книги / Прочность сварных соединений при переменных нагрузках

Обобщение всего комплекса изложен­

пользовании критерия Коффина и пред­

ных

выше вопросов, которое могло бы

ставления о независимости энергии раз­

составить единую

концепцию

теорети­

рушения от условий нагружения образ­

ческого

определения

усталостной дол­

ца. Суть и

возможности

этих

методов

говечности

сварных

соединений

при

изложены в шестой главе при ана­

случайном нагружении от начала эк­

лизе методов определения пределов вы­

сплуатации до полного их разрушения,

носливости. Следует, однако, еще рав

весьма

затруднено.

Объясняется

это

подчеркнуть, что для оценки

накопле­

прежде всего сложностью и многофак­

ния усталостных повреждений в свар­

торностью

явления

усталости

метал­

ных соединениях эти методы не приме­

лов, а также тем, что большинство из

нялись.

указанных

вопросов

рассматривается

Экспериментально

накопление

уста­

обычно раздельно, а не во взаимосвя­

лостных повреждений определяется ме­

зи. Использовать же принцип суперпо­

тодами построения кривых

повреждае­

зиций для установления их совместного

мости, анализа структурной повреждае­

влияния на сопротивление усталости ма­

мости и неразрушающего коптроля за

териалов не всегда представляется воз­

изменением

механических

и

физиче­

можным из-за больших расхождений

ских свойств металла. К первым отно­

расчетных

и

экспериментальных

оце­

сятся методы Вейбулла [33] п Френча

нок. Значительную

роль

играет также

[309]. Они позволяют судить о повреж­

то, что эти вопросы решаются различ­

дающем

действии

перегрузочных

на­

ными исследователями на разных ма­

пряжений с наперед заданной продол­

териалах и по различным методикам.

жительностью

действия

главным

обра­

Для

сварных

элементов

конструкций

зом качественно, характеризуются

вы­

существуют все отмеченные

трудности,

сокой трудоемкостью и не отображают

но они еще и усугубляются специфиче­

кинетику развития усталостного разру­

скими особенностями получения соеди­

шения. Вторая группа методов связана

нений.

с анализом

зависимости

структурной

В наиболее общем виде методы оценки

повреждаемости металла от числа цик­

накопления

усталостных

повреждений

лов и величины напряжений. Методы

разделяются на расчетные и экспери­

этой группы основаны на установлении

ментальные. К расчетным относят ме­

зависимости свойств металла от режима

тоды,

основанные на

деформационных

нагружения образцов. О

повреждении

критериях,

энергетическом

подходе и

судят по микротвердости, линиям сколь­

гипотезах накопления

усталостных

по­

жения и т. д. Используются, как прави­

вреждений.

Эти методы

используют

ло, те же

характеристики, что

и

при

предположение, что каждый цикл на­

определении

пределов

выносливости по

гружения вносит некоторую

долю

по­

структурной

повреждаемости

металла

вреждения

зависящую от величины

(см. шестую

главу).

действующих напряжений ст*. Накопле­

Для определения усталостной долго­

ние

усталостных

повреждений

связы­

вечности

при

случайном

нагружении

вается также с длительностью щ воз­

важно знать общие закономерности на­

действия

напряжений о, : В — / (А/)*,

копления

усталостных

повреждений в

щ).

Наиболее

часто

функцию

/ (Д!^,

сварных соединениях и узлах

реальных

щ) устанавливают на основе гипотез

конструкций.

Количественный

харак­

линейного

или

нелинейного накопле­

тер таких

данных,

полученных при ре­

ния

усталостных

повреждений.

Более

гулярном

нагружении,

позволяет

на­

подробно

такие

гипотезы

рассмотрены

иболее обоснованно подойти к выбору

ниже. Получило развитие и определе­

гипотез

установления

предельного

со­

ние

функции

/ (АОг,

щ)

с

помощью

стояния сварного соединения по сопро­

деформационных и энергетических

ме­

тивлению усталости при случайном на­

тодов, основанных соответственно на ис­

гружении.

