книги из ГПНТБ / Труфяков, В. И. Усталость сварных соединений

областей попадает вершина усталостной трещины. При такой связи наблюдаемая нестабильность результатов испытаний вполне зако­ номерна. Что касается протяженности усталостной трещины, вы­

опытов на пластинах с отверстиями [157], а также результаты ис­ пытаний образцов третьей серии. Если пластины из стали М16С сечением 200 X 24 мм с отверстием посредине (рис. 22, а) при ста­ тическом нагружении и температуре —65° С разрушались при на­ пряжениях, близких к пределу прочности материала, то при ком­

тами испытаний образцов первой серии (см. рис. 20), видим здесь значительное смещение критической температуры хрупкости в об­ ласть положительных значений (примерно на 50° С), несмотря на то что глубина трещин в образцах третьей серии (4мм) была меньше, чем в образцах первой серии (10 мм). При отсутствии усталостных

42

20

200

15 2ч Ш,

Комбиниро­

ванный

201

17 22

То же

I ' M

200

ш«О

85

—Р

2.04.J

Минимальный размер усталостных трещин, вызывающих резкое падение разрушающих номинальных напряжений в области темпе­ ратур ниже критических, определялся на образцах четвертой серии (см. рис. 19, в, г, д, е, ж). Как уже упоминалось, глубина усталост­ ных трещин в этих образцах изменялась от 1 до 10 мм. Результаты испытаний, представленные на рис. 24, позволяют установить опре­ деленный порог чувствительности образцов к размерам усталостной трещины. Прочность резко падает при глубине трещин 3,5—4,5 мм (заштрихованная область). Все образцы с меньшими трещина­ ми разрушались вне сварного соединения при напряжениях, близких к пределу прочности основного металла. Образцы с боль­ шими трещинами разрушались по сечениям, включавшим тре­ щины, и при напряжениях, не достигших предела текучести ма­ териала.

Установленный порог, очевидно, стабилен для исходного мате­ риала исследованных малоуглеродистых и низколегированных ста­ лей (в опытах применялись бессемеровская и мартеновская стали Ст. 3, М16С, низколегированная 14Г2). При этом данные испыта­ ний образцов основного металла оказались такими же, как и свар­ ных образцов. Значительно заметнее могут влиять на критический размер трещины изменения свойств металла, обусловленные циклич­ ностью нагружения. В этом отношении показательны результаты испытаний идентичных образцов с усталостными и хрупкими тре-

44

щинами. Образцы с усталостными трещинами были такими же, как и в опытах первой серии, и отличались от них только глубиной трещин. После сострагивания кромки с надрезом и началом уста­ лостного разрушения глубина трещины в различных образцах

на растяжение с дополнительны­ ми ударами так же, как это выполнялось в ранее описанных опы­ тах. Для образцов с усталостными трещинами (рис. 26, темные кружки) критическая глубина оказалась 3,5 мм, а для образцов с хрупкими трещинами (светлые кружки) — 10 мм (заштрихованные области).

Результаты испытаний различных образцов согласуются между собой. Во всех опытах усталостные трещины вызывали хрупкие разрушения при низких номинальных напряжениях только после того, как их глубина превышала 3,5—4,5 мм. То же самое наблю­ дается и на практике. Из всех преждевременных разрушений хруп­ кого характера, очагом которых служили усталостные трещины,

М. М. Крайчиком [77]. В данном случае усталостная трещина имела

45

глубину 3 мм. Однако с учетом подреза в.этом месте общая глубина надреза равнялась 6,5 мм.

Исходя из приведенных данных, за критерий завершения уста­ лостных испытаний предлагается принимать предельное докритическое состояние усталостной трещины, исключающее хрупкое разрушение изделий и конструкций. Для рассмотренных условий наибольшая докритическая глубина усталостной трещины состав-

б0,кГ/ииг 28\

б.кг/мм*

30

ляет 2—3 мм. При указанных размерах трещины должна фикси­ роваться долговечность образцов основного материала и сварных соединений, определяемая для оценки несущей способности эле­ ментов таких конструкций, как мосты, краны, подкрановые балки, экскаваторы, подвижной состав, дорожные машины и т. п.

Предлагаемый критерий соответствует области развития уста­ лостной трещины. Поэтому значения долговечностей понижаются по сравнению с получаемыми по критерию полного излома. Вместе

на растяжение с постоянной амплитудой усилия при пульсирующем

46

цикле напряжений. Как видно из графиков, от момента возникно­ вения видимой трещины до полного излома образцы выдерживают значительное число перемен нагрузок. При низких напряжениях для полного развития усталостной трещины может потребоваться несколько миллионов циклов. Поэтому обоснованное смещение кривой усталости приобретает существенное значение. Принятие критерия наибольшей докритической трещины позволяет сдвинуть кривую в среднем на одну треть интервала, характеризующего пе­ риод развития трещины.

