книги / Прочность сварных соединений при переменных нагрузках
..pdf
|
Таблица 32. |
Значения параметров С, то н А, для различных сталей |
|
|||
Марка стали, |
2оа, МПа |
ло |
тп |
|
Л |
|
характеристика |
С |
|||||
СтЗ |
|
253,6 |
—1 |
3,96 |
0,73-10~ 13 |
|
<тх = |
255 МПа |
147,2 |
0 |
3,71 |
0,53 Ю -12 |
1,184 |
<тв = |
460 МПа |
136,2 |
0,35 |
4,49 |
0,55 10-13 |
1,050 |
•15ХСНД |
|
281,0 |
—1 |
3,32 |
1,49-10~13 |
— |
ат = |
300 МПа |
135,3 |
0 |
3,50 |
0,81-10-12 |
2,273 |
а„ = |
520 МПа |
148,5 |
0,51 |
3,28 |
3,61 Ю -12 |
2,012 |
14Х2ГМР |
|
282,4 |
- 1 |
2,63 |
3,85-10-12 |
— |
ат = |
540 МПа |
152,0 |
0 |
3,07 |
2,40-10-12 |
1,036 |
<т„ = |
735 МПа |
158,0 |
0,50 |
2,57 |
2,38-10-11 |
1,068 |
марок |
сталей |
различных |
классов |
|||||
прочности: |
низкоуглеродистой |
стали |
||||||
СтЗ (ат = 255 |
МПа, ов = |
460 |
|
МПа), |
||||
низколегированной |
15ХСНД |
|
(от = |
|||||
= 300 |
МПа, |
ов = |
520 |
МПа), |
высоко |
|||
прочной 15Х2ГМР (от = |
540 МПа, ов = |
|||||||
= 735 |
МПа). |
|
|
|
|
|
|
|
Сравнительный |
анализ |
полученных |
||||||
экспериментальных |
результатов |
испы |
таний образцов для значений асиммет
рии цикла 0 ^ Но ^ |
0,52 и На = —1 |
позволил установить |
функциональную |
зависимость скорости |
роста усталост |
ной трещины от размаха КИН и асим
метрии |
цикла |
нагружения в виде |
|||
Ш |
|
= |
С _ / ( Я а + 1 ) ( Д / С ) т _ 1 , ( 5 . 1 1 ) |
||
где С_1 и |
тп-1 — характеристики |
тре- |
|||
щиностойкости материала |
зависимости |
||||
(1.19) |
при |
коэффициенте |
асимметрии |
||
цикла |
На = —1 ; X — постоянная |
ма |
|||
териала. |
|
(5.11) представляет |
со |
||
Зависимость |
|||||
бой трехпараметрическое |
уравнение, в |
||||
котором X характеризует |
чувствитель |
ность материала к асимметрии цикла на стадии развития усталостной трещипы. Для исследованных марок ста лей СтЗ, 15ХСНД и 14Х2ГМР в табл. 32 приведены характеристики трещиностойкости С и тп зависимости Пэриса (1.19) и значения X при различных коэффици ентах асимметрии цикла. Видно, что
при Но = |
—1 и в |
диапазоне На = |
= 0...0151 |
параметр |
тп изменяется не |
значительно, в то время как С может изменяться на два порядка. Значения X вычислены по зависимости (5.11) с ис пользованием соответствующих кине тических диаграмм усталостного раз рушения материала (см. рис. 105— 107). При этом характеристики | и тп—1 определялись из кинетических
диаграмм, построенных по полному раз
маху коэффициента |
интенсивности на |
||||||
пряжений ДК = |
/Гщах — ЛГт т |
И |
имели |
||||
следующие |
значения: |
1 = |
3,96, |
||||
1 = |
0,73 |
10” 13 |
для |
стали |
СтЗ; |
||
тп—1 = |
3,32, |
С 1 = |
1,49 |
10~ 13 |
для |
||
стали |
15ХСНД; |
тп—\ = 2,63, |
С_1 = |
||||
= 3,85 |
10“ 12 для |
стали |
14Х2ГМР. |
Все это позволяет заключить, что в диа пазоне 0 ^ Но ^ 0,51 и при Но =* = — 1 величина X для данного материа
ла может приниматься постоянной. В то же время она изменяется в зависимости от используемого материала.
