/

При изучении влияния абсолютных размеров на усталостную прочность металла экспериментально установлено (см. гл. II), что небольшие образцы более прочны, чем крупные [2, 72, 76, 87, 89, 113, 117, 127, 133, 158, 169, 178, 182].

Так как применение крупных элементов в тяжелом, энергети­ческом и химическом машиностроении становится все более не избежным, то возникают серьезные проблемы оценки действи­тельной несущей способности крупных элементов. При этом воз­никает вопрос: достаточны ли испытания на небольших образцах или необходимы испытания на крупногабаритных образцах?

Оценка влияния абсолютных размеров на сварные соедине­ния при циклических нагрузках усложняется вследствие гетеро­генности сварного соединения (как по механическим свойствам, так и по структуре), наличия сварочных остаточных напряжений и концентрации напряжений, вызываемой геометрической фор­мой шва и технологическими дефектами. Указанные факторы сильно затрудняют моделирование сварных деталей и элементов сооружений.

Испытания на усталость сварных деталей и образцов крупных ‘'сечений малочисленны и только в редких случаях имеют характер систематических исследований.

Широкий комплекс усталостных исследований, проведенный в ЦНИИТМАШе [87, 88, 90, 91 ], включает: 1) изучение уста­лостной прочности основного металла и сварных соединений ли­той (35Л) и катаной (22К) сталей, выполненных электрошлаковой сваркой на металле весьма большой толщины (250—350 мм), а также влияния абсолютных размеров на сопротивление уста­лости сварных образцов (диаметром до 150—200 мм и сечением 200 x 200 мм); 2) получение экспериментальных данных для наи­более рационального выбора допускаемых напряжений при рас­чете крупногабаритных сварных деталей, работающих в условиях циклических нагрузок; 3) выявление влияния термической об­работки на сопротивление усталости натурных сварных образцов

и установление целесообразности применения термической об­работки для крупных сварных элементов ответственного назна­чения.

Указанные исследования были проведены в связи с нуждами заводов применительно к проектированию и строительству мощ­ных гидравлических прессов усилием 30 000 и 70 000 т, содер­жащих детали, сваренные электрошлаковым способом. К таким деталям относятся сварно-литые архитравы прессов из стали 35Л массой 160 т и сваренные из толстолистовой катаной стали 22К пластины пресса рамной конструкции, имеющие толщину 200— 250 мм и массу более 100 т. Впервые в практике прессостроения колонны и архитравы уникальных прессов были построены в свар­но-прокатном и сварно-литом исполнении. Поэтому требовалось экспериментальное подтверждение эксплуатационных возможно-

Рис. 21. Машина У-200 для испытания на выносливость образцов диаметром 150—250 мм

стей такого рода конструкций при проектировании их с условием максимальной прочности при минимальной металлоемкости.

В ЦНИИТМАШе были спроектированы и построены спе­циальные машины для испытания при симметричном изгибе круп­ных цилиндрических образцов, валов и осей диаметром 150— 250 мм (модель У-200, рис. 21) [197 3 и крупных плоских образ­цов сечением 200x200 мм (модель УП-200, рис. 22). В этих ма­шинах применен инерционный метод нагружения крупных образ­цов, использующий явление резонанса. При этом образцы весьма крупных сечений доводятся до разрушения сравнительно малыми усилиями (мощность приводных электродвигателей составляет^ 16 и 9 кВт).

Основная особенность машин заключается в возможности со­четания больших переменных нагрузок со значительной частотой их перемен (до 2000—3000 циклов/мин).

Масштабный фактор для крупногабаритных сварных элемен­тов, выполненных электрошлаковым способом сварки на прокат­ной малоуглеродистой стали 22К и литой среднеуглеродистой стали 35Л, оценивали по испытанию на усталость цилиндриче­ских образцов диаметром 10, 20, 150 и 200 мм и плоских образцов сечением 50x75 и 200x200 мм [87, 88, 91 ].

Установлено, что пределы выносливости сварных соединений (на гладких, т. е со снятым усилением шва, образцах крупных сечений) не ниже, чем у основного металла (табл. 4).