Весьма

обнадеживающие

результаты в этом отношении

показыва­

первой стадии накопления усталостных

ют методы третьей группы эксперимен­

повреждений,

характеризующей инку­

тальной

оценки

накопления

усталост­

бационный

период,

служило

образова­

ных повреждений. В связи с этим про­

ние на поверхности пленки начальных

цесс повреждения металлов под дей­

темных пятен с линейным размером

ствием

переменных напряжений

иссле­

около 0,01 мм. Для второй стадии при­

довался

по

изменению

интенсивности

нимался момент появления устойчивых

отраженного светового потока от по­

линий скольжения. По состоянию пле­

верхности образца [310, 323], по изме­

нок он соответствует пачалу объедине­

нению

свойств

тонкой

металлической

ния темных пятен и примерно пятикрат­

пленки, плотно контактирующей с по­

ному увеличению их линейных разме­

верхностью детали [182, 324], и другими

ров. Момепт интенсивного объединения

способами, которые

позволяли

только

растущих темных пятен и выстраива­

качественно судить о накоплении уста­

ние их в виде отдельных темных линий

лостных повреждений. На

сварных со­

служил критерием третьей стадии, т. е.

единениях, отличающихся от основного

свидетельствовал о появлении на по­

металла совокупным влиянием на про­

верхности

сварного соединения

микро­

цесс развития усталостного разрушения

трещин длиной 0,2—0,3 мм. В качестве

концентрации напряжений, остаточных

четвертой стадии принималось

образо­

напряжений

и

высокой

механической

вание усталостных макротрещин глуби-

и структурной неоднородности, эти ме­

пой 2—3 мм. Последней, пятой стадией

тоды

не

апробировались.

являлся момент окончательного разру­

В

развитие существующих способов

шения образца, т. е. разделение его на

{182, 243] был разработан способ коли­

две

части.

чественной

оценки

повреждаемости

Зарождение повреждения и образова­

сварных соединений по изменению со­

ние

видимых

невооруженным

глазом

стояния поверхности медных гальвани­

усталостных трещин в угловых швах

ческих пленок, получаемых для этих

исследовалось

по результатам

испыта­

целей по специальной технологии [242,

ний образцов из стали 17ГС (ГОСТ

243].

Предельное

потемнение поверх­

19282—73). Образцы имели высокие

ности такой пленки под воздействием

растягивающие остаточные напряжения

переменных

напряжений

соответствует

в зоне продольных

наплавок.

Вдоль

•предельному

по

сопротивлению

уста­

поперечных угловых швов с учетом рас­

лости

состоянию

материала

образцов.

пределения

остаточных напряжений и

Это дает возможность по потемнению

особенностей

усталостного разрушения

пленки

определять

накопление

уста­

образцов наклеивалась медная

гальва­

лостных повреждений в долях от пре­

ническая

пленка

толщиной

10

мкм

дельной

величины.

(рис. 138). Образцы нагружались чис­

Получение

количественных

оценок

тым изгибом с частотой 11 Гц при коэф­

методом гальванических пленок. С по­

фициенте асимметрии цикла

Да =

0,1 .

мощью

упомянутых

медных

гальвани­

Закономерности зарождения

и

образо­

ческих

пленок

исследовались законо­

вания усталостных трещин в угловых

мерности

зарождения

и

образования

сварных соединениях показали, что мед­

усталостных трещин в сварных соедине­

ные гальванические датчики

являются

ниях

от первых признаков накопления

эффективным

средством изучения

про­

усталостных

повреждений металла до

цесса накопления усталостных повреж­

образования

макротрещин

[76,

243].

дений в реальных сварных

конструк­

В ходе испытаний различали пять по­

циях. В связи с этим они использова­

следовательных

стадий

накопления

лись для оценки усталостной долго­

усталостного

повреждения

и оконча­

вечности сварных узлов стрел роторно­

тельного разрушения образца. Критери­

го экскаватора ЭРП-1250 (рис. 139).

ем наступления

в сварном соединении

Были испытаны две стрелы из низколе-

жит накопление

остаточных сдвиговых

деформаций

поперек шва,

через

ЗТВ.

Это явление особенно заметно при низ­

ких уровнях нагружения (180 МПа),

когда ширина зоны первой

стадии

по­

вреждения

достигает 15 мм. С увеличе­

нием

нагрузки

ширина

этой

зоны

уменьшается и при 325 МПа не выходит

за пределы

ЗТВ.

На

рис.

140 приведен

пример

раз­

вития зоны первой стадии накопления

усталостных

повреждений

в

угловых

швах образцов при максимальных на­

пряжениях цикла 180 и 325

МПа.

