Повышение надежности, долговечности, технологичности и экономичности сварных конструкций. Мягкие и твердые прослойки в сварных соединениях

ПРЕДИСЛОВИЕ

Одной из важных проблем современного сварочного производства является механическая неоднородность сварных соединений. Эта проблема стала особенно актуальной в связи с значительным усложнением условий работы сварных конструкций, расширением номенклатуры   применяемых материалов, в том числе высокопрочных сталей и сплавов.

Дальнейшее повышение надежности, долговечности, технологичности и экономичности сварных конструкций в свете поставленных XXVI  съездом КПСС задач настоятельно требует использования всех имеющихся резервов. Одним из таких резервов является оптимизация конструктивных форм и технологии сварки на базе разработанной советскими учеными теории работоспособности сварных соединений, которая основана на учете их механической неоднородности.

Некоторым сведениям из этой теории посвящен раздел курса “Специальные главы прочности сварных конструкций”, входящего в учебный план подготовки инженеров-сварщиков (специальность 0504). Между тем литература по указанному разделу рассредоточена в большом числе различных журналов и книг. Отсутствуют издания, в   которых современное состояние проблемы было бы освещено комплексно, что затрудняет изучение раздела студентами. Конспект лекций является попыткой восполнить указанный пробел.

В первой части конспекта излагаются вопросы влияния механической неоднородности на работоспособность сварных соединений в условиях статического нагружения при вязком их состоянии.

Во второй части будут рассмотрены вопросы хрупкого (квазихрупкого)  разрушения соединений, их работы в условиях низких и высоких температур, ударного, импульсного и циклического нагружений, вопросы учета фактора  механической неоднородности при конструктивно-технологическом проектировании сварных соединений и при оценке результатов их механических испытаний.

ВВЕДЕНИЕ

Существующие методы оценки свойств сварных соединений являются несовершенными. Расчеты основаны на предположении о равномерном распределении напряжений в опасном сечении шва, хотя фактически в соединениях имеется существенная концентрация напряжений не только в упругой, но и в пластической стадиях работы.

Прочность соединения обычно отождествляют с прочностью металла наиболее слабого его участка, что приводит на практике к излишнему расходу металла, хотя опасным зачастую является  другой участок, и при испытании соединения разрушаются при других напряжениях  и в другом месте. Расчет соединений ведется    только     на прочность, а такие важные свойства, как запасы пластичности и энергоемкости, даже грубо приближенно расчетом не оцениваются.

Оценка свойств соединений по результатам стандартных механических испытаний образцов нередко дает совершенно неправильное представление о действительном уровне их свойств в конструкции. При этом место и  характер разрушения образцов, вырезанных из соединения, оказываются иными, чем при испытании соединении целиком. Указанные недостатки могут быть в определенной степени устранены, если анализ поведения соединений при нагружении вести с учетом влияния фактора их механической неоднородности.

Учет этого влияния и сознательное регулирование механической  неоднородности позволяют по-новому  подойти к оптимизации  конструкций и технологии  их изготовления, а также более правильно оценивать механические свойства реальных  соединений на основании испытаний  вырезанных из них образцов.

Под механической неоднородностью сварных соединений будем понимать различие механических характеристик (прежде всего предела текучести) металлов различных его участков. Следует, вообще говоря, различать понятия "механическая характеристика металла данного участка соединения" и "механическая характеристика данного участка соединения". Так, например, временное сопротивление металла шва, установленное испытанием вырезанного из шва образца,  может существенно отличаться от временного сопротивления самого шва, полученного при испытании соединения целиком.

В основе влияния механической неоднородности на поведение соединений лежит сдерживание одними ого участками деформации других участков при нагружении. Так, при осевом растяжении различные участки соединения не одновременно вступают в пластическую стадию работы. При этом деформации участков, вступивших в пластическую работу (коэффициент поперечной деформации равен 0,5), сдерживаются соседними участками, металл которых, имея более высокий предел текучести, деформируется упруго с меньшим коэффициентом поперечной деформации.

Это приводит к возникновению сложного напряженного состояния, которое приобретает объемный характер и в конечном счете существенно влияет на прочность, запасы пластичности, энергоемкости соединений, место и   характер их разрушения при испытании.

Следует сказать, что усложнение напряженного состоянии происходит и тогда, когда все части соединения работают упруго, если металлы отдельных его  участков имеют различные упругие характеристики  (модули  продольной упругости и коэффициенты  Пуассона).    Однако этот случай в настоящие время изучен пока недостаточно. Поэтому и дальнейшем будут рассматриваться, главным образом, явлении, связанные  с    неодновременным вступлением различных участков соединения в пластическую стадию работы.

2.ИСТОЧНИКИ МЕХАНИЧЕСКОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ. МЯГКИЕ И ТВЕРДЫЕ ПРОСЛОЙКИ В СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ

Механическая неоднородность присуща в той или иной степени всем сварным и паяным соединениям. Она является следствием различий в химическом составе и структурном