ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО СТАНДАРТАМ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

РАСЧЕТЫ И ИСПЫТАНИЯ НА ПРОЧНОСТЬ. РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ СОПРОТИВЛЕНИЯ УСТАЛОСТИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

РД 50-551-85

Москва ИЗДАТЕЛЬСТВО СТАНДАРТОВ 1986

РАЗРАБОТАНЫ

Институтом электросварки мм. Е. О. Патона АН УССР (ИЭС)

Институтом машиноведения им. А. А. Благонравова АН СССР (ИМАШ)

Всесоюзным научно-исследовательским институтом по нормализации в машиностроении (ВНИИНМАШ]

Руководители разработки:

д-р техн. наук чл.-кор. АН УССР В. И. Труфяков

д-р техн. наук, проф. В. П. Когаев, д-р техн. наук, проф. А. П. Гусенков канд. техн. наук В. Л. Соболев

ИСПОЛНИТЕЛИ

В. И. Дворецкий, канд. техн. наук, А. П. Коробович, П. П. Михеев, каыд. техн. наук, Кныш В. В., канд. физ-мат. наук, И. М. Петрова, канд. нш. наук, Л. Л. Смирнова, канд. техн. наук, В. М. Нестеров

РАССМОТРЕНЫ И ОДОБРЕНЫ научно-методической комиссией по стандартизации в области методов расчетов и испытаний на усталость материалов и элементов конструкций секции «Расчеты и испытания на прочность» НТС Госстандарта (протокол от 22.10.84).

Председатель комиссии д-р техн. наук, проф. Когаев В. П.

ВНЕСЕНЫ Институтом электросварки им. Е. О. Патона АН УССР

Зам. директора института канд. техи. наук Казимиров А. А.

УТВЕРЖДЕНЫ И РЕКОМЕНДОВАНЫ к применению Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам

УДК 621.791.052:539.431.001.24(083.75)

РУКОВОДЯЩИЙ НОРМАТИВНЫЙ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Расчеты и испытания на прочность. Расчетно-экспериментальные методы оценки сопротивления усталости сварных соединений

ОКСТУ 0SG9

Утверждены Постановлением Госстандарта от $ апреля 1985 г. Ns 1133, срок введения установлен с 1 января 1986 г.

Целью методических указаний является нормирование испытаний сварных соединений на усталость и обработки их результатов, расчетно-экспериментальной оценки распределений пределов выносливости и назначения расчетных сопротивлений усталости в зависимости от вероятности разрушения элементов металлоконструкций, а также от значений пределов выносливости качественных соединений, необработанных после сварки и выполненных из низкоуглеродистых, низколегированных и высокопрочных сталей и эффективности упрочняющих обработок.

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Настоящие методические указания регламентируют: проведение испытаний образцов сварных соединений на усталость при простых видах нагружения: растяжении, сжатии, изгибе, кручении и сложных комбинациях простых видов нагружения, симметричных и асимметричных циклах напряжений, изменяющихся по простому периодическому закону с постоянными параметрами при нормальной температуре и влажности по ГОСТ 15150—69 (исполнение У, категория 4.2) в многоцикловой области;

построение кривой усталости и определение пределов выносливости o_R сварных соединений по результатам усталостных испытаний (о* ; Nij); расчетно-экспериментальную оценку распределений пределов выносливости (or , S, I и назначение расчетных

R

сопротивлений усталости по параметру вероятности;

значения пределов выносливости необрабатываемых качественных сварных соединений по ПРТ в зависимости от схемы элемента и расположения расчетного сечения.

© Издательство стандартов, 1986

1

1.2.    Методические указания распространяются на сварные соединения несущих конструкций и деталей машин, изготавливаемых из проката и поковок черных металлов и эксплуатирующихся в обычных климатических условиях.

1.3.    Методические указания предназначаются для работников НИИ, КБ, отраслевых и межотраслевых лабораторий, проектных и технологических организаций.

1.4.    Термины, определения и обозначения, применяемые в методических указаниях, по ГОСТ 23207-78, ГОСТ 2312-68.

