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

вающие остаточные напряжения достигали 20 кГ/лш2, в то время как в образцах второй разновидности не превышали 12 кГ/мм2.

Как видно из рис. 36, точки, характеризующие результаты ис­ пытаний образцов сечением 200 х 30 и 80 X 12 мм с дополнитель­ ными наплавками, создающими максимальные растягивающие остаточные напряжения 20 к/ /мм2, размещаются в одной и той же области рассеяния, а образцы сечением 80 X 12 мм с меньшими остаточными напряжениями показывают более высокую долговеч­ ность.

При испытаниях на усталость однозначные нагрузки обычно пре­ вышают знакопеременные. В области однозначных напряжений происходит большая релаксация остаточных напряжений. Поэтому при высоких значениях г сварные образцы малых и больших разме­ ров, образцы с дополнительными наплавками и без них показывают примерно одинаковые пределы выносливости. В этом случае размеры образцов могут быть уменьшены. Не все соединения в реальных конструкциях имеют максимальную остаточную напряженность. В коротких стыковых швах, соединениях тонкостенных конструк­ ций и т. п. остаточные напряжения невелики. Для оценки вынос­ ливости таких соединений следует использовать образцы неболь­ ших сечений.

4. Вид напряженного состояния

Переменное осевое нагружение (растяжение — сжатие) и повторный плоский изгиб являются наиболее распространенными видами нагружения сварных образцов при усталостных испыта­ ниях. Результатам, полученным при испытании на растяжение — сжатие иногда отдается предпочтение перед результатами испытаний на изгиб. При изгибе проявляется влияние градиента напряжений, вследствие чего выносливость может оказаться завышенной. В то же время известно, что при осевом нагружении затруднительно избавиться от эксцентриситетов приложения нагрузки, приводящих к возникновению неучитываемых моментов и значительной неравно­ мерности распределения напряжений по сечению образца. Особен­ но искаженной картина напряжений получается в сварных образ­ цах, как правило, деформированных. Поэтому в тех случаях, когда влияние градиента напряжений по толщине образца перестает ска­ зываться, более приемлемыми могут оказаться испытания на изгиб.

Чтобы установить размеры образца, при которых эффект под­ держивающих сил практически исчезает, сопоставлялась выносли­ вость однотипных образцов при изгибе и при растяжении. Испытывались пластины с отверстием и сварные образцы.

Пластины с отверстием (рис. 37) имели толщину 15, 26, 40 и 60 мм. Они вырезались из одного и того же сляба (сталь 22К.) тол­ щиной 90 мм. Сляб разрезался по ширине, что обеспечивало во всех образцах стабильность структуры и механических свойств в месте

61

При совместном действии переменных касательных и нормаль­ ных напряжений усталостная трещина в месте перехода шва на ос­ новной металл располагается перпендикулярно к направлению нор­ мальных напряжений. Затем излом распространяется в глубь образ­ ца по винтовой поверхности и на противоположной кромке линия излома проходит под углом к его поперечной оси, зависящим от со­ отношения касательных и нормальных напряжений. На поверхно­ сти усталостного излома появляются равные волокнистые линии. При этом чем больше отношение касательных напряжений к нор­ мальным, тем больше волнистых линий на поверхности излома.

Результаты опытов сопоставлялись с расчетными данными (табл. 11). Расчетные пределы выносливости лучше согласовыва­ лись с опытными, когда воздействие постоянных касательных на­ пряжений принималось равным нулю.

Следует, однако, отметить, что опыты проводились на стыковых соединениях, в которых остаточные напряжения снимались в про­ цессе вырезки образцов из общей заготовки.

5. Частота нагружения

С увеличением частоты нагружения увеличивается ско­ рость деформации и возрастает упрочнение, вследствие чего можег повышаться сопротивление усталости. Обобщение результатов ис­ следований различных авторов позволило установить, что рост частоты с 30—50 до 1000 гц приводит к повышению пределов вынос­ ливости на 10—20% [141]. В большей степени частота нагружения сказывается в области ограниченной выносливости при N << 10° [222, 2811. Тем не менее полагают, что при обычных усталостных испытаниях, выполняемых в диапазоне 10—100 гц, долговечность изменяется незначительно [42] и этим фактором можно пренебречь. Менее исследовано влияние низких частот, "характеризующихся несколькими циклами в минуту. Падение долговечности при таких частотах и высоких переменных напряжениях отмечалось в ряде исследований [16, 48, 93, 183]. Однако следующее отсюда предпо­ ложение, что при низких частотах можно ожидать смещения влево всей кривой усталости, требовало экспериментальной проверки, особенно для обычных конструкционных сталей и сварных соеди­ нений. В этой связи могут представить интерес результаты испы­ таний, выполненных в ИЭС им. Е. О. Патона [168].

ЦДМ-200пу видоизменялась. Для получения малых частот пульса­ торы отключались. Циклическое нагружение осуществлялось пу-

66

тем изменения давления в одном из цилиндров. Пределы изменения давления в этом цилиндре задавались контактной системой мано­ метров и дополнительным электромеханическим устройством. В дру­ гом цилиндре давление поддерживалось постоянным. Время иагружения и разгрузки образца, а также выдержки его под нагрузкой

Рис. 41. Зависимость долговечности от частоты испытаний.

