Усталостные разрушения чаще всего наблюдаются по линии сплавления шва с основным металлом и берут начало в местах повы­шенной концентрации напряжений, либо, при прочих равных усло­виях, на участках шва с высокими остаточными напряжениями. Обычно трещины располагаются под прямым углом к поверхности изделий, это указывает на то, что их развитие связано с действием нормальных напряжений.

Наибольшей выносливостью обладают стыковые соединения, не имеющие усиления шва. С повышением усиления стыкового шва и резкости его перехода на основной металл сопротивление уста­лостным разрушениям стыков снижается. В этой связи иногда отдается предпочтение швам, выполненным автоматической сваркой. Однако по данным большого числа наблюдений [12] средние значе­ния пределов выносливости доброкачественных стыковых соеди­нений, выполненных автоматической и ручной сваркой, не отли­чаются между собой. Установлено также, что на участках высоких растягивающих остаточных напряжений влияние резкости перехода шва к основному металлу заметно снижается. Необработанные швы с малым и большим усилением доказывают примерно одинаковую долговечность.

Когда усталостные трещины зарождаются по линии сплавления шва и основного металла, сварочные материалы не оказывают существенного влияния на усталость соединений. Лишь в отдель­ных исследованиях электроды с низким содержанием водорода при­водили к повышению пределов выносливости до 10%. Но в тех слу­чаях, когда очагами усталостных разрушений служат такие техно­логические дефекты сварки, как поры и шлаковые включения, свойства металла шва заметно сказываются на выносливости сое­динения. Стыки, выполненные электродами с основным покры­тием, показывают большую долговечность, чем сваренные электро­дами с рутилкарбонатным покрытием.

Продольные швы, перетекая стыковые соединения, изменяют в них остаточное напряжение. В месте пересечения возникают повы­шенные растягивающие напряжения. Для таких ^соединений допу­скаемые напряжения следует принимать более низкими. Усталост­ные трещины в них чаще всего зарождаются по линии сплавления стыкового шва с основным ме­таллом на некотором расстоя­нии от продольного шва.

бтіпубтах №с/мм2 А 8 12 <9т кгс/мм* Рис. 1. Диаграммы предельных на­пряжений сварных соединений:

Прикрепления встык и нахле - сточные соединения хуже сопро­тивляются усталостным разру­шениям, чем стыковые. Наиболее низкую выносливость имеют со­единения с фланговыми швами.

Они создают наибольшую кон­центрацию напряжений. Кроме того, в процессе сварки у кон­цов шва создаются высокие рас­тягивающие остаточные напря­жения. Трещины усталости в та­ких соединениях, как правило, возникают в основном металле у концов фланговых швов.

/ — Г — стыковые соединения; 2—2' — при­крепление фасонок встык; 3—3' — пере­секающиеся швы; 4 — 4' — прикрепление ребер и диафрагм; 5 — 5' — нахлесточные соединения с обваркой по контуру; 6 — 6' — нахлесточные соединения с фланговыми швами

Добавление лобового шва б нахлесточном соединении не­сколько повышает его выносли­вость. Это объясняется более равномерным распределением силового потока в случае об­варки по контуру. В этих сое­динениях усталостные трещины образуются по границе лобо­вого шва, при этом может быть несколько очагов разрушения.

Диаграммы предельных напряжений для основных видов свар­ных соединений с максимальными остаточными напряжениями по­казаны на рис. 1. Они построены по данным усталостных испытаний сварных образцов сечением 200 х 30 мм. При таком сечении образ­цов остаточные напряжения проявляют свое влияние в полной мере. База испытаний составляла 107 циклов. Критерием разрушения служила начальная стадия развития усталостной трещины. Верх­ние части кривых 1—6 отсечены допускаемым уровнем напряжений по условиям статического нагружения. В рассматриваемых грани­цах линии предельных напряжений сварных соединений наклонены под углом 45° к оси абсцисс. Это указывает на то, что предельные амплитуды оа практически не зависят от среднего напряжения
цикла ат (см. гл. II, рис. 34). Для данного соединения с высокими остаточными напряжениями оа остается постоянной во всем диа­пазоне максимальных переменных напряжений.