Рис.~22. Машина УП-200 для испытания па выносливость плоских образцов сечением до 200Х 300 мм: 1 •— испытуемый образец; 2 — маятник машины; 3 — ломающиеся рычаги; 4 — рольганг для подачи образцов; 5 — инерционный вибратор; 6 — электродвигатель

Рис. 23. Поверхность (а) и схема уста­лостного излома (б) образца диаметром 150 мм из стали 22К (с електрошлако­вим швом), разрушенного по основному металлу:

I —- очаги разрушения (неметалличе-
ские включения); 2 — усталостные ли-
нии; 3 — зона долома; 4 — расслоения;
5 — включения

Металл шва при электрошлаковой сварке является более чи­стым (по вредным примесям и неметаллическим включениям), чем основной металл — горячекатаная 22К и литая 35Л стали.

При испытаниях листового проката из стали 22К наблюдались заметные колебания в механических свойствах основного металла, связанные с наличием допустимых по техническим условиям тех­нологических дефектов (расслоения, неметаллические включения, строчечность структуры). Указанные дефекты в большинстве слу­чаев предопределили место и характер изломов, расположенных в образцах по основному металлу на расстоянии 25--100 мм от шва.

Отличительной особенностью большинства усталостных из­ломов стали 22К является наличие отчетливо выраженной шифер - ности. В усталостных изломах некоторых образцов были вы­явлены дефекты прокатной стали — строчечность и расслоение, неметаллические включения.

В изломе образца диаметром 150 мм (рис. 23) очагами уста­лости явились шлаковые включения, расположенные под поверх­ностным слоем образца.

Отмечались также разрушения крупных сварных образцов стали 22К по зоне сплавления. Под поверхностью образца диа­метром 150 мм (рис. 24) возникло несколько начальных трещин, в результате слияния которых на поверхности излома образова­лись уступы. От фокуса излома расходятся усталостные линии, являющиеся следами роста трещин.

Усталостные разрушения большинства образцов диаметром 200 мм из стали 35Л происходили по основному металлу на зна-

Рис. 25. Поверхность (а) и схема усталостного излома (б) образца диаметром 200 мм (из стали 35Л) с электро - шлаковым швом, разрушен­ного по основному металлу: / — очаг разрушения; 2 — усталостные ступеньки и рубцы; 3 — шлаковые вклю­чения; 4 — зона долома;

5 — лмквацнонная зона

чительном расстоянии от зоны сплавления (от 67 до 219 мм), вне зоны термического влияния.

Металл шва во всех случаях оставался неповрежденным, что свидетельствует о высоком качестве соединений, сваренных элек - трошлакоьым способом. Таким образом, усталостная прочность сварных соединений литой стали 35Л оказалась выше прочности основного металла.

Лишь в двух случаях отмечены поломки сварных образцов неподалеку от шва (в 3- 14 мм), в зоне термического влияния, из-за наличия дефектов в стальном литье.

На усталостных изломах двух сварных образцов были выявлены дефекты литой стали •— неметаллические включения и ликва - ционные выделения (рис. 25 и 26).

На основании проведенного исследования сделано заключе­ние, что влияние размеров на усталостную прочность соединений, выполненных электрошлаковой сваркой, на исследованных ста­лях не больше, а может быть и меньше (учитывая отсутствие кон­центраций напряжений у обработанных стыков), чем на основном металле. В последнем случае отмечались разрушения образцов вблизи от зоны галтельного перехода (R — 150 и 200 мм) и хво­стовой части образца.