3.ОСТАТОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ
ИЦИКЛИЧЕСКАЯ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ
Известно [281], что основными фак торами, определяющими усталостную долговечность сварных соединений, яв ляются концентрация напряжений, вы званная формой соединений; наличие зон с различными физико-механиче скими свойствами как следствие терми
ческого цпкла сварки; остаточные сва |
вреждений. Этот подход является до |
|||||||||||||||||||||
рочные |
напряжения, |
вызванные |
тер |
статочно сложным и требует проведения |
||||||||||||||||||
мопластическими |
деформациями, |
воз |
значительного объема |
вычислительных |
||||||||||||||||||
никающими в процессе остывания (см. |
работ |
на |
ЭВМ |
с |
большой |
памятью. |
||||||||||||||||
вторую главу). В отличие от концент |
В работах В. И. Махненко [154, 157] |
|||||||||||||||||||||
рации |
|
напряжений, |
которая |
наряду |
на основе подходов линейной механики |
|||||||||||||||||
с другими указанными факторами су |
разрушения |
установлена |
зависимость |
|||||||||||||||||||
щественно влияет только на стадию за |
для количественного описания влияния |
|||||||||||||||||||||
рождения |
усталостной |
трещины, |
по |
остаточных |
напряжений |
на |
скорость |
|||||||||||||||
следние два фактора определяют также |
роста усталостной трещины |
|
|
|
||||||||||||||||||
стадию ее развития в сварных соедине |
аЦ(Ш = С (АК)т (1 + КГ/АК)\ |
(5.12) |
||||||||||||||||||||
ниях. При этом свойства металла раз |
||||||||||||||||||||||
где 5 — постоянный |
коэффициент, по |
|||||||||||||||||||||
личных |
зон |
соединения |
выражаются |
|||||||||||||||||||
через |
соответствующие им характерис |
данным |
работы |
|
[154], |
|
для |
стали |
||||||||||||||
тики |
циклической трещииостойкости в |
15ХСИД, |
5 = 0,38. |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
уравнениях для скорости роста уста |
В работе [349] при оценке скорости |
|||||||||||||||||||||
лостной трещины. Например, в урав |
роста |
усталостной |
|
трещины |
остаточ |
|||||||||||||||||
нении |
(1.19) это константы С и т соот |
ные напряжения |
предлагается учиты |
|||||||||||||||||||
ветственно для металла шва, металла |
вать па основе зависимости (1.19), сум |
|||||||||||||||||||||
зоны термического влияния или основ |
мируя при определении АК внешние |
|||||||||||||||||||||
ного металла. Следовательно, |
при изу |
переменные и остаточные напряжения. |
||||||||||||||||||||
чении |
|
закономерностей сопротивления |
В работе [3] указано на ограничения, |
|||||||||||||||||||
сварных |
соединений |
развитию |
уста |
которые имеют место при использова |
||||||||||||||||||
лостных трещин особый интерес пред |
нии зависимостей, полученных в [154, |
|||||||||||||||||||||
ставляет в этом процессе роль остаточ |
157, 349], и предложена инженерная |
|||||||||||||||||||||
ных сварочных |
напряжений. |
|
|
расчетно-экспериментальная |
методика |
|||||||||||||||||
Влияние остаточных напряжений на |
учета |
влияния остаточных |
сварочных |
|||||||||||||||||||
скорость роста усталостных трещин ис |
напряжений |
на циклическую трещино |
||||||||||||||||||||
следовалось в ряде работ [3, 41, 49, |
стойкость сварных соединений для ли |
|||||||||||||||||||||
101, 154, 157, 206, 207, 271, 272]. В ра |
нейного участка |
ДУР |
и широкого диа |
|||||||||||||||||||
ботах [49, 101, 271, 272] выполнены |
пазона изменения |
АК, |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
экспериментальные исследования |
зако |
Исходным |
соотношением, |
положен |
||||||||||||||||||
номерностей развития усталостных тре |
ным в основу разработанной методи |
|||||||||||||||||||||
щин в полях остаточных напряжений |
ки, служит уравнение для скорости |
|||||||||||||||||||||
растяжения и сжатия, а в работах [3, |
роста усталостной трещины (5.11), по |
|||||||||||||||||||||
41, 154, 157, 207] рассмотрены подходы |
лученное в работе [87]. Модифицируем |
|||||||||||||||||||||
к учету влияния остаточных сварочных |
уравнение (5.11) с целью учета остаточ |
|||||||||||||||||||||
напряжений |
при |
аналитическом |
опи |
ных сварочных напряжений при раз |
||||||||||||||||||
сании |
|
закономерностей |
распростране |
витии усталостной трещины в зонах их |
||||||||||||||||||
ния усталостных |
трещин. Эксперимен |
распределения. Обозначим через У±и У2 |
||||||||||||||||||||
тально установлено, что растягивающие |
скорость |
распространения |
усталостной |
|||||||||||||||||||
остаточные |
напряжения |
интенсифици |
трещины в поле соответственно растя |
|||||||||||||||||||
руют |
развитие |
усталостных |
трещин, |
гивающих |
и |
сжимающих |
|