Такая закономерность позволяет выразить предельное напря­жение при асимметричном цикле <тЛ только через значения (<т_і)СОЄд

и характеристику цикла R

(рис. 2):

tfmax = 2 (ф-і)соед ^minj

ИЛИ

^max R^max = 2 (СУ-і)соед. Отсюда

2 (°L-l)coefl “ ®max = j £) —

2a_!

Рис. 2. Схематизированные диаграммы предельных напряжений:

/ — основного металла; 2 — сварного сое­динения

где о.! — предел выносливости основного металла при симмет­ричном цикле напряжений;

(а-і)соед — то же соединения;

/Сэ — эффективный коэффициент концентрации напряже­ний;

R — характеристика цикла.

Экспериментально полученные пределы выносливости а# при­менительно к соединениям с высокими растягивающими остаточ­ными напряжениями приведены в табл. 1.

Сопоставление выносливости сварных соединений низколегиро­ванных сталей 14Г2, 19Г, 18ГФпс, 15ГС, 15Г2С, 14ХГС, 10ХСНД, 15ХСНД, 09Г2С, 10Г2СД, 10Г2С1, 14ХМНДФР и 15ХГ2СМФР показало, что химический состав и механические свойства сталей практически не оказывают влияния на сопротивление усталости соединений в исходном состоянии. На этих сталях аналогичные свар­ные соединения имеют одинаковые пределы выносливости и а0 [4]. Выносливость не меняется и в тех случаях, когда стали проходят термическое упрочнение или же рафинирование синтети­ческими шлаками. Способ раскисления стали также не оказывает заметного влияния на выносливость соединений.

Выравнивание пределов выносливости сварных соединений про­исходит под влиянием ряда факторов. Известно, что с увеличением

1. Пределы выносливости основных типов сварных соединений низкоуглеродистых сталей 0%, кгс/мм2 при R Соединения -1 0 +0,3 +0,6 Стыковые, выполненные автоматической или ручной, сваркой, при обычном усилении шва 6,9 13,0 18,6 Стыковое в случае пересечения его продоль­ным швом................................................................ 5,2 10,6 Прикрепление трапецеидальных фасонок встык......................................................................... 5,5 11,0 Прикрепление планок, ребер, диафрагм и других вспомогательных элементов лобовыми швами с катетами 1:1 ............................................. 4,0 9,0 12,0 Нахлесточные соединения с обваркой по контуру.................................................................... 3,5 00 ссГ __ Нахлесточные соединения с фланговыми швами................................................................................... - 2,3 5,8 7,8 12,0

предела прочности повышается чувствительность материала к кон­центрации напряжений. Существенную роль в процессе нивелиро­вания могут играть остаточные напряжения. Поскольку их величина определяется пределом текучести, то при переходе к более проч­ным сталям остаточные напряжения возрастают, усиливая соответ­ственно свое влияние на выносливость соединений. Определенную роль могут играть и металлургические факторы, обусловленные сваркой. На границе сплавления основного металла и металла шва существенно снижается содержание углерода, никеля и дру­гих легирующих элементов. При этом использование электродных проволок, легированных никелем, кремнием, молибденом и др., не приводит к изменению химического состава металла этого участка, так как время взаимной диффузии между жидким металлом свароч­ной ванны и Жидкой прослойки у границы сплавления весьма незна­чительно.

Пределы выносливости сварных соединений низколегированных сталей обычной и повышенной прочности практически не отличаются от соответствующих пределов выносливости соединений низкоугле­родистых сталей (см. гл. II). Вследствие этого линии предельных переменных напряжений, относящиеся к различным сталям, сов­падают и каждая из этих линий является продолжением преды­дущей, отражающей выносливость соединения менее прочного ма­териала (рис. 3). При этом, как уже отмечалось ранее, наклонные части диаграмм параллельны лучу R = +1.

