Тема 1.3 Руйнування зварних швів

Зовнішні та внутрішні сили. Під інженерним поняттям „міцність„ розуміється здатність тіла чинити опір навантаженню від дії зовнішніх сил. Сили, що прикладені до тіла внаслідок взаємодії тіл звуться зовнішніми. Зовнішні сили бувають об’ємними, якщо вони прикладені до усіх точок тіла (наприклад, сили інерції) та такі, що прикладені до поверхні тіла (зосереджені або розподілені). Вони бувають в залежності від характеру зміни у часі одноразові або багаторазові (циклічні), статичними, якщо сили інерції незначні, та динамічними, якщо вони призводять до значного прискорення елементів конструкції.

Під впливом зовнішніх сил, або інших причин (наприклад, нерівномірного нагріву), внаслідок дії одних частин тіла на інші частини тіла утворюються внутрішні сили. Розглядають три види внутрішніх сил: подовжні сили, поперечні сили та моменти.

Внутрішні сили визначаються за допомогою метода перерізів. Він полягає в умовному перерізі тіла у бажаному місці, після чого відкидається одна частина і записується умови рівноваги для залишеної частини, на яку діють зовнішні сили та внутрішні сили, які виникли в результаті взаємодії залишеної і відкинутої частин тіла (складаються рівняння рівноваги ). Для статично невизначених систем необхідно складати додаткові рівняння, наприклад, рівняння для деформацій частин тіла.

Дія внутрішніх сил призводить до виникнення напружень та деформацій (напружено – деформованого стану).

Граничний стан. В інженерному сенсі вважається, що тіло втрачає міцність („руйнується”) при настанні граничного стану. Граничний стан – це такий стан металу в будь - якому локальному об’ємі тіла (конструкції), для якого приймається, що при його досягненні має місце руйнування на макроскопічному рівні. Цей стан залежить від процесів, що призводять до руйнування. Ці процеси, перш за все, залежать від властивостей матеріалу, режиму і інтенсивності навантаження, терміна навантаження, температури та напружено-деформованого стану в локальних об ємах.

Процеси руйнування. На макроскопічному рівні розглядають такі основні процеси руйнування:

- активне пластичне деформування;

- крихке руйнування;

- втомленість;

- повзучість,

Процес активного пластичного деформування реалізується в умовах безперервного повільного (статичного) збільшення навантаження і призводить до вичерпання пластичних властивостей металу в макрооб’ємі і, як наслідок, його руйнування.

Крихке руйнування - це руйнування при незначній, як правило, пружній деформації, коли повне руйнування реалізується за рахунок потенційної енергії, накопиченої до моменту початку руйнування без додаткового збільшення навантаження або за рахунок зовнішнього навантаження. Для крихкого руйнування специфічним є локальне руйнування у вигляді тріщин. Процес тріщиноутворення складається з двох етапів: перший - зародження тріщини, другий  її розповсюдження. Перший етап оцінити аналітичним шляхом неможливо. Проведення випробування на ударну в’язкість дозволяє отримати лише порівняльну характеристику матеріалу, а саме — роботу, яку необхідно затратити на зародження тріщини та її розповсюдження без урахування напружено-деформованого стану в локальному об’ємі. Вірогідність розповсюдження тріщини з урахуванням напружено-деформованого стану можливо оцінити аналітичним шляхом тільки при наявності відомостей про критичне значення так званого коефіцієнта інтенсивності напружень К

Під терміном „втомленість” мається на увазі процес послідовного накопичення пошкоджень при повторно-змінному навантаженні, що призводить до виникнення тріщини, її розповсюдження та руйнування. Виникнення тріщини є наслідком вичерпання пластичних можливостей матеріалу в якомусь об’ємі, оскільки при кожному циклі „навантаження-розвантаження” (при умові, що навантаження супроводжується пластичною деформацією, а розвантаження йде пружно) має місце формування залишкової пластичної деформації. Розглядають багатоциклову втомленість (незначні напруження і велика кількість циклів до руйнування) і малоциклову втомленість (значні напруження і мала кількість циклів до руйнування).

Під повзучістю мають на увазі процес безперервного пластичного деформування матеріалу при дії постійного навантаження (напружень) і постійної, як правило, високої температури. Пластичне деформування в решті решт призводить до вичерпання пластичності матеріалу і його руйнування.

