ного суммирования повреждений, равных отношению чисел циклов нагружения на заданном режиме эксплуатации к предельному числу циклов для эксплуатационных нагрузок рассматриваемого режима.

Запасы и по уравнению (43) принимают в зависимости от типа и ответственности конструкций, устойчивости механических и конструктивных форм. Для сварных конструкций, применяемых в строительстве, энергетическом и химическом машиностроении, в судостроении эти запасы нужно выбирать соответственно не ниже 5-20 и 1,5-2.

В тех случаях, когда по соображениям безопасности и экономичности допускается эксплуатация сварных конструкций с трещинами малоциклового разрушения, размеры которых превышают размеры дефектов по техническим требованиям дефектоскопического контроля, в качестве предельного в уравнении (43) используют разрушающее число циклов

Nf = Na + Np, (46)

где iVc - число циклов до образования трещины; Np - число циклов развития трещины до допустимых размеров. Число циклов Nр, как указывалось выше, определяется интегрированием уравнений (30)-(32) в пределах размеров трещин от начальных /о до допускаемых При этом допускаемые размеры трещин 1 должны быть меньше критических по условиям хрупкого разрушения.

СОПРОТИВЛЕНИЕ УСТАЛОСТИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПРИ МНОГОЦИКЛОВОМ НАГРУЖЕНИИ

ФОРМА КРИВЫХ УСТАЛОСТИ

Сварные элементы мостов, вагонов, тепловозов, кранов, подкрановых балок, экскаваторов, сельскохозяйственных и дорожных машин, цементных печей, антен-но-мачтовых сооружений и многих других конструкций за срок своей службы могут

4 кгс/мм

Z 3 6 810 Z 3 4 6 8 Ю 2 3 4 6 8 N

Рис. 12. Кривые усталости сварных соединений на базе 100 млн, циклов; соединения:

/ - нахлесточное с фланговыми швами; 2 - стыковое

испытывать число перемен напряжений, исчисляемое миллионами. При проверке на усталость таких конструкций в основе расчетных сопротивлений должны лежать пределы выносливости соединений, т. е. напряжения, отвечающие горизонтальному участку соответствующей кривой усталости (рис, 12), Когда сварной эле-

мент или конструкцию рассчитывают на заданную долговечность в пределах 10 - 2 X 10** циклов, за предельные напряжения принимают ограниченные пределы выносливости - напряжения, соответствующие на кривой усталости заданному числу циклов.

При графическом изображении в логарифмических (Iga, Ig Л) или полулогарифмических координатах (о, Ig N) кривые усталости сварных соединений могут быть представлены в виде двух прямых: одной - круто падающей и другой - горизонтальной. После перелома происходит некоторое дальнейшее понижение долговечности с возрастанием числа циклов, но для практических целей им обычно пренебрегают. В качестве примера на рис. 12 приведены кривые усталости сварных образцов сечением 200 х 26 мм со стыковыми и с фланговыми швами. Испытания соединений проводились на базе 100 млн. циклов [17],

В зависимости от принимаемого критерия завершения испытаний наклонные участки кривых и места переломов заметно смещаются. Когда критерием завершения испытаний крупногабаритных сварных образцов служит начальная стадия развития усталостной трещины, перелом кривых обычно наблюдается в интервале 1,5-4 млн. циклов и в первом приближении можно полагать, что его положение не зависит от вида соединения и типа образца. Установлено также, что базе 2 -10 циклов соответствует менее 20% точек перелома кривых усталости, в то время как базе 5 млн. циклов - около 99,9% [17].

В наибольшей мере экспериментальным данным отвечает экспоненциальное уравнение кривой усталости с числом циклов в показателе экспоненты

а = о+

или Ino -Ino:

(47)

где о - действующее напряжение; о г - предел выносливости; Bwm - параметры кривой усталости.

После замены переменных 1п а на х и ту--в на у уравнение приводится

к линейному виду

N + B

Это уравнение так же, как и уравнение (15), можно использовать для получения значений пределов выносливости (путем экстраполяции результатов испытаний сварных соединений), отвечающих области ограниченной долговечности.

