В предыдущей главе были освещены основные общие закономерности, касающиеся сопротивления усталости металли­ческих материалов и конструктивных элементов. Эти закономер­ности относятся, в частности, и к сварным соединениям. Ниже перечислены особо важные специфические для сварных соедине­ний факторы, влияющие на сопротивление усталости.

ВЛИЯНИЕ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

Одним из сильнейших факторов, влияющих на сопротивление усталости соединений, является остаточное напряженное поле в зоне шва. Вследствие резкого температурного перепада, струк­турных изменений и упругопластического деформирования в зо­нах сварных соединений возникают значительные остаточные на­пряжения, величина которых может достигать и даже существенно превышать предел текучести исходного материала.

Роль остаточных напряжений в сопротивлении усталости свар­ных соединений резко увеличивается с ростом концентрации на­пряжений. В этих случаях остаточные напряжения могут изме­нять величину пределов выносливости в несколько раз как в сто­рону повышения (при благоприятных сжимающих остаточных напряжениях), так и в сторону понижения (при неблагоприятных остаточных напряжениях). Долговечность сварных соединений может изменяться при этом в десятки раз.

Такая высокая эффективность остаточных напряжений для сварных соединений с концентрациями напряжений объясняется следующими причинами: а) остаточные напряжения, подобно

напряжениям от внешних силовых воздействий, могут концентри­роваться около различных уступов, пор, надрезов и пр.; б) кон­центрация остаточных напряжений может создавать местный на­клеп металла (в опасных зонах концентраторов); наклепанный металл в большей степени реагирует на остаточные напряжения, чем более мягкий и пластичный ненаклепанный металл; в) сня - тне остаточных напряжений при нагрузке деталей с концентра­торами может быть более затруднено, чем для деталей без концен­траторов напряжений.

Последнее обстоятельство является особенно существенным. Во многих случаях остаточные напряжения в зонах концентрато­ров сохраняются без изменений даже после нагружения детали до пределов, близких к пределу выносливости или превышающих его. При выполнении сварных швов с небольшими концентраторами роль остаточных напряжений будет также сравнительно неболь­шой. Если деталь с доброкачественным швом подвергается меха­нической обработке, то усталостная прочность детали будет опре­деляться в основном качеством наплавленного на шов металла и переходной зоны, а влияние остаточных напряжений при этом будет тем меньше, чем мягче и пластичнее свариваемый и напла­вленный металл. При недостаточно качественной сварке вредные концентрации напряжений могут возникать в зонах разнообраз­ных дефектов сварки как выходящих на поверхность, так и рас­положенных в глубине шва.

Проявление остаточных напряжений в швах будет сильнее при сварке толстых сечений и слабее при сварке тонких сечений. Это объясняется величиной и объемностью остаточных напря­жений.

Как правило, остаточные напряжения в зоне сварного шва являются двух - или трехосными с резким градиентом и сложным характером распределения по отдельным направлениям. Меха­нические свойства металла в зоне шва также неоднородны, по­этому и влияние остаточных напряжений на сопротивление уста­лости будет различным для разных участков зоны шва. Эти об­стоятельства весьма затрудняют применение расчетных методов для количественного определения влияния остаточных напря­жений на сопротивление усталости сварных соединений.

Только схематично, исходя из общих закономерностей влия­ния средних (постоянных) напряжений цикла на предельные амплитуды (см. гл. II), можно считать, что остаточные напряже­ния, подобно средним напряжениям, способны изменять предель­ные амплитуды по следующей зависимости: аа = сг_! — фосг0, где аа — предельная амплитуда для сварного соединения с оста - - точными напряжениями о0; o_j — предел выносливости соединения без остаточных напряжений (при симметричном цикле осевого растяжения или изгиба); ф0— коэффициент влияния асимметрии цикла (равный для конструкционных сталей 0,1—0,4).

Применение этой формулы ограничивается (исходя из диа­граммы предельных напряжений при асимметричных циклах) соответствующими значениями пределов текучести при растяже­нии и сжатии (см. гл. II, рис. 8).

Методы устранения или уменьшения неблагоприятного про­явления остаточных напряжений в сопротивлении усталости свар­ных соединений изложены в гл. XIV. Там же приводятся и методы повышения усталостной прочности за счет наведения благоприят­ных сжимающих остаточных напряжений.

Изучению роли остаточных напряжений в сварных соедине­ниях посвящено значительное количество как зарубежных, так и отечественных исследований [81,82, 146, 169, 1871. Особенно большой вклад в изучение этой проблемы был внесен трэдами со­ветских исследователей (ИЭС им. Патока, МВТУ им. Баумана, ЦНИИТМАШ и др.).