При некоторых условиях растягивающие остаточные напряжения снижают предел выносливости изделия или образца на 35—50%. В опытах Института электросварки им. Е. О. Патона [10] при пло­ском изгибе и симметричном цикле напряжений испытывались пла­стины из низкоуглеродистой стали М16С шириной 200 мм и толщи­ной 26 мм с прошлифованным участком и отверстием посредине. В одной партии образцов для создания у края отверстия растяги­вающих остаточных напряжений в соответствующих местах на кон­тактной машине производили точечный нагрев до 530° С. Остальные образцы не нагревали; остаточных напряжений в них не было. Ограниченный предел выносливости образцов без нагрева (а, следо­вательно, и без остаточных напряжений) составил свыше 12 кгс/мм2, а с нагревом только 6 кгс/мм2, т. е. наполовину меньше (рис. 30).

В описанном опыте обращали внимание на то, чтобы механиче­ские свойства и структура металла у отверстия в местах наибольшей концентрации была такая же, как и вдали от нагрева. Выносливость образцов изменялась под влиянием только одного фактора — оста­точных напряжений. В реальных сварных соединениях места кон­центрации рабочих и остаточных напряжений совмещаются с зоной термического влияния сварки. Возникающие в этой, зоне пластиче­ские деформации могут упрочнить металл, повысив его предел текучести.

Еще недавно этому обстоятельству придавали важное значение, поскольку полагали, что повышенная сопротивляемость металла

3 Под ред. Куркина С. А.

зоны полностью нейтрализует вредное влияние остаточных напря­жений [7; 12]. В качестве доказательства приводили результаты испытаний крестовых образцов со щелью между концевыми план­ками (рис. 31). После высокого &ькгс/мм2 отпуска выносливость таких об­

Рис. 30. Результаты испытаний образ­цов с отверстием: 1 — образцы с высокими растягивающими остаточными напряжениями в районе от­верстия; 2 — образцы без остаточных на­пряжений

разцов понижается, а после предварительного растяжения отожженные и неотожженные образцы повышают свою вынос­ливость в одинаковой степени (табл. 2). Полученные резуль­таты послужили основанием для заключения, что наклеп, созда­ваемый сваркой, а тем более внешним нагружением, более существенно изменяет выносли­вость металла в районе концен­тратора напряжений, чем рас­тягивающие остаточные напря­жения.

	Ч_._. /	/
	X"........... V

	II	/
/	ІІ	ч

Рис. 31. Крестовые образцы с рез­ким концентратором напряжений

Крестовые образцы имеют весьма резкий концентратор на­пряжений. При этом он распо­лагается в местах сосредоточен­ной передачи усилий, где создаются высокие рабочие напряжения. В этой же зоне достигают своего максимума и растягивающие оста­точные напряжения, равные 26—27 кгс/мм2. При таких условиях даже небольшие внешние усилия вызывают в крестовом образце существенные остаточные деформации. Значительная часть растя­гивающих остаточных напряжений в шве снимается, а в корне над­реза, как показал рентгеновский метод замеров, создаются остаточ­ные напряжения сжатия, которые и приводят к повышению предела выносливости крестовых образцов.

Очевидно, только в этой связи следует рассматривать данные, приведенные в табл. 2.

В сварных конструкциях, ис­пытывающих переменные напряже­ния, не допускаются соединения с резкими концентраторами напря­жений, наподобие рассмотренных в крестовых образцах. Последую­щие опыты относились к менее острым концентраторам напряжений и реальным сварным соединениям. При этом изучаемые факторы (остаточные напряжения и измененные свойства околошовной зоны) могли действовать как раздельно, так и совместно [9; 13]. Эти опыты

2. Результаты испытаний образцов с резким концентратором напряжений [12] Вид обработки Предел выносливости при пульсирующем нагружении, кгс/мм2 Относительные значения, % Исходное состояние (после сварки) 4,5 100 После высокого отпуска при 650 "С.................................................... 3,9 87 После предварительного растяже­ ния. ....................................................... 6,3 140 После высокого отпуска и предва­ рительного растяжения........................ 6,3 140

показали, что на фоне существенной роли остаточных напряжений влияние упрочнения околошовной зоны практически не проявляется. В частности, сопоставляли результаты испытаний на усталость четырех серий образцов (рис. 32) из низкоуглеродистой стали (ат = 28 кгс/мм2, ав = 44 кгс/мм2). По сравнению с исходными

