1. Сопротивление сварных соединений усталости

1.1. 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 ускоряется, а на последнем этапе происходит внезапное разрушение. При этом местные напряжения оказываются опасными для прочности не только хрупких, но и пластичных металлов.

Анализ механизмов усталостного разрушения очень сложен, так как требует изучения неоднородности среды (кристаллиты и межкристаллические среды). В сварных соединениях задача анализа значительно осложняется наличием остаточных напряжений и неоднородностью свойств различных зон наплавленного и основного металлов.

1.2. Диаграмма усталостной прочности

Прочность при переменных нагрузках зависит главным образом от числа циклов нагружений, амплитуды изменения напряжения, формы и размеров испытуемых образцов, их материала, состояния поверхности, вида на-гружения (изгиб, кручение), свойств среды, в которой производится испытание (воздух, вода и т. п.).

При многократно повторяющийся нагрузке разрушение может происходить под действием напряжений меньших, чем предел прочности.

Для определения прочности материала в таких условиях проводят испытания на циклическую прочность (Рис. 6.1).

 На Рис. 6.2, а показана диаграмма прочности металла в зависимости от числа циклов нагружений N. Максимальное напряжение, при котором материал не разрушается при достаточно большом количестве циклов нагружения, называется пределом выносливости. При испытании стальных образцов предел выносливости определяется, как правило, при N=10⁶.

Усталостное разрушение — следствие постепенного развития микродефектов в материале.

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

Ограниченный предел выносливости определяется отношением

где N — число циклов; σ_r — предел выносливости при цикле r, m — коэффициент, который зависит от физических свойств материалов и определяется величиной угла наклона усталостной прямой (Рис. 6.2,6).

На Рис. 6.2, 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) при построении в этих координатах может быть изображена двумя отрезками прямой (см. Рис. 6.2, б): наклонным и горизонтальным. Горизонтальная прямая соответствует пределу выносливости,

Диаграмма строится при использовании теории вероятностей путем обработки статистического материала.

1.3. Влияние характеристики цикла r на прочность при переменных нагрузках

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

Отношение  называют коэффициентом амплитуды или характеристикой цикла, гдеи— соответственно наибольшее и наименьшее напряжения цикла по абсолютной величине.

На (Рис. 6.3, а) показана схема цикла симметричного нагружения | | = ||, на (Рис. 6.3, г) — от нулевого.

Пределы выносливости, определенные при симметричном цикле, обозначаются σ_-1, при отнулевом — σ₀; при произвольном — σ_r. Наибольшее значение имеют пределы выносливости при испытаниях на изгиб, несколько меньшее — при осевом нагружении и наименьшее — при кручении. Характер изменения напряжений по времени бывает различным: как синусоидальным (Рис. 6.3, а-г), так и другой формы (Рис. 6.3, 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 (Рис. 6.4). Она дает возможность на основании экспериментального определения предела выносливости при симметричном цикле найти пределы выносливости при любом цикле.

По данным других исследований диаграмму прочности и усталости строят в форме параллельных прямых.

Обоснованием к этому служит положение, что для ряда материалов разрушение определяется главным образом диапазоном изменений напряжений в то время как постоянная составляющая  не имеет существенного влияния. Диаграмма может быть использована до того, как , достигает . По оси абсцисс откладываются значения средних напряжений цикла

,

 по оси ординат — напряжения σ_max и σ_min. Под углом 45° к оси абсцисс проводится прямая. Величины амплитуд

откладываются симметрично относительно этой прямой.

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

В большинстве случаев пользуются участком диаграммы с напряжениями, не превышающими предела текучести σ_T. Из точки D с координатами σ_T проводят горизонтальную прямую до пересечения с прямой АК в точке N. Эту точку проецируют на прямую А'К. в точке М. Ломаная линия ANDMA' выражает схематизированную диаграмму усталости в пределах упругих деформаций. Отрезок ВС выражает значение предела выносливости при пульсирующем цикле σ₀; отрезок OB= σ₀/2.

Проведем из точки 0 прямую под произвольным углом а к оси абсцисс, тогда

По этому отношению для заданного цикла r определяют tgα. Точка Р определяет значение предела выносливости при заданном цикле нагружения.

