Глава X

УСТАЛОСТНАЯ ПРОЧНОСТЬ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ И МЕТОДЫ ЕЕ ПОВЫШЕНИЯ

§ 1. Прочность основного металла при переменных нагрузнах

Современные методы расчета прочности деталей основаны на гипотезах непрерывности, однородности и изотропности мате­риала. В действительности распределение усилий между зерна­ми металла происходит неравномерно. В некоторых зернах мо­гут иметь место пластические деформации значительной вели­чины, в результате которых образуются микротрещины. При переменных нагрузках они имеют тенденцию развиваться; при этом местные напряжения оказываются опасными для прочности не только хрупких, но и пластичных металлов. При достаточно больших напряжениях в кристаллитах пластичных металлов нарушается связь между атомами: сдвинутые группы атомов перестают образовывать единую атомную цепь. Указанные сдви­ги сопровождаются, с одной стороны, скольжением внутри отдельных зерен, упрочнением металла, а с другой стороны, мик­роскопическими трещинами. При небольших переменных нагру-жениях образца сначала развитие трещин происходит очень мед­ленно, далее постепенно ускоряется, а на последнем этапе про­исходит внезапное разрушение.

Анализ природы устал"остного разрушения очень сложен, так как требует изучения неоднородной среды (кристаллиты н меж­кристаллические среды). В сварных соединениях конструкций задача анализа значительно осложняется наличием остаточных напряжений и неоднородностью свойств наплавленного и основ­ного металлов.

Прочность при переменных нагрузках зависит главным обра­зом от количества нагружений, амплитуды изменения напряже­ния, формы и размеров испытуемых образцов, рода их материа­лов, состояния поверхности, вида усилий (изгиб, кручение),

217

свойств среды, в которой производится испытание (воздух, вода и т. п.).

На рис. 10-1, а показана диаграмма прочности металла в за­висимости от числа циклов нагружений N. Таким образом, a=f(N). Наибольшее максимальное напряжение цикла нагру-жения, при котором материал не разрушается при достаточно большом числе перемен напряжений, называется пределом вы­носливости, или пределом усталости. При испытаниях стальных образцов N принимается равным 10-Ю⁶.

Величина разрушающего напряжения при меньшем числе на­гружений называемся временным пределом выносливости (уста-

а)

кГ/Нм_т 26

II ^2}

\
\
\
	s4
								d

f 2 3 4 5 6 7 8 l$*m Количество циклов нагружений

W^s НО⁵ 410^s5-V?т^е2-П⁶ 4Ш* | Ю⁷2-Ю⁷Ш /Отчество цимоб нагружений

Рис. Ш-I. Диаграмма прочности ста­лей в зависимости от числа нагруже­ний N: а) .в декартовых координатах; б) ,в полу­логарифмических координатах

а/

У^кА \

«W*

Рис. 10-2. Схема переменных на­гружений с различными характери­стиками циклов

лости), или условным пределом выносливости (усталости). Испытания металла на выносливость производятся на типовых образцах.

На рис. 10-1,6 изображена диаграмма прочности металла в зависимости от количества циклов нагружения, построенная в полулогарифмических координатах. По оси абсцисс отложе­ны lgtf, т. е. логарифмы количества циклов загружения, а по оси ординат —значения разрушающих напряжений ст.

Опытами подтверждено, что кривая a — f(N) при построении в этих координатах может быть изображена двумя прямыми: одной наклонной и Другой горизонтальной. Горизонтальная пря­мая выражает величину предела выносливости.

218

Величина пределов выносливости зависит в значительной степени от характеристики цикла. Циклом называется совокуп­ность всех значений напряжений за время, равное одному перио­ду нагружения.

Отношение г = ■^т'"- называют коэффициентом амплитуды,

или характеристикой циклов, где <у_ГОЭх и a_min соответственно наи­большее и наименьшее напряжения цикла.

На рис. 10-2, а показана схема цикла симметричного нагру­жения, на рис. 10-2,6 — асимметричного знакопостоянного на­гружения, на рис. 10-2,в — знакопеременного нагру­жения, а на рис. 10-2,г — пульсирующего. Пределы выносливости, опреде­ленные при симметрич­ном цикле, обозначаются о^--], при пульсирующем — ао, при произвольном—tr_r. Наибольшую величину имеют пределы выносли­вости при испытаниях на изгиб, несколько мень­шую— при осевом нагру-жении и наименьшую — при кручении.'

В целях изучения пре­делов, выносливости в за­висимости от характери­стики циклов строится диаграмма выносливости. Наиболее часто пользу­ются построением диаг­раммы выносливости

испытуемых образцов по методу Смита, представленной и схе­матизированной форме на рис. 10-3. По оси абсцисс откладыва­ются значения средних напряжений цикла

		бт
				N /■	'я				to*
	С	^7*?		1 , \/ /\ 1
А	//| / ' I/ / v 1 A J 1 /\ / 1 / \/ if У	Ъ°	1 *» to /	ч/ /м		«Г
0	АЧ
	р' /	'в
	, /*,
	* / г*

Рис, 10-3. Диаграмма прочности и уста­лости В КООрДИНатаХ ffmax, Cmln И О„,

°tni»

(10.1

по оси ординат —величины напряжений tr_mBX и а_тщ - Под уг­лом 45° к горизонту проводится прямая. Величины амплитуд

откладываются симметрично относительно наклонной прямой.

