книги / Прочность сварных соединений при переменных нагрузках

Рассмотренный

в третьей

главе

экс­

1.

КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ

периментальный метод определения со­

Методы

определения

предела

вынос­

противления усталости сварных соеди­

нении, основанный на получении кри­

ливости

бывают

экспериментальные,

вых

усталости,

разработан

достаточно

расчетные и экспериментально-расчет­

полно. Он позволяет получить наибо­

ные. Такое разделение

весьма

услов­

лее достоверные данные о предельных

но, и зачастую один и тот же метод

переменных напряжениях

с

учетом

можно отнести к разным группам, по­

влияния основных факторов, изменяю­

этому важно оговорить условия, ко­

щих

циклическую

долговечность

со­

торыми при этом руководствуются. В

единений.

настоящей работе к экспериментальным

Однако

такой

метод

весьма

трудо­

относятся

методы

детерминированного

емкий,

особенно

это

относится

к

и вероятностного

определения

предела

установлению значений пределов вынос­

выносливости по данным прямого эк­

ливости сварных соединений на боль­

сперимента, т. е. по результатам испы­

ших базах испытаний. Сокращение дли­

таний образцов на усталость. Отличи­

тельности и трудоемкости работ путем

тельными

признаками эксперименталь­

перехода на расчетные и эксперимен­

ных методов являются постоянство па­

тально-расчетные

методы

представля­

раметров нагружения в ходе испытания

ет собой важное самостоятельное и

каждого отдельно образца, а также

актуальное

направление

исследова­

принцип

оценки

искомой

характери­

ний.

расчетные

и

расчетно­

стики только по значениям уровней на­

Известные

гружения и числу разрушившихся и

экспериментальные

методы

установле­

неразрушившихся

образцов

на

этих

ния пределов выносливости материалов

уровнях.

Для

определения

предела

основаны на различных принципах и

в ы н о с л и в о с т и

экспериментальными

ме­

подходах.

Каждый

из

них

обладает

тодами

не используются

зависимости

своими достоинствами и

недостатками

циклической

долговечности

или

пре­

и может использоваться в определен­

дельных

напряжений

от

параметров

ных

условиях.

нагружения

образца.

К

эксперимен­

Большинство

методов

разработано и

тальным методам прежде всего отно­

апробировано

применительно

к

оп­

сятся классический метод

детермини­

ределению

предела

выносливости

ма­

рованной

оценки предельных напряже­

териалов

без учета влияния

факторов,

ний, вытекающий из построения кри­

привносимых сваркой. В

связи

с этим

вых усталости, а также методы проби­

весьма важно из всего многообразия

тов и ступенчатого изменения напряже­

имеющихся методов выделить те, ко­

ний, применяемые

при

вероятностном

торые мог^т дать наиболее достоверные

определении

значений

предела

вынос­

значения

предела

выносливости свар­

ливости.

Основное

назначение

экспе­

ных соединений и установить условия

риментальных

методов — установление

их применимости.

объективных

и

достоверных

значений

предела

выносливости,

которые можно

числа испытываемых образцов. На точ­

принимать за базовые оценки. Для

ность

оценки искомых

характеристик

получения

таких

оценок

приходится

при этом существенное влияние оказы­

испытывать

большое

число образцов,

вает вид принятых для их вычисления

и это определяет длительность и высо­

зависимостей.

Такие

зависимости

под­

кую

трудоемкость

экспериментальных

бираются

эмпирически

применительно-

методов.

от­

к некоторым конкретным образцам и

К

экспериментально-расчетным

условиям

испытаний.

Поэтому

экспе­

носятся методы оценки предела вынос­

риментально-расчетные методы разви­

ливости

по

регрессионным зависимо­

вались преимущественно для

проведе­

стям, связывающим его значение с энер­

ния контрольных оценок. Сказапное-

гетическими,

деформационными

кри­

прежде всего относится к первым двум

териями или со значением других ве­

подгруппам экспериментально-расчетных

личин,

которые непосредственно

сами

методов. В последнее время все больше

не

служат

характеристиками

сопро­

внимания

уделяется

развитию

экспе­

тивления усталости образцов п специ­

риментально-расчетных методов с целые

ально

контролируются в ходе испыта­

получения установочных оценок харак­

ний на усталость. В эту же группу

теристик сопротивления усталости [183г

включены методы определения предела

213, 244]. При этом ставится задача ми­

выносливости с помощью зависимостей,

нимизировать чцсло испытываемых об­

в которые он входит как параметр (на­

разцов во взаимосвязи с требуемой

пример, по уравнениям кривых уста­

точностью

получаемых

оценок.

лости).