В машиностроении нередко для определения пределов выносливости сварных соединений при цикле r поступают следующим образом. Экспериментальным путем определяют предел выносливости σ_-1 при цикле  стандартного образца. Определяют предел выносливости при том же цикле проектируемого сварного соединения σ_{-1 св} Находят отношение η= σ_-1/ σ_{-1 св}. Перестраивают диаграмму Смита в масштабе η, и по ней определяют предел выносливости для любого цикла r, пользуясь формулой (6.1).

На Рис. 6.5 показана полная диаграмма зависимости σ_max и σ_min от среднего напряжения σ_m в области растягивающих и сжимающих напряжений. С ростом средних сжимающих напряжений амплитуда разрушающих напряжений растет, пределом роста является предел текучести при сжатии σ_Т^СЖ.

Отношение предела выносливости и предела текучести при испытании стандартных гладких образцов из низкоуглеродистых сталей на изгиб в условиях симметричного цикла равно

. Для низколегированных конструкционных сталей отношение  меньше, чем для низкоуглеродистых.

Обычно при повышении температуры пределы выносливости сталей понижаются. В агрессивных средах предел выносливости значительно уменьшается. Прочность деталей конструкций при переменных нагрузках зависит от концентрации напряжении.

1.4. Коэффициенты концентрации и их влияние на усталостную прочность

Эффективным коэффициентом концентрации напряжений К_Э называется отношение предела выносливости гладкого образца к пределу выносливости образца при наличии концентратора; К_Э >1; причем, чем ближе К_Э к единице, тем лучше работает изделие. У хрупких материалов эффективный коэффициент концентрации К_Э 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 К_Э  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. 6.1

Табл. 6.1 Пределы выносливости сталей σ_-1, МПа

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.

1.5. 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.

1.6. 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 Ошибка! Источник ссылки не найден. 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/σ_{В СВ} и σ_-1/σ_В.

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. 6.6 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 Ошибка! Источник ссылки не найден. показано изменение пределов

выносливости сталей и алюминиевых сплавов в зависимости от глубины непровара.

Рис. 6.7 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 (Ошибка! Источник ссылки не найден.).

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. 6.86.9 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 Ошибка! Источник ссылки не найден..

Рис. 6.10 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 Ошибка! Источник ссылки не найден., а…в. Для сравнения на рисунках указаны пределы выносливости. При отсутствии выкружки (Ошибка! Источник ссылки не найден., г) предел выносливости существенно снижается (по сравнению с Ошибка! Источник ссылки не найден. а…в).

Рис. 6.11 Влияние конструкции на усталостную прочность: а) Выкружка в целом элементе полосы; б) Выкружка в приваренном элементе; в) Деконцентратор; г) Швы без обработки.

1.7. Сопротивление усталости сварных соединений, выполненных контактной сваркой

Соединения, выполняемые контактной стыковой сваркой, обладают высокими механическими свойствами не только при статических, но и при переменных нагрузках. При сварке низкоуглеродистых и многих низколегированных сталей соединения имеют предел выносливости, близкий к пределу выносливости основного металла. Большое влияние на усталостную прочность оказывает не только качество провара стыка, а также состояние его поверхности. При грубой обработке поверхности предел выносливости меньше,  при гладкой, особенно полированной— больше.

Усталостная прочность точечных соединений значительно уступает прочности стыковых. Точечные соединения условно рассчитывают по напряжениям среза. Однако их разрушения при работе под переменными нагрузками почти всегда происходят в результате разрывов металла в надточечной или околоточечной зоне. Эти разрушения вызваны концентраторами напряжений. Усталостная прочность точечных соединений в большей степени зависит от того, являются ли они связующими или рабочими, от рода материала и степени его чувствительности к концентраторам напряжений.

Данные экспериментов показывают, что пределы выносливости рабочих точек намного ниже, чем связующих, что наименее чувствительны к концентраторам точечные соединения из низкоуглеродистых сталей, более чувствительны соединения из аустенитной стали 12Х18Н10Т и из стали 30ХГСА после закалки и низкого отпуска.