1.5.    Методические указания обеспечивают погрешность оценки среднего значения пределов выносливости or и среднего квадратического отклонения S_a ±10% от определяемой величины.

R

2. ОБРАЗЦЫ И ТРЕБОВАНИЯ К ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЮ

2.1.    Образцы сварных соединений для испытаний на усталость изготавливают из листового или (п) фасонного проката с помощью автоматической, полуавтоматической, ручной и других способов сварки, применяемых при изготовлении конструкций общего и специального назначения. Длина и сечения швов в образцах для усталостных испытаний устанавливаются, исходя из условия обеспечения равнопрочности сварного соединения основному металлу при статическом нагружении.

2.2.    Размеры сварных образцов выбирают таким образом, чтобы они обеспечивали воспроизведение типа соединения, вида и технологического процесса сварки, режимов сварки, предельную (максимальную) величину остаточных сварочных напряжений, отвечающих реальным сварным конструкциям.

2.3.    При изготовлении сварных образцов должны удовлетворяться требования, предъявляемые к разделкам свариваемых кромок и форме швов, в соответствии с ГОСТ 2564-80, ГОСТ 11584—75, ГОСТ 14771-76.

2.4.    Выделяют восемь основных типов сварных соединений и прикреплений: стыковое (рис. 1); нахлесточное с лобовыми (угловыми) швами (рис. 2); нахлесточное с фланговыми швами (рис. 3); нахлесточное с обваркой по контуру (рис. 4); тавровое (рис. 5); прикрепление фасонок встык (рис. 6); прикрепление ребер жесткости (рис. 7); прикрепление накладок и других вспомогательных элементов (рис. 8).

2.5.    Предельные остаточные напряжения в стыковых соединениях, выполненных электродуговой сваркой, достигаются на образцах шириной не менее 200 мм и толщиной не менее 26 мм. При этом каждый образец должен свариваться отдельно, а не вырезаться из предварительно сваренной крупномасштабной заготовки. На образцах меньшего сечения, в том числе вырезанных из предварительно сваренной крупномасштабной заготовки, предельные остаточные напряжения могут быть наведены искусственно путем наплавки продольных валиков или локального нагрева. Схематическое изображение расположения продольных наплавок или зон

2

локального нагрева образцов показано на рис. 9. Наплавка дополнительных валиков или локальный нагрев образцов должны производиться после завершения сварки основных швов и остывания образцов до температуры +30—20°С, а также механической обработки боковых граней. При искусственном наведении предельных остаточных напряжений ширина зоны нагрева до температуры 600 °С должна быть меньше '/г ширины образца. Такая технология искусственного наведения предельных остаточных напряжений в образцах для усталостных испытаний может использоваться и применительно к другим типам сварных соединений.

2.6.    В тех случаях, когда остаточные сварочные напряжения в несущих элементах конструкций не достигают предельных значений (короткие стыковые швы, тонколистовой материал, соединения тонкостенного фасонного проката и др.), размеры поперечных сечений образцов для получения характеристик сопротивления усталости сварных соединений могут быть соответственно уменьшены.

2.7.    Правка сварных образцов деформированием и другими способами, вызывающими релаксацию остаточных напряжений, не допускается, если это не предусматривается программой испытаний.

2.8.    Форма образца, допуски на депланацию и расстояния между захватными частями устанавливаются так, чтобы исключить дополнительное влияние этих факторов на напряженное состояние в зоне сварного соединения образцов.

2.9.    В пределах намеченной серии испытаний технология изготовления образцов, материал и его основные механические свойства, способ вырезки и подготовки заготовок под сварку, тип соединения, сварочные материалы, способ и режимы сварки, качество обработки боковых граней должны быть одинаковы.

2.10.    Способ вырезки заготовок и маркировка образцов не должны оказывать влияния на сопротивление усталости сварных соединений. Заготовки вырезают с ориентацией продольной оси образца относительно направления проката (вдоль или поперек) и направления силового воздействия при испытаниях. В тех случаях, когда заготовки для образцов вырезаются термическим способом (газовой или плазменной резкой), при их разметке следует предусматривать припуск на последующую механическую обработку 3—10 мм. Боковые грани образцов после сварки обрабатываются механическим способом. Заусенцы на боковых гранях должны быть удалены.

