Skorygowana wytrzymałość zmęczeniowa σ e lub τ e połączenia gwintowanego jest wyznaczana dla wybranego typu, projektu, materiału i obciążenia połączenia z poniższego wzoru:
σ e = σ' e k a k b k c k d k e k f [MPa, psi]
gdzie:
|
σ' e |
podstawowa wytrzymałość zmęczeniowa próbki testowej z wybranego materiału [MPa, psi]. |
|
|
k a |
współczynnik powierzchni [-]. |
|
|
k b |
współczynnik wielkości [-]. |
|
|
k c |
współczynnik niezawodności [-]. |
|
|
k d |
współczynnik temperatury eksploatacji [-]. |
|
|
k e |
zmodyfikowany współczynnik spiętrzenia naprężeń [-]. |
|
|
k f |
współczynnik różnych wpływów [-]. |
1. Podstawowa wytrzymałość zmęczeniowa σ' e
Jeśli nie masz dostępnych wyników testów materiałowych dla wybranego połączenia spawanego i nie znasz dokładnej wartości podstawowej granicy wytrzymałości, możesz tę wartość oszacować. Obliczenia projektują podstawową granicę wytrzymałości, stosując następujące wzory empiryczne:
σ' e ≈ 0.5 S U - dla odwróconego zginania
σ' e ≈ 0.4 S U - dla odwróconej przyczepności - nacisku
σ' e ≈ 0.28 S U - dla odwróconego skrętu (ścięcia)
|
S u |
wytrzymałość na rozciąganie [MPa, psi] |
2. Współczynnik wielkości k a
Aby opisać zależność granicy wytrzymałości od jakości powierzchni, wytrzymałość na zmęczenie części obciążonej dynamicznie wzrasta ze wzrostem jakości powierzchni. Ten wpływ jest bardzo charakterystyczny dla materiałów wysokiej jakości. Użyj doświadczalnych krzywych, aby opisać wpływ jakości powierzchni na granicę wytrzymałości zgodnie z wytrzymałością materiału i dla różnie obrobionych powierzchni.
Następująca krzywa dla połączeń standardowej jakości jest używana do określania współczynnika ka.
3. Współczynnik wielkości k b
Wielkość połączenia nie ma wpływu na wytrzymałość zmęczeniową przy złączach obciążonych zmienną trakcją - nacisk. Zatem współczynnik wielkości dla tego typu obciążenia wynosi k b = 1.
Gdy połączenie jest obciążone zmiennym zginaniem lub skręcaniem (ścinanie), wielkość połączenia może istotnie wpłynąć na wytrzymałość zmęczeniową. Wytrzymałość maleje, gdy wymiary połączenia rosną.
Określenie dokładnej relacji wielkości spoiny do wytrzymałości zmęczeniowej połączenia może być tylko wykonane przez skomplikowany test na zmęczenie określonego połączenia spawanego. Jest to praktycznie niemożliwe. Zatem została opracowana szczegółowo uproszczona teoretyczna procedura. Procedura bierze początek z eksperymentalnych testów zmęczeniowych wykonywanych na gładkich drążkach o różnych średnicach. Procedura ta szacuje przybliżoną wielkość współczynnika k b zgodnie z teorią, że odpowiadająca wirtualna średnica porównawcza drążka próbnego, może być przypisana określonej sekcji spoiny.
Poniżej znajdują się wzory obliczeń dla określenia współczynnika k b .
|
|
- jednostki angielskie |
|
|
- jednostki metryczne |
gdzie muszą być podane:
k b ≥ 0.6
k b = 1 dla
gdzie wzór jest używany do obliczania wirtualnej średnicy porównawczej:
4. Współczynnik niezawodności k c
Ten współczynnik wyraża wpływ wymaganej niezawodności połączenia w eksploatacji do wartości wytrzymałości zmęczeniowej. Wartość współczynnika mieści się w przedziale <0.5 ... 1> i współczynnik ten zmniejsza się, gdy wymagania niezawodności rosną. Wartość k c = 1 odpowiada 50% niezawodności, czyli prawdopodobieństwo awarii połączenia spawanego, obciążonego określonym obciążeniem, wynosi 50%.
W praktyce wartość 95% niezawodności części mechanicznych jest zwyczajna. Jeśli połączenie zawiedzie, może zagrażać życiu ludzi lub spowodować znaczące straty finansowe, dlatego też połączenie spawane musi być zaprojektowane z większą niezawodnością.
5. Współczynnik temperatury eksploatacji k d
Wpływ temperatury eksploatacji na granicę wytrzymałości znacznie zależy od właściwości użytego materiału. Powszechnie stosowane stale konstrukcyjne pracujące w przybliżonym zakresie temperatur od -20 do 200°C nie mają granicy wytrzymałości zależnej od temperatury i może być używany współczynnik k d = 1.
Projekt, który rozważa uszkodzenie zmęczeniowe w wysokich temperaturach, jest bardzo złożonym problemem, ponieważ zasadniczo występuje wzajemne oddziaływanie pełzania, zmęczenia i niestabilności metalurgicznych. Teoretyczne rozważania dotyczące tego problemu nie są zupełne i zadowalające. Użyj wyników testów doświadczalnych dla prawidłowego określenia współczynnika k d .
6. Zmodyfikowany współczynnik koncentracji k e
Wysoka koncentracja lokalnych naprężeń bierze początek w połączeniu, gdy połączenie spawane jest zmiennie obciążone z powodu efektu garbów w spoinie. Te koncentracje znacznie zmniejszają wytrzymałość zmęczeniową połączenia. Zmodyfikowany współczynnik koncentracji naprężeń jest wyznaczany ze wzoru k e = 1/K, gdzie współczynnik zredukowanej wytrzymałości zmęczeniowej K zależy od typu, kształtu, projektu, jakości i obciążenia połączenia spawanego. Oto następujące zalecane wartości współczynnika koncentracji naprężeń dla wybranych typów spoin i obciążenia spoin.
|
Typ spoiny, metoda obciążenia |
K |
|
Spoina stykowa czołowa obciążona zginaniem i trakcją - nacisk |
1.2 |
|
Spoina stykowa czołowa obciążona skręcaniem (ścinanie) |
1.8 |
|
T-złącze z obustronną spoiną stykową |
2.0 |
|
Spoina kątowa z obciążeniem prostopadłym |
1.5 |
|
Spoina kątowa z obciążeniem równoległym do spoiny |
2.7 |
Kiedy zwrócimy uwagę na wzbudzanie koncentracji naprężeń lokalnych, najbardziej niebezpieczne części połączenia spawanego są przenoszone między spoiną i materiałem podstawowym. Z tego powodu, należy używać właściwych konstrukcji połączeń spawanych i dokładnie obrobić powierzchnie przejścia, jeśli połączenia spawane są zmiennie obciążone. Nieprawidłowo wykonany początek spoiny stykowej lub niepożądana przerwa na początku spoiny kątowej ma bardzo negatywny wpływ na trwałość spoiny. Należy rozważyć jakość projektu spoiny, po ustawieniu współczynnika wielkości koncentracji naprężeń.
7. Współczynnik różnych wpływów k f
Wszystkie inne czynniki, które mogą zmniejszyć lub zwiększyć wytrzymałość zmęczeniową połączenia spawanego (na przykład wpływ korozji) są objęte tym współczynnikiem.