Экспериментально-расчетные

В группу расчетных включены мето­

методы подразделены на три подгруп­

ды, в которых значения предела вы­

пы.

Одна

из

них объединяет

методы

носливости

являются

функцией

гео­

оценки

предела

выносливости

по из­

метрических

размеров

образцов, стан­

менению физико-механических свойств

дартных характеристик

материалов и

материала образца, например по изме­

ряда заданных параметров. При рас­

нению частоты колебаний, предела про­

четном определении

предела

выносли­

порциональности,

магнитного

или

вости сварных соединений к заданным

электрического

сопротивления,

твер­

параметрам

могут относиться

коэффи­

дости и т. д., другая — по результатам

циент концентрации напряжений, оста­

ускоренных

испытаний.

Вторая

под­

точные напряжения, а также характе­

группа представлена методами, в ко­

ристики сопротивления

усталости, по­

торых

ускорение

испытаний достига­

лученные

при

некоторых фиксирован­

ется в результате увеличения действую­

ных

условиях

испытания,

например*

щих в образце напряжений по специ­

предел выносливости

стандартных об­

альной

программе. Методы ускорения

разцов ОМ при симметричном цикле

испытаний

путем

повышения

частоты

нагружения.

нагружения

образцов

не

рассматрива­

Расчетные методы имеют важную осо­

ются, они подробно изложены в работе

бенность, отличающую их от экспери­

[129]. И наконец, последнюю подгруп­

ментальных и экспериментально-рас­

пу составляют методы экстраполяцион­

четных. Она заключается в том, что*

ной оценки предела выносливости по

последние позволяют судить о значени­

результатам

усталостных

испытаний,

ях предела выносливости образцов толь­

проводимых

в

области

ограниченной

ко по результатам их испытания в за­

долговечности

образцов.

Основной

данных условиях. Расчетные же методы

целью

создания

экспериментально­

дают возможность вычислять значения*

расчетных

методов

является сокра­

предела выносливости

без проведения'

щение длительности,

снижение трудо­

дополнительных усталостных

испыта­

емкости определения характеристик со­

ний. Эта особенность дает большое пре­

противления усталости

и

уменьшение

имущество

расчетным

методам

перед

другими, особенно на этапе проектиро­

Структурные методы. Эти методы от­

вания

конструкций.

Однако

расчет­

личаются многообразием процедуры про­

ные оценки могут значительно отли­

ведения испытаний и способов регистра­

чаться от экспериментальных, и, как

ции контролируемых параметров. Боль­

правило,

это

объясняется

неточностью

шинство из них основано на выявлении

расчетных методов. К тому же возмож­

линий скольжения в процессе испыта­

ности

расчетных методов

ограничива­

ния образца [100, 179, 309]. Суть струк­

ются

детерминированной

оценкой зна­

турных методов заключается в том, что

чений

предела выносливости. Предла­

пределом

выносливости

считается

то

гаемые методики вероятностного опре­

максимальное напряжение цикла , ко­

деления не имеют надежного обеспе­

торое еще не вызывает появления ли­

чения исходными данными для расчетов

ний

скольжения.

Проводится

непо­

и не получили должного эксперимен­

средственное наблюдение за состоянием

тального обоснования. В этой связи

поверхности

образца

и предусматрива­

зачастую приходится делать выбор меж­

ется испытание одного образца путем

ду трудоемкостью проведения

испыта­

последовательного

ступенчатого

пони­

ний на усталость и ограниченной до­

жения уровней нагружения или раз­

стоверностью

расчетных

оценок.

ных

образцов на каждом уровне нагру­

жения. После каждого нагружения ана­

лизируются

макроструктуры

металла

2.

УСТАНОВЛЕНИЕ ПРЕДЕЛА

образцов с целью выявления линий

ВЫНОСЛИВОСТИ ПО ИЗМЕНЕНИЮ

скольжения.

При

использовании

од­

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

ного образца образовавшиеся на его

МАТЕРИАЛА

поверхности

линии

скольжения

перед

испытанием на следующем уровне на­

Разрушение металлов под действием

гружения

удаляют полировкой. Испы­

переменных

нагрузок

представляет со­

тания продолжаются до тех пор, пока не

бой процесс

постепенного накопления

будет установлен уровень нагружения,

усталостных

повреждений. Оно нераз­

отвечающий

началу

образования

ли­

рывно связано с неоднородностью де­

ний скольжелия.

формирования кристаллитов реальных

Имеются предложения определять пре­

металлов, образованием

микропластп-

дельные

напряжения

цикла,

соответ­

ческих

деформаций

и линий

сдвига.