Умова міцності. Можливість втрати міцності визначається умовою міцності. Умова міцності  це порівняння в аналітичному виді стану матеріалу з відповідним показником його граничного стану. Стан матеріалу оцінюється за допомогою рівняння стану. У випадку руйнування внаслідок активного пластичного деформування, втомленості і повзучості (показником граничного стану є відповідне напруження) рівняння стану дозволяють оцінити вплив співвідношення головних напружень на досягнення граничного стану і розрахувати так звані еквівалентні напруження, що інваріантні до діючого виду напружено-деформованого стану. Таким чином, в загальному випадку умова міцності має вид

У випадку крихкого руйнування умова міцності записується у вигляді

де - коефіцієнт інтенсивності напружень в області навколо вершини тріщини;

П - к оефіцієнт запасу міцності.

Рівняння стану. В загальному випадку напружений стан металу визначається за еквівалентними напруженнями. Еквівалентні напруження визначаються за допомогою теорій міцності, побудованих на механічних моделях граничного стану. Розглядають такі основні чотири моделі (теорії) напруженого стану металу.

Теорія максимальних нормальних напружень. Еквівалентні напруження згідно цієї теорії будуть

Теорія найбільшого відносного подовження. Еквівалентні напруження за цією теорією мають вид

Теорія найбільших дотичних напружень. Еквівалентні напруження для цього випадку будуть

Теорія питомої потенційної енергії формозмінення. Еквівалентні напруження визначаються за формулою

Для плоского та об ємного напруженого стану найбільш поширена четверта теорія, а для лінійного напруженого стану  перша теорія. Наприклад, для осьового розтягування стержня або чистого зсуву (кручення) еквівалентні напруження відповідно будуть

;

для двохосьового розтягування пластини

,

а для плоского вигину

Коефіцієнт інтенсивності напружень визначається розв’язуванням відповідної задачі теорії пружності для заданої геометрії елемента конструкції, геометрії тріщини або системи тріщин та прикладеної системи сил. Для типових класичних задач теорії тріщин отримано багато рішень подібних задач, які наведені в спеціальній літературі. Як приклад, для широко відомої задачі Гріффітса, коли нескінченна пластина деякої товщини з прямолінійною тріщиною довжиною розтягується в напрямку, перпендикулярному до площини тріщини однорідними напруженнями , значення визначаються за формулою .

Робочі і з’єднувальні шви В металі шва зварних з’єднань можлива поява напружень двох родів: робочих та з’єднувальних. Щоб пояснити відм1нність між ними, розглянемо кілька прикладів.

На рис.1.28, а зображені дві смуги, які з'єднані стиковим швом. Смуги навантаженні зусиллям розтягування. Очевидно, що в разі руйнування шва зруйнується і вся конструкція. Тобто, зварні з'єднання, руйнування яких призводить до руйнування конструкції називаються робочими, а напруження, які діють в цих з’єднання (швах) - робочими напруженнями.

Рис 1.28 Робочі і з’єднувальні зварні з’єднання.

Зовсім інакше поводить себе метал шва у випадку навантаження двох смуг, як показано на рис.1.28, б В цьому випадку руйнування шва не призведе до руйнування усієї конструкції, оскільки зварний шов не передає зусилля від однієї смуги до іншої. Такі з'єднання називають з'єднувальними. Розрахунку на міцність підлягають тільки робочі зварні з'єднання.

Руйнування різних типів зварних швів. Стикові шви. Залежно від того, як взаємно орієнтовані стиковий шов і зусилля, стиковий шов може руйнуватися під впливом нормальних (рис. 1.29, а, г) дотичних (рис. 1.29, б) та одночасної дії цих напружень (рис. 1.29, в).

Рис. 1.29 Напружений стан стикових швів під впливом нормальних (а, г), дотичних (б) та одночасної дії цих напружень (в).

Вважається, що руйнування стикового шва проходить по поздовжній осі шва. Площа руйнування (рис. 1.30) має форму прямокутника з геометричними характеристиками:

Рис. 1.30 Площа руйнування стикового шва.

;

де - L _ш –довжина шва, -товщина.

Кутові шви. Кутові шви використовуються в основному для створення зварних з’єднань внакладку і таврових з’єднань.

Основними факторами, що впливають на міцність кутового шва слід виділити два – орієнтацію шва відносно напрямку зусилля, що діє на зварне з’єднання і властивості (міцність) металу шва.

В залежності від орієнтації шва відносно напрямку зусилля, діючого на зварне з’єднання, розглядають зварні з’єднання з лобовим швом (зусилля перпендикулярно осі шва, (рис.1.31, а) і з’єднання з фланговими швами (зусилля вздовж осі шва (рис. 1.31, б).

Рис.1. 31 З’єднання з лобовими (а) і фланговими (б) швами

Розглянемо напружений стан кутових швів відповідно навантажень.

