Сварные конструкции (часть 1) (Сварные конструкции), страница 25

ГЛАВА 4

СОПРОТИВЛЕНИЕ УСТАЛОСТИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ И МЕТОДЫ ЕЕ ПОВЫШЕНИЯ

§ 1. Прочность основного металла при переменных (циклических) нагрузках

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 значительные пластические деформации, в результате чего образуются микротрещины. При переменных нагрузках они имеют тенденцию развиваться: сначала развитие трещин происхо­дит очень медленно, далее постепенно ускоряется, а на последнем этапе происходит, внезапное разрушение. При этом местные на­пряжения оказываются опасными для прочности не только хруп­ких, но и пластичных металлов.

Анализ природы усталостного разрушения очень сложен, так как требует изучения неоднородной среды (кристаллиты и меж­кристаллические среды). В сварных соединениях задача анализа значительно осложняется наличием остаточных напряжений и неоднородностью свойств различных зон наплавленного и основ­ного металлов. при переменных нагрузках зависит главным обра­зом от числа циклов нагружен и я, амплитуды изменения напряжения, формы и размеров испытуемых образцов, их мате­риала, состояния поверхности, вида нагружения (изгиб, круче­ние), свойств среды, в которой производится испытание (воздух, вода и т. п.).

На рис. 4.1, а показана диаграмма прочности металла в зави­симости от числа циклов нагружений N. Максимальное напря­жение, при котором материал не разрушается при достаточно большом числе циклов нагружени я, называется пре­делом выносливо­сти. При испытаниях стальных образцов предел выносливости определяют при N = 10⁷.

Если образец испыты­вают при меньшем числе нагружений, то значение разрушающих напряжений называют пределом ограниченной вы­носливости.

Рис. 4.1. Диаграмма прочности стали в за­висимости от числа нагружений Л':

а — в декартовых координатах; б — в полуло­гарифмических координатах

На рис. 4.1, б изобра­жена диаграмма прочности металла в зависимости от числа циклов нагружения, построенная в полулога­рифмических координатах.

Число циклов в логарифмическом масштабе отложено по оси абсцисс, а значения разрушающих напряжений — по оси ординат. Опытами подтверждено, что зависимость σ= f(N) (рис. 4.1) при построении в этих координатах может быть изображена двумя отрезками прямой: наклонным и горизонтальным. Горизонталь­ная прямая соответствует пределу выносливости.

Предел выносливости зависит в значительной степени от ха­рактеристики цикла. Цикл — совокупность всех зна­чений напряжений за время одного периода нагружения.

Отношение г — o_min/a_max называют коэффициентом амплитуды или характеристикой цикла, где am_ax ^{H 0}min — соответственно наибольшее и наименьшее напряжения цикла.

На рис. 4.2, а показана схема цикла симметричного нагруже-

НИЯ | σ _max | = |σ_min| , На рИС. 4.2, б— ЗНЭКОПОСТОЯННОГО нагружения, на рис. 4.2, в—асимметричного знакопеременного нагружения |σ_гаах| ≠ |σ_min|, а на рис. 4.2, г— отнулевого. Пре­делы выносливости, определенные при симметричном цикле, обозначаются а_₁₍ при отнулевом — σ₀, при произвольном — σ_r. Наибольшее значение имеют пределы выносливости при испыта­ниях на изгиб, несколько меньшее — при осевом нагружениии наименьшее — при кручении. Характер изменения напряжений по времени бывает различным: как синусоидальным (рис. 4.2, а—г), так и другой формы (рис. 4.2, д, е).

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 в схематизированной форме на рис. 4.3. По оси абсцисс от

кладываются значения средних напряжений цикла σ_т = (σ_тах + σ_min) /2, по оси ординат — на­пряжения σmах и σmin.под углом

45° к оси абсцисс проводится прямая. Амплитуды σv =(σmax — σmin)/2 откладываются симмет­рично относительно этой прямой.

Рис. 4.2. Осциллограммы нагру- Рис. 4.3. Диаграмма прочности и уста* женин с различными характери- лости в координатах a_max, <J_min, о стиками циклов

Прямые пересекаются в точке К, которая характеризует цикл с бесконечно малой амплитудой. Условно принимают, что эта точка соответствует пределу прочности а_в. Отрезок ОЛ выра­жает значение предела выносливости при симметричном цикле. При этом σ_т = 0.

В большинстве случаев пользуются участком диаграммы с на­пряжениями, не превышающими предела текучести о_Т. Из точки D с координатами σт σ_t проводят горизонтальную прямую до пере­сечения с прямой АК, в точке N. Эту точку проецируют на пря

100