Установлено, что для металлов с неоднородной структурой (литые стали) влияние размеров образцов на выносливость свар­ных соединений оказывается более резко выраженным

Диаметр образца в миллиметрах. Рис. 26. Схемы усталостных изломов, образовавшихся по двум сечениям образца диаметром 200 мм (из стали 35Л) с электрошлаковым швом:

Рис. 27. Зависимость предела выносливости гладких образцов от диаметра: 1 —• толстолистовая прокатная сталь 22К; 2 - среднеуглеродистая литая сталь 35Л; 3 — зона рассеяния результатов испытаний по литературным данным (ьерхяяя граница — преимущественно для углеродистых сталей, нижняя — для легированных); 4 — предпо­ложительная кривая Лера; 5 — зона рассеяния результатов испытания для серых чугу - нов (верхняя граница — для высокопрочного чугуна)

чем для металлов с однородной структурой (стали, прошедшие обработку давлением, имеют ес= 0-1 </, = 200) — 0,70; рис. 27

0—1 (rf = 10)

Для плоских образцов из стали 22К. увеличение сечения с 50 X 75 до 200x200 мм привело к снижению предела выносливости на 10%.

Общие закономерности масштабного фактора в усталостной прочности, установленные для основного металла, распростра - нимы и на сварные соединения.

За последние годы уделяется значительное внимание улучше­нию качества выплавки конструкционных сталей (вакуумирова­ние, электрошлаковый переплав и другие виды передела) и в пер­вую очередь повышению их чистоты, что имеет большое значение для обеспечения надежности и долговечности деталей машин.

По данным работы [139], на рафинированных сталях мас­штабный фактор проявляется слабее.

Наибольшим препятствием для более широкого внедрения элек - трошлаковой сварки является требование проведения термической обработки таких соединений. На'основании усталостных испыта­ний образцов большого размера (диаметром 150 и 200 мм и сече­нием 200 X 200 мм) было показано, что применение термической обработки после электрошлаковой сварки деталей, изготовленных из стали 22К, не является необходимым, если усиления швов подвергаются механической обработке. Эти рекомендации были практически реализованы при изготовлении рам мощных гидрав­лических прессов.

Наличие в горячекатаном толстом листе и зоне сплавления ме­таллургических и сварочных дефектов (строчечность, расслоения, шлаковые включения) существенно (на 16—22%) понизило уста­лостную прочность сварных соеинений стали 22К. на образцах крупных сечений Эти дефекты особенно опасны, когда они рас­положены вблизи поверхности образца, где действуют максималь­ные напряжения.

Предел выносливости сварных образцов сечением 200 X 200 мм из стали 22К после нормализации составил 10,5 кгс/мм2 (см. табл. 4), т. е. оказался наиболее низким из всех рассмотрен­ных серий испытаний. В усталостных изломах всех образцов этой серии были обнаружены шлаковые включения по зоне сплавления шва. Зарождение усталостной трещины в подобных случаях начи­нается не с поверхности, как обычно, а от шлаковых включений, что обнаруживается по характерным светлым пятнам в изломе (рис. 28). Очагом разрушения послужило шлаковое включение

размером 10 X 2,5 мм, находящееся на расстоянии 33 мы от поверх­ности образца В фокусе излома напряжение составило 8 кгс/мм2, при напряжении на поверхности образца, равном 12 кгс/мм2. Шлаковое включение явилось более сильным концентратором на­пряжений, чем другие, обнаруженные в этом же сварном образце.

Лишь только в двух случаях были отмечены усталостные раз­рушения крупных образцов стали 22К по металлу шва. Так, в из­ломе образца диаметром 200 мм (рис. 29) очаг усталостного раз­рушения возник от шлакового включения, расположенного под поверхностью на глубине 28 мм. Напряжение в этом месте соста­вило 10,8 кгс/мм2, в то время как напряжение на поверхности со­ставляло 15 кгс/мм2.

Результаты исследования усталостной прочности сварных соединений, выполненных электрошлаковой сваркой на катаной стали 22К и литой стали 35Л, в крупных сечениях (рис. 30) были использованы при проектировании и строительстве крупногаба­ритных деталей мощных гидравлических прессов усилием в 70 000 и 30 000 тс (сварные^пластины и траверсы, сварные архитравы массой 160 т).

Данные о масштабном факторе сварных соединений были ис­пользованы конструкторами при выборе допускаемых напряже­ний на сварные электрошлаковые швы. На основе этих данных запасы по усталости были снижены на 20%, что позволило умень­шить массу металлоемких конструкций прессов.

