4.4 Распределение напряжений в лобовых швах.

Эксперименты и расчеты показывают, что в лобовых угловых швах существуют значительные концентрация напряжений, зависящая от конфигурации поперечного сечения, т.е. глубины проплавления , угла при вершине , и направления действия силы. Концентрация значительно снижается при увеличении глубины проплавления  и увеличении угла , в случае действия нагрузки вдоль противолежащего катета.

При возрастание нагрузок и приближении напряжений к _т концентрация снижается. Причем при одинаковых уровнях средних напряжений в основном металле, нагрузка перпендикулярная плоскости непровара (сила Р₁) дает большую концентрацию, чем нагрузка параллельная плоскости непровара (сила Р₂). Напряжения концентрируются в плоскости АD, проходящей через корень шва.

Рассмотрим нахлесточное соединение с лобовым швом. В сечении А-А наибольший коэффициент концентрации =2. Распределение напряжений в сечениях сварного соединения приведены на рис. .

Рис.

В нахлесточном соединении с двумя лобовыми швами усилия между ними распределяются равномерно, если элементы имеют равные толщины. При неодинаковых толщинах распределение усилий между элементами определяются формулой

s₂ - большая толщина, l - длина нахлестки.

Концентрация напряжений имеет место также в лобовых швах тавровых соединений (соединения “впритык”).

Наибольшая концентрация напряжений возникает в соединениях с непроваром, который изменяет поток напряжений и создает дополнительную концентрацию напряжений.

4.6. Распределение напряжений в комбинированных соединениях.

В результате экспериментальных исследований установлено, что в комбинированных соединениях с лобовыми и фланговыми швами концентрация напряжений заметно снижается. Если соединение с накладками выполнено только фланговыми швами, напряжение распределяется сильно неравномерно, как на рис.4.

Рис.4. Распределение напряжений в соединении с фланговыми швами.

Неравномерность напряжений по поперечному сечению накладок сильно уменьшается при добавлении к фланговым швам лобовых, как показано на рис.5.

Рис.5. Распределение напряжений в комбинированном соединении

№14

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ В ТОЧЕЧНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ

Концентрация напряжений в точечных соединениях растет с ростом отношения t/d , где t- расстояние между точками в направлении перпендикулярно действию силы, d- диаметр точки.

Коэффициент концентрации находится в пределах 0.62 t/ d < < t/d = 0.38+0.62 t/d.

Максимальное значение напряжения принимают в сечении А-А. Усилия в отдельных точках соединения, расположенных в продольном ряду , при их работе в упругой области не одинаковы.

Таблица. Распределение усилий в многоточечных соединениях.

Номер	Число точек в ряду
точки	3	4	5
1 2 3 4 5	0.444 P 0.112 P 0.444 P - -	0.436 P 0.064 P 0.064 P 0.436 P -	0.435 P 0.058 P 0.014 P 0.058 P 0.435 P

Крайние точки нагружены значительно сильнее и с увеличением числа точек в продольном ряду диспропорция возрастает. За пределами упругости наступает выравнивание усилий. Однако при переменных нагрузках точечные соединения имеют низкую прочность, т.к. в пределах упругих деформаций локальные напряжения намного больше расчетных. При статических нагрузках за пределом упругости концентрация напряжений снижается и значения разрушающих усилий не сильно отличается от расчетных.

Следует проявлять осторожность и допускать такие нагрузки, лишь в полной уверенности, что материал не способен к расслоениям, а механические свойства в направлении толщины соответствуют уровню, предусмотренному техническими требованиями.

№15

НЕОДНОРОДНОСТЬ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Одним из источников возникновения концентрации напряжений в сварных швах является механическая неоднородность сварных швов. Сварное соединение в поперечном сечении имеет несколько участков, различных по механическим свойствам . Это сам шов 1 , зона термического влияния 2, материал которой у ряда сталей претерпевает структурные превращения имеет новые прочность и твердость, зона высокого отпуска 3 - в которой у термообработанных сталей прочность и твердость понижены в результате нагрева , и зона основного металла 4 с неизменными свойствами. Зоны , где металл обладает пониженным пределом текучести по отношению к пределу текучести соседнего металла называются мягкими прослойками.

Рис.

Так при сварке наклепанных сталей, упрочненных холодной прокаткой, а также аустенитных сталей и алюминиевых сплавов, нагрев до высоких температур снимает наклеп, достигнутый холодной прокаткой. Твердость шва и зоны термического влияния приближается к твердости отожженного металла. При сварке термообработанных сталей шов и ЗТВ в процессе охлаждения закаливаются и имеют более высокую твердость и прочность чем основной металл. Этот участок называется твердой прослойкой. Рядом находится участок высоко отпущенного металла, который по отношению к основному металлу и твердой прослойке имеет пониженный предел текучести . Эта зона образует две мягкие прослойки.

Рассмотрим работу шва при растяжении. В упругой стадии нагружения мягкая прослойка и соседние с ней участки деформируются однородно, и при достижении предела текучести материала мягкой прослойки в ней возникает пластическая деформация, а соседние участки остаются в упругом состоянии. При дальнейшем повышении нагрузки и деформации у прослойки увеличивается коэффициент поперечной деформации  и стремится к 0,5, а в упругой стадии 0,3. Из-за неодинаковой поперечной деформации возникают касательные напряжения на границах раздела, которые препятствуют сужению прослойки. Причем чем уже относительная толщина прослойки, т.е. отношение h/s , тем меньшее поперечное сужение она получает к моменту разрушения. В более узких прослойках площадь утоненного поперечного сечения прослойки к моменту разрушения будет больше, а следовательно и больше разрушающая сила. В этом заключается эффект контактного упрочнения, т.е повышения несущей способности. Чем прочнее соседние зоны,

тем больше эффект контактного упрочнения. Твердые прослойки, находящиеся рядом с мягкими, усиливают этот эффект. Мягкие прослойки могут образовываться не только в зонах термического влияния. При сварке толстостенных изделий мягкие прослойки образуются в толще самих швов. Наличие мягких прослоек в шве может повысить его несущую способность за счет образования в них пластической деформации и перераспределения поля напряжений.

