6.4.Коэффициенты концентрации и их влияние на усталостную прочность
Эффективным коэффициентом концентрации напряжений КЭ называется отношение предела выносливости гладкого образца к пределу выносливости образца при наличии концентратора; КЭ >1; причем, чем ближе КЭ к единице, тем лучше работает изделие. У хрупких материалов эффективный коэффициент концентрации КЭ близок к теоретическому, у пластичных — он значительно меньше.
Опытами установлено, что при значениях r, близких к единице, концентрация напряжений не оказывает существенного влияния на предел выносливости. С уменьшением r влияние концентраторов на понижение предела выносливости растет, наибольшего значения КЭ достигает при .
Чувствительность к концентраторам в образцах из низколегированной стали может быть выше, чем из низкоуглеродистой. Пределы выносливости сталей, испытанных при изгибающих усилиях и симметричных циклах, приведены в Табл. 6 .9
Табл. 6.9 Пределы выносливости сталей σ-1, МПа
Испытуемый образец |
Ст. 3 кп |
Ст.3 сп |
15ХСНД |
Лист без обработки |
121 |
158 |
188 |
Лист шлифованный |
134 |
198 |
- |
Лист с отверстиями |
86 |
110 |
150 |
Предел выносливости основного металла в зоне термического влияния иногда изменяется по сравнению с пределом выносливости образцов из основного металла, не подвергавшегося влиянию процесса сварки. Восстановить предел выносливости можно иногда термической обработкой сварного соединения.
Заметное влияние на сопротивление усталости оказывают также размеры сечений образцов или конструктивных элементов. При увеличении диаметра образцов с 10 до 200 мм значения предела выносливости стали 22 снизились с 215 до 165 МПа, а стали 35 —со 155 до 90 МПа.
Крайне отрицательное влияние на усталостную прочность оказывает наличие коррозионно агрессивных сред сварных соединений при эксплуатации.
6.5.Влияние частоты циклов нагружения на усталостную прочность
Сварные конструкции в некоторых областях техники подвергают испытаниям при низкой частоте нагружений и доводят до разрушения при нескольких десятках тысяч циклов. Такие испытания называются повторно-статическими. Многие явления, свойственные поведению образцов под усталостными нагрузками, имеют место при повторно-статических нагрузках. Прочность образцов зависит от наличия концентраторов в соединениях, свойств материала и качества сварных соединений.
Тем не менее, сопротивляемость сварных соединений нагружениям при низкой частоте (несколько циклов в минуту, в час, в сутки) заметно ниже, чем при испытаниях с высокой частотой. Низкочастотные нагрузки снижают прочность всех видов материалов и сварных соединений. Низкочастотным нагружениям подвергаются конструкции подводных судов, резервуарно-котельные конструкции. Высокочастотные колебания нагрузки, модулированные более низкой частотой, особенно резко снижают усталостное сопротивление сварных конструкций.
6.6.Сопротивление усталости сварных соединений, выполненных дуговой сваркой
В сварных конструкциях предел выносливости зависит от материала, технологического процесса сварки, формы конструкции, а также от рода усилия и характеристики цикла нагружения. Влияние технологического процесса сварки на прочность при переменных нагрузках обычно изучают на образцах стандартного типа, имеющих стыковые швы. В образцах со снятым усилением концентрация напряжений практически отсутствует. Как показали результаты многочисленных опытов, в таких обработанных сварных образцах из углеродистых и ряда низколегированных конструкционных сталей отношение
σ-1СВ/σ-1=0,9
где
σ-1 — предел выносливости образца из основного металла при симметричном цикле;
σ-1 СВ — предел выносливости стыкового сварного соединения.
Значения предела выносливости при автоматической сварке более стабильны, нежели при ручной. Это объясняется лучшим качеством сварных швов.
При действии переменных нагрузок следует отдельно рассматривать прочность швов и прочность прилегающего к ним основного металла. В большинстве случаев в стыковых соединениях разрушение наступает в зонах термического влияния. Это объясняется наличием в них концентраторов напряжений от швов с необработанной поверхностью, а также разупрочнений легированных или закаленных сталей в результате теплового действия сварочной дуги. На Error: Reference source not found приведены усталостные характеристики сталей и алюминиевого сплава Д16Т и их сварных соединений. Высокие отношения пределов выносливости соединений к пределам прочности основного металла имеют низкоуглеродистые стали. Аустенитные стали, высокопрочная сталь марки 30ХГСА, сплав Д16Т имеют низкие значения
σ-1св/σВ СВ и σ-1/σВ.