остаточных |
||||||||||||||
а сжимающие — замедляют. В работах |
напряжений, |
а |
через |
7 0 — скорость |
||||||||||||||||||
[41, 206, 207] рассмотрена модель рас |
развития трещины в основном металле. |
|||||||||||||||||||||
пространения усталостной трещины, ос |
В работах [49, 271, 272] эксперименталь |
|||||||||||||||||||||
нованная |
|
на решении |
циклической |
но показано, |
что |
|
У0 < |
Ух, |
а |
У2 <С У<у |
||||||||||||
упруго-пластической задачи о напря |
при одинаковой длине трещин. Учиты |
|||||||||||||||||||||
женно-деформированном состоянии ме |
вая это, а также |
то, |
что |
С—1, |
\ |
|||||||||||||||||
талла у вершины трещины, деформа |
и X — постоянные материала и при со |
|||||||||||||||||||||
ционном |
критерии малоциклового раз |
хранении |
основной |
структуры |
уравне |
|||||||||||||||||
рушения |
и гипотезе |
суммирования по |
ния (5.11), для^линейного участка ДУР |
можно записать
( |
V - 1»[Дк + |
/ {Кт}, н а))т- \ |
У ) = \ |
АК-^&Км |
(5.13) |
1о, |
Л К < Д Я (Л, |
|
где / {КТ$, В0) — функция коэффициен та интенсивности остаточных напряже ний Кг$ и коэффициента асимметрии цикла напряжений В0. Величина КГ] (I) для пластины конечной ширины 2В с центрально расположенной трещиной длиной 21 и симметрично распределен
ными относительно оси 0у остаточными напряжениями может быть определена по формуле, предложенной в работе
[284]
I
КТ) (I) = 2 |
|
(5.14) |
|
где Огу (х) — нормальные |
остаточные |
||
напряжения |
растяжения |
или |
сжатия |
в сечении, |
где расположена |
трещина |
«при ее отсутствии».
Явный вид функции / (КГ}, Во) для конкретного материала устанавливает ся экспериментально через известные значения скорости роста усталостной трещины в поле остаточных напряжений при испытаниях на циклическую трещиностойкость соответствующих модель ных образцов для заданных величин асимметрии:
|
|
|
1/тп—1 |
|
К К т1, |
Па) = \ - с - \ |
е |
- Д К. |
|
|
1 |
} |
|
(5.15) |
Определение / (К г,, Ва) по |
выражению |
|||
(5.15) |
позволяет |
автоматически учиты |
вать перераспределение остаточных на пряжений по мере роста усталостной трещины, когда К г, (I) находится из выражения (5.14) по исходной эпюре остаточных напряжений.
Таким образом, методика учета оста точных сварочных напряжений заклю чается в том, что в исходном уравнении (5.11) величина коэффициента интен сивности остаточных напряжений Кг, суммируется с величиной размаха ко эффициента интенсивности приложен
ных напряжений через некоторую функ
цию / от двух переменных |
Кг;- и |
Ва. |
|
Представление скоростей V) в виде |
|||
(5.13) накладывает ограничение |
на |
||
функцию |
/ (Кф Ва): она должна быть |
||
линейной |
относительно К |
Известно» |
что на стадии развития усталостной трещины влияние остаточных напряже ний уменьшается с ростом коэффициен та асимметрии цикла напряжений Это указывает на то, что / (ЙТГ;*, Ва)
должна быть убывающей с ростом Ва. Изложенный подход к учету остаточ ных напряжений реализован на базе экспериментальных данных о кинетике развития усталостных трещин в образ цах из стали 15ХСНД для трех различ ных вариантов остаточных напряже ний: нулевых, растягивающих в зоне трещины и сжимающих. Испытывались плоские образцы толщиной б = 30 мм конечной шириной 2В с центрально* расположенным трещиноподобным де фектом в виде отверстия радиусом В = = 2 мм с начальными «стартовыми» надрезами в стенках глубиной 1 мм и радиусом р = 0,05 мм (рис. 110). Для снятия остаточных напряжений, обу словленных механической обработкой, все образцы перед испытанием проходи ли высокий отпуск при 650 °С. Для соз дания остаточных сварочных напряже ний в зоне трещиноподобного дефекта на термообработанные образцы с по мощью автоматической сварки наплав лялись продольные валики. В зависи мости от расположения валиков отно сительно продольной оси образца в зоне концентратора создавались растягиваю щие (см. рис. 110, б) или сжимающие (см. рис. 110, в) остаточные напряже ния. Наплавка валиков не приводила к изменению механических свойств ста ли перед фронтом распространения тре щины. По данным измерений, выполнен ных методом разрезки, растягивающие остаточные напряжения у трещипоподобного дефекта достигали значений,, близких к пределу текучести стали (см. рис. 110, г). Остаточные напряжения сжатия в той же зоне составляли 2/3 предела текучести материала (см..
Рис. 110. Образцы для оценки влияния оста точных напряжений на скорость роста уста лостных трещин (а — эталонный; б — с оста точными напряжениями растяжения; в — с ■остаточными напряжениями сжатия) и рас пределение остаточных напряжений (г — рас тяжения в зоне трещиноподобного дефекта;
д — сжатия).