2.11.    Перед испытаниями образцов сварные соединения рекомендуется подвергать дефектоскопическому контролю (рентгеновскому, ультразвуковому и др.). Дефекты сварки (непровары, шлаковые включения, поры, подрезы) в сварных соединениях образцов, отобранных для испытаний, не допускаются, если это не предусматривается программой испытаний.

2 Зак. 2357

ТПТТТ7Т

\w\wwv - Рис. 1 JJJJJJMs

luniuim ujjjtth

Рис. 6

Рис. 7

Рис. 8

IПродольные наплавки или зонь/ лопольного нагреба

Рис. 9

2.12.    На образцах, отобранных для испытаний, рекомендуется определять следующие показатели, способные изменить сопротивление усталости сварных соединений: геометрические размеры исследуемого сечения, ширину швов и высоту их усиления, радиус перехода от швов к основному металлу, глубину проплавления угловых швов и размеры их катетов.

2.13.    На одном-двух образцах каждой партии, отобранной для усталостных испытаний, рекомендуется определять характер распределения и величину остаточных сварочных напряжений, химический состав, механические свойства основного и наплавленного металлов.

5

2.14. В тех случаях, когда программой испытаний предусматриваются упрочняющие обработки сварных соединений (механическая, аргонодуговая, поверхностный наклеп, местное пластическое обжатие, местный нагрев, ультразвуковая, взрывная, предварительная перегрузка, термообработка и др.), следует фиксировать основные параметры и режимы обработки.

3. ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИИ

3.1.    Количество образцов и уровни нагружения устанавливаются в зависимости от поставленной цели испытаний (см. пп. 1.1).

3.2.    Для определения кривой усталости и а* рекомендуется испытывать не менее восьми образцов. При этом необходимо стремиться, чтобы не менее шести образцов было испытано на уровнях нагружения, равномерно расположенных в интервале долговечностей 5-10⁴—2-10⁶ циклов. В дальнейшем уровни нагружения понижают на 10—20 МПа и каждый раз испытывают по два образца до тех пор, пока один или оба не пройдут базу испытаний неразрушнвшись. Экспериментальное значение or устанавливается в зависимости от исхода испытаний образцов на уровне нагружения в соответствии с разд. 4. Результаты испытания (ос Ntj) заносят в табл. 3.1 и протокол испытаний по ГОСТ 23026—78.

Таблица 3.1 Исходные данные по принятому критерию усталостного разрушения при асимметрии цикла RCt

Максимальные аначения номинальных напряжений 0[. .МПа Циклическая долговечность образцов (циклов) Nn Ни *131 ••• *1 /»J О* *и N„ *13 • •• *1II. Оз N»i *31 *33 ... <*i *<i *Л *<3 ... *(«, Ос Nkn4 */?n3 *ЛПЛ

3.3.    Для оценки распределений пределов выносливости сварных соединений испытывают 12—16 образцов. Результаты испытаний оформляются по п. 3.2.

3.4.    Для оптимизации оценки дисперсии рекомендуется испытывать одинаковое количество образцов на четырех уровнях нагружения. В общем случае можно испытывать образцы всей серии на любых уровнях нагружения с долговечностью 5*10⁴—2*10⁶

циклов. Однако оценка дисперсий, полученная по результатам испытаний образцов на четырех уровнях, будет иметь минимальную ошибку.

3.5. Уровни нагружения назначаются по известной кривой усталости или предварительно определенной по п. 3.2. При этом верхний о\ и нижний о* уровни нагружения соответствуют долговечности ^1 = 5*10⁴ и N4 =1,5*10⁶ циклов. Промежуточные уровни нагружения аг и аз устанавливаются по выражениям

02=0,720!+0,28о₄; о₃=0,28о!+0,72о₄

Значения уровней нагружения округляются до 5 МПа.