Твердые прослойки сварных швов оказывают отрицательное влияние на прочность сварных соединений. Рассмотрим сварное соединение с твердой прослойкой в ЗТВ, как показано на рисунке. Разрушение соединения произойдет при упругой деформации ₂, что соответствует напряжениям ₁, которые значительно ниже чем уровень напряжений в основном металле.

Твердые и мягкие прослойки снижают прочность кольцевых швов сосудов давления.

Е ще одним видом неоднородности механических свойств является анизотропия в направлении толщины. Анизотропия возникает обычно при прокатке. Прочность, пластичность и ударная вязкость, как правило, выше у образцов вырезанных вдоль проката. Особенно низкие механические свойства вдоль толщины. При наличии расслоений пластичность равна нулю - во время сварки или термической резки могут появиться трещины. При проектировании сварных конструкций, передающих растягивающие усилия по толщине, следует проявлять осторожность и допускать нагрузки, лишь в случае полной уверенности, что материал не склонен к расслоениям, а механические свойства в направлении толщины соответствуют уровню, предусмотренному техническими требованиями.

№16

ДИАГРАММА УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ

Рис.

Прочность при переменных нагрузках зависит от числа циклов нагружения, амплитуды изменения напряжений, среднего уровня напряжений, формы и размеров деталей конструкции, состояния поверхности, вида нагружения (изгиб, кручение) и свойств среды.

При расчетах на выносливость для упрощения принимают несколько видоизмененное условие прочности, в котором значение допускаемых напряжений устанавливают исходя из величины предела выносливости, а не предела текучести, как при расчете на статическую прочность. Пределом выносливости _r называют наибольшие напряжения, при котором металл не разрушается при достаточно большом количестве циклов нагружения. Для стальных образцов предел выносливости определяется при N= 10⁶ . Если образец испытывают при меньшем числе нагрузки, то значение разрушающих напряжений называют пределом ограниченной выносливости .

_r- предел выносливости при цикле r , при N= 10⁶ ;

m=12/ К_э , - показатель степени кривой усталостной прочности; где К_э - эффективный коэффициент концентрации напряжений- это отношение предела выносливости гладкого образца к пределу выносливости образца с концентраторами.

№17

ХАРАКТЕРИСТИКА ЦИКЛА ЕАГРУЖЕНИЯ ПРИ ПЕРЕМЕННЫХ НАГРУЗКАХ. ОЦЕНКА ПРЕД. ВЫН.

выносливости сильно зависит от характеристики цикла r=_min/_max; _min и _max -наименьшие и наибольшие напряжения по абсолютной величине. Цикл напряжений – совокупность последовательных значений напряжений за один период их изменения при регулярном нагружении. Предел выносливости при симметричной нагрузке _-1 ; при нулевой ₀ ; при произвольной _r . Для гладкого образца, без концентраторов напряжений:

- среднее значение.

Если известен - коэффициент чувствительности материала к переменным нагрузкам и коэффициент концентрации напряжений К_э, то можно вычислить предел выносливости для любого цикла нагружения по значению симметричного предела выносливости.

Значение его определяется экспериментальным путём. Для малоуглеро-дистой стали =0.34; для низколегированной стали =0.3. Предел выносливости сильно зависит от размеров и формы деталей, а также от воздействия агрессивных сред.

При испытании круглых образцов на воздухе из стали 22 при диаметре 10мм _-1=215 МПа, а при диаметре 200мм _-1=165 МПа, для тех же образцов из стали 35 _-1=155 МПа и _-1=90 МПа.

№18

РАСЧЁТ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ НА ВЫНО-СТЬ, ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СК ПРИ ПЕР. НАГ.

Конструкции, работающие под воздействием циклических нагрузок, необходимо проверять расчётом на выносливость. При этом определяются допускаемые напряжения. Для их определения используют два подхода.

1.Применяются в строительстве и проектировании ПТМ. Сварные соединения разбиты на 8 групп в зависимости от Кэ. Для каждой группы сварных соединений по таблице выбирается своё расчётное сопротивление R_Т ([1,стр.155]), в зависимости от предела прочности материала . Допускаемые напряжения определяются из условия []=R_т,  - коэффициент учитывающий ожидаемое количество нагружений. Для 1-2 группы :

для 3-8 группы :

 - коэффициент учитывающий асимметрию цикла r и вид нагружения (растяжение или сжатие ).

Однако не допускается выбирать []<1/3_т.

2.Второй подход применяют тогда, когда швы тщательно обрабатывают, и устраняют мелкие дефекты.

Допускаемые напряжения определяются путём понижения допускаемых напряжений при статическом нагружении.

a и b коэффициенты зависящие от типа стали, для углеродистой a=0.58, b=0.26, для легированной a=0.65, b=0.3. Верхние знаки применяют когда средние напряжения , а нижние когда_ср<0. Если невозможно получить значения , то допускаемые напряжения определяют по формуле:

n – коэффициент запаса n= 1.41.6; К_э – эффективный коэффициент концентрации напряжений.