рис. 110, д). В эталонном образце оста точные напряжения отсутствовали.
Усталостные испытания образцов про водились при осевом нагружении отнулевым растяжением (Ва = 0) на гид
равлическом пульсаторе ЦДМ-200 ну. Заданная циклическая нагрузка в про цессе испытаний каждого образца под держивалась постоянной. Приращение усталостных трещин при испытаниях измерялось с точностью ± 0,1 мм опти
ческим микроскопом. Скорость роста усталостной трещины с нулевыми оста точными напряжениями У0, а также значения скоростей в случае остаточных напряжений растяжения и сжатия Уг и У2 определялись путем аппроксимации
зкспериментальных кривых кинетики
роста трещины аналитическими зави симостями с последующим их дифферен цированием по числу циклов N. Зна чения размаха КИН для соответствую щих длин трещины находили по фор муле
А / ( С = Аа У 2В |
. ( 5 . 1 6 ) |
На рис. 111 представлены соответствую щие ДУР для стали 15ХСНД. Получен ные зависимости свидетельствуют о су щественном влиянии остаточных сва рочных напряжений на сопротивляе мость исследуемой стали развитию усталостных трещин. Наиболее резко со противляемость стали развитию трещин под действием остаточных напряжений растяжения снижается в области малых значений АК, соответствующих началь ному периоду развития усталостных трещин. При выходе трещины из зоны действия исходных остаточпых напряже ний растяжения скорость роста
Рис. 111. Диаграммы усталостного разруше ния стали 15ХСНД в зависимости от знака остаточных напряжений в зоне трещиноподобпого дефекта:
1 — эталонный образец; г — образец с остаточны ми напряжениями растяжения; 3 — образец с оста
точными напряжениями сжатия.
Рис. 112. Зависимоегь от длины трещины:
I — коэффициента интенсивности остаточных на пряжений К г: 2 — функции / (К т); сплошные кри
вые — напряжения растяжения, штриховые — на пряжения сжатия (отрицательные величины).
последних становится равной скорости развития трещины в эталонном образ це. Остаточные напряжения сжатия приводят к резкому замедлению про цесса роста трещины в сравнительно широком интервале изменения значе ний ДА' и соответствующих им длин трещины. Параметры уравнения Пэри са для ДУР, полученной на эталонном образце с нулевыми остаточными на
пряжениями: |
С0 = |
6,17 |
ДО-11, тп0 = |
||
= |
3,17. |
В работе |
[87] |
показано, что |
|
в |
пределах |
изменения |
коэффициента |
||
О < |
/?а < |
0,51 параметр |
тп уравнения |
||
Пэриса (1.19) |
изменяется незначитель |
но, в то время как параметр С может изменяться на порядки. Поэтому из
уравнения |
(5.11) следует, что для дан |
||
ного диапазона изменения |
параметр |
||
тпп ж т _ 1, |
а Сц ж С^\еХ(Н°+{\ |
С |
уче |
том этого |
вычисление функции / |
(Кг;, |
0) выполнялось по выражению (5.15) при тп—1 » т0 » 3,17, С—\ех
» 6,17 1СР11. На рис. 112 представ лены зависимости / (КТп 0) и КГ} от длины трещины для остаточных на пряжений растяжения и сжатия. Коэф фициент КГ} (I) определен по выражению (5.14) численным интегрированием ис ходных кривых распределения остаточ
ных напряжений |
(см. рис. И О ^ д). |
Корреляционный |
анализ величин |
/ (КГ}У 0) и КГ} |
при определенных |
длинах трещины показал, что в случае остаточных напряжений растяжения в зоне трещины / (Кти 0) = аКг1, а при напряжениях сжатия / (Кг2, 0) =
= р (М1#)уКГ2, где а, р и у — некоторые
постоянные; — единица длины. На рис. ИЗ, а приведены значения а = = / (Кг1, 0)/Аг1 в зависимости от дли
ны трещин. Эти данные близки к по
стоянной |
величине |
а « |
0,1 . |
На |
||
рис. |
ИЗ, |
б |
представлены |
значения |
||
/ (Кгз, |
0 )/Кт2 |
в зависимости |
от |
I для |
||
остаточных |
напряжений |
сжатия |
(точ |
ки) и теоретическая кривая, найденная по методу наименьших квадратов, с па раметрами р = 0,05 и у = 0,65.
Кинетика роста трещины в поле оста точных напряжений растяжения и сжа тия
У1 = 6,17 |
1(Пи [АК + 0,1Кг1|3-17; (5.17) |
|
Уг = 6,17 10- “ [М: + |
|
|
+ |
0,05 (ДО*)0,65Лг2|3'17 |
(5.18) |
представлена на рис. 114. Предложенный подход учета остаточ
ных напряжений реализован также при
Рис. ИЗ. Зависимость отношения / (Кг)/Кг
от длины трещины, распространяющейся в поле растягивающих (а) и сжимающих (б) оста точных напряжений
Рис. 114. Кинетика роста усталостной тре щины в образцах из стали 15ХСНД в зависи мости от знака остаточных напряжений:
1 — остаточные напряжения растяжения; 2 — ну левые остаточные напряжения; з — остаточные папряжения сжатия.