2. База испытаний

Элементы пролетных строений мостов, вагонов, тепло­ возов, кранов, подкрановых балок за срок своей службы могут испытывать свыше 10 млн. перемен напряжений. Для таких кон­ струкций максимальная длительность испытаний сварных соеди­ нений соответствует правому участку усталостной кривой.

О виде правого участка и расположении места перелома кривой усталости сварных соединений существует несколько представле­ ний. По наиболее распространенному мнению, кривые усталости сравнительно мягких сталей и их соединений при графическом изоб­ ражении в логарифмических (lg 0, lg Л0 или полулогарифмических (<т, lg N) координатах могут быть представлены в виде двух прямых, одной — круто падающей и другой — слабо наклоненной к оси ^абсцисс.

Считается, что точка пересечения этих прямых чаще всего ле­ жит недалеко от числа циклов N = 2 • 10е. В мостостроении это число циклов совпадает с количеством поездов, проходящих по же­ лезнодорожному мосту за 55 лет его эксплуатации [55]. Отсюда снача­ ла для транспортных, затем для гражданских сооружений и других конструкций с необрабатываемой поверхностью базу усталостных испытаний стали принимать равной 2 млн. циклов.

При испытании сварных соединений с фланговыми швами М. М. Гохберг наблюдал перелом кривой усталости при 4 млн. циклов. Было высказано предположение, что для соединений с вы­ сокой концентрацией напряжений точки перелома кривых уста­ лости смещаются в область большего числа циклов. В связи с этим усталостные испытания сварных решетчатых конструкций рекомен­ довалось выполнять на базе 5 млн. циклов [37].

С увеличением абсолютных размеров образцов количество цик­ лов до поломки может иногда составлять десятки и даже сотни мил­ лионов циклов. Поэтому пределы выносливости таких изделий, как вагонные и электровозные оси, коленчатые валы мощных дви­ гателей и т. п., в ряде случаев определяют на весьма большой базе.

47

крупных сварных образцов из малоуглеродистой стали с прокатной поверхностью также не следует ожидать перелома кривой усталости при нескольких миллионах циклов. Предполагается, что абсолют­ ный предел выносливости таких образцов может быть достигнут только при числе циклов примерно 100 млн. [52]. Однако последнее утверждение не согласуется с опытными данными. На сварных образцах не только малого, но и весьма большого сечения (напри­ мер, 200 х 200 мм), испытываемых И. В. Кудрявцевым, перелом кривых обычно наблюдается в интервале 2—7 млн. циклов.

\ »

Рис. 28. Кривые усталости соединений на базе 100 млн. циклов:

/ — нахлесточное соединение с фланговыми швами; 2 — стыковое соединение.

После перелома, вероятно, происходит некоторое дальнейшее понижение долговечности с возрастанием числа циклов, но оно на­ столько незначительное, что для практических целей им можно пренебречь. На это, в частности, указывают данные испытаний стыковых соединений и образцов с фланговыми швами, выполнен­ ных на базе 100 млн. циклов [158]. Образцы сечением 200 х 26 мм с консольным закреплением испытывались на изгиб при симметрич­ ном цикле и постоянной амплитуде напряжений с частотой 40—45 гц. Критерием завершения испытаний служила трещина усталости глубиной 2—3 мм. При напряжениях, близких к уровню напряже­ ний в месте перелома кривой, образцы выдерживали 100 млн. пере­ мен нагружения без видимых признаков разрушения (рис. 28).

В зависимости от принимаемого критерия завершения испыта­ ний место перелома кривых заметно смещается (см. рис. 27). По­ этому для установления базы испытаний образцов по критерию начальной стадии разрушения требовались дополнительные наблю­ дения. В табл. 7 сведены данные о месте перелома кривых уста­ лости, полученные в результате испытания различных сварных об­ разцов до момента зарождения в них трещин усталости глубиной 2—3 мм. Испытания выполнялись в ИЭС им. Е. О. Патона на маг­ нитных машинах (изгиб) и машинах с пульсаторами (растяжение —

48

сжатие) на базе 10 млн. циклов (см. главу III) . Диаграммы а — lg /V строились в виде двух прямых линий: одной наклонной и другой

каждой серии отыскать его точное положение затруднительно.

Принимая, что рассеяние местонахождения точек перелома под­ чиняется нормальному закону распределения и отклонение от сред­ него значения не превышает тройной меры рассеяния, база испы­ таний сварных образцов должна составлять не менее 5 млн. циклов.

50