Современные методы расчета прочности изделий основаны на ги­потезах непрерывности, однородности и изотропности материалов. В действительности распределение усилий между зернами металла про­исходит неравномерно. В некоторых зернах могут появиться местные пластические деформации. Многократное повторение пластических сдвигов в одних и тех же объемах металла приводит к появлению раз­рывов, т. е. образованию первичных микротрещин. При дальнейшем переменном нагружении они имеют тенденцию развиваться: сначала развитие трещин происходит очень медленно, далее постепенно уско­ряется, а на последнем этапе происходит внезапное разрушение. При этом местные напряжения оказываются опасными для прочности не только хрупких, но и пластичных металлов.

В сварных изделиях вероятность зарождения первичных трещин возрастает, так как процесс сварки приводит к структурной и хими­ческой неоднородности металла, появлению дефектов металлурги­ческого и технологического происхождения, протеканию необрати­мых объемных изменений в металле, возникновению остаточных напряжений.

Прочность при переменных нагрузках зависит, главным образом, от числа циклов нагружения, амплитуды изменения напряжений, формы и размеров испытуемых образцов, их материала, состояния поверхнос­ти, вида нагружения (изгиб, кручение), свойств среды, в которой про­изводятся испытания (воздух, вода и т. п.).

На рис. 20.11, а показана диаграмма прочности металла в зависи­мости от числа циклов нагружения N. Максимальное напряжение, при котором материал не разрушается при достаточно большом числе цик­лов нагружения, называется пределом выносливости или усталости. При испытаниях стальных образцов предел выносливости определяют при базовом числе циклов (2-106...107). Если образец испытывают при мень­шем числе нагружений, то значение разрушающих напряжений назы­вают пределом ограниченной выносливости. На рис. 20.11, б изображе­на диаграмма прочности металла в зависимости от числа циклов нагружения, построенная в полулогарифмических координатах. Число циклов в логарифмическом масштабе отложено по оси абсцисс, а зна­чение разрушающих напряжений - по оси ординат. Опытами подтвер­ждено, что зависимость а = f(N) при построении в этих координатах может быть изображена двумя отрезками прямой (см. рис. 20.11, 6) - наклонным и горизонтальным. Горизонтальная прямая соответствует пределу выносливости.

Предел выносливости зависит в значительной степени от харак­теристики цикла. Цикл - совокупность всех значений напряжений за время одного периода нагружения.

Отношение г =ашп/ашах называют коэффициентом амплитуды или характеристикой цикла, где а и а - соответственно наибольшее и наименьшее напряжения цикла.

На рис. 20.12, а показана схема цикла симметричного нагружения |amax| = |CTmin|* на рис. 20.12, б - знакопостоянного нагружения, а на рис. 20.12, г - отнулевого. Пределы выносливости, определенные при симметричном цикле, обозначаются о_,, при отнулевом - а0, при про­извольном - аг. Характер изменения напряжений во времени бывает различным: как синусоидальным (рис. 20.12, а-г), так и другой фор­мы (рис. 20.12, д, е).

На практике, для оценки предела выносливости при произвольном цикле часто пользуются построением диаграммы выносливости по ме­тоду Смита. Ее построение осуществляется по предварительно опре­деленным экспериментальным значениям сг ,, стн и а (рис. 20.13). По оси абсцисс откладываются значения средних напряжений цикла

_ _ (°W +amin)

Рис. 20.11. Д иаграмма выносливости стали в зависимости от числа нагружений, V:

а - в декартовых координатах;

6 - в полулогарифмических координатах

45 ° к оси абсцисс проводится прямая. Амплитуды цикла <уг = —

откладываются симметрично относительно этой прямой. Прямые пе­ресекаются в точке Ку которая характеризует цикл с бесконечно малой амплитудой. Условно принимают, что эта точка соответствует пределу прочности оц. Отрезки 0А и 0А' выражают значение предела выносли­вости при симметричном цикле. При этом ат = 0.

В большинстве случаев пользуются участком диаграммы с на­пряжениями, не превышающими предела текучести а. Из точки D с координатами а,, ач проводят горизонтальную прямую до пересече­ния с прямой ЛК в точке N. Эту точку проецируют на прямую А'К в точку М. Ломаная линия ANDMA' выражает схематизированную ди­аграмму выносливости в пределах упругих деформаций. Отрезок ВС

характеристиками циклов

к

Рис. 20.13. Диаграмма нынослиности к координатах а-аш выражает значение предела выносливости при отнулевом пульсиру­ющем цикле ст(); отрезок 0В = Проведем из точки 0 прямую под произвольным углом а к оси абс­цисс, тогда

tga = £W = —— = —А - = —. (20.15)

По этому отношению для заданного цикла г определяют tga. Точка Р определяет значение предела выносливости при заданном цикле нагру­жения.

Отношение предела выносливости и предела текучести при испы­таниях стандартных гладких образцов из низкоуглеродистых сталей на

изгиб в условиях симметричною цикла находится в пределах —- - (0,6...0.7).

(7Ч

Для низколегированных конструкционных сталей (стали повышенной прочности) это отношение меньше, чем для низкоуглеродистых.

На усталостную прочность сварных конструкций (основного ме­талла и металла сварных соединений) оказывает влияние большое ко­личество как внутренних (химическая и структурная неоднородность, наличие дефектов, концентраторы напряжений и т. д.), так и внешних факторов (температура, состав среды и т. д.). Причем определяющим фактором, влияющим на усталостную прочность, является наличие концентраторов напряжений. Поэтому в инженерной практике введе­но понятие эффективного коэффициента концентрации напряжений Ку Величина этого коэффициента определяет отношение предела вынос­ливости гладкого образца к пределу выносливости образца с концент-

ратором напряжении при симметричном цикле: К =—^>1 причем,

в-1

чем ближе К к единице, тем лучше работает изделие (табл. 20.2). У хрупких материалов эффективный коэффициент концентрации на­пряжений Кi близок к теоретическому /С. у пластичных он значи­тельно меньше.

