Концентрация напряжений

Рисунок 11.5 – Распределение напряжений при растяжении в поперечных сечениях пластины с отверстием и без него

Эффективные коэффициенты концентрации напряжений имеют ме-ньшие значения, чем коэффициенты концентрации α_σ, которые определя-ются теоретически при условии упругого распределения напряжений. Ко-личественно оценить указанное различие коэффициентов К_σ и α_σ можно введением коэффициента чувствительности материала к концентрации напряжений q_σ [25]:

q_σ (11.19)

Величину К (К_σ, К_τ) определяют по графикам или берут из таблицы 11.4 [25]. Зная коэффициенты чувствительности q_σ, для которых в спра-вочной литературе есть соответствующие графики (рис.11.6)[8] , можно по α_σ вычислить значение эффективных коэффициентов концентрации:

К_σ = 1+ q_σ (α_σ – 1) . (11.20)

Таблица 11.4 Эфффективные коэффициенты концентрации

напряжений для стальных валов с галтелями

Для материала, не чувствительного к концентрации напряжений, то есть при q_σ = 0, коэффициент К_σ = 1. При q_σ = 1 коэффициент К_σ = α_σ и

материал имеет полную чувствительность к концентрации напряжений.

Из графика (рис.11.6) видно, что чувствительность материала к кон-центрации напряжений зависит, прежде всего, от его свойств. При этом, чем выше прочность стали, тем выше ее чувствительность к концентрации напряжений. Поэтому применение высокопрочных сталей при переменных напряжениях не всегда является целесообразным.

Рисунок 11.6 – Чувствительность материала к концентрации напряжений

Концентрация напряжений сварных соединений определяется их ви- дом, условиями нагружения, геометрическими параметрами швов и меха-нической неоднородностью.

При переменных нагрузках трещины в сварных соединениях, прежде всего, возникают в местах концентрации напряжений, которая определя-ется как конструктивным оформлением соединения (типом соединения), так и технологией его выполнения (методом сварки), наличием и характе-ром технологических отклонений. В сварных соединениях усталостные трещины чаще всего зарождаются от поверхности по линии сплавления шва с основным металлом. Наиболее низкую концентрацию напряжений имеют стыковые соединения. Формирование зоны повышенных напряже-ний обусловлено очертанием швов.

На рисунке 11.7[8] показана зависимость теоретического коэффи-циента концентрации напряжений от отношения b/R, где 2 b – ширина

шва, R – радиус перехода.

Рисунок 11.7 – Зависимость коэффициента концентрации напряжений

_ф от параметров стыкового шва

Наибольшая концентрация напряжений обычно имеет место со сто-роны усиления. При этом наличие неснятого усиления имеет значительно большее влияние на предел выносливости, чем наличие пор в этом метал-ле. Это объясняется тем, что для сферических пор, не выходящих на по-верхность металла, коэффициент концентрации напряжений α_σ = 2,05, тогда как значение α_ф в зоне перехода от основного металла к усилению шва или проплава может быть существенным образом выше.

Степень влияния концентрации напряжений на выносливость конс-труктивного элемента оказывается разным в случае, если концентратор на-ходится в основном металле или в зоне сварного соединения (табл.11.5)[8].

Таблица 11.5 – Результаты испытаний образцов из стали М16с

Сдвиг кромок стыкового соединения вызывает значительное повы -шение концентрации напряжений в зоне соединения шва с основным ме -таллом (рис.11.8) [8].

R = 0,1, база испытаний N = 2 10⁶ циклов;

- Амг 6, ручная аргонодуговая сварка с подваркой корня шва,

толщина образца δ = 10 мм;

- такое же, δ = 10 мм;

- Амг 6, автоматическая сварка на подкладке;

- сталь Ст.3, δ =10мм, электрод УОНИИ -13/45

Рисунок 11.8 – Влияние смещения кромок на предел выносливости

стыковых соединений

Сравнение пределов выносливости образцов, сваренных со сдвигом кромок, с образцами, сваренными без сдвига кромок, свидетельствует о су-щественном снижении усталостной прочности в результате расхождения плоскостей соединенных элементов. Из этой же стали испытанию подвер-гались плоские образцы без свар ных швов с выточками разной глубины и остроты. Полученные зависимости пределов выносливости от коэффици-ента α_σ показали, что расхождение между пределами выносливости плас-тин с выточками и сварных образцов возрастает по мере увеличения коэф-фициента α_σ (рис.11.9)[8].

1 – пластины с выточкой; 2 – сварные соединения

Рисунок 11.9 – Зависимость пределов выносливости от теоретического

коэффициента концентрации напряжений

Таким образом, для соединений, выполненных дуговой сваркой, сни-жение сопротивления усталостному разрушению происходит не только в результате концентрации напряжений, но и под влиянием других факто-ров, обусловленных образованием сварного соединения, например неод-нородности механических свойств и остаточных напряжений.