усталостных повреждений:

Сточки зрения анализа закономерностей

а — а =

Л2=170000;

образования

усталостных

трещин

важ­

180 МПа; 1 — Л, = 150000; 2 —

но отметить, что на самых ранних этапах

3 — N5=

200000; 4 — N4=

250000; 5 —

=

350000;

б — а =

320 МПа;

1 — Л* = 40000; 2

—

N . =

45000;

циклического

нагружения

одновремен­

3 — 7У3=

50000;

4 —

N 4 =

60000.

но возникает большое число зародышей

Процесс зарождения

и образования

будущих

трещин. Зародыши

достаточ­

усталостных повреждений заключается

но равномерно

расположены

в

зонах

в накоплении

необратимых

сдвиговых

их образования. Таким образом, в об­

микродеформаций.

Постепенно накап­

разцах

зона

равной

повреждаемости

ливаясь в материале образцов или де­

проходит через всю ЗТВ сварки и,

талей,

необратимые сдвиговые микро­

следовательно,

накопление

усталост­

деформации передаются и на медные

ных повреждений слабо зависит от

гальванические пленки. Некоторое пре­

свойств металла на ее участках.

дельное значение этих деформаций вы­

При одних и тех же уровнях цикли­

зывает

появление

начальных

темных

ческого нагружения зоны со второй ста­

пятен на поверхности пленок [182,

дией накопления

усталостных повреж­

243]. При этом закономерности после­

дений

не

повторяют

очертания

зон с

дующего развития темных пятен вполне

первой стадией. В этот период проявля­

удовлетворительно отображают процесс

ется

преимущественное

влияние

кон­

накопления усталостных повреждений,

центрации

напряжений

вдоль

линии

в том числе и в сварных соединениях

сплавления шва

с

ОМ,

и

зоны со вто­

[76, 243].

рой стадией становятся

несколько уже.

Сварные соединения

обладают

высо­

Влияние остаточных напряжений прояв­

кой механической и структурной не­

ляется в зависимости от уровня нагру­

однородностью, поэтому при

цикличе­

жения. При низких нагрузках наиболее

ском нагружении накопление

остаточ­

интенсивное

накопление

усталостных

ных сдвиговых деформаций в разных

повреждений происходит в области дей­

микрообъемах сварного соединения про­

ствия

остаточных

растягивающих

на­

исходит неодинаково. Между тем одни

пряжений, которые в течение испыта­

и те же стадии накопления усталостных

ний

сохраняют

высокие

значения*

повреждений

развиваются

одновремен­

Высокие

нагрузки вызывают

релакса­

но в сравнительно больших зонах.

цию

остаточных напряжений при пер­

Форма и размеры зон зависят от кон­

вых

циклах.

Поэтому

вторая стадия

центрации напряжений, остаточных на­

накопления

усталостных

повреждений

пряжений и

определяются

величиной

может возникнуть одновременно в раз­

и длительностью воздействия

перемен­

ных местах, т. е. там, где в исходном

ных напряжений. Важным отличитель­

состоянии

были

остаточные напряже­

ным признаком формирования зон слу­

ния разного знака.

--------------- /

----------- / 7

ё

*■/

М N

ЛГ

г

1------р-------------/

о ц

--- О-4-*-------------

1■>

1

и 1,6

106

циклов.

Таким

образом,

Рпс. 141. Характер накопления усталостных

первая стадия накопления усталостных

повреждений в

свавных соединениях стрел.

повреждений в узлах 1 и 3 обнаружи­

струкции эти скорости могут суще­

вается примерно в полтора раза бы­

стрее, чем в узлах 2 и 4.

ственно различаться. Сильнее различа­

С увеличением числа циков нагруже­

ются скорости накопления усталостных

ния

прирост

накопления

усталостного

повреждений в наиболее слабых узлах

повреждения всегда больше в тех соеди­

1 и 3, а в узлах 2 и 4 это различие выра­

нениях, в которых раньше обнаружи­

жено меньше.

ваются

первые признаки

необратимых

Применение медных

гальванических

сдвиговых

деформаций.

За

последу­

пленок

позволяет

уже

после

первых

ющие 300 тыс. цикл >в в узлах 1 и 3 отно­

блоков

нагружения

по

накоплению

сительная

повреждаемость

возросла

усталостных

повреждений

определять

на 0,2, а в узлах 2 и 4 — не более чем

усталостную долговечность и последова­

на 0,1. Такая особенность накопления

тельность

разрушения

сварных

соеди­

усталостных повреждений наблюдается

нений. Поскольку в узлах 1 и 3 повреж­

на всех следующих этапах цикличе­

дение развивается быстрей, чем в узлах

ского

нагружения

конструкций.