Усталостная прочность в сильной степени зависит от конструкции соединения. Чем больше шаг между точками в ряду, направленном перпендикулярно действующей силе, тем выше концентрация напряжений и ниже усталостная прочность. В соединениях с двусрезными точками усталостная прочность повышается более чем в два раза по сравнению с односрезными. Качество сварных точек, особенно рабочих, также влияет на усталостную прочность. Внутренние трещины в точке оказывают небольшое влияние на значение разрушающей нагрузки; нагруженные же трещины могут снизить ее в три раза и более. При знакопеременных нагружениях предел выносливости в несколько раз меньше, чем при знакопостоянных.

Усталостная прочность соединений, выполненных шовной сваркой, ниже стыковой, но выше, чем при точечной, так как соединения обеспечивают более равномерный силовой поток.

1.8. Влияние термообработки и остаточных напряжений на сопротивления усталости сварных соединений

При сварке элементов больших толщин термическая обработка, особенно в сочетании со снятием усиления, приводит к заметному повышению усталостной прочности. При высокой концентрации напряжений в ряде случаев термическая обработка не эффективна и даже снижает прочность при переменных нагрузках. В некоторых случаях основной металл при переменных нагрузках приобретает пониженную прочность в зоне отпуска. Аналогичное понижение предела выносливости в зоне отпуска наблюдается в сварных соединениях термически обработанных цветных сплавов (алюминиевые, магниевые и др.).

Отпуск при температуре 650 °С, устраняющий остаточные напряжения, вызванные сваркой, как правило, не повышает усталостную прочность низколегированных сталей. Это объясняется тем, что отпуск не только устраняет остаточные напряжения, но и изменяет до некоторой степени механические свойства металла — снижает предел текучести. При нагружениях в условиях симметричного цикла отпуск полезен; при r=0 — бесполезен; при r>0 — снижается предел выносливости.

Остаточные напряжения могут понижать несущую способность конструкции, чаще всего не оказывают на нее влияния, а в некоторых случаях даже и повышают ее. Аналитически предел выносливости образца с остаточными напряжениями при r=—1 может быть выражен следующей формулой:

                                                     (5.3)

Рекомендация для Вас - 87 Открытия в физике.

Где σ_-1— предел выносливости при симметричном цикле в отсутствие остаточных напряжений; σ_ост — остаточные растягивающие напряжения в зоне возможного разрушения; σ_в— предел прочности материала.

При сжимающих σ_ост предел прочности σ_-1^ост повышается.

Благоприятные остаточные напряжения сжатия можно создать местной пластической деформацией. С этой целью сварные соединения иногда подвергают поверхностной механической обработке: прокатке роликами или, что является более простым и удобным, обдувкой дробью, обработке пневматическим молотком или пучком проволок ударными методами. При этом в поверхностных слоях металла происходит пластическая деформация, которая вызывает наклеп металла, сопровождающийся повышением σ_т, и, кроме того, образуются остаточные напряжения сжатия. Чем выше коэффициент концентрации напряжений в сварном соединении, тем более эффективно применение поверхностной обработки швов.

Эффект повышения предела выносливости сварных точечных соединений достигается их обжатием ковочным давлением при остывании. Проковка повышает сопротивляемость усталостным разрушениям в 1,4…2,0 раза, а при обработке специальным инструментом и скоростной проковке — в большей степени.

Существует способ повышения усталостной прочности сварных соединений обжатием посредством взрыва. Вдоль швов укладывают трубки со взрывчатым веществом. В результате действия взрывной волны усталостная прочность повышается. Значительное повышение усталостной прочности может быть получено в результате обработки соединений ультразвуковым инструментом

Выносливость сварных соединений может быть увеличена предварительным их нагружением при одновременном устранении вредных растягивающих остаточных напряжений в зоне концентраторов. Иногда считают полезным создание предварительных напряжений в тонкостенных конструкциях и подвержение их вибрации. При этом остаточные растягивающие напряжения уменьшаются на несколько десятков процентов, а сопротивление усталостным нагрузкам повышается.