Стали повышенной прочности наиболее эффективно используются в условиях статических и переменных нагрузок при r>0. Если значения коэффициентов концентрации напряжений конструкции высоки и r→-1, то эффективность применения высокопрочных сталей резко понижается, в этом случае пределы выносливости для сталей с совершенно различными значениями пределов прочности почти не отличаются.
Рис. 6.54 Пределы прочности и выносливости сталей и сплава Д16Т:σв — основного металла (вертикальная штриховка); σ-1 — основного металла (не заштрихованные полосы); σ-1св — сварного соединения (косая штриховка).
Решающее влияние на усталостную прочность оказывает качество технологического процесса.
При наличии технологических дефектов (шлаковых включений, пор, окислов, трещин, непроваров и т. п.) прочность сварных соединений при переменных нагрузках резко падает. Даже небольшой непровар корня шва образует надрез и концентрацию напряжений, что может существенно снижать прочность стыковых соединений при переменных нагрузках.
Влияние непровара на уменьшение усталостной прочности зависит от рода материала. Очень чувствительны к непроварам сварные соединения из аустенитных сталей типа 12Х18Н9Т и титановых сплавов. На Error: Reference source not found показано изменение пределов
выносливости сталей и алюминиевых сплавов в зависимости от глубины непровара.
Рис. 6.55 Влияние глубины непровара в выносливости стыковых соединении при растяжении (r=0,1…0,3; N=2*106 циклов): — АМг6; 2 — низкоуглеродистая сталь; 3 – 12Х18Н10Т; 4 – Д16Т; 5 – 30ХГСА.
Большое влияние на предел выносливости оказывает очертание поверхности швов. У выпуклых стыковых швов он более низкий, чем у гладких; весьма хорошие результаты получаются при снятии усилений стыковых швов или при их обработке, обеспечивающей плавный переход от шва к основному металлу. Получить соединения с хорошей прочностью можно не только при сварке прокатных элементов, но и при сварке литых деталей или прокатных с литыми.
Прочность при переменных нагрузках тавровых соединений в значительной степени зависит от подготовки кромок. Экспериментально доказано, что предел выносливости таврового соединения, сваренного с подготовкой кромок, выше, чем того же соединения без подготовки кромок. Причиной этого является концентрация напряжений из-за непровара. При сварке тавровых соединений на автоматах под флюсом глубина проплавления больше, чем при других видах сварки. Это обстоятельство улучшает работу соединений, подвергавшихся переменным нагрузкам (Error: Reference source not found).
Прочность нахлесточных соединений и соединений с накладками, работающих при переменных нагрузках, низка из-за концентрации напряжений в соединениях этого рода. Она образуется в основном металле вблизи угловых швов, между швами, в поперечных сечениях самих швов, а также по длине швов вследствие неравномерного распределения усилий.
Особенно пониженной усталостной прочностью обладают соединения с фланговыми швами.
Работоспособность соединений с фланговыми швами при переменных нагрузках зависит от длины фланговых швов, от ширины накладок, и может быть повышена путем применения улучшенных форм и технологической обработки.
Швы должны обеспечивать минимальный уровень концентрации напряжений, обеспечивать наиболее равномерное распределение напряжений. Плавные переходы от наплавленного металла к основному достигаются механической зачисткой швов, а также при обработке швов аргонодуговой сваркой вольфрамовым электродом. После такой обработки в стыковых соединениях из стали Ст3 предел усталости повышается с 80 до 120 МПа.
Рис. 6.566.57 Пределы выносливости тавровых соединений в зависимости от разделки кромок: 1 — основной металл; 2 — образец, сваренный на автомате с разделкой кромок; 3 — то же, при сварке вручную; 4 — образец, сваренный вручную без разделки кромок; 5 — то же, при сварке автоматом.
Примеры рационального оформления сварных швов работающих при переменных нагрузках приведены на Error: Reference source not found.
Рис. 6.58 Рациональные формы сварных швов, работающих при переменных нагрузках.
Повышение усталостной прочности механической обработкой деталей, обеспечивающей плавное сопряжение наплавленного и основного металла Эффективность такого приема можно видеть на примере приварки планок к листовым элементам, изображенным на Error: Reference source not found, а…в. Для сравнения на рисунках указаны пределы выносливости. При отсутствии выкружки (Error: Reference source not found, г) предел выносливости существенно снижается (по сравнению с Error: Reference source not found а…в).
Рис. 6.59 Влияние конструкции на усталостную прочность: а) Выкружка в целом элементе полосы; б) Выкружка в приваренном элементе; в) Деконцентратор; г) Швы без обработки.