Фланговий шов. Щоб оцінити напружений стан кутового флангового шва розглянемо шляхи можливого його руйнування. Аналізуючи силову ситуацію, що утворюється в металі зварного шва (рис.1.32), визначаємо два можливих перерізів ймовірного руйнування: по площинах 1, 3 (F₁ = F₃ =Kl_ш) і по площині 2, яка проходить через бісектрису прямого кута шва (F₂ = hl_ш, h = K sin 45^ = 0, 7К, тому F₂ = 0, 7Kl_ш ).

Рис.1.32 Напружений стан флангового шва.

Розглянемо напружений стан кутових швів відповідно навантажень.

В обох випадках на площинах руйнування утворюються дотичні напруження .

Визначимо напруження на відповідних площинах:

, .

Порівнюючи значення напружень визначаємо, що найбільша ймовірність руйнування флангового шва буде мати місце по перерізу 2, оскільки  .

Лобовий шов. В лобовому шві внаслідок дії сили існує три перерізу ймовірного руйнування F_1, F₂, F₃ (рис.1.33, а)

Рис. 1.33 Напружений стан лобового шва.

а) - схема навантаження; б) - схема діючих напружень

В перерізі F₁ діють нормальні напруження (рис.1.33, б)

.

Приймаючи , підрахуємо максимальне значення руйнуючої сили для цього перерізу:

В перерізі 3 діють тільки дотичні напруження

.

Максимальне значення руйнуючої сили для цього перерізу:

.

В перерізі 2 одночасно діють нормальні і дотичні напруження

;

_.

Для кута 45 значення sin і cos однакові тому:

.

Визначимо максимальну допустиму інтенсивність напружень якщо одночасно діють нормальні і дотичні напруження

Знайдемо максимальне значення руйнуючої сили:

.

Розділивши чисельник і знаменник на 1, 4 отримаємо

,

або приймаючи, що і отримуємо

.

Порівнюючи максимальні значення руйнуючих сил (), зробимо висновок, що найбільша ймовірність руйнування кутового флангового шва буде мати місце по перерізу F₂ від напруження .

У випадку, коли кутовий шов працює одночасно як лобовий і фланговий (рис.1.34) його руйнування буде внаслідок дії двох компонентів напруженого стану та , тобто від дії відповідної суми цих напружень:

Рис.1.34 Напружений стан кутового шва

Отже, на основі аналізу напруженого стану кутових швів прийняли:

1) при проведенні розрахунків на міцність кутових швів вважати, що їх руйнування має місце по площині, яка проходить через бісектрису прямого кута шва. Площа руйнування F_р = h l_ш. Оскільки площа руйнування залежить від глибини проварювання кутового шва h (h₂ h₁) (рис.1.35.) то в загальному вигляді замість параметру 0, 7К записують параметр , де - коефіцієнт в залежності від глибини проварювання (),

Рис. 1.35 Геометричні параметри кутового шва

2) при проведенні розрахунків на міцність кутових швів вважати, що флангові кутові шви руйнуються внаслідок дії дотичних напружень, а руйнування лобових кутових швів відбувається внаслідок нормальних і дотичних напружень, але представляти (для уніфікації форми запису) умову міцності через дотичні напруження.

Рис. 1.36 Площа руйнування кутового шва

Площа руйнування кутового шва має форму прямокутника з геометричними характеристиками (рис. 1.36.).

;

Точкові шви. В залежності від навантаження точкові шви можуть руйнуватися внаслідок дотичних напружень від зсуву або кручення, нормальних напружень від відриву, а також від одночасної дії нормальних і дотичних напружень (рис. 1.37.). Точки в зварному з'єднанні варто розташовувати таким чином, щоб вони сприймали переважно зусилля зрізу, а не відриву. На рис.1.37, бпоказана нераціональна конструкція (точки в ній працюють на відрив); на рис.1.37, а — раціональна.

Рис. 1.37. Руйнування точкового з’єднання.

Площа руйнування однієї точки у вигляді круга діаметром d _т має такі геометричні характеристики:

; ;

З'єднання при шовному зварюванні. Шовне контактне зварювання допускає можливість з'єднання елементів від дуже малих товщин до сумарної товщини 4...6мм. сталей і кольорових сплавів. При шовному зварюванні між елементами що з'єднуються, утвориться шов шляхом постановки ряду точок, що частково перекриваються.(рис.1.38.)

Рис.1.38 Переріз шовного з’єднання

Оскільки елементи, що зварюються шовним зварюванням, мають малі товщини, вплив згинаючого моменту незначний і його при розрахунку міцності не враховують.

Напруження у швах (рис.1.39) при шовному зварюванні визначають за умовою зрізу площі прямокутної форми з геометричними характеристиками:

; .

Рис. 1.39 Напруження у швах при шовному зварюванні