При действии переменных напряжений в металлах наблюда­ются типы разрушений„ напоминающие по внешнему виду хрупкие разрушения, несмотря на то что металлы находятся в пластич­ном состоянии, а величина наибольшего напряжения ниже преде­ла текучести. Эти разрушения характерны тем, что в пластич­ном металле медленно развивается так называемая усталостная трещина, при достижении критических размеров которой проис­ходит внезапный излом без заметной пластической деформации. По современным представлениям причиной образования усталост­ных трещин является местная пластическая деформация в от­дельных слабых зернах металла. Многократное повторение плас­тических сдвигов в одних и тех же объемах металла приводит к его "разрыхлению” и образованию трещин. Отличие слабых зерен от остальных, деформирующихся упруго, заключаются в химиче­ской и структурной неоднородности металла, приводящей к сни­жению в .слабых зернах сопротивления сдвигу (ниже среднего его значения). В сварных деталях вероятность зарождения уста­лостных трещин возрастает, так как процесс сварки приводит к структурной и химической неоднородностям металла. Следует отметить, что возникновение пластических сдвигов в отдельных зернах при упругой деформации остальных происходит и при ста­тической нагрузке. Но лишь многократное повторение пластиче­ских сдвигов в одних и тех же объемах металла приводит к
его разрыхлению и появлению в нем трещин усталости» Танин образом, прочность при переменной нагрузке зависит прежде

всего от характера изменешш нагрузка. Поэтому необходимо Г четко выявить пара­метры переменной на­грузки (рис.9в4,агб)„ Если напряжения ме­няются периодически* то за период времени Т ОНИ проходят ряд значений и возвраща­ются к исходной ве­личине. Последова­тельная совокуп­ность всех значений переменных напряжений за один период на­

зывается циклом. В пределах цикла напряжения изменяются от д0 ^тах • Е общем случае переменные напряжения

можно рассматривать состоящими из постоянно действующего

среднего напряжения бт и накладываемых напряжений, кото­рые изменяются ПО симметричному циклу ОТ-б'у ДО +6^ . При

этом, очевидно, что

бт г 16v г 1

где ffy - амплитуда цикла. Степень асимметрии цикла оценива­ется коэффициентом асимметрии (характеристикой цикла)

_ ^mln 6m-6v ^mox ®m+®v

. Возможные режимы циклического нагружения показаны на рис.9.4-,в, а их параметры приведены в табл.9.1.

Сопротивляемость материалов действию переменных нагру­зок называется усталостью и оценивается пределом усталости (выносливости). Эта величина определяется путем проведения серии экспериментов. Каждый образец испытывается при одной постоянной амплитуде. Определяемой величиной является число циклов приложения нагрузки, которое образец выдерживает до разрушения. Образцы испытываются при последовательно умень­шающихся амплитудах до таких минимальных амплитуд, при кото -

ш

рых образцы начинают выдерживать действие переменных напря­жений при базовом числе циклов (2»Ю^ - 10^). Результаты испытаний представляются в виде кривой усталости (кривой Шллера). По оси ординат откладываются максимальные напря­жения циклал по оси абсцисс ~ число циклов N » при котором происходит разрушение» Кривая усталости (рис.9.5»а) имеет горизонтальную асимптоту. Ордината асимптоты и определяет предел выносливости бг „ При напряжениях 6<<УГ усталостно­го разрушения не происходит» Особенно отчетливо выявляется предел усталости при построении диаграммы усталости в коор­динатах ё-toN (рис„9„5,6) или б-O/N) (рис„9„5,в). Обычно экспериментально определяется предел усталости при симмет­ричном цикле ( 6_j ), а для

оценки предела усталости при произвольном цикле по извест­ному значению предела уста­лости при симметричном цикле строят диаграммы усталости.

Часто пользуются построением диаграммы по методу Смита, Ее построение производится по значениям 6-4 „ 6^ ,

(рис.9.6). Предполагается, что предел усталости линейно зависит от среднего напряже­ния и по мере увеличения

возрастает от 6_^ при б^п = 0 до ffB при 1э!1,=в'в (пря­мая М ) • При этом допустимая амплитуда напряжений <5Ч па­дает. Так как наибольшее значение предела выносливости не

может превосходить предела текучести S'j » то диаграмма при­нимает вид ломаных линий* BDЕ (характеризует

и CFE (характеризует ) = Произвольный луч ОК образует о о от абсцисс угол <А. тангеае которого

. . 6mnx_ £6jn0x _ 2- •

бда бтох+бтиі ^+1,

Это отношение позволяв* построить шкалу г по ли­нии AW. Для определения предела усталости при за­данном г проводят луч из начала координат в со - и точка пересечения этого лу­ча с прямой АВ определяет искомый предел усталости. Однако предел усталости зависит не только от характеристики цикла. Большое число как внутренних, так и внешних факторов оказы­вают влияние на усталостную прочность основного металла к сварных соединений,

К внутренним факторам следует отнести:

- химический состав шва и основного металла;

- структуру металла шва и основного металла;

- наличие дефектов;

- степень наклепа вследствие пластической деформации.

К внешним факторам относят:

- температуру металла;

- влияние среды;

- влияние состояния поверхностного слоя;

- влияние концентраторов напряжений;

- вид напряженного состояния, создаваемого внешней на­грузкой и остаточными напряжениями;

- масштабный эффект,

Шбор сварочных материалов, способа, условий и режимов

т

Однако знание теоретического коэффициента концентрации кт еще не позволяет судить об усталостной прочности. Опыты показывают, что предел усталости при симметричном цикле для образца с концентратором 'напряжений ( б_, ) меньше предела усталости гладкого образца ( ) в кэ раз, причем UKj6KT, Величина к5=®.(/й* называется аффективным коэффициентом концентрации напряжений. Чем ближе кэ к I, тем лучше работает изделие (рис.9.8). Наименьшие значения кэ имеют стыковые соединения, наибольшие - с фланговыми швами.

В хрупких материалах эффективный коэффициент концентрации близок к теоретическому, в пластичных он значительно меньше*

Расчет сварных конструкций и соединений на усталость отличается от расчета на статическую прочность тем, что до­пускаемые напряжения основного металла и сварных швов пони­жаются на коэффициент, который определяется по формуле

J-Ъ)-(акэг ~^ » (9*1)

где кэ - эффективный коэффициент концентрации напряжений; г - характеристика цикла; а, Ъ - коэффициенты, значения

которых зависят от марки стали и назначения конструкции (а» 0,6...0,8; Ъ = 0,2...0,3). Верхние знаки в формуле

(9.1) следует принимать для случая, когда наибольшие по ве­личине напряжения растягивающие, нижние - сжимающие.

Таким образом, при расчете прочности сварных соединений на переменную нагрузку принимают во внимание характеристику

нагрузки (амплитуду цикла - г ) и концентрацию напряжений в

районе сварного соединения (коэффициент - кэ ), т. е. учиты­вают лишь два, но самых значительных фактора, оказывающих наибольшее влияние на усталостную прочность. Из анализа фор­мулы (9.1) можно заключить, что коэффициент jf имеет наи­меньшее значение при г = - I. Если коэффициент $ , вычис­

ленный по формуле (9,1), получается более I, то, разумеется, увеличивать допускаемое напряжение не следует. Расчет в этом случае указывает на то, что переменный характер нагрузки не снижает прочность соединения.