Рис. 115. Распределение остаточных напря жений сжатия в образце из стали 07ХЗГНМ10А, вызванных продольными на плавками на расстоянии 5 мм от боковых гра ней.
расчете скорости роста усталостной тре щины в металле шва и металле зоны термического влияния, испытанных сварных стыковых соединений стали 07ХЗГНМЮА, выполненных ручной ду говой сваркой электродами 48-Н1. Ис пытывались сварные плоские образцы толщиной б = 5 мм с центрально рас
положенной трещиной при отнулевом растяжении. Трещины развивались в поле остаточных напряжений сжатия* эпюра распределения которых приведе на на рис. 115. На рис. 116 (линия 1) — значения К т2 (/), вычисленные по вы
ражению (5.14) численным интегриро ванием исходной эпюры распределе ния остаточных напряжений сжатия
Рис. 116. Значения Кт(I) и / [А’г (/)] для сты
кового соединения стали 07ХЗГИМЮА, вы полненного ручной сваркой при развитии уста лостной трещины в поле остаточных напряже ний сжатия:
1 — коэффициент |
интенсивности |
остаточных |
напря |
|
жений; |
2 — функция / 1 К Г (/)] |
для металла |
ЗТВ; |
|
3 |
— функция |
/ [ К г (/)] для |
металла шва. |
МНЬШМй
Рис. 117. Зависимость отношения / (Кг)/Кг от
длины усталостной трещины для стыкового соединения стали 07ХЗГНМЮА при развитии трещины в поле остаточных напряжений сжа тия:
I — металл шва; 2 — металл ЗТВ.
61/6И,м/цикл
Рис. 118. Диаграммы усталостного разруше ния металла шва стыкового соединения стали 07ХЗГНМЮА в зависимости от знака остаточ ных напряжений:
1 — остаточные напряжения отсутствуют; 2 — остаточпые напряжения сжатия, штриховая линия — расчет.
(рис. 115). Здесь же представлены зна чения / СйГг2> 0) для развивающейся
усталостной трещины в металле шва
(линия 2) |
и в металле ЗТВ (линия 5). |
|
На рис. |
117 — значения |
а = / (Кгг, |
0) 1Кг2 для металла шва |
(линия 2) и |
металла ЗТВ (линия 2). Принимая эти отношения постоянными, равными их средней величине, имеем для металла шва а « 0,15, а для металла ЗТВ а « « 0,5.
На рис. 118 и 119 (линия 1) представ лены соответствующие ДУР для метал ла шва и металла ЗТВ, полученные на образцах стыковых соединений без ос таточных напряжений. Параметры урав нения Пэриса линий регрессии следую
щие: |
металл шва — С = 0,36 |
10 |
10, |
т = |
2,43л металл ЗТВ — С = |
0,11 |
X |
X 1(Г10, т = 2,96. На этих же рисун ках (линия 2 ) приведены ДУР для ме
талла шва и металла ЗТВ, полученпые на образцах стыковых соединений при развитии усталостной трещины в поле остаточных напряжений сжатия.
Окончательные выражения для рас чета соответствующих скоростей роста усталостных трещин в поле остаточных
Рис. 119. Диаграммы усталостного разруше ния металла ЗТВ стыкового соединения стали 07ХЗГНМЮА в зависимости от знака остаточ ных напряжений:
1 — остаточные напряжения отсутствуют; 2 — остаточные папряжения сжатия; штриховая линия —• расчет.
