|
| |
|
Слаботочка Книги Увеличение погонной энергии сварки уменьшает скорость охлаждения и в ряде случаев, например для низколегированных сталей, благоприятно для повышения сопротивляемости холодным трещинам. Ограничением в данном случае является чрезмерное укрупнение зерна от перегрева, особенно для некоторых среднелегирован-ных сталей. То же относится и к предварительному подогреву. Более рационально проводить сопутствующий подогрев или вести сварку таким образом, чтобы последующими слоями шва вызывать отпуск образовавшегося мартенсита. Эффективным средством борьбы с холодными трещинами является отпуск сразу после сварки до начала их образования. Отпуск в данном случае изменяет структурное состояние металла и вызывает релаксацию напряжений I рода. ГЛАВА 11 РАСЧЕТНАЯ И КОНСТРУКЦИОННАЯ ПРОЧНОСТЬ § 1. Причины несовпадения расчетной и конструкционной прочности В настоящей главе дается обзор состояния проблемы, связанной с обеспечением несущей способности сварных конструкций. Под несущей способностью обычно понимают способность конструкции сопротивляться наступлению предельных состояний (см. гл. 2). Несущая способность деталей и конструкций в большинстве случаев связана с действующими напряжениями и прочностью. Понятие несущей способности шире, чем понятие прочности. Появление течи вследствие нарушения сплошности от коррозии, недостаточная жесткость, появление вибрации непосредственно не связаны с прочностью, но являются предельными состояниями, определяющими несущую способность некоторых конструкций. В данной главе рассматриваются только те предельные состояния, которые связаны q уровнем действующих напряжений и прочностью. Под прочностью в широком инженерном смысле слова понимают способность материала или детали сопротивляться не только разрушению, но и наступлению текучести, потере устойчивости, распространению трещин и др. Условия работы современных машин и сооружений довольно разнообразны. К большому числу факторов, способных оказать существенное влияние на несущую способность сварной конструкции, в первую очередь относятся: а) действующие нагрузки и вызываемые ими напряжения; б) статический или динамический характер приложения нагрузок, а в последнем случае и их спектр - пульсирующий, симметричный, случайный; в) неодноосность дей* ствующих напряжений; г) концентраторы напряжений, различающиеся как по коэффициенту концентрации напряжений, так и по геометрической форме; д) собственные остаточные напряжения; е) температура эксплуатации, в некоторых случаях переменная либо в пределах конструкции, либо во времени; ж) среда и порождаемые ею физические и химические процессы на поверхности; з) потоки элементарных частиц излучения; и) время эксплуатации. Помимо перечисленных, так называемых внешних факторов, существует большое число факторов, отражающих реакцию материала на возникшие состояния и протекающие процессы, т. е. то, что принято называть свойствами материалов в широком смысле этого понятия. Свойства материалов и элементов конструкции, в которых они физически воплощены, крайне многообразны: а) упругость, характеризуемая модулем упругости Е, и пластическая деформируемость, описываемая диаграммой о = / (е); б) прочность, выражаемая при однократном нагружении пределом текучести, временным сопротивлением, истинным разрушающим напряжением; в) пластичность в виде относительного удлинения и поперечного сужения; г) упрочняемость материала и пластическая неустойчивость при растяжении; д) упругая неустойчивость при сжатии; е) сопротивляемость накоплению усталостных повреждений, в том числе у острия трещины; ж) прочность при повторных пластических нагружениях; з) сопротивление ползучести; и) длительная прочность и пластичность при высоких температурах; к) старение металла под воздействием деформации, температуры, времени; л) сопротивление началу разрушения в присутствии концентраторов - надрезов, трещин; м) сопротивление быстрому динамическому распространению трещин; н) стойкость против общей межкри-сталлитной коррозии, а также против коррозионного растрескивания; о) сопротивление замедленным разрушениям; п) хладостойкость и др. В конкретных условиях эксплуатации указанные факторы выступают в сложном взаимодействии и определяют конструкционную прочность изделия, под которой обычно понимают установленную в результате эксплуатации или испытания при конкретных свойствах материала, значении и характере действия нагрузок, температуре, среде, а также технологии изготовления спос(-ность конструкции сопротивляться наступлению тех предельных состояний, от которых зависят ее служебные свойства. Разумеется, не все факторы в одинаковой мере проявляют себя каждый раз. В простейших случаях работоспособность конструкции зависит лишь от немногих из них. Это позволяет при расчете тех или иных конструкций ограничиваться только главными факторами. Ограничение числа учитываемых в расчете факторов вызывается рядом причин: 1. Недостаточностью современных знаний, необходимых для построения универсального расчетного аппарата. 2. Неразработанностью и сложностью теории, которая бы могла одновременно учесть влияние большинства факторов. 3. Высокой стоимостью и большой продолжительностью испытаний, которые необходимо было бы провести для создания и применения такой теории. 4. Стремлением обеспечить доступность расчетов для лиц, не име- ющих глубокой научной подготовки в , специфических вопросах прочности. Это приводит к тому, что расчетная прочность обычно не совпадает с конструкционной. Расчетная прочность - это установленная в результате расчета путем использования экспериментальных характеристик материала и аппарата теории способность конструкции сопротивляться наступлению тех предельных состояний, от которых зависят ее служебные свойства. Исторически сложилось так, что первоначально разрабатывались методы расчета, которые принимали во внимание какой-либо один, главный фактор. Большинство современных методов расчета построены именно по такому принципу. Например, расчет на статическую прочность по предельному состоянию наступления текучести предусматривает сравнение среднего напряжения с пределом текучести металла без учета концентрации напряжения; расчет на устойчивость рассматривает только потерю устойчивости и т. д. Соединение в одном методе расчета двух или нескольких факторов во взаимодействии между собой - явление довольно редкое даже при современном уровне развития науки о прочности. На примере расчетов на выносливость [44] можно видеть, что при учете такого фактора, как нестационарность характера нагружения, потребовалась разработка сложных проблем суммирования повреждаемости, над которыми ученые интенсивно трудятся уже многие годы. Таким образом, одна из основных причин несовпадения расчетной и конструкционной прочности заключается в отсутствии комплексного учета многочисленных, совместно влияющих факторов вследствие сложности построения теории. Опыт создания и эксплуатации новых конструкций показывает, что второй причиной несовпадения является временное исключение из рассмотрения слабо изученных факторов, которые впоследствии оказываются в ранге основных. Покажем это на примерах. Проблема влияния дефектов на прочность существовала всегда, но она не имела той остроты, которая возникла в связи с разработкой новых высокопрочных конструкционных материалов, которые, с одной стороны, могут воспринимать весьма высокие напряжения, а с другой - крайне чувствительны к концентрации напряжений. На рис. 11.1, а схематично показана зависимость отношения конструкционной прочности Ок к временному сопротивлению материала от коэффициента концентрации напряжений а или длины эквивалентной трещины 1 (при р = 0) для невысокопрочного (/) и высокопрочного (2) материалов. Отношение эксплуатационного напряжения Од к показано в виде пунктирной линии. Невысокопрочные материалы мало чувствительны к концентраторам. Эго предопределяет постоянство cja при достаточно больших значениях а и 4, что фактически означает допустимость довольно крупных дефектов в виде непроваров, трещин и т. п. Сварные конструкции из невысокопрочных материалов удовлетворительно работают, не обнаруживая отрицательного влияния имеющихся дефектов. Опасные по размерам дефекты могли обнаруживаться 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 [84] 85 86 87 88 89 |