Экспериментально установлено, что при значениях г, близких к еди­нице, концентрация напряжений не оказывает существенного влия­ния на предел выносливости. С уменьшением /'влияние концентрато­ров на понижение предела выносливости растет, наибольшего значения эффективный коэффициент концентрации напряжений К достигает при г =-1.

Сопротивляемость сварных соединений нагружениям при низкой частоте (несколько циклов в минуту, в час, в сутки) заметно ниже, чем при испытаниях с высокой частотой. Низкочастотные нагрузки снижают прочность всех видов материалов и сварных соединений. Низкочастотным нагружениям подвержены конструкции надводных и подводных судов, резервуарно-котельные установки. Низкочастот­ные колебания нагрузки, модулированные более высокой частотой, особенно резко снижают усталостное сопротивление сварных кон­струкций.

Расчет сварных соединений на выносливость отличается от расчета прочности при статическом нагружении тем, что допускаемые напря­жения для основного металла и металла сварных швов понижаются: [а]()Г|, где р - коэффициент понижения допускаемых напряжений при переменных нагружениях по сравнению со статическими:

Окончание табл. 20.2 Схемы видов сварных соединений к, Вид в плане Разрезы Ст. З 15ХСНД 3,4 4,4 -гт і------------ 1=5!5=3 Т—[,иш............... ^ояеов ^ і ^ 4,0 4,9

Л {рКл±А)-(рКэ+АУ (201б)

где р, А - коэффициенты, значения которых зависят от марки стали и назначения конструкции (р= 0,6...0,8; Д= 0,2...0,3); г - характеристика цикла.

Верхние знаки в формуле (20.16) следует принимать для случая, когда наибольшие по величине напряжения - растягивающие, нижние - сжимающие.

Таким образом, при расчете прочности сварных соединений на вы­носливость принимают во внимание характеристику цикла г и концен­трацию напряжений в районе сварного соединения (коэффициент К), т. е. учитывают лишь два, но самых значительных фактора, оказываю­щих наибольшее влияние на усталостную прочность.

Анализируя формулу (20.16), видим, что коэффициент г имеет наи­меньшее значение при г = -1. Если коэффициент ц, вычисленный по этой формуле, получается больше единицы, то, разумеется, увеличи­вать допускаемое напряжение не следует.

Повышение усталостной прочности сварных соединений и конструк­ций является комплексной проблемой: создание надежных сварных кон­струкций требует тщательного учета конструктивных особенностей са­мой конструкции, правильного выбора основного металла, назначаемых процессов сварки и сварочных материалов, выбора рациональной тех­нологии сборки и сварки и точного ее соблюдения.

Ниже дано несколько рекомендаций и приведены примеры повыше­ния усталостной прочности сварных соединений и узлов конструкций.

1. Рациональный выбор материала конструкции. Стали повышенной

прочности наиболее целесообразно использовать в условиях стати­ческих и переменных нагрузок при г > 0. Если значения эффектив­ных коэффициентов концентрации напряжений сварных соедине­ний в конструкции высоки и конструкция подвержена переменному нагружению, то при г -1 эффективность применения высоко­

прочных сталей резко понижается. В этом случае пределы вы­носливости для сталей с совершенно различными значениями пределов прочности почти не отличаются.

2. Рациональное проектирование сварных соединений с целью уменьшения концентрации напряжений (рис. 20.14). Плавное со­пряжение наплавленного металла с основным на границе сплав­ления в некоторых случаях может быть достигнуто (помимо ме­ханической обработки) обработкой швов аргонодуговой сваркой неплавящимся электродом с присадкой или без присадки (вы­полнение «галтельных» швов - рис. 20.15).

3. Рациональный выбор процессов сварки. Значения пределов вы­носливости сварных соединений, выполненных автоматической

сваркой, более стабильны. Это объясняется более высоким каче­ством металла шва (его плотностью, меньшей дефектностью) и меньшей вероятностью проявления концентрации напряжений как по длине, так и по сечению сварного соединения (непровары, подрезы, зашлаковка и т. п.).

Рациональное проектирование сварных узлов и элементов кон­струкции с целью уменьшения концентрации напряжений. На рис. 20.16 показаны варианты приварки планок к листовым элементам; указаны пределы выносливости при симметричном

а)

' *211 МПа

г

б)

Г)

80 МПа

Рис. 20.16. Влияние конструктивного оформления
элемента конструкции на усталостную прочность:

а - выкружка в целом элементе полосы; б - выкружка в приваренном элементе;
в - деконцентратор; / - швы без отработки

цикле а (. При отсутствии выкружки (рис. 20.16, г) предел вы­носливости существенно снижается. Следует избегать скучен­ности сварных швов, которая может способствовать высокой концентрации напряжений, а также образованию плоского напряженного состояния. Примеры правильного разнесения сварных швов различного направления при наличии деконцен­траторов показаны на рис. 20.17.

а - место расположения трех швов разных направлений: стыкового шва полотни-
ща, стыкового шва набора и углового ниш приварки набора к полотнищу:

6 - место пересечения кничных швов с поясными швами балки

5. Следует иметь в виду, что все способы предотвращения, умень­шения и устранения остаточных сварочных напряжений повы­шают усталостную прочность.