Ха­

2 и 4 (см. рис. 141), сварные соединения

рактер

накопления

усталостных

по­

этих узлов разрушаются в первую

вреждений В в исследуемых узлах кон­

очередь. В соответствии с показаниями

струкций

в зависимости

от

числа цик­

медной гальванической планки при од­

лов нагружения N показан на рис. 141.

ной и той же наработке в соединениях

Наклон кривых к оси N характеризует

второй

стрелы

из

стали 09Г2С наг

скорость накопления

усталостных

по­

копленное

усталостное

повреждение

вреждений. В однотипных

узлах одной

меньше, чем у первой. В результате

конструкции скорости накопления уста­

испытаний у обеих стрел разрушились

лостных повреждений практически оди­

сварные соединения в узлах 3, причем

наковые.

Об

этом свидетельствует

па­

у первой — после

2,9

млн циклов на­

раллельность

соответствующих графи­

гружения,

а у второй — после

3,1 млн

ков. В

одинаковых узлах

разных кон­

циклов.

Номер

Критерий

стд, МПа

МПа

N

Д. %

серив

N (ПРО)

1

МОТ

134

170—240

0,1628—0,1854

±6,1

КРТ

135

170—240

0,3945—0.4494

±6,1

ПРО

135

170—240

1

0

2

МОТ

101

140-220

0,1880-0,1969

±2,3

КРТ

100

140-220

0,4425—0,4774

±3,7

ПРО

101

140-220

1

0

3

м о т

155

180-250

0,1353-0,159*.

±7,5

КРТ

154

180—25С

0,3906-0,4454

±6,2

ПРО

155

180—250

1

0

характеристик сопротивления усталости

Результаты

усталостных

испытаний

по результатам экспериментального ис­

этих

серий

образцов

обобщены

в

следования.

табл.

42.

Для

всех

серий

образцов

Кривые

усталости,

полученные по

с разной

остаточной

напряженностью

принятым стадиям накопления усталост­

эксперимент

полностью

подтверждает

ных повреждений в сварных соедине­

сделанные

выше выводы. Например,

ниях,

можно считать эквидистантными

средние значения

пределов

выносливо­

в области ограниченных долговечностей

сти установленные по разным критериям

и стремящимися к одной общей асимп­

усталостного

разрушения

(по

разным

тоте — среднему значению предела вы­

стадиям

накопления

усталостного

по­

носливости, единому для всех стадий.

вреждения), являются практически оди­

Это следует также из результатов ис­

наковыми

с

доверительной

зероят-

пытания других типов образцов и во

ностыо

выше 0,95. Разброс отношений

взаимосвязи

с влиянием

остаточных

средних

долговечностей,

вычисленных

напряжений разного знака [124]. В ча­

по разным стадиям повреждения, во

стности, испытанию на усталость под­

всем диапазоне изменения

уровпей

на­

вергались три серии плоских образцов

гружения не превышает ± 5

%. Иными

с отверстием, изготовленных из листо­

словами, в области ограниченных дол­

вого проката стали СтЗ. Различались

говечностей

кривые

усталости,

пост­

они величиной и знаком исходных оста­

роенные

по разным стадиям поврежде­

точных напряжений в зоне отверстия.

ния образцов, можно считать парал­

Первая серия образцов не имела оста­

лельными.

точных напряжений. Во второй серии

При блочном нагружении в сварных

были

высокие

растягивающие

остаточ­

соединениях

стали 09Г2С

наблюдается

ные

напряжения,

созданные

наплав­

линейный

характер

накопления уста­

кой продольных валиков по оси с двух

лостных повреждений. Однако при при­

сторон образцов. При этом, чтобы ме­

ближении величины накопленного уста­

ханические свойства металла в зоне от­

лостного

повреждения к

предельному

верстия после наплавки не отличались

(по моменту возникновения макротре-

от исходных,

наплавку

прекращали

щии)

значению

наблюдается

сравни­

за 15 мм до отверстия. В зоне отверстий

тельно резкое отклонение от линейного

образцов

третьей

серии

создавались

закона в сторону увеличения цикличе­

сжимающие остаточные

напряжения.

ской долговечности. Такая же законо­

Для этого обе продольные кромки об­

мерность наблюдалась на образцах из

разцов

оплавлялись

неплавящимся

различных материалов, испытанных при

вольфрамовым электродом в среде ар­

регулярном

нагружении [243]. Сниже­

гона.

ние скорости

накопления

усталостных