Исследование сопротивления усталости

Наиболее надежным источником информации об уста­лостных характеристиках элементов конструкций является эксперимент. Экспериментальные исследования сопро­тивления усталости проводят путем испытания образцов и моделей, на которых воспроизводят конфигурацию и свойства исследуемых натурных узлов (рис. 10.4). Образ­цы испытывают при циклическом нагружении на универ­сальных пульсаторах или специальных испытательных установках с усилием от 50 до 1000 кН и более.

Серия состоит из 6-20 образцов. При типовых испыта­ниях все образцы серии испытывают при одинаковом ко­эффициенте асимметрии цикла (К), при разных значениях максимального напряжения ( ).Каждый образец под­вергают циклическому нагружению до появления устало­стной трещины размером 5-20 мм или полного разрушения. Результаты испытаний наносят на график в логариф­мических координатах (см. рис. 10.2, б) и методами мате-

матической статистики вычисляют параметры средней ли­нии, соответствующей наклонному участку усталостной кривой, коэффициент корреляции и ширину полосы разброса.

Обширные экспериментальные исследования сопротив­ления усталости элементов сварных конструкций, выполненные в лабораториях России и зарубежных стран, позво­лили установить расчетные значения усталостных харак­теристик ряда типовых сварных узлов, которые вошли в нормативные документы, и сформулировать следующие общие положения:

а) значения пределов выносливости сварных узлов в об­ласти многоцикловой усталости существенно зависят от концентрации напряжений, связанной с конфи­гурацией и размерами узла;

б) значения пределов выносливости сварных узлов име­ют большие разбросы, так как зависят от конструктивно­технологических параметров сварных соединений, т. е. от технологии и качества изготовления;

в) значения пределов выносливости для сварных узлов с высоким уровнем концентрации напряжений и остаточ­ных напряжений, полученные на базе циклов, не зависят от марки и временного сопротивления стали;

г) образцы больших размеров имеют в среднем мень­шие значение предела выносливости, чем малые образцы той же конфигурации (масштабный эффект);

д) усталостные кривые для узлов с большими значени­ями отношения имеют меньший наклон (угол ) и соответственно большее значение показателя степени уста­лостной кривой .

Основными конструктивно-технологическими парамет­рами, обуславливающими значение предела выносливости сварного узла, являются:

• концентрация напряжений и местный изгиб тонкостен­ных элементов;

• остаточные сварочные напряжения;

• абсолютные размеры (масштабный фактор).

Характеристикой влияния указанных факторов являет­ся эффективный коэффициент концентрации напряжений

(10.2)

который показывает, во сколько раз предел выносливости ( ) элемента с тем или иным концентратором при сим­метричном цикле нагружения на базе циклов меньше аналогичного предела выносливости гладкого про­катного листа из той же стали

Концентрация напряжений — это местное повышение напряжений в области изменения геометрии детали вдоль линии действия напряжений. Источниками концентрации напряжений являются отверстия, галтели, вырезы, свар­ные и болтовые соединения и пр. Повышение напряжений в области концентрации характеризуют теоретическим коэффициентом концентрации , равным отно­шению максимальных напряжений к номинальным напряжениям , действующим в сечении с концентрато­ром. Эта величина зависит только от конфигурации и от­носительных размеров узла.

Местный изгиб, характерный для тонкостенных конст­рукций, возникает при продольном нагружении листовых элементов, искривленных в результате сварочных пово­док, неточности сборки сварных соединений, нецентраль­ного приложения продольных нагрузок и пр. (рис. 10.5).

Рис. 10.5. Примеры искаже­ния формы элементов конст­рукции от сварочных дефор­маций

Остаточные напряжения возникают в результате ло­кальных тепловых или механических воздействий на де­таль, сопровождающихся пластическими деформациями. Остаточные напряжения создают сварка, механическая или термическая резка, правка, посадки с натягом и пр.

Наиболее существенно поле остаточных сварочных напряже­ний, так как оно накладывается на область концентрации напря­жений, создаваемую соединени­ем. Это поле многоосно и отли­чается большим разбросом зна­чений. Продольные остаточные напряжения в длинном шве до­стигают предела текучести, по­перечные — на 30-50 % меньше. Остаточные напряжения снижают пределы выносливо­сти сварных соединений при симметричном цикле (R= -1) на 15-20 %. При более высоких значениях коэффициента асимметрии цикла влияние этого фактора падает.

Абсолютные размеры поперечных сечений влияют на гео­метрию и технологию изготовления сварного узла. Это при­водит к увеличению уровня концентрации напряжений и остаточных напряжений в узлах большего размера. Кро­ме того, проявляется статистический аспект масштабного эффекта, который упрощенно можно свести к более или менее очевидному утверждению: чем больше размеры по­перечного сечения элемента, тем больше вероятность по­явления в нем дефектного участка. Влияние масштабного фактора на пределы выносливости приближенно можно описать зависимостью

Где предел выносливости сварногоузластолщиной элементов tпри симметричном цикле на базе N_Q- - 2 • 10⁶ циклов.