IЩ(Ш,м/цим
напряжений |
сжатия имеют вид |
|
|
|
щих ДУР и описываются функциональ |
||||||||||||||||
|
Т^1Ш= 0,36 • Ю-10 X |
|
|
|
ными зависимостями вида |
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
И/<Ш = Р(АК, /Стах, Я<), |
(5.21) |
|||||||||||||||
|
|
X [ДА' + 0,15А'г2Г 43; |
|
(5.19) |
|
||||||||||||||||
|
|
|
где |
№ — некоторые |
постоянные. В |
||||||||||||||||
|
|
1'Г В = |
|
|
Ю-10 X |
|
|
|
|||||||||||||
|
|
0,11 |
|
|
|
этом |
случае |
расчет ресурса |
сводится |
||||||||||||
|
|
|
[АК + |
0,5Кл р™ |
|
(5.20) |
к интегрированию выражения |
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
Рассчитанные |
по уравнениям |
(5.19) и |
|
N = |
|
|
(5.22) |
||||||||||||||
(5.20) |
значения |
скоростей |
приведены |
|
*<**•*»»*.**> |
||||||||||||||||
|
|
|
V |
|
|
||||||||||||||||
на рпс. 118 и 119 штриховыми линия |
|
|
|
*0 |
|
|
|
|
|||||||||||||
ми. Можно |
убедиться, |
что расчетные |
Э то |
интегрирование можно выполнить |
|||||||||||||||||
и экспериментальные ДУР с приемле |
с помощью ЭВМ, поэтому не обяза |
||||||||||||||||||||
мой для практики усталостного раз |
тельно |
существование |
аналитического |
||||||||||||||||||
рушения |
точностью |
совпадают. |
|
|
соотношения между скоростью и разма |
||||||||||||||||
Влияние различных факторов на со |
хом КИН. Например, может быть ис |
||||||||||||||||||||
противляемость |
развитию |
трещин |
при |
пользовано полпиоминальиое |
разложе |
||||||||||||||||
высоких |
температурах |
исследовалось |
ние. Однако знание для конкретных |
||||||||||||||||||
в работе [302]. |
|
|
|
|
|
|
|
|
условий явного вида функции Р (Д/Т, |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ЙГтах, К\) |
значительно упрощает |
расчет |
||||||
4. |
ЖИВУЧЕСТЬ СВАРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ |
ресурса. |
|
Как |
упоминалось в |
парагра |
|||||||||||||||
фе 1 |
настоящей главы, известно |
около |
|||||||||||||||||||
Аналитические |
зависимости, |
отра |
|||||||||||||||||||
80 выражений явного вида функции (5.21) |
|||||||||||||||||||||
жающие |
экспериментально установлен |
с различным числом постоянных К{. |
|||||||||||||||||||
ные |
закономерности |
распространения |
Анализ |
литературных |
данных показы |
||||||||||||||||
усталостных |
|
трещин |
в |
конструкцион |
вает, что при аналитическом описании |
||||||||||||||||
ных материалах, служат основой рас |
закономерностей циклической трещино- |
||||||||||||||||||||
четных методов |
прогнозирования |
дол |
стойкости |
сталей и легких сплавов наи |
|||||||||||||||||
говечности |
(живучести) |
несущих |
эле |
большее |
распространение |
получила |
|||||||||||||||
ментов конструкций, в которых есть |
степепная зависимость (1.19). Это свя |
||||||||||||||||||||
трещина или трещиноподобный дефект. |
зано прежде всего с тем, что использо |
||||||||||||||||||||
Долговечность |
данного |
элемента |
кон |
вание данной |
зависимости значительно |
||||||||||||||||
струкции определяет число циклов, со |
упрощает расчетный анализ при сохра |
||||||||||||||||||||
ответствующее |
росту |
усталостной |
тре |
нении приемлемой для процессов уста |
|||||||||||||||||
щины от начальной длины 10 до крити |
лостного разрушения точности на ли |
||||||||||||||||||||
ческой /с. Для обеспечения прочности |
нейном участке ДУР. Наряду с этим |
||||||||||||||||||||
конструкции |
долговечность |
должна |
немаловажным фактом является то, что |
||||||||||||||||||
быть больше числа перемен заданной |
значения характеристик С и т теперь |
||||||||||||||||||||
нагрузки. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
установлены для многих сталей и спла |
||||||||||
Проведем |
|
расчет |
|
живучести |
безде |
вов |
и |
приведены во |
многих |
статьях |
|||||||||||
фектных |
сварных |
элементов. |
|
Расчет |
и справочной литературе. |
|
|
||||||||||||||
процесса |
распространения |
усталостной |
В общем случае уравнение (1.19) |
||||||||||||||||||
трещины должен основываться на дан |
отражает |
закономерности |
развития |
||||||||||||||||||
ных испытаний, применимых к рассмат |
усталостных трещин и в сварных соеди |
||||||||||||||||||||
риваемому случаю. При этом необхо |
нениях. |
|
Это |
подтверждается, |
напри |
||||||||||||||||
димо учитывать тип материала и свар |
мер, результатами усталостных испыта |
||||||||||||||||||||
ного соединения, параметры цикла на |
ний стыковых сварных соединений па |
||||||||||||||||||||
гружения, |
геометрию |
элемента |
кон |
циклическую |
трещиностойкость, |
пред |
|||||||||||||||
струкции |
и |
форму |
трещины, |
условия |
ставленных па рис. 118 и 119 (линия 2). |
||||||||||||||||
окружающей |
среды |
и |
др. |
Подобные |
Видно, что ДУР металла шва и металла |
||||||||||||||||
экспериментальные данные обычно пред |
ЗТВ при развитии трещины в поле |
||||||||||||||||||||
ставляются |
|
в |
виде |
соответствую |
остаточных напряжений сжатия аппрок- |
симируются прямыми линиями в коор
динатах |
Д /^ . Однако харак |
теристики |
циклической трещиностой- |
кости С и т различных зон соединения различны и зависят от уровня остаточ ных сварочных напряжений.
