Глава IX

СТАТИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

§ 1. Общие положения

Прочность твердых тел является результатом наличия сил взаимодействия между частицами, из которых состоит тело. В инженерной практике под прочностью материалов понимают их способность сопротивляться разрушению, а в более широком смысле н способность сопротивляться наступлению пластической деформации. Количественно прочность оценивают напряжения­ми, при которых наступает разрушение материала. «Теоретиче­ская» прочность, вычисленная в предположении одновременного мгновенного разрыва частиц тела, в десятки и сотни раз выше реальной прочности поликристаллических тел, какими являются большинство металлов. В действительности нарушение связей идет постепенно и разрыв частиц происходит неодновременно, поэтому прочность не только является свойством материала, но и зависит от размеров и формы образца, а также от свойств и действия нагружающего устройства.

На рис. 9-1, а показана диаграмма зависимости условных на­пряжений от удлинений при одноосном медленном растяжении образца из низкоуглеродистой стали. Распространена оценка прочности материала по так называемому пределу прочности (временному сопротивлению)

а — ^Р™*

где Р_тгх—максимальная нагрузка, достигаемая при нагруже-нии (точка В); /ч —площадь поперечного сечения образца перед испыта­нием. На самом деле после начала образования шейки в точке В протекает еще значительная деформация и разрушение металла происходит в точке Z.

197

Предел прочности о_в является условной величиной.

Истинное напряжение а_д (рис. 9-1,6), которое вычисляется, как отношение усилия к действительному сечению образца, яв­ляется характеристикой, более точно выражающей напряжен­ность в зависимости от действительной деформации металла. Величина напряжений.в точке В, соответствующая пределу проч­ности, существенно меньше истинного разрушающего напряже­ния Сдр в точке Z. Величина деформации е_др к моменту дости­жения истинного разрушающего напряжения о_др зависит от скорости нагружения v\. С возрастанием скорости v₂ деформа­ция е_др уменьшается (рис. 9-1,6).

б, кГ/_снг

250i

J	в - - ■	"Т
'/
1

5)

бд, Hf/CMi

WOOD

0,1 0,2 t,см/см О 0,25 0,5 0J5 1,0 1,25 г_д,^см/сгг

Рис. 9-1. Условная (а) и действительная (б) диаграммы растяжения для ста­ли 30:

^плр ^{н 6}др ~~ истинные напряжение н деформация в момент разрушения

Величина относительной деформации металла, достигаемая к моменту разрушения е_др, зависит не только от свойств мате­риала и скорости нагружения, но и от схемы напряженного со­стояния (двухосное, трехосное). Более жестким схемам напря­женного состояния, как правило, соответствуют меньшие значе­ния е_др (рис. 9-2, а). При трехосном равномерном растяжении следует ожидать разрушение без протекания пластической де­формации (рис. 9-2,а).

В зависимости от свойств, выявляемых при одноосном растя­жении и температуре -J-20°C, материалы условно подразделяют на весьма пластичные (свинец, отожженная медь), пластичные (низкоуглеродистые стали), хрупко-пластичные (закаленные углеродистые стали), хрупкие (серый чугун) и весьма хрупкие (белый чугун, керамики) (рис. 9-2,6"). В основу этой классифи-, кации положена величина упруго-пластической деформации до разрушения.

198

Свойства материалов различны при различных температурах. С понижением температуры у перлитных сталей увеличивается предел текучести, возрастает сопротивление отрыву, уменьшает­ся упруго-пластическая деформация до разрушения. Лустенитные стали, алюминиевые и титановые сплавы слабее реагируют на понижение температуры (см. табл. 9.1).

В)

а)

¥ _

Erf, ^СМ/СИ

Рис. 9-2. Действительные характеристики:

а) нри различных схемах напряженного состояния (/ — одноосное; 2 — трехос­ное с неравными компонентами; 3 — трехосное растяжение с равными компо­нентами); 6) для различных металлов {!— отожженная медь; 2 — сталь 30; 3 — литейный чугун)

Таблица 9.1 Механические свойства некоторых сплавов при +20° С и —70° С

Наименование сплава	Предел теку­чести о0 д. кПмм*		Относительное удлинение 8В. %
	+20°С	-70°С	+20°С	-70°С
Сталь 25 (нормализация с 900° С)..... Аустенитная сталь Х18Н9Т (закалка с 1050° С Алюминиевый сплав АМг-5 (отожженный) . .	29 25 17 64	44 28 18 80	29 42 21 13	25 37 24 13

При наличии концентраторов характер разрушения— вязкий или хрупкий — может не соответствовать характеристике свойств металла, устанавливаемой по его пластичности. Например, низ­коуглеродистые стали при температурах —40 —60° С при одно­осном растяжении ведут себя как пластичные металлы. Однако

199

в зоне острых концентраторов участок металла, соответствую­щий началу разрушения, имеет при этих температурах хрупкий излом. Следует подчеркнуть, что разрушению металлов всегда предшествует пластическая деформация, и в этом смысле деле­ние разрушений на вязкие и хрупкие является условным.