ствующие образованию линий скольже­

В свою очередь это предопределяет из­

ния, по результатам испытаний кони­

менение физико-механических свойств

ческих образцов на изгиб с вращением

металла образца в ходе усталостных

при постоянной нагрузке. В ходе ис­

испытаний. Поэтому во многих экспе­

пытаний

периодически

после

цик­

риментально-расчетных методах полу­

лов

нагружения

исследуется

поверх­

чаемые значения предела выносливости

ность

образца,

фиксируется

сечение*

связываются с особенностями изменения

до

которого

распространились

линии

тех или иных свойств металла образ­

скольжения,

и вычисляются

напряже­

цов. Основная концепция такого под­

ния, действующие в этом сечении. Ре­

хода заключается в том, что предел

зультаты

испытаний

двух — четырех

выносливости данного материала — это

образцов

позволяют

построить зависи­

то наибольшее переменное напряжение

мость

а — N по

критерию появления

(оно определяется двумя характеристи­

линий скольжения. На этой основе

ками цикла напряжений), при котором

устанавливаются

предельные

напря­

еще не происходит накопления уста­

жения цикла, которые на заданной

лостных

повреждений и,

следователь­

базе

испытаний

N5

не

вызывают

на­

но, не должно наблюдаться изменения

копления

необратимых

сдвиговых

де­

физико-механических свойств материа­

формаций и, следовательно, могут при­

ла образца.

ниматься

в качестве

предела

выносли­

резнеа вследствие того, что деформация

оценки

предела

выносливости

мате­

запаздывает по отношению к нагрузке.

риала по изменению температуры об­

Появление

петли гистерезиса

является

разцов. Подобпые методы не смогли

признаком

накопления

необратимых

обеспечить

требуемую

точность

даже

сдвиговых деформаций в процессе цик­

при

использовании лабораторных

об­

лического нагружения, а ее площадь

разцов.

Поэтому

развитие

энергети­

служит мерой этого накопления. На

ческих методов связывается с более

закономерностях

изменения

петли

ги­

подробным рассмотрением полной энер­

стерезиса

основаны

энергетические

и

гии, вложенной в процессе испытаний.

деформационные

критерии

оценки

со­

По

современным представлениям,

пол­

противления

усталости

материалов.

ная энергия

разделяется на две части,

Известно,

что пластические деформа­

соотношение

между которыми зависит

ции

обусловлены сдвигом

дислокаций

от числа циклов и уровня действующих

вдоль плоскости скольжения. Структу­

напряжений. Одна из них расходуется

ра решетки при этом сохраняется.

на деформирование кристаллической ре­

Теоретически

для

перемещения всех

шетки до критической величины, со­

атомов

одной

плоскости

идеального

ответствующей предельному

упрочне­

кристалла на параметр решетки необ­

нию материала в результате поворота

ходимо

приложить

сдвиговые

напря­

плоскостей

скольжения

в

направле­

жения, составляющие 0,10. Но, по­

нии растяжения (модель

колоды карт),,

скольку в реальных металлах сдвиг

другая — на

разрушение

межатомных

происходит из-за перемещения дисло­

связей в локальных объемах решетки,,

каций, пластические деформации в них

получивших такую деформацию. В ра­

возникают под

действием

существенно

ботах В. С. Ивановой [97—100] развива­

более

низких

напряжений.

Важное

ется

концепция

независимости

энер­

влияние на затраты энергии

при этом

гии, необходимой

на разрыв межатом­

оказывает

взаимодействие

отдельных

ных связей, от способа разрушения ме­

дислокаций между собой и с другими

талла. При разработке методов оцепки

дефектами

решетки.

Энергия

суще­

предела выносливости принимается ги­

ствующей

дислокации

Ес зависит

от

потеза об энергетическом подобии уста­

модуля сдвига Ометалла и вектора Бюр-

лостного

разрушения

и

разрушения

герса

Ь,

характеризующего

величину

металла плавлением.

и направление

сдвига,

Обе составляющие части полной энер­

Ес =

ОЪУ2.

(6.1)

гии нормируются по объему материала

с предельно деформированной решеткой

Энергия, необходимая для образования

и объему разрушения. Удельпая энер­

новых

участков

дислокаций,

зависит

гия

разрушения

межатомных

связей

также

от длины

участка

5:

зависит

от

действующих

напряжений

Е0 = 280ЬУ2.

(6.2)

Та,

предела

выносливости тд

и модуля

сдвига О материала. С учетом того что-

Величина критических напряжений, не­

усталостное

разрушение

при

напряже­

обходимых для сдвига дислокации дли­

ниях

Та наступит после ТУа циклов и в

ной

I,

определяется из

выражения

соответствии с рабочей гипотезой о ра­

т =

ОЫ1.