Совмещенные диаграммы позволяют определить области рацио­нального применения сталей различной прочности в сварных эле­
ментах и деталях с необрабатываемыми соединениями. При отрица­тельных и небольших положительных значениях R использование любой стали ограничивается на диаграммах одной и той же линией предельных переменных напряжений. В этой области (обозначен­ной цифрой 4 на рис. 3) наиболее целесообразно использовать низ­коуглеродистые стали.

Области рационального применения низколегированных и вы­сокопрочных сталей определяются на диаграмме точками пересече­ния линии предельных переменных напряжений с горизонтальными прямыми, характеризующими предельные статические напряжения

&/пах№с/мм2 О

+0,3 + 0,5 +0,75

+ 1,0 Рис. 3. Совмещенная диаграмма предельных напряжений стыко­вых соединений низкоуглероди­стых, низколегированных и вы­сокопрочных сталей:

1 — предельное статическое напря­жение низкоуглеродистых сталей;

2 — то же низколегированных ста­лей; 3 — то же высокопрочных ста­лей; 4 — область рационального использования низкоуглеродистой стали; 5 — то же низколегирован­ной стали; 6 — то же высокопроч­ной стали; ф — экспериментально установленные предельные напря­жения стыковых соединений низко­углеродистых сталей при = — I; О и - j- 0,3; О — то же стыковых соединений низколегированных ста­лей при R — — 1; 0 и -1-0,5; Л —

________________________________________________________ то__ же стыковых соединений высо-

-10-5 0 5 10 15 202530 35 40 45dmimK2c/mz копрочных ^сталей^и R = -1;

для низкоуглеродистых и низколегированных сталей. Выше уровня предельных статических напряжений низкоуглеродистой стали ле­жит область рационального использования низколегированных сталей (обозначенная цифрой 5 на рис. 3), а выше предельных ста­тических напряжений низколегированных сталей — область целе­сообразного применения высокопрочных сталей.

Если в сварных элементах имеются только стыковые соедине­ния, то согласно диаграмме, приведенной на рис. 3, высокопрочные стали целесообразно применять при R > 0,5. У нахлесточных сое­динений диаграммы предельных напряжений уже, чем у стыковых. Поэтому такие соединения могут дополнительно сблизить границы рационального использования сталей различной прочности, если не принять специальных мер, обеспечивающих повышение вынос­ливости сварных соединений.

Установленная закономерность = const позволяет предло­жить следующую формулу для значения R, выше которого по усло­виям усталости становится целесообразным использование стали

повышенной прочности:

і 2 (0>_і)соед

где [ар] — основное допускаемое напряжение (или расчетное сопротивление) по статической несущей способности; (а~і)<;оед — предел выносливости сварного соединения при сим­метричном цикле напряжений.

60

50

hO

30

20

—20 —10 0 10 20 30 40 &ТПІП7

Рис. 4. Диаграммы предельных напряжений сталей раз­личной прочности по данным испытаний пластин с про­катной поверхностью: / — низкоуглеродистые стали; 2 — низколегированные стали; 3 — высокопрочные стали

—20 10 0 10 20 30 40 6

&г71ах, кгс/мм2

to

о

70

Механическая обработка стыковых швов или наведение в районе. сварных соединений сжимающих остаточных напряжений сущест­венно расширяют область рационального применения сталей повы­шенной прочности. В тех случаях, когда выносливость элемента определяется не сварным соединением, а основным металлом, имею­щим прокатную поверхность, применение высокопрочных сталей становится оправданным во всей области однозначных переменных напряжений (рис. 4). С повышением чистоты обработки металла возрастает разница между соответствующими пределами выносли­вости низкоуглеродистых, низколегированных и высокопрочных сталей. При этих условиях применение низколегированных и высо­копрочных сталей может оказаться рациональным и в области зна­копеременных напряжений.