Существующие методы расчета сварных конструкций на проч­ность с использованием результатов испытаний образцов малых размеров не всегда могут отразить работу самой конструкции, испытывающей в реальных условиях влияние ряда конструктив­ных, технологических и эксплуатационных факторов.

Для надежной оценки сопротивления усталости сварных изде­лий необходимы испытания их в натуре или достаточно крупных моделях на специальных установках. Предел выносливости натур­ной сварной детали оказывается значительно ниже предела вы­носливости лабораторных образцов меньших размеров. Так, сни­жение сопротивления усталости при переходе от натурного свар­ного композитного ротора газовой турбины диаметром 245/220 мм (со стыками с присадочной плавящейся вставкой) к гладким образ­цам малых размеров (d0 8 мм, см. рис. 85, а) составило [89]

<*”>*- -ёй-=2'4+2’8-

Модели сварного композитного ротора представляли собой цилиндрические полые образцы диаметром 245 мм, выполненные

4 И. В. Кудрявцев

из дву л дисков никелевого сплава ХН70ВМЮТ и двух хвосіОші - ков аустенитной стали Х16Н26М6 (см. рис. 84).

Снижение предела выносливости при симметричном изгибе для сварных соединений ротора (со стыками с присадочной пла­вящейся вставкой)[1] [89] при переходе от небольших трубчатых моделей диаметром 28/16 мм (см. рис. 66) к крупным моделям ро­тора диаметром 245/220 (см. рис. 84) составило еа = 0,55.

Сварные соединения стали 22К, выполненные различными спо­собами (электрошлаковая сварка, дуговая сварка электродами УОНИ-13/55 и в среде углекислого газа), после высокого отпуска при испытаниях на гладких шлифованных образцах диаметром 8 мм, приготовленных из прокатных листов толщиной 50 и 65 мм, ~ оказались равнопрочными основному металлу (табл. 5).

В то же время пределы выносливости сварных соединений стали 22К в крупных образцах-погонах (сечением 50x75 и 65x75 мм) с удаленным усилением шва и после высокого отпуска составили (в % от основного металла): 78 — для соединений с V-образной разделкой кромок, выполненных электродами УОНИ-13/55, а также в углекислом газе; 84—-94 — для соединений с К-образной разделкой кромок, выполненных электродами ЦУ-3; 100—-для соединений, выполненных электрошлаковой сваркой.

В этой связи для более надежной оценки несущей способности сварных соединений следует по возможности проводить испытания крупных моделей-образцов, соизмеримых с изделиями и отобра­жающих конструкцию и технологию его изготовления.

В ряде случаев следует считать целесообразным проводить исследования усталостной прочности сварных соединений на об­разцах-погонах, вырезаемых из сварных обечаек (роторы паровых турбин, валы гидравлических турбин, сосуды давления, сварные цилиндры и т. д.) и сварных плоских элементов. В образцах крупных сечений по сравнению с малыми имеется большая вероят­ность наличия дефектов и опасно напряженных зерен, что связано со статистической природой процесса усталостного разрушения. Испытания крупных образцов позволяют наиболее экффективно оценить влияние на несущую способность сварных соединений дефектов сварного шва (непровары, поры, шлаковые включения и др.) и конструктивно-технологических недостатков, встречаю­щихся при сварке

В исследовании В. И. Труфякова экспериментально показано, что усталостная прочность сварного соединения может изменяться в довольно широких пределах в зависимости от поперечного се чения пластин, сваренных встык автоматической сваркой под флюсом [169].

Сварные пластины стали М16Сс неснятым усилением шва испы­тывали на знакопеременный изгиб при циклах, близких к симмет­ричному. Падение выносливости сварного соединения отмечали при увеличении как ширины, так и толщины пластины (табл. 6) Увеличение толщины пластины с 16 до 46 мм (при ширине 200 мм) привело к снижению предела выносливости с 9,4 до 6,6 кгс/мм2, т. е. на 32%. При увеличении ширины пластины с 85 до 200 мм (при толщине 26 мм) предел выносливости снизился с 7,9 до 6,9 кгс/мм2, т. е. на 13%. Наиболее резкое по сравнению с образ­цами сечением 70X 16 мм снижение (на 43—49%) предела вынос­ливости отмечается у сварных пластин сечением 200x46 мм.