3.6.    Образцы исследуемой серии поровну распределяются между установленными уровнями нагружения и испытываются с регистрацией числа циклов по принятым критериям МОТ, ПРТ, ПРО. Для каждого критерия раздельно составляется протокол испытаний по ГОСТ 23026-78 и полученные данные сводятся в табл. 3.1.

3.7.    При испытании образцов рекомендуется мягкое нагружение. На стадии распространения усталостных трещин допускается жесткий режим нагружения.

3.8.    В пределах намеченной серии испытаний все образцы нагружают одним способом и испытывают на однотипных машинах.

3.9.    Основными критериями разрушения (предельного состояния) при определении пределов выносливости и построении кривых усталости являются: момент образования макротрещины глубиной до 0,5 мм (МОТ); момент достижения макротрещиной (ПРТ) предельного размера (глубиной 2—3 мм, начиная с которой возможен переход усталостного разрушения сварных соединений в хрупкое при климатических температурах); полное разрушение образцов (ПРО).

3.10.    Испытания проводят непрерывно до одного из принятых критериев разрушения или заданной базы. Допускается определять характеристики сопротивления усталости сварных соединений по двум или трем критериям разрушения на одном и том же образце. При этом необходимо обеспечить надежный контроль промежуточных предельных состояний образца — МОТ и ПРТ.

3.11.    В процессе испытаний контроль нагружения осуществляется по силоизмернтельным устройствам и периодически (при выводе на заданный режим нагружения, в момент образования трещины) по тензодатчикам. С помощью тензодатчиков должны определяться величина и характер распределения номинальных напряжений в исследуемых сечениях. На каждый образец должно наклеиваться не менее четырех тензодатчиков. Места наклейки тензодатчиков выбираются так (чаще не менее 10—30 мм от границы исследуемого соединения), чтобы на их показания в процессе измерения действующих напряжений не сказывалась концентрация рабочих напряжений, обусловленная формой сварного соединения.

7

3.12.    При повторно-переменном расгяжении-сжатии, чистом и консольном изгибе в одной плоскости, отклонения напряжений, обусловленные закреплением в захватах и депланацией образцов, не должны превышать при их измерении отдельными тензодатчиками 10 % от среднего значения напряжений в сечении наклейки тензодатчиков.

3.13.    В процессе испытаний контролируют стабильность задаваемых нагрузок и периодически, согласно п. 3.11, напряжений.

3.14.    Испытание серии однотипных образцов при асимметричных циклах рекомендуется проводить при постоянном коэффициенте асимметрии цикла. В отдельных случаях, обусловленных программой исследований, допускается проведение испытаний при одинаковых для всех образцов средних напряжениях цикла.

3.15.    База испытаний назначается в зависимости от задач исследования. Абсолютные значения пределов выносливости сварных соединений должны определяться на базе не менее 5*10⁶ циклов.

3.16.    Частота циклов от 5 до 300 Гц не регламентируется, если испытания проводят в обычных атмосферных условиях. Во всех случаях частоту циклов указывают при представлении результатов испытаний. Сравнительные испытания рекомендуется проводить на одной частоте нагружения.

3.17.    При пуске испытательной машины и в процессе испытаний заданная максимальная нагрузка не должна быть превышена, если это не предусматривается программой испытаний.

3.18.    Нагружение образцов следует осуществлять плавно. В процессе испытаний рекомендуется периодически контролировать и осуществлять автоматическую запись параметров циклов нагружения.

4. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

4.1. Кривые усталости сварных соединений аппроксимируют экспоненциальным уравнением вида

³⁼³*^ехр nTb    (⁴¹>

и строят, как правило, в полулогарифмических координатах (а; lg N).

Параметры уравнения (4.1) вычисляют в зависимости от цели испытаний по формулам разд. 4 или 5.

4.2. При проведении испытаний с целью определения кривой усталости и экспериментального значения сгу? вначале устанавливается or . Если заданную базу испытаний проходит один из двух образцов, то за предел выносливости принимается уровень нагружения, на котором испытывались данные образцы. В том случае, когда оба образца не разрушились, or определяется как среднее значение уровня испытаний образцов и ближайшего к не-

8