Если скорость роста усталостной тре щины определяется формулой (1.19) н размахом КИН в виде обобщенного
соотношения АК = Да М1Улегко получить следующее выражение для цик лической долговечности: при т Ф 2
уу =
при т = 2
имеющие более сложную форму записи. Так, для квазихрупкого материала кри тическую длину трещины можно опре делить из двухпараметрического кри терия разрушения [427]:
< 1 ( д > 1), (5.26)
где Опт — максимальные иетто-напря- женпя в ослабленном сеченпи.
При расчете ресурса сварного соеди нения элемента конструкции с в ы с о к и м и сварочными остаточными напряжения
ми |
в критериях разрушения (5.25) |
п |
(5.26) необходимо учесть величину |
и характер неравномерного распределе ния остаточных напряжений. Если усталостная трещина развивается в поле
остаточных напряжений, то |
критерии |
|
(5.25) и (5.26) записываются |
в |
виде |
К + КГ} = КС; |
|
(5.27) |
< |
1 . |
(5.28) |
|
|
|
|
|
|
Тамм образом, наряду с оценкой ма |
||
|
|
|
|
|
|
териала по классической кривой Велера |
||
|
|
|
|
|
|
для |
определения усталостной долго |
|
|
|
|
|
|
|
вечности по стадии зарождения трещи |
||
е-и ва+1) г __________ 61__________ |
ны существенную информацию о живу |
|||||||
чести элемента конструкции с трещиной |
||||||||
N = |
С-1 |
) |
{**№ + / [кг^ дст]Г - Г |
в условиях усталостного разрушения |
||||
|
|
|
|
(5.24) |
может дать механика разрушения. Ее |
|||
|
|
|
|
подходы применимы также для оценки |
||||
Это |
интегрирование |
необходимо |
вы |
|||||
живучести трехмерных тел с трещиной, |
||||||||
полнять |
численными |
методами с |
ис |
подвергнутых циклическому нагруже |
||||
пользованием |
ЭВМ. |
|
|
нию [4]. |
||||
Из выражений (5.23) и (5.24) следует, |
||||||||
|
|
|||||||
что для расчета ресурса необходимо |
5. |
ЦИКЛИЧЕСКАЯ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ |
||||||
знать |
критическую длину усталостной |
|
СОЕДИНЕНИЙ |
трещины |
/с Для данного |
материала. |
С ТРЕЩИНОПОДОБНЫМИ ДЕФЕКТАМИ |
|
|||||
Ее значение может быть найдено на ос |
В тех |
случаях, когда |
исключается |
||||||
нове критерия Ирвина по вязкости раз |
|||||||||
возможность перехода усталостной тре |
|||||||||
рушения |
Кс или |
К\с (в зависимости от |
|||||||
щины в хрупкую на ранней стадии ее |
|||||||||
предполагаемой |
степени стеснения де |
||||||||
развития |
(конструкция |
работает |
в |
||||||
формации вдоль фронта трещины) и но |
|||||||||
условиях нормальных температур, не ис |
|||||||||
минального эксплуатационного (расчет |
|||||||||
пытывает дополнительных ударных воз |
|||||||||
ного) |
напряжения отйХ в сечении тре |
||||||||
действий и т. п.), для определения пре |
|||||||||
щины |
[189] |
|
|
||||||
|
|
дельных |
долговечностей |
соединений |
с |
||||
|
|
К = Кс, |
(5.25) |
||||||
|
|
острыми дефектами могут быть исполь |
|||||||
Для этой же цели могут быть использо |
зованы подходы и критерии линейной |
||||||||
ваны |
и |
другие критерии |
разрушения, |
механики разрушения. Для этого преж- |
де всего необходимо знать коэффициен |
соответственно равными а ы 6, то выра |
|||||||||||||||||||||||||
ты интенсивности |
напряжений, |
отве |
жение для максимального значения раз |
|||||||||||||||||||||||
чающие |
определенным |
трещиноподоб |
маха КИН примет вид [300] |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
ным |
технологическим |
дефектам, |
пред |
|
|
АК = |
До |
пЬ (2 — 0,366/а) х |
|
|
||||||||||||||||
варительно |
установив |
неразрушающим |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
методом контроля их геометрию. Ге- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
•ометрия |
трещпкоподобного |
развиваю |
|
|
|
х У - т а г ^ Ж ' |
|
|
(5-3°) |
|||||||||||||||||
щегося дефекта формируется как пло |
где |
|
26 — толщина |
элемента |
конструк |
|||||||||||||||||||||
скими, так и объемными технологиче |
ции. Это значение размах КИН прини |
|||||||||||||||||||||||||
скими дефектами, поэтому в дальней |
мает на контуре эллипса у его малой |
|||||||||||||||||||||||||
шем |
важно |
правильно аппроксимиро |
полуоси. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
вать его плоской пли пространственной |
Если |
усталостная |
трещина |
распро |
||||||||||||||||||||||
геометрической |
моделью, для |
которой |
страняется в однородном поле остаточ |
