Поведение сварных конструкций при динамических нагрузках

Расчет на усталость производится при действии переменных (или вибрационных) нагрузок, характеризующихся большой повторяемостью (не менее 1000 раз). При этом расчет на выносливость сводится к определению прочности конструкций при действии таких переменных нагрузок. Для проведения расчета на выносливость необходимо знать соответствующее значение предела выносливости. Предел выносливости элемента конструкции - σ_r,k зависит от характеристики цикла изменения нагрузки, от свойств материала и от формы самого элемента. Значение предела выносливости определяется экспериментально. Рассмотрим некоторые общие понятия на примере действия вибрационной нагрузки на различные конструкции машиностроительного типа. В этом случае изменение величины нагрузки, происходящее от воздействия вращающихся частей машин, характеризуется определенной закономерностью, подобно той, которая показана на этом рисунке.

При действии переменной нагрузки разрушение элементов конструкций может произойти при нагружениях, меньших предела текучести. При этом наибольшая величина напряжений переменной нагрузки, вызывающей разрушение (σmax) будет зависеть от количества циклов нагрузки. Зависимость величины разрушающих напряжений от количества циклов выражается кривой линией, называемой кривой Веллера, показанная на рисунке справа. Эта зависимость показывает, что при некотором предельном значении напряжений разрушение не будет происходить даже при весьма большом количестве циклов. Это напряжение, определяемое для некоторого заданного количества циклов (называемого базой испытания), называется пределом выносливости (или пределом усталости).

Для стальных образцов база испытания принимается равной N = 10⁷. Для образцов из алюминия она значительно больше и равна N = 5*10⁷. Такое большое значение базы испытания целесообразно для деталей конструкций машиностроительного типа, которые в процессе своей работы могут подвергаться воздействию весьма большого количества циклов переменной нагрузки. Для металлических конструкций многих других отраслей промышленности и строительства количество циклов переменной нагрузки может быть значительно меньшим. Так, например, считают, что для корпусных судовых конструкций количество циклов переменной нагрузки за весь период их службы не превышает N = 10⁶; для мостовых конструкций N = 2*10⁶. Это же значение характерно и для крановых металлических конструкций. В связи с этим для таких конструкций определяют условный предел выносливости при значительно меньшей базе. Обычно в этих случаях принята база N = 2*10⁶.

В зависимости от характеристики цикла r, представляющей собой отношение минимального значения напряжений от вибрационной нагрузки к максимальному их значению , величина предела выносливости σ_mах меняется. Это изменение может быть выражено графиком, показанном на рисунке выше (б).

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

Эффективным коэффициентом концентрации напряжений Кэ называется отношение предела выносливости гладкого образца к пределу выносливости образца при наличии концентратора; Кэ ≥ 1; причем, чем ближе Кэ к единице, тем лучше работает изделие. У хрупких материалов эффективный коэффициент концентрации Кэ близок к теоретическому, у пластичных - он значительно меньше.

Решающее влияние на усталостную прочность оказывает качество технологического процесса. При наличии технологических дефектов (шлаковых включений, пор, окислов, трещин, непроваров и т.д.) 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. Помимо концентраторов напряжений, вызванных непроварами, на понижение усталостной прочности оказывает влияние наличие пор и шлаковых включений. 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 кромок. При сварке тавровых соединений на автоматах под флюсом глубина проплавления больше, чем при других видах сварки. Это обстоятельство улучшает работу соединений, подвергавшихся переменным нагрузкам.

Остаточные напряжения могут быть не только вредными, но и полезными. Если в зоне наибольших растягивающих напряжений от внешних нагрузок создать сжимающие остаточные напряжения, то последние будут способствовать повышению усталостной прочности сварных соединений. 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.

Выносливость сварных соединений может быть увеличена предварительным их нагруженном 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.