Предельными, не вызывающими дальнейшего снижения предела выносливости, оказались сварные пластины сечением 200x26, 300 26 и 200X46 мм.

По мнению автора, одним из решающих факторов, обусловли­вающих столь существенное снижение прочности стыковых соеди­нений при увеличении их сечения, являются сварочные остаточные напряжения в зоне шва, оказывающиеся более высокими, при прочих равных условиях, у пластин больших сечений. Так, если величина поперечных остаточных напряжений в образцах сече­нием 70 X 16 мм составляла всего лишь 2,5 кгс/мм2, то в образцах сечением 300x26 мм она близка к пределу текучести основного металла.

Поэтому для получения более надежных данных следует при­менять при испытаниях образцы шириной не менее 200 мм и тол­щиной не менее 26 мм.

А. К. Аснис показал, что при двукратном увеличении сечения плоских образцов с наплавленными швами (F ■ 560 мм2, 6 = : 8мми F =1120 мм, 8= 16 мм) снижение предела выносливости

Таблица 6 Влияние размеров пластин на предел выносливости стыковых сварных соединений [169] Размеры пластины, мм Предел выносливости (кгс/мм2) на базе 2-10® циклов Ширина Толщина 70 16 11,6—12,8 200 16 9,4 200 26 6,9 200 46 6,6 85 26 7,9 200 26 6,9

ции подвижного состава, технологии сварки и концентрации на­пряжений 1236]. Указанные исследования проводили на резо­нансных вибрационных стендах МИИТ.

На рис 31 показаны результаты испытаний сварных балок в координатах: предел выносливости — площадь сечения полок. Для удобства визуальной ориентации в верхней части рисунка показана сравнительная ширина В полки. Кроме эксперименталь­ных результатов, здесь же показаны диапазоны величин предела выносливости сталей 411458 (по стандарту ЧССР) и 411523 (зона А) и стали 411373 (зона В). Значения были рассчитаны по эмпиричес­ким формулам. Аналогично был установлен диапазон С для свар­ных соединений сталей 411458, 411523 и для стали 411373. Диапа­зон Е включает значения пределов выносливости некоторых свар­ных деталей, испытан-

б, кгс/м*2_________________________ ных Нойманом. Предел

выносливости этих де­талей, изготовленных из стали ав 37 52 кгс/мм2, составляет 5—6 кгс/мм2 независимо от вида материала.

Предел выносливо­сти при изгибе сварных балок, изготовленных из штампованных корыт с гладкой полкой, попа­дает в диапазон А или В и практически не ме­няется в исследованном

Рис. 31. Зависимость предела
выносливости балок от ширины
полки [236]

/ — без упрочнения; 2 —упрочнены дробью (точки: светлые кружки —
по данным работы 1185], черные кружки — опыты ЦНИИТМАШ,
треугольники — по данным работы [208])

диапазоне размеров, как и при испытаниях на растяжение. Опытные данные по испытаниям балок типоразмера 1 (см. рис. 90 и табл. 44), для которых проявилось влияние сварки, находятся в области С или D. У нижней границы лежат значения предела выносливости балок из стали 411523. У балок типоразмера 2 и 3 (см. рис. 31 и табл. 7) имело место падение предела вынос­ливости (диапазон ограничен на рис. 31 сплошными линиями).

Под влиянием дефектов сварки произошло снижение усталост­ной прочности на 25—60%. Масштабный эффект для сварных дета­лей с концентрацией напряжений (усиление шва, подрез, резкий обрыв шва и др.) проявляется в большей степени, чем для деталей с устраненными концентраторами напряжений.