Рис. 32. Понижение вы­носливости за счет влия­ния растягивающих оста­точных напряжений:

I — линия выносливости об­разцов без остаточных на­пряжений: 1 и О — образцы с концентратором напряже­ний в основном металле; 2 и Л — образцы с концентра­тором напряжений в пла­стически деформированном металле; II — линия вынос­ливости образцов с растяги­вающими остаточными на­пряжениями: 3 и ф — образ­цы с концентратором в ос­новном металле; 4 и А — образцы с концентратором в пластически деформирован­ном металле

1 2

О

§1

__5

У 4

§1

* X

і

----------- Ш--------- Jsl

- А ч

г

>

Ч

Т

ш

S

о;

-уГ. ------ 5*<v—

Ч

іЧ

о іШЦиЦіт с

Ч

Г".... “ёЬ.

-■А

&

420 п с

1-^ 1 1

1 1. UUI............ L.

01 и кгс/мм2

20

16

16

12

10

3 4 5 6 8

2 3 4 5 6

100

2 3 N

образцами — строгаными пластинами с отверстием посредине, об­разцы второй серии имели концентратор на. участке металла, пре­терпевшем термомеханический цикл сварки (усиление наплавки сострагивалось). Остаточных напряжений в этих образцах не было, они снимались при вырезке образцов из общей заготовки. Образцы третьей и четвертой серий идентичны образцам первой и второй серий, но отличались от них остаточной напряженностью. Путем продольных наплавок в образцах третьей и четвертой серий созда­вались растягивающие остаточные напряжения, величина которых

вблизи отверстия достигала 16—17 кгс/мм2. При этом свойства металла у концентратора напряжений от теплового воздействия наплавок не изменялись.

6-1, кг с/мм2

Все образцы испытывали на плоский изгиб при симметричном цикле напряжений до зарождения усталостных трещин глубиной 1—1,5 мм. Образцы первой и второй серий показали одинаковую выносливость. Предел выносливости на базе 2-Ю6 циклов оказался

Рис. 33. Снижение выносливости под влиянием высоких растяги­вающих остаточных напряже­ний:

I —- зона рассеяния результатов ис­пытания образцов 1—2: / и О — образцы в исходном состоянии; 2 и А — образцы с низкими растя­гивающими остаточными напряже­ниями; Зиф — образцы с высо­кими растягивающими остаточными напряжениями

равным 12 кгс/мм2. Не отличались между собой и результаты испы­таний образцов третьей и четвертой серий. Но линия выносливо­сти этих образцов располагается ниже (см. рис. 32). Предел вынос­ливости понизился до 9 кгс/мм2. Пластическое деформирование металла, вызванное сваркой, не оказало существенного влияния на сопротивление усталости образцов. Наблюдаемое изменение выносливости произошло только за счет действия остаточных на­пряжений.

Еще более резкое падение выносливости под влиянием растяги­вающих остаточных напряжений наблюдали [10; 13] при испытании образцов с пересекающимися швами (рис. 33). Образцы 1 (вырезан­ные из общей заготовки) и образцы 2 (стыковой шов которых зава­ривали после разрезки пластин с продольными паплавками), не имевшие значительных остаточных напряжений, показали практи­

чески одинаковый предел выносливости, равный 12—13 кгс/мм2. В то же время, предел выносливости образцов 3 с высокими остаточ­ными напряжениями составлял только 7 кгс/мм2.

Во всех опытах наблюдали одну и ту же закономерность: при напряжениях ±19—20 кгс/мм2, т. е. близких к пределу текучести основного металла (образцы изготовляли из низкоуглеродистой стали) выносливость образцов с высокими и низкими остаточными напряжениями практически одинакова. С понижением переменных напряжений остаточные напряжения усиливают свое действие и в одинаковой мере снижают долговечность образцов с изменен­ными и неизмененными свойствами металла в районе концентра­торов напряжений. В равной степени это относится и к соеди­нениям низколегированных сталей обычной и повышенной проч­ности.