При рассмотрении статической прочности внимание в основ­ном должно быть сосредоточено на первой стадии разрушения — стадии упруго-пластической деформации металла и перехода к зарождению трещины. Распространение трещины обычно со­провождается динамическими эффектами и рассмотрено в главе XI.

Развитие упруго-пластических деформаций металла в кон­центраторе отличается от деформаций металла в зонах сечения,

удаленных от концентратора. Во-первых, в зоне концентратора рост деформации по мере увеличения на­грузки опережает рост деформации вне зоны концентратора. Это вызы­вает значительное возрастание на­пряжений в зоне концентратора по сравнению со средними (рис. 9-3). Во-вторых, объемный характер поля напряжений в зоне концентратора затрудняет протекание пластиче­ских деформаций. Поэтому при про­чих равных условиях одинаковым деформациям в сечении будут соот­ветствовать более высокие значения напряжений в зоне концентратора. Это приводит к тому, что разрушаю­щие значения напряжений достигаются в концентраторе значи­тельно раньше, чем в средней части сечения (рис. 9-3). Напри­мер, при испытании на растяжение образцов с надрезами (рис. 9-3) из низкоуглеродистой стали 22К при Г=—60° С раз­рушение наступило, когда средняя деформация образца была менее 2%, в то время как действительная деформация разруше­ния гладкого образца у этой стали при Т=—60° С составля­ет 150%, среднее напряжение по оси образца — около 37 кГ/мм² при истинном разрушающем напряжении 105 кГ/мм²,

С увеличением коэффициента концентрации величины сред­них деформаций и напряжений, достигаемые к моменту разру­шения металла, уменьшаются. В особенности резким будет уменьшение, когда о_ср понизится до величины предела теку­чести. В этом случае незначительное дальнейшее уменьшение средних деформаций приводит к значительному падению сред­них разрушающих напряжений. С понижением температуры в надрезанных образцах из низкоуглеродистых и низколегиро-

Нфгптггпттпт

Рис. 9-3. Концентрация на­пряжений в пластине с над­резами

200

ванных сталей средняя упруго-пластическая деформация Е_ср непрерывно уменьшается (рис. 9-4,a), s то время как среднее напряжение сг_ср даже возрастает (рис. 9-4,6), что объясняется повышением предела текучести и истинного разрушающего на­пряжения по мере снижения температуры. Однако, когда е_Ср до­стигает величины е_Т) происходит падение и средних напряже­ний а_ср (рис. 9-4,6).

О) £„, %

Рис. 9-4. Изменение средней деформации до разруше­ния е_ср надрезанных образцов из стала 22К. (с) и среднего напряжения разрушения <j_cp в надрезан­ных образцах из стали Ст. Зкц (б) с понижением температуры

Свойства материалов могут быть существенно изменены тер­мической обработкой. Общая тенденция заключается в том, что с повышением предела текучести и предела прочности пластич­ность материалов понижается (табл. 9.2).

Специальные методы термомеханической обработки позволя­ют повысить прочностные показатели без снижения пластич­ности. Термическая обработка — закалка с последующим отпу­ском —- положительно влияет также на сопротивляемость метал­ла разрушению при наличии концентраторов напряжений и низ­ких температурах.

201

Таблица 9.2 Механические свойства металлов при различных видах термообработки

Металл

3*3

-9-g-S

MCt. 3 в состоянии поставки.......

МСт. 3 после закалки и низкотемпературного отпуска ................

Сталь ЗОХГСА в отожженном состоянии . . .

Сталь ЗОХГСА после закалки и отпуска при 520° С................-.

Металл шва оптимального химического соста­ва при автоматической сварке ниэкоуглероднстой стали под флюсом без термообработки . . . .

То же, после отпуска при 650° С......

То же, после закалки с 930° С.......

29,3

53,2 47

85

31,4

25,7 34,9

45,5

75,2 64

ПО

46,3 43,3 54,2

36,7

17,8 30

10

25,5 33,1 24,4

65.9J 54,7

45

64,2' 69,9