В некоторых случаях кривые усталости получают по результатам испытания сварных образцов до полного излома. Сопоставления их с кривыми усталости, полученными по критерию образования трещины или начальной стадии ее развития, показывают, что от момента возникновения трещины до полного излома сварные соединения могут выдерживать значительное число перемен нагрузок. При низких напряжениях для полного развития усталостной трещины может потребоваться несколько миллионов циклов. Иногда это может быть использовано для продления срока эксплуатации конструкции и установления ее расчетной живучести в области ограниченной долговечности. Однако для большинства упомянутых выше металлоконструкций усталостные повреждения, отвечающие начальной стадии образования трещин, имеют решающее значение, так как после достижения этими трещинами определенных критических размеров возможен переход усталостного разрушения к внезапному хрупкому при низких номинальных напряжениях.

В сварных элементах мостов, грузоподъемных, транспортных и дорожных машинах, подвижном составе железных дорог усталостные повреждения вызываются сравнительно невысокими переменными напряжениями. В то же время эти машины и конструкции могут эксплуатироваться при низких климатических температурах, а также испытывать небольшие ударные импульсы случайного харак-

тера или же вполне закономерные (например, железнодорожные вагоны или экскаваторы). При таких условиях и толщинах металла 20i-30 мм и более резкое падение разрушающих напряжений может наблюдаться при глубине усталостной трещины 3,5-4,5 мм [17]. В этой связи рассматриваемые конструкции нужно рассчитывать на усталость по критерию зарождения усталостной трещины или начальной стадии ее развития.

СОПРОТИВЛЕНИЕ СОЕДИНЕНИЙ ЗАРОЖДЕНИЮ УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН

Сопротивление сварных соединений зарождению усталостных трещин определяется следующими основными факторами: концентрацией напряжений, создаваемой формой соединения, остаточной напряженностью в зонах концентрации, дефектностью швов, режимом действующих переменных нагрузок - числом перемен напряжений, их размахом, изменчивостью во времени и частотой. Другие факторы (механические свойства и химический состав стали, неоднородность свойств околошовной зоны, способ дуговой сварки, тип электродов, конфигурация разделки стыкуемых кромок) оказывают меньшее влияние на стадию образования усталостного повреждения, особенно при напряжениях, близких к пределу выносливости.

В качественных соединениях, не обрабатываемых после сварки, усталостные трещины, как правило, зарождаются в зонах концентрации напряжений. Наиболее низкую выносливость имеют нахлесточные соединения с фланговыми швами. В таких соединениях напряжения распределяются неравномерно по длине шва. Наиболее высокая концентрация напряжения создается по концам шва. В этих местах обычно и появляются усталостные трещины.

Обварка по контуру приводит к более равномерному распределению силового потока в нахлесточном соединении. Концентрация напряжений снижается. Вместе с тем добавление лобового шва может увеличить остаточную напряженность соединения. Тем не менее сопротивление усталости несколько возрастает. В таких соединениях усталостные трещины обычно зарождаются по линии сплавления лобового шва.

В различных соединительных швах трещины усталости могут возникать в наплавленном металле. При дальнейшем развитии они переходят на основной металл. Наименьшую концентрацию напряжений создают стыковые соединения. Такие соединения имеют наибольшую выносливость. Усталостные трещины в стыковых швах наиболее часто появляются по линиям сплавления. В тех случаях, когда могут влиять остаточные напряжения, трещины зарождаются по линии сплавления в зонах высоких растягивающих остаточных напряжений - по середине шва или (если приваривались выводные планки) по концам шва.

Даже весьма качественные стыковые и угловые швы всегда имеют небольшие неровности, наплывы, подрезы и i. д. Эти незначительные изменения профиля шва, усиливая концентрацию напряжений в отдельных точках, могут вызвать преждевременное зарождение усталостной трещины. В то же время такие изъяны шва трудно воспроизвести или учесть при экспериментальном или расчетном определении коэффициентов концентрации напряжений сварных соединений. Для одних и тех же соединений в различных исследованиях получены различающиеся Л1ячения [17, 20]. Концентрация напряжений нахлесточных соединений г флангогыми швами, в зависимости от соотношений геометрических параметров LoeflHHeHHii, характеризуется значениями сСд = 1,8 -i- 3,2. Для соединений с лобовыми ШЕми = 3 - 4 и более. В то же время по данным аналитических исследований IcKHUCKOro университета коэффициенты концентрации таких соединений, относящиеся к упругой области напряжений, не превышают 1,32. С приведенными результагаь:и согласуются коэффициенты концентрации, полученные в Институте 8лектросвар1.и им, Е, О, Патона АН УССР применительно к качественным соеди-

нениям и наиболее распространенным геометрическим параметрам швов и соединений:

Типы соединений

Стыковые ...............

