Неоднорідність механічних властивостей

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 а до 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.