книги / Прочность сварных соединений при переменных нагрузках

При определении циклической дол­ говечности большинства изделий и кон­ струкций отрицательное воздействие вибраций не учитывается либо его учет сводится к увеличению амплитуды ос­ новного переменного нагружения на величину, соответствующую высоко­ частотной составляющей цикла. Од­ нако, как показали исследования [28, 78, 91, 215 и др.], сопротивление ус­ талости в условиях двухчастотного нагружения снижается в значительно большей степени, чем при одночастот­ ном нагружении с максимальной амп­ литудой, равной суммарной величине амплитуд обеих составляющих цикла. Известны также противоположные слу­ чаи, когда в условиях двухчастотного нагружения сопротивление усталости не снижается, а повышается [47, 420]. Наблюдаемая неэквивалентность по по­ вреждающему действию одночастотного суммарного н двухчастотного циклов обусловлена тем, что сопротивление ус­ талости зависит не только от величины амплитуд и их отношений, но и от номи­ нальных значений частот, их отношений, сдвига фаз и др. Все это необходимо учитывать при оценке долговечности материалов и сварных соединений в ус­ ловиях двухчастотного нагружения.

1.СУЩЕСТВУЮЩИЕ ПОДХОДЫ

КУСТАНОВЛЕНИЮ ДОЛГОВЕЧНОСТИ

Кдвухчастотному нагружению (рис. 147) относятся сложные режимы циклического нагружения, характер из­ менения которых во времени определя­ ется сложением двух простых одновре­ менно действующих периодических на­

грузок с различными частотами и фор­ мами циклов [208]. Основная, обычно низкочастотная, нагрузка может иметь синусоидальную, треугольную, тра­ пецеидальную и другие формы цикла, а дополнительная высокочастотная со­ ставляющая очень часто изменяется по гармоническому закону. Если обе со­ ставляющие имеют синусоидальную форму цикла, то характер изменения суммарных напряжений двухчастот­ ного режима, называемого иногда бигармонпческим, может быть описан вы­ ражением

ста = аа, 81П (2л/!т) +

где (Та, и (Та, — амплитуды напряжений; т — время нагружения; <р — сдвиг фаз между составляющими.

При аддитивном двухчастотном на­ гружении изменяется не только ампли­ туда суммарных циклических напряже­ ний, но и уровень среднего напряже­ ния высокочастотной составляющей. Такое двухчастотное нагружение харак­ терно для растяжения — сжатия, изги­ ба, кручения и их комбинации. Иногда к двухчастотному нагружению относят режимы, в которых наложение высоко­ частотной составляющей проводится только на экстремумах низкочастот­ ной нагрузки, а также мультиплика­ тивное нагружение при изгибе с враще­ нием, для которого закон изменения напряжений определяется перемноже­ нием составляющих:

Сто = [(0о, + Оа> 5Ш 2я/ат)] X

общие аналитические зависимости, обе­ спечивающие достаточную точность оп­ ределения сопротивления усталости ма­ териалов и сварных соединений при обоих видах нагружения. Поскольку для подавляющего большинства свар­ ных металлоконструкций и сооружений характерно аддитивное нагружение, то в дальнейшем мультипликативное двухчастотиое нагружение не рассматри­ вается.

Изменение долговечности. Силовые и частотные параметры эксплуатацион­ ных нагрузок различных изделий, ма­ шин и конструкций могут изменяться

Рис. 149. Влияние отношения амплитуд (а) и отношения частот (б) на изменение долговеч­ ности при двухчастотном нагружении:

в широких пределах (табл. 46). При этом отношение амплитуд напряжений <та,/сг0

варьируется от 3 до 50 %, а отношение частот / 2//! преимущественно превышает 10, хотя в общем случае оно может из­

меняться от единицы до нескольких тысяч.

Многочисленные экспериментальные данные показывают, что при малых отношениях частот в зависимости от отношения напряжений и сдвига фа» между составляющими долговечность материалов в условиях аддитивного двухчастотного нагружения может сни­ жаться, оставаться неизменной или по­ вышаться по сравнению с долговеч­ ностью одночастотного нагружения отвечающей суммарной амплитуде на­ пряжения оа (рис. 149,^а). Однако при больших значениях отношения частот*

О - /

• - 2

++ - 3

•□ - 4

■_ г

■“ «7и

в - 6

эо в - 7

о

э о

0.60.0 <%/Зд

когда максимальная экстремальная ве­ личина напряжений не зависит от сдви­ га фаз между составляющими и равна сумме их амплитуд, долговечность сни­ жается. В этом случае существенное влияние на изменение долговечности оказывают отношение амплитуд а02/ап

(рис. 149, а) и отношение частот /2//х. С возрастанием /«УД долговечность мо­ нотонно снижается (рис. 149, б). Так, при изгибе плоских образцов из стали 00Х12НДЛ увеличение отношения частот от 2,7 до 120 сопровождается

грузки в пределах отношения амплитуд ва}/ва1 = 2,5_10 % приводит к сниже­

нию долговечности сплавов Д16АТ, В95АТ и ЗОХГСА примерно па 10 % по сравнению с одночастотным нагруже­ нием без дополнительной составляющей [20]. Дальнейшее повышение амплиту­ ды высокочастотной нагрузки при боль­ ших отношениях частот снижает дол­ говечность настолько значительно, что в первую очередь рекомендуется учиты­ вать повреждение от высокочастотной, а не от низкочастотной нагрузки. 11а-

пример, двухчастотное нагружение алю­ миниевого сплава Д16Т с отношением

дит к снижению долговечности в 30—

Рпс. 150. Условные оОозначенин параметров двухчастотноп петля гистерезиса |27].