Прикрепления

фасовок встык ...........

ребер жесткости, диафрагм и т. п.

элементов .............

Нахлесточные

с обваркой по контуру ......

с фланговыми швами.......

% 1,3 1,4 1,6

В местах изменения сечения концентрируются не только напряжения от внешних нагрузок, но и сварочные остаточные напряжения, возникшие в процессе образования швов. Остаточные напряжения, изменяя асимметрию цикла, при определенных условиях могут существенно влиять на сопротивле- у,кгс/мм ние усталости сварных соедине-НИИ. Степень их влияния зависит от асимметрии цикла, вида соединения и характера передачи силового потока. Наибольшее падение выносливости сварных соединений под действием растягивающих остаточных напряжений наблюдается при симметричном цикле напряжений. В некоторых случаях под влиянием этого фактора предел выносливости может снизиться до 35- 50%.

С ростом асимметрии цикла влияние остаточных напряжений на предел выносливости заметно снижается. Если стыковые и нахлесточные соединения, участвующие в передаче основного силового потока, изменяют пределы выносливости под действием растягивающих остаточных напряжений только при знакопеременных нагрузках, то в местах прикрепления конструктивных элементов (ребер, проушин, диафрагм, фасонок и т. п.) растягивающие остаточные напряжения могут проявить свое влияние и в области однозначных переменных напряжений.

Остаточная напряженность заметно изменяет характер зависимости пределов выносливости от асимметрии цикла переменных напряжений. Диаграммы предельных напряжений для основных видов сварных соединений с максимальными остаточными напряжениями показаны на рис. 13. Эти диаграммы относятся к низкоуглеродистым сталям с пределом текучести 24-25 кгс/мм. Они получены по данным усталостных испьпаний сварных образцов сечением 200 X 26 мм при различной асимметрии цикла. База испытаний составляла 10 циклов. Верхние у част-

кгс/мм

Рис. 13. Диаграммы предельных напряжений сварных соединений низкоуглеродистых сталей:

/ - стыковые соединения; 2 - прикрепления фасонок встык; 3 - пересекающиеся швы; 4 - прикрепления ребер жесткости; 5 - нахлесточные соединения с обваркой по контуру; 6 - нахлесточные соединения с фланговыми швамп

ки ветвей диаграмм 1-6 отсечены допускаемым уровнем напряжений по условиям статического нагружения. Ветви диаграмм предельных напряжений практически параллельны.

0,3 0,5

-IS -5 0 5 15 15 35 45 в ,кгс/мм

Рис. 14. Совмещенная диаграмма предельных напряжений стыковых соединений низкоуглеродистых сталей (ф, 0 24 25 кгс/мм2), низколегированных (О, о. = 33 -г--7- 40 кгс/мм) и сталей повышенной прочности (а, От = 60 кгс/мм):

1 - 3 - предельные статические напряжения соответственно низкоуглеродн-стых, низколегированных и высокопрочных сталей; 4 - 6 - области рационального использования соответственно низкоуглеродистой, низколегированной и высокопрочной низколегированной сталей

Аналогичные диаграммы и закономерности получены применительно к сварным соединениям низколегированных сталей. В соответствии с экспериментальными данными [17] пределы выносливости сварных соединений с высокими растягивающими остаточными напряжениями практически не зависят от прочности основного материала [17]. На совмещенной диаграмме сварному соединению более прочной стали соответствует линия предельных напряжений, относящаяся к менее

Рис. 15. Диаграммы предельных напряжений сварных соединений с дефектами, расположенными в зонах высоких растягивающих остаточных напряжений:

/ - дефектов нет (стыковой шов на стали 09Г2С); 2 - поры в стыковых или угловых швах; 3 - подрезы глубиной 2 - 3,5 мм в стыковых швах; 4 - непровары; 5 и 5 - основные расчетные сопротивления соответственно низкоуглеродистых и низколегированных сталей

-3 -4

прочному материалу, продолженная до заданного уровня предела текучести или предельного статического напряжения (рис. 14).

