразного разрушения. В сварных соединениях низкоуглеродистых сталей наиболее склонны к хрупкому разрушению участки ЗТВ, нагреваемые до 200...500оС . Их охрупчивание связано с деформационным старением.

В соединениях легированны х сталей наибольшую степень охрупчивания получают участки ОШЗ на расстоянии ~0,1 мм от линии сплавления вследствие укрупнения зерна и образования твердых и малопластичных составляющих структуры в результате превращения аустенита (так называемое "трансформационное" охрупчивание). Одной из причин охрупчивания может быть сегрегация примесей на границах зерен, обусловливающая межкристаллитное (межзеренное) хрупкое разрушение. Эта причина характерна для многослойных сварных соединений некоторых легированных сталей, подверженных отпускному охрупчиванию.

Наиболее распространенным способом оценки склонности к хрупкому разрушению являются испытания серии образцов с V-образным надрезом на ударный изгиб при различных температурах KCVT Критерий оценки - критическая температура перехода от вязкого к хрупкому разрушению Ткр- или порог хладноломкости. Ткр соответствует температуре достижения определенной минимальной ударной вязкости, например равной 200 кДж/м 2 . Чем выше Ткр, тем больше склонность металла к хрупкому разрушению. Ткрслужит для сравнительной оценки материалов, отличающихся составом и структурой. Применительно к испытанию сварных соединений V-образный надрез наносится в исследуемой зоне соединения: по оси сварного шва, зонам сплавления или термического влияния.

Сопротивление нестабильному распространению трещины, или трещиностойкость металла при статическом растяжении, оценивают по одному или нескольким критериям (ГОСТ 25.506-85):

· силовому - критическом у коэффициенту интенсивности напряжений КIс;

· деформационному критическому раскрытию в вершине трещины дс;

· энергетическому - критическому значению J-интеграла JIс (работы пластической деформации и разрушения).

Для экспериментального определения критериев трещиностойкости применяют несколько типов образцов (рис. 2): с надрезами и наведенной в них трещиной.

Рис. 2. Образцы для определения критериев трещиностойкости: тип I- с центральным надрезом для осевого растяжения; тип II - с боковым надрезом для осевого растяжения; тип III - с боковым надрезом для внецетренного растяжения; тип IV - с боковым надрезом для трехточечного изгиба.

Испытания выполняют статическим нагружением, в процессе которого регистрируют диаграмму Р - v или Р - f, где v - смещение берегов надреза, фиксируемое специальными датчикам и; f - прогиб в точке приложения Р. В результате обработки диаграмм мы по специальной методике определяют критерий КIс, МПа vм.

Рис. 3. Схема распределения напряжений уу около острия трещин.

Применительно к образцам со сварными соединениями рассмотренный выше метод испытаний используется для оценки трещиностойкости отдельных зон соединения, в которых наносится надрез и наводится усталостная трещина. Однако при испытаниях зоны сплавления и ЗТВ затруднительно точное изготовление надреза и возможен увод усталостной трещины из нужной зоны. Наиболее подходящими в этом случае являются образцы с К-образным сварным соединением, в которых надрез изготовляется со стороны вертикальной кромки.

Хрупкое разрушение сварных соединений с трещиноподобными дефектами, металл которых находится в хрупком состоянии (например, закаленная ЗТВ), становится возможным, если действительный коэффициент интенсивности напряжений у острия трещины КI превысит критерий КIс. КI может быть рассчитан по формулам линейной механики разрушения вида (рис. 3)

(КI характеризует интенсивность нарастания локальных напряжений при при ближении к острию трещины);

где Yi - функция, учитывающая расположение и отношение длины трещиноподобного дефекта к толщине (lтp/д) (табл. 1); у- - среднее напряжение по сечению от рабочей нагрузки.

Таблица 1. Значения функции Yi.

Расчет продольных пластичных перемещений

Рассмотрим перемещение кромок при сварке пластин встык с зазором (Рис. 9.86). Металл при нагреве расширяется не только в направлении Ох, но и в перпендикулярном направлении Оу. Характер перемещения края пластины, по кромке которой движется источник тепла, показан кривой v на Рис. 9.86, а. При подходе источника тепла (точка О) кромка интенсивно перемещается (участок CBD), достигая максимального перемещения vMAX в точке О. Затем по мере остывания металла край пластины постепенно возвращается в исходное положение. Чем больше теплоотдача в воздух, тем интенсивнее перемещение кромки. Если свариваются две пластины с зазором (Рис. 9.86, б), то кромка каждой из пластин испытывает поперечное перемещение v. В момент сваривания перемещения достигают максимальной величины vMAX. а взаимное приближение кромок составляет 2vMAX .

Рис. 9.86 Схема образования поперечной усадки при однопроходной сварке встык

На участке ОА металл обладает небольшим сопротивлением пластической деформации, в результате чего он испытывает удлинение 2(VMAX -VA). В точке A пластическое удлинение металла прекращается и таким образом фиксируется взаимное сближение кромок, равное 2VA. В процессе остывания пластины подтягиваются друг к другу, и возникает поперечная усадка ДПОП=2VA. В пластинах, которые свариваются без зазора, перемещение кромок впереди источника тепла не может осуществляться беспрепятственно. До некоторой точки В (Рис. 9.86, а) происходит упругая деформация; а от точки В до точки D - пластическая. Поперечная усадка оказывается меньше, чем при сварке с зазором.

Максимально возможное перемещение кромок при отсутствии теплоотдачи в воздух

(9.0)

где q - эффективная мощность источника нагрева, вводимая в обе кромки (в каждую вводится q/2);

s - толщина пластины;

v - скорость сварки;

б - коэффициент линейного расширения;

сс - объемная теплоемкость.

Фактически величина поперечного укорочения, как было объяснено выше, меньше теоретически возможного. При электродуговой однопроходной сварке металла встык толщиной до 12--16 мм поперечное укорочение равно ДПОП?(0,5ч0,7)2vMAX, а иногда и меньше.

Формулой (9.0) можно пользоваться также для приближенного определения поперечного укорочения, когда шов укладывается на целую пластину без полного провара, например при сварке внахлестку или втавр. Определение эффективной тепловой мощности qП вводимой в лист толщиной sП, к которому приваривается лист толщиной sP производится по формуле:

Распределение остаточных напряжений в основных типах сварных соединений исследовано экспериментально и теоретически довольно широко. Продольные остаточные напряжения в сварных соединениях, выполненных внахлестку, угловых и втавр, как по величине, так и по распределению в основном аналогичны напряжениям в стыковых соединениях, т. е максимальные их значения в конструкциях из низкоуглеродистых и аустенитных сталей близки к уТ. Помимо продольных, в сварных однопроходных соединениях возникают также и поперечные остаточные напряжения.

Литература

1. Гитлевич А.Д., Животинский Л.А., Жмакин Д.Ф. Техническое нормирование технологических процессов в сварочных цехах: М.: Машгиз, 1962. - 170 с.

2. Белоконь В.М. Производство сварных конструкций. Могилев: ММИ,1998.-139с.

3. Сварка и машиностроение / под ред. В.А. Винокурова. М.: Машиностроение, 1979. - 394 с.

Размещено на Allbest.ru