В предыдущей главе были освещены основные общие закономерности, касающиеся сопротивления усталости металлических материалов и конструктивных элементов. Эти закономерности относятся, в частности, и к сварным соединениям. Ниже перечислены особо важные специфические для сварных соединений факторы, влияющие на сопротивление усталости.


Одним из сильнейших факторов, влияющих на сопротивление усталости соединений, является остаточное напряженное поле в зоне шва. Вследствие резкого температурного перепада, структурных изменений и упругопластического деформирования в зонах сварных соединений возникают значительные остаточные напряжения, величина которых может достигать и даже существенно превышать предел текучести исходного материала.
Роль остаточных напряжений в сопротивлении усталости сварных соединений резко увеличивается с ростом концентрации напряжений. В этих случаях остаточные напряжения могут изменять величину пределов выносливости в несколько раз как в сторону повышения (при благоприятных сжимающих остаточных напряжениях), так и в сторону понижения (при неблагоприятных остаточных напряжениях). Долговечность сварных соединений может изменяться при этом в десятки раз.
Такая высокая эффективность остаточных напряжений для сварных соединений с концентрациями напряжений объясняется следующими причинами: а) остаточные напряжения, подобно напряжениям от внешних силовых воздействий, могут концентрироваться около различных уступов, пор, надрезов и пр.; б) концентрация остаточных напряжений может создавать местный наклеп металла (в опасных зонах концентраторов); наклепанный металл в большей степени реагирует на остаточные напряжения, чем более мягкий и пластичный ненаклепанный металл; в) снятие остаточных напряжений при нагрузке деталей с концентраторами может быть более затруднено, чем для деталей без концентраторов напряжений.
Последнее обстоятельство является особенно существенным. Во многих случаях остаточные напряжения в зонах концентраторов сохраняются без изменений даже после нагружения детали до пределов, близких к пределу выносливости или превышающих его. При выполнении сварных швов с небольшими концентраторами роль остаточных напряжений будет также сравнительно небольшой. Если деталь с доброкачественным швом подвергается механической обработке, то усталостная прочность детали будет определяться в основном качеством наплавленного на шов металла и переходной зоны, а влияние остаточных напряжений при этом будет тем меньше, чем мягче и пластичнее свариваемый и наплавленный металл. При недостаточно качественной сварке вредные концентрации напряжений могут возникать в зонах разнообразных дефектов сварки как выходящих на поверхность, так и расположенных в глубине шва.
Проявление остаточных напряжений в швах будет сильнее при сварке толстых сечений и слабее при сварке тонких сечений. Это объясняется величиной и объемностью остаточных напряжений.
Как правило, остаточные напряжения в зоне сварного шва являются двух- или трехосными с резким градиентом и сложным характером распределения по отдельным направлениям. Механические свойства металла в зоне шва также неоднородны, поэтому и влияние остаточных напряжений на сопротивление усталости будет различным для разных участков зоны шва. Эти обстоятельства весьма затрудняют применение расчетных методов для количественного определения влияния остаточных напряжений на сопротивление усталости сварных соединений.
Только схематично, исходя из общих закономерностей влияния средних (постоянных) напряжений цикла на предельные амплитуды (см. гл. II), можно считать, что остаточные напряжения, подобно средним напряжениям, способны изменять предельные амплитуды по следующей зависимости: σ_а=σ_-1-ψ_σσ₀, где σ_а - предельная амплитуда для сварного соединения с остаточными напряжениями σ₀; σ_-1 - предел выносливости соединения без остаточных напряжений (при симметричном цикле осевого растяжения или изгиба); ψ_σ - коэффициент влияния асимметрии цикла (равный для конструкционных сталей 0,1-0,4).
Применение этой формулы ограничивается (исходя из диаграммы предельных напряжений при асимметричных циклах) соответствующими значениями пределов текучести при растяжении и сжатии (см. гл. II, рис. 8).
Методы устранения или уменьшения неблагоприятного проявления остаточных напряжений в сопротивлении усталости сварных соединений изложены в гл. XIV. Там же приводятся и методы повышения усталостной прочности за счет наведения благоприятных сжимающих остаточных напряжений.
Изучению роли остаточных напряжений в сварных соединениях посвящено значительное количество как зарубежных, так и отечественных исследований [81, 82, 146, 169, 187]. Особенно большой вклад в изучение этой проблемы был внесен трудами советских исследователей (ИЭС им. Патона, МВТУ им. Баумана, ЦНИИТМАШ и др.).