П роектування зварних з'єднань при циклічному навантаженні

Значна частина руйнування металоконструкцій викликається втомою зварних з'єднань під впливом перемінних у часі навантажень. Частка руйнувань в наслідок втоми продовжує зростати, складаючи приблизно 30% загального числа передчасних ушкоджень і відмовлень зварних металоконструкцій.

Основні положення міцності і довговічності металів при перемінних на­вантаженнях залишаються справедливими й у відношенні зварних з'єднань.

Разом з тим, останнім властиві такі специфічні особливості, як характерна форма з'єднань і швів (наявність концентраторів напружень, неоднорідність напруженого стану), неоднорідність механічних властивостей, можливість виникнення при зварюванні технологічних дефектів, значні залишкові напруження.

4.1. Основні характеристики циклічного навантаження

Циклічне (багаторазове) навантаження супроводжується періодичною зміною напружень, сукупність послідовних значень яких за один період їх зміни при регулярному навантаженні називається циклом напружень (рис. 4.1).

Основні характеристики циклу напружень (рис.4.1). Період циклу час одного циклу напружень. Максимальне напруження циклу найбільше за алгебраїчним значенням напруження циклу.

Мінімальне напруження циклу найменше за алгебраїчним значенням напруження циклу.

Середнє напруження циклу постійна (позитивна або від'ємна) складова циклу напружень, яка дорівнює алгебраїчній полусумі максимального і мінімального напруження циклу

Амплітуда напружень циклу найбільше числове позитивне значення змінної складової циклу напружень, що дорівнює піврізниці максимального і мінімального напружень циклу:

Розмах напружень циклу алгебраїчна різниця максимального і мінімального напружень циклу.

Коефіцієнт асиметрії циклу напружень відношення мінімального напруження циклу до максимального

В залежності від коефіцієнту асиметрії циклу напружень (R) розрізняють такі цикли напружень (рис. 4.2).

Симетричний цикл напружень - цикл, у якого максимальні і мінімальні напруження однакові за абсолютним значенням, але протилежні за знаком

Асиметричний цикл напружень - цикл, у якого максимальні і мінімальні напруження мають різні абсолютні значення

Знакозмінний цикл напружень - цикл напружень, що змінюються за величиною і за знаком

Віднульовий цикл напружень - знакопостійний цикл напружень, що змінюються від нуля до максимуму

4.2. Втома металів

Для визначення напружено-деформованого стану металу, кінетики розвитку пружнолластичного деформування і оцінки умов досягнення його граничного стану при циклічному навантаженні використовують діаграму циклічного деформування. На рис 4.3 наведена схема такої діаграми для знакозмінного навантаження. Ділянка діаграми відображає пружнопластичне деформування металу до заданого програмою випробування напруженням межі текучості В точці А починається розвантаження і має місце пружне деформування до напруження (межа текучості при стисканні). При досягненні напружень починається пружне розвантаження в області стискання до точки Ділянка діаграми відповідає першому півциклу навантаження, а ділянка початку другого півциклу. Діаграма в цілому - це діаграма циклічного деформування за перший цикл навантаження. Відрізок циклічна пластична деформація за перший півцикл, а відрізок накопичена в першому циклі одностороння пластична деформація, з реалізацією якої під час великої кількості циклів пов'язують руйнування внаслідок втоми, тобто як результат вичерпання пластичних властивостей металу.

Найчастіше руйнування внаслідок втоми зароджується в мікро- або макрооб'ємах, де в процесі циклічного навантаження має місце пружно-пластична деформація металу (в окремих зернах з високою пластичністю, наприклад в зернах фериту, в зонах концентрації напружень та інш.). Втома матеріалів і зварних з'єднань - процес багатостадійний. Він починається з поступового нагромадження необоротних фізико-механічних змін у матеріалі, що викликають утворення мікротріщин. Потім деякі з них при

своєму подальшому розвитку утворять макротріщину. Макротріщина на певній стадії свого поширення викликає повне руйнування виробу, елемента чи конструкції. Зовнішній вигляд руйнування внаслідок втоми також істотно відрізняється від розриву, що викликаний статичним навантаженням. Руйнування звичайно починається з поверхні металу і відбувається без видимої попередньої макропластичної деформації, сліди її виявляються лише в окремих зернах. За своєю раптовістю і небезпекою руйнування від втоми порівняне тільки з миттєвим крихким. У зламі від втоми виділяють три основні зони: чисто зони від втоми, яка характеризуються наявністю макро-і мікросмуг втоми, що спостерігаються в електронному мікроскопі; зону змішаного руйнування (як результат локальних руйнувань попереду тріщини), яка складається з крихких ділянок і смуг втоми, і зону доламування.

На відміну від статичного руйнування виробу руйнування від втоми дуже чутливе до стану поверхні металу, концентрації напружень, залишкових напружень. Подряпини, тріщини, опіки від зварювальної дуги, корозійні ушкодження істотно змінюють опір утомі матеріалу. Різкі зміни перетину елемента, різного роду вирізи, отвори, переходи зварних швів на основний метал, дефекти металу швів - потенційні місця передчасного зародження тріщин від втоми.