Дефекты сварных швов существенно снижают сопротивление усталости соединения, особенно в тех случаях, когда они располагаются в зонах высоких растягивающих остаточных напряжений. В то же время вид диаграмм предельных напряжений сохраняется (рис. 15).

Во всех случаях ветви диаграмм предельных напряжений наклонены под углом 45° к оси абсцисс. Это указывает на то, что для рассматриваемых условий предельные амплитуды Од (или размахи напряжений 20д) не зависят от среднего

напряжения цикла о. Поэтому расчет на усталость в многоцикловой области при N > 2-5 млн. циклов может проводиться по размахам напряжений без учета влияния асимметрии цикла. Применительно к необрабатываемым после сварки качественным соединениям допустимые размахи напряжений 20, отвечающие вероятности неразрушения р = 0,95, рекомендуется принимать [17] равными:

.. 2, кгс/мм

Типы соединений: а

Стыковые .......................... 11,6

Прикрепления:

фасонок встык...................... 9,4

ребер жесткости..................... 6,8

Нахлесточные:

с обваркой по контуру................. 5,2

с фланговыми швами.................. 3,6

В последнее время, особенно в США и Англии, расчет сварных соединений все более часто выполняют по размахам напряжений. В частности, такой подход принят в новом британском стандарте BS153 для расчета на усталость сварных соединений мостов и других конструкций. Тем не менее в среднецикловой области (при 10 < 2 10 циклов) отмеченные выше закономерности изменения сопротивления усталости нарушаются и расчет по размахам напряжений в этой области может приводить к заметным погрешностям. Это связано с тем, что с увеличением напряжения от переменных нагрузок в зонах концентрации под влиянием пластических деформаций растягивающие остаточные напрянсения могут изменять не только свою величину, но и знак. Вследствие этого меняются сопротивления усталости сварного соединения и диаграммы предельных напряжений становятся иными. На рис. 16 приведены диаграммы предельных напряжений нахлесточных соединений с фланговыми швами. В среднецикловой области размахи напряжений заметно изменяются в зависимости от асимметрии цикла. С понижением г размахи напряжений возрастают и относительное влияние этой зависимости усиливается с уменьшением Л.

Перестает действовать и другая отмеченная ранее особенность, касающаяся влияния прочности материала. В среднецикловой области сопротивление усталости сварных соединений заметно увеличивается с повышением прочности основного металла. На рис. 17 совмещены диаграммы предельных напряжений при различных числах циклов Л для стыковых соединений сталей различной прочности (сплошной линией показаны диаграммы низкоуглеродистой стали с пределом текучести 24-25 кгс/мм, пунктирными линиями - соответствующие диаграммы низколегированных сталей с пределом текучести 30-40 кгс/мм и штриховой линией - диаграммы сталей с пределом текучести 60 кгс/мм.

Эти диаграммы построены по данным большого числа кривых усталости, полученных [17] при испытании сварных образцов сечением 200 X 26 мм при коэффициентах асимметрии г, равных -1; 0; 4-0,3; +0,5 и +0,75.

Если при симметричном цикле напряжений стыковые соединения из низкоуглеродистых, низколегированных и высокопрочных сталей имеют одинаковые предельные напряжения при соответствующих значениях N (что связано с проявлением остаточных напряжений), то по мере увеличения коэффициента асимметрии цикла г линии предельных напряжений расходятся, выявляя преимущества более прочных сталей. При г = 0,15, например, размах напряжений, отвечающий низколегированной высокопрочной стали, на 22% выше, чем у низкоуглеродистой. То же наблюдается и у соединений других видов (рис, 18),

В среднецикловой области в большей степени, чем в многоцикловой, следут считаться и с влиянием частоты нагружения. С увеличением частоты нагружен,.я возрастают скорость деформации и упрочнение, вследствие чего может повышаться сопротивление усталости сварного соединения. Медленное нагружение заметно снижает долговечность образцов. Наибольшее падение долговечности наблюдается в интервале частот 300-30 циклов/мин [17]. Мосты, краны, подкрановые балки, экскаваторы и многие другие конструкции загружаются с меньшей частотой. Поэтому долговечность сварных соединений таких конструкций при Л/ < 5 млн-