Stosunek naprężeń
Współczynnik amplitudy naprężenia R jest ilorazem minimalnego naprężenia σ_min i maksymalnego naprężenia σ_max w obciążeniu cyklicznym. Określa stan naprężenia średniego: R = -1 oznacza czyste obciążenie przemienne, R = 0 oznacza czyste obciążenie tętniące rozciągające. W spawanych elementach naprężenia własne zwiększają lokalne R i obniżają dopuszczalną wytrzymałość zmęczeniową.
Fizykochemiczny mechanizm działania
Przy obciążeniu drganiowym naprężenie oscyluje okresowo między górną wartością σ_max a dolną wartością σ_min. Stosunek naprężeń R = σ_min / σ_max (z znakiem) opisuje, jak duża jest ta oscylacja wokół naprężenia średniego. Jeśli R jest ujemne, naprężenie zmienia kierunek (rozciąganie-ściskanie). Jeśli R jest równe zero lub dodatnie, naprężenie pozostaje w zakresie rozciągania lub ściskania. Im większe R, tym wyższe naprężenie średnie przy tej samej amplitudzie. To napędza wzrost pęknięć zmęczeniowych, ponieważ wierzchołki pęknięć są mniej odciążane.
Znaczenie metalurgiczne i ryzyko przy spawaniu
Po ostygnięciu spoiny zawierają wysokie własne naprężenia rozciągające, które mogą być bliskie granicy plastyczności. Te naprężenia własne nakładają się na obciążenie eksploatacyjne. W rezultacie lokalny stosunek naprężeń w spoinie przesuwa się znacznie w górę. Nawet jeśli element jest zewnętrznie badany przy R = -1, krytyczny obszar spoiny często oscyluje przy R ≈ 0,3 do 0,5. To znacznie obniża wytrzymałość zmęczeniową. Jeśli rzeczywiste lokalne R jest niedoszacowane, dochodzi do przedwczesnych pęknięć na przejściach spoin, szczególnie w stalach wysokowytrzymałych lub grubych blachach.
Praktyka warsztatowa i wytyczne postępowania
Zawsze określaj stosunek naprężeń na podstawie rzeczywistego przebiegu obciążenia elementu, a nie na podstawie wyidealizowanych założeń. Dla konstrukcji spawanych bez redukcji naprężeń własnych przyjmuj w obliczeniach trwałości co najmniej R = 0,5, nawet jeśli obciążenie zewnętrzne się zmienia. Redukuj lokalne szczyty naprężeń rozciągających przez szlifowanie przejść spoin, kulowanie lub obróbkę TIG. W ten sposób obniżasz naprężenie średnie i efektywne R. W krytycznych częściach mierz naprężenia własne rentgenograficznie lub metodą otworu, aby określić rzeczywiste R.