(6.3)

венстве

удельной

энергии разрушения

и скрытой теплоты плавления (7Пл вы­

Энергетические методы

определения

водится

равенство

предела выносливости

материалов

ос­

аЩ {/ 0 = 0 ВПЛ

(6.4)

нованы на анализе энергетических про­

цессов, происходящих в образцах под

где приведенное напряжение разруше-

действием

циклического

нагружения.

ния а

=

та — тд.

В наиболее простых учитывается только

Удельная

энергия Еул критических

часть энергии. Это относится к методам

деформаций

кристаллической решетки

ся постоянным. По пзвестпому отноше­

жет зависеть от материала, типа об­

нию (6.18) для принятой скорости на­

разцов, величины приращения уровней

гружения а определяется предел вы­

нагружения,

последовательности

их

носливости

а_ 1. При определении пре­

приложения и базы испытаний. Эти

делов выносливости образцов и деталей

же факторы могут оказывать существен­

машин по методу Эномото (в отличие

ное влияние на предел выносливости,

от метода Про) все образцы испытыва­

определенный по методу одного

образ­

ются при постоянной скорости нагру­

ца. При испытании сварных соединений

жения. Известно проведение испытаний

на

нескольких

уровнях

нагружения

при непрерывном и ступенчатом уве­

будет

наблюдаться

перераспределение

личении напряжений. В обоих

случаях

остаточных

упруго-пластических

де­

испытания

рекомендуется

начинать

с

формаций в зоне концентраторов на­

напряжений а2, составляющих 0,5—0,7

пряжений,

обусловленных

сварным

предполагаемого предела выносливости.

швом. Это вносит дополнительные по­

•Следует отметить, однако, что основ­

грешности

в оценку

предела выносли­

ная предпосылка

Эномото

о зависимо-

вости. Как следует из процедуры про­

• сти отношения ар/сг_1 только от скорости

ведения испытаний, метод не дает со­

нагружения а не всегда находит экспе­

кращения по длительности

испытаний.

риментальное подтверждение. В общем

Наработка образца на всех уровнях

•случае оно может зависеть от исходного

вплоть до разрушения весьма значи­

уровня

нагружения,

материала,

вида

тельна. Вместе с тем сокращение объе­

нагружения. Опыт оценки предела вы­

ма испытаний до одного образца дает

носливости сварных соединений по ме­

случайное

значение

предела

выносли­

тоду Эномото отсутствует.

вости и порождает неуверенность в нем.

Метод

одного

образца. Определение

Очевидно, в связи с этим метод одного

предела выносливости по этому методу

образца не находит сколько-нибудь зна­

заключается в последовательном испы­

чительного применения для оценки пре­

тании одпого и того же образца на не­

дела

выносливости

сварных

соедине­

скольких уровнях

нагружения вплоть

ний.

до разрушения. Испытания

начинают­

Метод Докати. Этот метод предложен

ся с уровня, заведомо более низкого,

как проверочный и предназначен для

чем предел выносливости. Последующие

оценки

изменения

предела

выносли­

уровни

нагружения

увеличиваются

на

вости под влиянием различных причин

постоянную величину. На каждом из

(свойств

материала,

технологии

из­

предварительно

выбранных

уровней,

готовления,

конструктивного

оформле­

кроме последнего,

образец

испытыва­

ния и т. д.). В основе его лежит гипотеза

ется в течение принятой базы испыта­

линейного

суммирования

усталостных

ний. Последний

уровень нагружения,

повреждений (см. восьмую главу). Об­

на котором

образец

полностью прошел

разцы испытываются под действием пе­

базу испытаний, принимается в каче­

ременных

напряжений,

амплитуда

ко­

стве предела усталости. Оценка преде­

торых

увеличивается

ступенчато.

На­

ла выносливости по этому методу ос­

гружение

начинается

с начального на­

нована на том, что в материале

образца

пряжения (7ц заведомо меньшего пре­

не накапливаются усталостные повреж­

дела

выносливости

испытываемых

дения, пока уровень действующих пе­

образцов.

В

процессе

нагружения

ременных напряжений не превысит пре­

выдерживается

постоянной

средняя

дела выносливости. Это исходное поло­

скорость

роста

напряжений

а =

ка/щ

жение в ряде случаев не получает экспе­

(Да — приращение

напряжений,

щ —

риментального подтверждения. Извест­

число циклов нагружения на каждой

но, что

накопление

усталостных

по­

ступени). По результатам испытания

вреждений при испытании образца па

подсчитывается сумма накопленных об­

.нескольких

уровнях

нагружения

мо­

разцом

до

разрушения

относительных