4.5. Опір багатоцикловому руйнуванню

Для оцінки характеристик опору втомі при багатоцикловому навантаженні (число циклів прийнято використовувати значення границі (межі) витривалості - напруження, що відповідають точці перелому кривої втоми (див. рис. 4.4). В машинобудуванні прийнято циклів. При подальшому збільшенні кількості циклів навантаження значення границі витривалості практично не змінюється, тобто Беручи до уваги, що в машинобудуванні конструкції проектуються для експлуатації при як критерій міцності використовують саме значення границі витривалості. На значення впливає багато факторів, в тому числі і обумовлені зварюванням.

4.6. Вплив деяких факторів на опір втомі зварних з'єднань

Характер циклічного навантаження. З метою вивчення границь витривалості в залежності від характеристики циклу навантаження будують так звану діаграму витривалості Сміта, подану у схематизованій формі на рис. 4.5.

Вона дає можливість на підставі експериментального визначення границі витривалості при симетричному циклі елементарно по діаграмі знайти границі витривалості при будь-якому циклі Обґрунтуванням до цього служить положення, що для ряду матеріалів руйнування визначається головним чином діапазоном змін напружень у той час як постійна складова не має істотного впливу. Діаграма може бути використана до того, як досягає По осі абсцис відкладаються значення середніх напружень циклу , по осі ординат напруження Під кутом до осі абсцис проводиться пряма.

Амппітуди відкладаються симетрично щодо цієї прямої.

Прямі перетинаються в точці що характеризує цикл із нескінченно малою амплітудою. Умовно приймають, що ця точка відповідає межі міцності Відрізок виражає значення границі витривалості при симетричному циклі. При цьому У більшості випадків користуються ділянкою діаграми з напруженнями, що не перевищують границі текучості є Із точки з координатами проводять горизонтальну пряму до перетинання з прямою у точці Цю точку проектують на пряму Ламана лінія виражає схематизовану діаграму втоми в межах пружних деформацій. Відрізок виражає значення границі витривалості при пульсуючому циклі Проведемо з точки пряму під довільним кутом до осі абсцис, тоді:

За цим відношенням для заданого циклу знаходять Точка визначає значення границі витривалості при заданому циклі навантаження.

У машинобудуванні нерідко границю витривалості зварних з'єднань при циклі визначають у такий спосіб. Експериментальним шляхом отримують границю витривалості при циклі стандартного зразка. Визначають границю витривалості при тому же циклі проектованого зварного з'єднання Знаходять відношення Перебудовують діаграму Сміта в масштабі і по ній визначають границю витривалості для будь-якого циклу

На рис 4.6 показана діаграма залежності від характеристики циклу

Оскільки найменше значення при симетричному циклі то випробування на втому проводять саме для цього циклу навантаження.

Концентрація напружень від зварювання. Як було показано (див. розділ 2), джерелом концентрації напружень у зварних з'єднаннях є форма з'єднання і різного виду зварювальні технологічні дефекти. Під концентрацією напружень розуміють місцеве підвищення напружень у зонах різкої зміни перетину тіла, наприклад поблизу отворів, вирізів, переходів зварних швів на основний метал, дефектів металу і зварних з'єднань. Кількісно концентрація напружень у пружній області оцінюється теоретичним коефіцієнтом концентрації що залежить від геометричних параметрів концентратора:

максимальні напруження в зоні концентрації; номінальні напруження.

Фактичне зниження границь витривалості зразків чи елементів конструкцій під впливом концентрації напружень (на прикладі нормальних напружень) оцінюється ефективним коефіцієнтом концентрації напружень:

границя витривалості гладкого зразка; теж саме, для зразка з концентратором напружень.

Границі витривалості зварних зразків (2) помітно нижчі відповщних значень, отриманих на зразках основного металу (1) зі штучними концентраторами напружень у тому ж діапазоні зміни коефіцієнта . (рис. 4.7)

З підвищенням рівня концентрації напружень зростає різниця між границею витривалості зразка з надрізом і границею витривалості зварного з'єднання. Ця різниця може досягати значення і бути порівняною з падінням опору втомі, яке викликається концентрацією напружень, обумовленою тільки геометрією концентраторів зварного з'єднання. Отже, вплив концентрації напружень як одного з основних факторів, що визначають довговічність з'єднань, виявляється в сполученні з дією інших факторів - насамперед залишкових зварювальних напружень.

Залишкові зварювальні напруження. У розділі 2 показано, що після зварювання в зварному з'єднанні утворюються залишкові напруження з різною інтенсивністю компонентів напруженого стану в перерізах зварного з'єднання. Значення залишкових напружень в окремих точках може досягати величини границі (межі) текучості.

У сталях залишкові напруження дуже стабільні в часі. їхня релаксація протікає вкрай повільно і складає кілька відсотків. У той же час значення і розподіл залишкових напружень істотно змінюються під впливом зовнішнього навантаження. Високі рівні залишкових напружень, що розтягують, приводять до появи пластичних деформацій у зоні шва навіть при незначному зовнішньому навантаженні, викликаючи зміну вихідного поля напружень.

Виконані дослідження на основі неруйнуючого ультразвукового методу контролю напружень показали, що в багатоцикловій області навантаження зміна залишкових напружень відбувається, головним чином, лри першому циклі навантаження. Наступні цикли викликають значно менші зміни, і рівень залишкових напружень можна вважати практично сталим. Сталий рівень залишкових напружень залежить від значень і характеру розподілу вихідних залишкових напружень, амплітуди й асиметрії циклу зовнішнього навантаження, а також концентрації напружень, обумовленої типом з'єднання і формою шва.