Как видно из рис. 40, медленное нагружение заметно снижает долговечность образцов. Наибольшее падение наблюдалось в ин­ тервале частот 300—30 цикл/мин (рис. 41). Долговечность образцов;

с отверстием и сварных образцов изменялась под влиянием частоты в 2—2,5 раза. При этом, как можно видеть, сопоставляя результа­ ты испытаний сварных образцов (см. рис. 40, б и б), в исследованном интервале изменения т падение выносливости не зависело от вели­ чины асимметрии цикла. Не наблюдалось падения выносливости и под влиянием выдержки образцов под нагрузкой при малых ча­ стотах нагружения. Дополнительная выдержка под нагрузкой в каждом цикле нагружения не приводила к дальнейшему снижению

зависит от частоты нагружения. Однако затруднительно сказать, сливаются ли асимптоты кривых усталости образцов, испытанных при различных частотах, или нет. Решение этого вопроса экспери­ ментальным путем представляет определенные трудности, так как в указанной области возрастает рассеяние результатов, а на испы­ тание только одного образца при частоте 20 цикл/мин и базе 10 млн. циклов требуется более года.

Мосты, краны, подкрановые балки, экскаваторы и многие дру­ гие конструкции загружаются с меньшей частотой чем 20 цикл/мин. Поэтому оценка долговечности сварных соединений таких конст­ рукций при N <С Ю млн. циклов должна производиться с учетом влияния частоты испытаний образцов. В тех случаях, когда часто­ та испытаний отличается от эксплуатационной, в результаты испы­ таний следует вводить соответствующие поправки. Поскольку круп­ ные сварные образцы чаще всего испытываются на частотах 300— 1800 цикл/мин, полученные ограниченные пределы выносливости рекомендуется понижать на 3—4 кГ/мм2, а значения пределов вы­ носливости, установленных на больших базах (5—10 млн. циклов), для практических целей можно принимать без поправок.

I,

6. Асимметрия цикла

Для расчетов на выносливость необходимо знать зависи­ мость сопротивления усталости от асимметрии цикла. Эта зависи­ мость обычно представляется диаграммами предельных напряжений, позволяющих установить безопасную область для любого среднего напряжения от при заранее выбранном числе циклов N.

Построение диаграмм не представляет трудности, когда известно несколько значений пределов выносливости (или ограниченных пределов выносливости), установленных при различных соотно­ шениях наименьшего и наибольшего напряжений цикла. Однако получение таких данных связано с выполнением большого объема экспериментальных работ. Поэтому на практике для построения диаграмм сварных соединений часто ограничиваются определением

68

при иных коэффициентах асимметрии цикла г пределы выносливости изменяются, следуя линейному закону [35].

пользуются предположительными зависимостями между предель­ ным и средним напряжениями цикла [174]. В частности, для по­ строения диаграмм предельных напряжений сварных соединений

Рис. 42. Диаграммы предельных напряжений сварных соединений:

/ и 2 — линии предельных напряжений соответственно основного металла и сварного соединения.

по одной экспериментальной точке и вывода расчетной формулы, рекомендуемой нормами проектирования строительных конструк­ ций, Б. Н. Дучинским [50] была использована предположительная зависимость Гудмана:

Согласно этой зависимости, диаграммы различных сварных соединений представляются в виде пучка прямых, сходящихся в точке С, которая соответствует временному сопротивлению основ­ ного металла (рис. 42, а).

В машиностроении для определения запасов .прочности поль­ зуются схематизированной диаграммой предельных напряжений основного металла, построенной по двум известным пределам вы­ носливости. Линия предельных напряжений сварных соединений (рис. 42, б) проводится параллельно линии предельных напряжений основного металла исходя из предположения о неизменности коэф­

1^соед

где a_i и аг — пределы выносливости образцов основного металла соответственно при симметричном цикле и при цикле с коэффици-

69

С/л

на сопротивление усталости основного металла и сварного соеди­ нения, одинаково. Применительно к соединениям с высокой кон­ центрацией напряжений иногда исходят из предположения о по­ стоянстве коэффициента £, характеризующего влияние концентра-

Т а б л и ц а 12. Пределы выносливости стыковых соединений при различных характеристиках цикла

цин напряжений на снижение предельной амплитуды при асиммет­ ричном цикле [141] (рис. 42, в):

Выбор той или иной зависимости основан на анализе результа­ тов испытания образцов небольших ..размеров без учета влияния остаточных напряжений. Как было выяснено выше, эффект оста­ точных напряжений усиливается по мере снижения рабочих напря­ жений. Следовательно, он может возрастать и с уменьшением асим­ метрии цикла, что влечет за собой изменение наклона линии пре­ дельных напряжений.

Для выяснения этого вопроса испытывались [158] стыковые соединения пластин сечением 70 X 14 и 200 X 30 мм. В образцах малого сечения (70 X 14 мм) остаточные напряжения были неболь­ шими. В образцах сечением 200 X 30 мм они достигали предела текучести. Малые образцы вырезались из общей заготовки (сталь малоуглеродистая ат = 30 кГ1мм\ ов = 41 кГ/мм2), имевшей по­ средине стык, сваренный автоматом. Каждый образец большого сечения сваривался отдельно. Усиления швов не снимались.

70