Сопротивление усталости сварных деталей конструкций можно существенно повысить пластическим деформированием поверхностных слоев. Эффективность поверхностного наклепа тем выше, чем более высокие концентрации напряжений вызваны в деталях наложением сварных швов. В ряде случаев, когда свар­кой вызываются особенно резкие концентрации напряжений, эф­фект от поверхностного наклепа достигает двух - и трехкратного повышения предела выносливости [79, 90, 91, 116, 174].

Прочность соединений с необработанной поверхностью свар­ного шва оказывается сильно пониженной против прочности ос-

Изменение предела выносливости а_г с увеличением размера
образцов при плоском изгибе на базе 107 циклов

Таблица 7 № точек на рис. 33 Марка стали Сечение образца, мм Момент сопро­тивления W, см8 Вид концентра­ тора напряжений 0-1 > кгс/мм2 Источ­ ник і 0,38% С, сгв=62 кге/мм2 20X20 1.3 Нет 25 3 Данные Массоне 2 СтЗ 18Х 75 Сварной шов 18,5 [86] 3 СтЗ 50X40 16,7 Нет 15,5 [П5] 4 СтЗ 50 X 75 31,4 » 15,5 [911 5 20ГСЛ 50X75 31,4 » 15,5 [91] 6 22 К 50X75 31,4 » 15,5— 16,5 190] 7 45 60x95 57 » 16,5 [85] 8 СтЗ 60X95 57 » 13,0 [85] 9 СтЗсп I35X 105 320 » 13,0 10 СтЗсп 135Х 105 320 » 11,0 11 22 К 200X200 1330 » 14,5 [91] 12 СтЗ 300X 400 6000 » 11,5 13 22 К 50X75 31,4 Защемление 9,0 [91] 14 СтЗ 50X75 31,4 » 8,0 [91] 15 СтЗсп 50X75 31,4 Надрез 6,5 16 СтЗсп 135Х 105 320 » 5,5 17 СтЗсп 135Х 105 320 » 5,5 18 22 К 200X 200 1330 Защемление 4,5 [91] 19 СтЗ 300X 400 6000 » 6,0 20 СтЗ 50X75 31,4 16,5 [91] 21 22 К 50X75 31,4 » 15,5 [91] 22 СтЗсп 135Х 105 320 Надрез 9,5 23 22 К 200X200 1330 Защемление 9,3 [91] 24 22 К 200X 200 1330 » 12,5 [91] 25 СтЗ 18X75 4 Сварной шов 18,5 [86J 26 22 К 50X75 31,4 То же 8,5 [90] 27 22 К 50X75 31,4 » 17,0 [90] Примечания: 1. Номера точек 21—25, 27 — образцы со сварными швами и концентраторами напряжений в виде надреза и защемления после поверх­ностного упрочнения. 2. Номера 10, 17 и 22 — стали конвертерной плавки.

повного металла. В этом случае поверхностный наклеп способен повысить усталостную прочность в значительно большей степени, чем термическая обработка (см. табл. 5).

С ростом размеров деталей (в особенности содержащих концен­траторы напряжений) эффективность наклепа не только не умень­шается, а сохраняется, или даже возрастает (рис. 32 и 33 и табл. 7) [100, 185].

Для сварных соединений эффект наклепа с ростом сечения образцов проявляется в том же направлении [116, 203]. Эффек­тивность наклепа (пневматическим молотком) для сварных балок сталей СтЗсп и 15ХСНД (НЛ2) по сравнению с образцами неболь­шою сечения возросла со 154 до 185—195% [76]. Предел вынос­ливости крупных штуцерных соединений (трубы диаметром 140/108 мм из стали 20 приварены с обеих сторон пластины стали 22К толщиной 115 мми шириной 298 мм) после поверхно­стного упрочнения швов повысился на 165%.

Сопротивление усталости крупных двутавровых балок высо­той 254 мм с приваренными ребрами жесткости в результате дро­беструйной обработки сварных швов повысилось на 30% [203].

Это дает основание считать, что поверхностный наклеп может быть весьма эффективно использован для повышения несущей способности сварных конструкций при циклических нагрузках.