219

Кривые пересекаются в точке К, которая характеризует цикл с бесконечно малой амплитудой. Условно принимают, что эта точка соответствует пределу прочности а_в. Отрезок О А выра­жает величину предела выносливости при симметричном цикле. При этом а_т равно нулю.

В большинстве случаев пользуются участком диаграммы с напряжениями, не превышающими предела текучести а_Т- Из точки D с координатами, равными ст_т, о₇, проводят горизонталь­ную прямую до пересечения с верхней наклонной в точке /V. Ее проектируют на нижнюю наклонную в точку М. Ломаная ANDMA' выражает схематизированную диаграмму усталости в пределах упругих деформаций.

Отрезок ВС выражает величину предела выносливости при

пульсирующем цикле. Абсцисса ОВ = ~~.

Проведем из точки О прямую под произвольным углом а к горизонту

------= -rV* (Ю.2)

^Qmax

Это отношение позволяет для заданного цикла г опреде­лить tga. Точка Р пересечения прямой, направленной под уг­лом а к горизонту, с верхней прямой диаграммы определяет величину предела выносливости при заданном цикле загру-жения.

Если наклонная прямая пересекает диаграмму на участ­ке AN, то это означает, что предел выносливости имеет величи­ну, меньшую предела текучести.

Установлено, что при значениях г, близких к единице, кон­центрация напряжений не оказывает существенного влияния на величину предела выносливости. При статическом нагружении предел прочности при наличии концентраторов нередко даже повышается, по сравнению с гладкими образцами. С уменьше­нием г влияние концентраторов на понижение предела выносли­вости растет и достигает наибольшего значения при г= — \.

'Предел выносливости стали зависит от абсолютных размеров испытуемых образцов. С увеличением размеров образцов относи­тельно стандарта предел выносливости а-\ понижается.

Пределы выносливости при испытании стандартных образцов из малоуглеродистых сталей на изгиб в условиях симметричного цикла равны: а-, — 0,50-^-0,55а_в, т. е. около 18-^-20 кГ/мм², что составляет со 0,75 -:- 0,80а_т- Для низколегированных конструкци­онных сталей отношение -^— несколько меньше, чем для мало-углеродистых,

tga

⁵шах

220

Прочность деталей конструкций при переменных нагрузках зависит в значительной степени от наличия концентраций на­пряжений.

Эффективным коэффициентом концентрации напряжения К_э называется отношение предела выносливости гладкого образца к пределу выносливости образца при наличии концентраторов. К в всегда > 1. Чем К_э ближе к 1, тем лучше работает изделие.

В хрупких материалах эффективный коэффициент концентра­ции близок к теоретическому, в пластичных —он значительно меньше.

Обычно пределы выносливости сталей понижаются при повы­шении температуры испытаний. В некоторых сталях предел вы­носливости растет при некотором повышении температуры. В аг­рессивных средах предел выносливости значительно умень­шается.

Пределы выносливости стальных образцов без концентрато­ров растут с понижением температуры испытаний. Например, об­разец из стали Ст. 3 с выточкой имел предел выносливости оу=14,5 кГ(мм² при комнатной температуре и <т_г=19,5 кГ/мм² при температуре —75° С.

Эксперименты показывают, что предел выносливости основ­ного металла в зоне, расположенной у швов сварных соедине­ний, иногда повышается по сравнению с пределом выносливости образцов из основного металла, не подвергавшегося влиянию процесса сварки. После термической обработки сварного соеди­нения структура нередко восстанавливается, металл соединения становится однородным.

Иногда около сварных швов возникает концентрация напря­жений вследствие резких переходов от наплавленного металла к основному, в результате подрезов и т. п. Обработка швов фре­зой или наждачным кругом создает плавный переход от наплав­ленного металла к основному, благодаря чему предел выносли­вости повышается.

Таблица 10.1

Пределы выносливости сталей

	Пределы выносливости, кГ/мм'1
Испытуемый образец	Ст. 3 (кипящая)	Ст. з I (спокойная) "-'■ iJ		Сталь 15ХСНЯ	Сталь 52
Лист целый .... Лист шлифованный . . . Лист с отверстием . . . Образцы круглого сечения .	12,1 13,4 8,6 16,5	15,8 19,8 11,0 16,5	18,5	18,8 15,0 20,5	21 :-24

221

Чувствительность к концентраторам в образцах из низколе­гированных сталей выше, чем из малоуглеродистых.

Пределы выносливости сталей, применяемых в сварных кон­струкциях, испытанных при изгибающих усилиях и симметрич­ных циклах, приведены в табл. 10.1.

Эти данные показывают, что концентраторы напряжений име­ют большое влияние па пределы выносливости (усталостную прочность металла).