|||||||||||||||||||||||
известны значения |
КИН. Наряду с этим |
ных |
напряжений |
|
растяжения, |
то |
||||||||||||||||||||
необходимо |
знать величину и характер |
°гу |
(х) = |
оопзЬ |
и, |
|
следовательно, |
из |
||||||||||||||||||
распределения |
остаточных |
сварочных |
|
|||||||||||||||||||||||
выражения |
(5.14) |
получим |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
напряжений в соединении, которые сов- |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
меотно с действующим внешним |
|
нагру |
|
|
|
Кт1 {1) = |
о1у \Пй. |
|
|
(5.31) |
||||||||||||||||
жением способствуют процессу раскры |
Выражение |
(5.31) |
по |
форме |
совпадает |
|||||||||||||||||||||
тия трещиноподобного |
дефекта. |
|
с КИН для бесконечной пластинки со |
|||||||||||||||||||||||
Процесс зарождения и распростране |
сквозной трещиной, |
когда напряжения |
||||||||||||||||||||||||
ния усталостных трещин от внутренних |
приложены |
на |
бесконечности. |
Исходя |
||||||||||||||||||||||
непроваров |
имеет |
скрытый характер. |
из этой аналогии полагая, что вну |
|||||||||||||||||||||||
Момент страгивания трещины и ее |
тренний дефект эллипсоидальной формы |
|||||||||||||||||||||||||
дальнейший рост до выхода на поверх |
расположен в однородном поле растя |
|||||||||||||||||||||||||
ность шва визуально не наблюдается. |
гивающих остаточных напряжений, за |
|||||||||||||||||||||||||
В этом случае число циклов нагружения |
писываем |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
до момента страгивания трещины можно |
|
|
Кп (ъ) = |
о1у УИЬ{1 — 0,366/а) х |
|
|||||||||||||||||||||
определить как разность между долго |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
вечностью до момента выхода трещины |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
на поверхность |
шва, |
устанавливаемой |
|
|
|
X |
|
|
|
|
|
|
|
<5 3 |
2 > |
|||||||||||
экспериментально, |
|
и |
продолжитель |
Предполагаемая однородность поля рас |
||||||||||||||||||||||
ностью |
стадии распространения тре |
|||||||||||||||||||||||||
тягивающих остаточных |
сварочных на |
|||||||||||||||||||||||||
щины, |
которая |
определяется |
|
расчет |
||||||||||||||||||||||
|
пряжений имеет место |
в случае доста |
||||||||||||||||||||||||
ным путем по критериям механики раз |
||||||||||||||||||||||||||
точной |
его |
протяженности |
и |
малых |
||||||||||||||||||||||
рушения. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
размеров внутреннего |
эллиптического |
||||||||||||||||
Изучение |
|
закономерностей |
распро |
|||||||||||||||||||||||
|
дефекта |
по |
сравиепию |
с |
шириной эле |
|||||||||||||||||||||
странения |
усталостных трещин |
с по |
||||||||||||||||||||||||
мента конструкции. |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
лиций линейной механики разрушения |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
Подставляя выражения (5.30) и (5.32) |
||||||||||||||||||||||||||
требует |
установления |
функциональной |
||||||||||||||||||||||||
в |
(5.29) |
учитывая, |
что |
/ |
(Кт1» 0) |
= |
||||||||||||||||||||
зависимости |
между |
скоростью |
роста |
|||||||||||||||||||||||
= |
аКг1 (/) |
(для рассматриваемого |
слу |
|||||||||||||||||||||||
трещины и размахом КИН в ее вершине. |
||||||||||||||||||||||||||
чая |
I = |
6), |
имеем |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
Используя уравнение (5.13) для случая |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
роста усталостной трещины в поле рас |
|
|
Ш Ш = |
С0 (Аа + |
авгуГ0 X |
|
|
|||||||||||||||||||
тягивающих |
остаточных |
напряжений |
X (1 — 0,36Ь/а)то (26 1ё - § - ) т°/2 |
|
|
|
||||||||||||||||||||
при |
внешнем |
отнулевом циклическом |
|
(5.33) |
||||||||||||||||||||||
растяжении, |
можем |
записать |
|
|
Зависимость (5.33) |
представляет |
собой |
|||||||||||||||||||
< и т = С0[АК + Н К г и |
0)]т°. (5.29) |
|||||||||||||||||||||||||
уравненое роста трещины в поле оста |
||||||||||||||||||||||||||
Если |
форму |
внутреннего |
непровара |
точных растягивающих напряжений от |
||||||||||||||||||||||
аппроксимировать полостью в виде эл |
контура эллипса у малой его полуоси |
|||||||||||||||||||||||||
липса с |
большой и |
малой |
полуосями, |
до |
достижения |
ею |
заданного размера. |