книги / Прочность сварных соединений при переменных нагрузках

таний образцов для значений асиммет­

ной трещины от размаха КИН и асим­

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

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

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

можно записать

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

«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:

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

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

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

но, в то время как параметр С может изменяться на порядки. Поэтому из

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

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

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

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:

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

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

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

симируются прямыми линиями в коор­

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

и характер неравномерного распределе­ ния остаточных напряжений. Если усталостная трещина развивается в поле