Учет влияния механической неоднородности

К дефектам сварных соединений относят также и неоднородность меха­нических свойств, когда она достаточно велика. Например, хрупкие зоны могут явиться даже при малых размерах дефекта источником разрушения. Опасность хрупких зон состоит в том, что их критический размер в два раза меньше кри­тического размера трещин l_кр.

Объясняется это тем, что энергия, освободившаяся при пробегании тре­щины по хрупкому участку l_хр , где она почти не расходуется на пластические деформации металла и равная , затем расходуется на прохождение тре­щины по более вязкому участку. Достигнув l_кр, трещина далее распространяется, используя энергию, освободившуюся при ее последующем подрастании.

В расчетах хрупкую зону длиной l_хр следует рассматривать как трещину длиной l=2l_xp.

Механические свойства соединений с угловыми

Швами

Угловые швы работают в крайне разнообразных условиях действия на­грузок. В тавровых соединениях они могут выполняться как с полным, так и с неполным проваром. В нахлесточных соединениях угловые швы в зависимости от направления прикладываемой нагрузки работают либо как лобовые, либо как фланговые, а в неко­торых случаях воспринимают комбинированные нагрузки.

Распределение напряжения в угловых швах крайне неравномерно, непровары при ограниченной пластичности металла шва могут существенно вли­ять на их прочность. У соединений пластичных металлов разрушению предше­ствует существенная пластическая деформация, что позволяет оперировать средними по сечению напряжениями и влияние концентраторов напряжений во внимание не принимать.

Рассмотрим угловой шов и действующие на него нагрузки (рисунок 2.34 ). Выберем уча­сток сварного шва условной длиной l=1. К соединению приложена нагрузка Р, направленная под произвольным углом.

Рисунок 2.34 – Схема сварного шва и действующих нагрузок

Всякую силу, действующую на шов, можно разделить на две составляющие. Одна будет направлена вдоль шва - это Р_х. Относительно нее шов будет фланговым и сила Р_х будет вызывать срез вдоль шва по плоскости наименьшего сечения. Вторая составляющая Р_a направлена перпендикулярно от шва х-x, для нее шов будет лобовым. Напряженное состояние в этом случае более сложное.

Если металл шва находится в хрупком состоянии, то должна учитываться концентрация напряжений и привлекаться аппарат механики разрушений.

В подавляющем большинстве случаев при явном непроваре применяется такой присадочный материал, чтобы металл шва находился в вязком состоянии. Если металл шва именно такой, то концентрацию напряжений в вершине непровара можно не учитывать и проводить расчет по методам, опирающимся на модель абсолютно жесткого твердого тела.

Рассмотрим участок шва крупным планом (рисунок 2.35). Пусть наиболее опасным бу­дет какое-то сечение ОА, проходящее под углом j. В этом сечении в общем случае действуют напряжения трех видов: t_х,t_a и s_a. Пусть шов представляет собой в поперечном сечении прямоугольный треугольник к катетами К.

Рисунок 2.35 – К расчету углового шва

Величина отрезка ОА характеризует касательные напряжения (t_х) в плоскости ОА:

Наблюдаемое значение t при j=45⁰:

Эта формула применяется в классических расчетах.

В уточненном виде касательные и нормальные напряжения можно определить по формулам:

Интенсивность напряжений по плоскости ОА:

Подставляя в последнюю формулу соответствующие значения напряжений получим:

Интенсивность s_i, которая влияет на начало пластической деформации при достижении значения s_i=s_m, является максимальной в сечениях с различ­ным углом j, в зависимости от направления силы. Для определения угла j, прикотором будет опасное сечение, необходимо продифференцировать s_i, по j и приравнять производную нулю:

Именно в этом сечении и начнутся пластические деформации, т.е. проч­ность и пластичность шва сильно зависит от направления действия силы.

Наименьшую прочность и наибольшую пластичность угловые швы име­ют при g=0 (шов фланговый).

Для оценки прочности и пластичности при произвольном приложении нагрузки служат коэффициенты прочности (с) и пластичности (h):

, ,

где Р_р, D_рпл.- разрушающее усилие и деформация данного конкретного шва;

Р_{рфланг.}, D_{рпл.фланг.}- то же для чисто флангового шва.

Зависимость коэффициента от приложения нагрузки a приведена на рисунке 2.36. Угол g =90° (т.е. Р_х =0, шов лобовой).

Наибольшую прочность угловые швы имеют, когда сила Р направлена под углом g =90° при а=45°. Наименьше сечение (j=45° при этом работает на отрыв. При g = 90⁰ и a =90⁰ лобовой шов в 1,5 раза прочнее флангового, но имеет низкий запас пластичности.

Рисунок 2.36 – Зависимость коэффициента прочности от угла приложения нагрузки

Наибольшая пластичность наблюдается у фланговых швов, наименьшая у лобовых. Тавровый шов занимает промежуточное положение. Прочность соединений повышают применением более прочных присадочных металлов. При этом разрушение идет по основному металлу (рисунок 2.37).

В зависимости от условий нагружения, как указывалось ранее, шов будет иметь разную прочность и разную пластичность и в ряде случаев оказывается недогруженным, особенно в комбинированных соединениях. Поэтому, с целью экономии наплавленного металла, целесообразно проводить расчеты с учетом реальных условий нагружеия.

Рисунок 2.37 – Схемы сварных швов

В настоящее время с целью экономии металла применяют различные приемы:

1) увеличение глубины проплавления (для швов с небольшими катетами);

2) повышение прочности металла шва по сравнению с О.М.;

3) расчет швов с учетом повышения прочности в зависимости от направления силы (нашел отражение в двух отраслевых стандартах).

Рассмотрим метод расчета подробнее.

Основные положения расчета:

а) детали считаются абсолютно жесткими телами (кинематический прин­цип);

б) швы предполагаются высокопластичными и вязкими настолько, что к моменту разрушения все швы пластически текут;

в) вводится коэффициент повышения прочности шва в зависимости от действующей силы на том или ином участке шва. Существуют два направления метода расчета: проверочный расчет и проектный. Схема расчета нахлесточного соединения с лобовым и фланговыми швами приведен на рисунке 2.38.

Рисунок 2.38 – К расчету угловых швов

Проверочный расчет выполняется в два этапа.

1 этап. Производится определение напряжений в швах по существующим стандартным методикам с целью графического определения углов a и g. Опасные точки А и В. Силовые факторы, действующие на шов: момент М и сила N=P. a=0.

Находим напряжение в точках А и В.

и углы g_A, g_B.

2 этап. Определяем коэффициент прочности С по формуле:

,

где c_a - определяется по графику (см. рис.2.45).

Принимаем расчетное значение катета:

К_расч.⁼ С К_факт.,

где К_факт – катет с которым выполнен шов при с³1

Повторяем расчет с новым расчетным значением катета К_расч. Соответ­ственно по расчету реальные расчетные напряжения будут ниже, чем по тради­ционному методу расчета, т.е. имеется возможность уменьшить катет шва.

При проектном расчете вначале условно принимается катет шва К=1. За­тем проводится расчет также, как и в методе проверочного расчета и опреде­ляются t_max.рез с учетом коэффициента с.

Далее находят требуемый катет шва по формуле:

Полученное значение катета шва будет более точным, чем при классиче­ском методе расчета.

3 ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО ФАКТОРА НА МЕХАНИЧЕ­СКИЕ СВОЙСТВА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