За схемою ідеально пружного-пластичного матеріалу після першого циклу зовнішнього навантаження залишкові напруження в зоні концентратора складуть:

а при відсутності концентратора:

Якщо біля краю гладких пластин залишкові напруження розтягу змен­шуються до нульових значень при то в зонах концентраторів, наприклад при для цього досить значення напружень, що дорівнює Подальше підвищення зовнішнього навантаження, особливо у випадку дуже гострих концентраторів, приводить до фор­мування стискаючих залишкових напружень.

У рамках прийнятої розрахункової моделі другий і наступний цикли навантаження при тому ж рівні номінальних напружень будуть проходити при пружному деформуванні матеріалу по всьому перетину зварного елемента і не приведуть до зміни залишкових напружень у зварних пластинах з концентраторами і без них. У дійсності цикли навантаження, що мають місце за першим, приводять до незначної зміни залишкових напружень. Це обумовлено, мабуть, недосконалою пружністю матеріалу, а також можливою зміною його властивостей з ростом числа циклів навантаження. Оскільки така зміна невелика (звичайно не перевищує 10-30 МПа), то в інженерних розрахунках кількістю циклів можна зневажити.

При циклічному навантаженні зварного з'єднання рівень напружень у зоні зварного шва під впливом вихідних залишкових напружень змінюється. Унаслідок цього змінюється й опір утомі зварного з'єднання. При наявності концентраторів напружень і зі зниженням рівня зовнішніх навантажень залишкові напруження підсилюють свою дію.

У дослідженнях, виконаних у ІЕЗ ім. Е. О. Патона АН України, роль залишкових напружень розтягу, оцінювалася шляхом зіставлення кривих втоми однотипних зразків з високими і низькими залишковими напруженнями. У зонах концентраторів напруження наводиться шляхом виконання наплавлень або точковим нагріванням. В обох випадках залишкові напруження в зонах концентраторів досягали межі текучості основного металу. У зразках з отворами межа витривалості на базі циклів унаслідок впливу залишкових напружень зменшилась вдвічі. Приблизно таке ж зниження опору втомі під впливом залишкових напружень спостерігалося і при випробуванні зварних зразків. Виявилося, що довговічність для зразків з невисокими залишковими напруженнями набагато більша, ніж для зразків з високими вихідними залишковими напруженнями.

В усіх дослідженнях спостерігалася та ж сама закономірність: при напруженнях тобто близьких до межі текучості основного металу, опір втомі зразків з високими залишковими напруженнями був практично однаковим. Зі зниженням рівня перемінних напружень дія залишкових напружень підсилювалася і рівною мірою знижувалася довговічність зварних і незварних зразків.

Неоднозначність прояву залишкових зварювальних напружень на різних рівнях навантаження пов'язана з їхньою релаксацією і неоднаковими сталими значеннями на кожному з цих рівнів. При рівнях номінальних напружень, близьких до границі витривалості, значення сталих залишкових напружень у зонах концентраторів зварних з'єднань досить високі. У цих умовах залишкові зварювальні напруження істотно знижують опір втомі з'єднань. З ростом зовнішнього навантаження рівень сталих залишкових напружень унаслідок їхньої релаксації зменшується. У результаті цього відбувається зближення кривих втоми з'єднань із залишковими напруженями розтягу і без них.

З тих же причин роль залишкових напружень зменшується з підвищенням асиметрії циклу зовнішнього навантаження. Найбільшою мірою вплив залишкових напружень на опір втомі зварних з'єднань виявляється при симетричному циклі навантаження. З ростом значень коефіцієнта асиметрії циклу різниця границь витривалості зварних з'єднань із залишковими напруженнями і без них зменшується. Інтенсивність впливу залишкових напружень розтягу залежить також від характеру передачі зусилля і виду напруженого стану. Про це, зокрема, можна судити за ре­зультатами дослідження на вигин і вигин із крутінням зварних зразків Концентрація напружень і залишкові напруження у них створювалися швами, що перетинаються. Зіставлення границь витривалості зразків у вихідному стані, після нормалізації і високого відпуску показує, що при плоскому напруженому стані (вигин із крутінням), коли головні напруження мають різні знаки, вплив залишкових напружень позначається сильніше, ніж при лінійному напруженому стані (вигин). У той же час вплив концентрації напружень більше виявляється при вигині, ніж при чистому зсуві.

Таким чином, ступінь впливу залишкових напружень розтягу залежить від виду з'єднання, асиметрії циклу, напруженого стану і характеру передачі зусиль. У ряді випадків цей вплив може бути порівняний з ефектом концентрації напружень.

Неоднорідність механічних властивостей. Зварні з'єднання характеризуються значною неоднорідністю механічних властивостей в напрямку, перпендикулярному шву, яку прийнято зображувати у вигляді м'я­кого або твердого прошарку (розділ 2). Численні дослідження опору зварних з'єднань втомі показали, що хімічна, структурна, механічна неоднорідності, пов'язані з утворенням зварних швів практично не випивають на границю витривалості з'єднань з низьковуглецевих, низьколегованих та високоміцних сталей при багатоцикловому навантаженні.