Степень влияния растягивающих остаточных напряжений на сопротивление усталости сварных соединений существенно зависит от асимметрии цикла, вида сварного соединения и характера пере­дачи силового потока. Наибольшее падение выносливости сварных соединений под действием растягивающих остаточных напряжений наблюдается при симметричном цикле напряжений. С ростом асим­метрии цикла роль остаточных напряжений заметно ослабевает. Если стыковые и нахлесточные соединения, участвующие в передаче основного силового потока, изменяют пределы выносливости под влиянием растягивающих остаточных напряжений в основном только при действии знакопеременных нагрузок, то в местах при­крепления конструктивных элементов (ребер, проушин, диафрагм, фасонок и т. п.) растягивающие остаточные напряжения могут проявить свое влияние и в области однозначных переменных напря­жений.

Отличие характера изменения максимальных отах и минималь­ных напряжений (Jmin в зависимости от асимметрии цикла для со­единений с высокими и низкими остаточными напряжениями наи­более наглядно можно проследить при сопоставлении соответствую­щих диаграмм предельных напряжений. В такой диаграмме по оси

абсцисс откладывают средние напряжения цикла

а по оси ординат — предельные максимальные (атах) и предельные минимальные (атт)* напряжения цикла. При этом на диаграмме получают две ветви (рис. 34). Верхняя ветвь характеризует зави­симость предельных максимальных напряжений цикла от сред­них (стт), а нижняя ветвь — предельных минимальных напряжений от от. Предельная амплитуда аа при заданном среднем напряже­нии равна разности ординат ветви диаграммы и прямой, проведен­ной под углом 45° к оси абсцисс.

Для примера на рис. 34 сопоставлены диаграммы предельных напряжений стыковых соединений с высокими и низкими остаточ-

ными напряжениями [9]. Наклон линий предельных напряжений существенно зависит от остаточной напряженности образцов. Если ветви 1 и Ґ при их продлении пересекаются, то ветви 2 и 2 соот­ветствующие образцам с высокими остаточными напряжениями, практически параллельны. Независимость предельной амплитуды от среднего напряжения цикла ха­рактерна и для других видов со­единений с высокими остаточны­ми напряжениями. При этом для инженерных расчетов параллель­ностью ветвей диаграммы am, атах можно пользоваться вплоть до предела текучести материала. С ростом предела текучести основного металла возрастает и

GmaxPmint fMM

Рис. 34. Диаграммы предельных переменных напряжений стыковых соединений:

1 — с низкими растягивающими оста­точными напряжениями; 2 — с высоки­ми растягивающими остаточными на­пряжениями

									4-
		-А
		г						*3
	■п«~
								,2
"Д""
								"'7

бпкгс/чм2

20

10

35

Ь5

55

65

75 бв, кгс/мм2

Рис. 35. Зависимость пределов выносли­вости стыковых соединений и образцов с приваренными планками от пределов прочности основного материала (все образ­цы имели высокие растягивающие оста­точные напряжения):

1 — образцы с планками, = — 1; 2 — то же, R = - j-0,3; 3 — стыковые соединения, R = = — 1; 4 — то же, R = -{-О*5

величина максимальных остаточных напряжений в сварном соеди­нении. Вследствие этого, а также большей чувствительности высо­копрочных сталей к концентрации напряжений и других второсте­пенных причин, наблюдается нивелирование пределов выносливости сварных соединений сталей различной прочности (рис. 35). В то же

время при высоких значениях = а также в случае предва-

тах

рительного снятия растягивающих остаточных напряжений, равно как и для соединений без концентраторов напряжений, характерно возрастание пределов выносливости по мере перехода к более прочным сталям.

В значительной мере влияние остаточной напряженности опре­деляется видом, соединений. Наиболее стабильна остаточная на­пряженность в образцах или изделиях с фланговыми швами. Неза­висимо от размеров и формы образцов по концам швов создаются максимальные остаточные напряжения. Постоянство остаточной напряженности обеспечивает стабильность пределов выносливости соединений с продольными швами. Иное положение занимают стыко­вые соединения или соединения с поперечными угловыми швами. Характер эпюры и максимальная величина поперечных по отно­шению к шву растягивающих остаточных напряжений в этом слу­чае определяется видом и размером исходной сварной заготовки, сечением образца, порядком сварки, дополнительными швами и т. п. Отличаясь остаточной напряженностью, однотипные по форме об­разцы не могут показывать одинаковую выносливость. В основном этим обстоятельством можно объяснить существенное расхождение пределов выносливости рассматриваемых соединений по данным различных авторов.

Противоположное действие оказывают сжимающие остаточные напряжения. При определенных условиях онй существенно повы­шают сопротивление усталости сварных соединений (см. гл. V).