б

определения долговечности в условиях двухчастотного нагружения.

Зависимости, основанные на гипотезе линейного суммирования поврежде­ ний, Из формальных соображений, вы­ текающих из гипотезы о линейном на­ коплении повреждения в работе [26], принимается, что эффект повреждения в двухчастотном цикле вызван одно­ кратной суммарной деформацией в и

ты. Применительно к области упругих

где Л72 — долговечность при двухчастот­

ном нагружении, определяемая по чис­ лу циклов низкочастотной составляю­ щей; N — долговечность при одночастотиом нагружеппи, отвечающая ампли­ туде напряжения, равной сумме амп­

испытывающим упруго-пластические де­ формации. Испытания образцов из ста­ лей ТС и Х18Н10Т проводили.на уста­ новленном уровне по параметрам В и Е (рис. 150). Параметры А , С, I), Р свободно изменялись в соответствии с изменением вида диаграммы деформи­ рования материалов по мере роста числа циклов. Снижение долговечности при двухчастотном нагружении наблюда­ лось как по окончательному разруше­ нию, так и по моменту образования тре­ щины. Сравнение петель гистерезиса, относящихся к одночастотному нагруже­ нию нижней частоты, одночастотному нагружению верхней частоты и двух-

ных повреждений пШ колеблется в ши­ роких пределах — не менее 0,2—5 в зависимости от материала, относитель­ ной длительности действия различных напряжений и т. д. В работе [48] сделан вывод, что линейное суммирование в общем случае не приводит к удовлетво­ рительным результатам, хотя и может давать для частных случаев хорошее совпадение.

Неприемлемость линейной гипотезы в случае двухчастотного нагружения иллюстрируют данные, полученные в работе [394]. Испытания образцов при двухчастотном и равном по величине максимальных напряжений одночас­ тотном нагружении показали, что в первом случае долговечность заметно снижается, даже если величина средне­ го напряжения равна максимальному среднему значению напряжения низ­ кочастотной составляющей (рис. 151).

Энергетические подходы. Применяя представление о независимости воздей­ ствия разночастотных составляющих напряжений на процесс усталостного

Следует, однако, отметить, что при цик­ лическом деформировании на разруше­ ние расходуется не вся, а только часть суммарной энергии, величина которой зависит от материала, вида нагружения, амплитуды напряжений и асимметрии цикла [216, 249]. Неучет этого обстоя­ тельства должен, по-видимому, ска­ заться на получаемых результатах. Тем не менее по сравнению с другими пред­ ложениями формула (9.6) дает наимень­ шие отклонения расчетных значений от экспериментально установленных дру­ гими исследователями (табл. 47).

Энергетические представления, со­ гласно которым сопротивление уста­ лостному разрушению зависит от спо­ собности металла поглощать предель­ ное количество подводимой энергии, нашли отражение при получении ана­ литических зависимостей накопления повреждающей энергии при одно- и двухчастотном нагружениях в работах [89, 90]. Безопасные параметры двух-

Литературный

источник

[91]

[28]

1 [78]

Когда левая часть уравнения (9.7) мень­ ше 2, долговечность при двухчастотном

нагружении по числу циклов низко­ частотной составляющей превысит дол­ говечность при одночастотном нагруже­ нии с амплитудой, равной суммарной величине оа. Если же левая часть урав­ нения больше 2, то при двухчастотном

нагружении должно наблюдаться уве­ личение долговечности по сравнению с таковой при одночастотном нагруже­ нии, что по данным работы [89] согласу­ ется с результатами опытов.

Полагая, что энергия разрушения при одно- и двухчастотном нагруже­ ниях — величина постоянная, для ори­ ентировочной оценки изменения долго­ вечности при двухчастотном нагруже­ нии авторы работы [90] рекомендует уравнение

Расчетные значения, полученные по этим формулам, могут существенно отклоняться от результатов эксперимен­

с рассмотренными методами оценки дол­ говечности при двухчастотном нагруже­ нии, построенными на известных гипо­ тезах и положениях, внесено несколько предложений по расчету, в основу ко­ торых положены полученные авторами эмпирические зависимости. Некоторые из них не учитывают влияния соотно­ шения частот [394, 434], другие (напри­ мер, [93]) основаны на результатах ис­ пытаний, полученных только при из­ гибе с вращением. Такие предложения здесь не рассматриваются.

Для сравнительно небольших высоко­ частотных вибраций японскими иссле­ дователями, как это следует из работы [78], предложена следующая эмпириче­ ская зависимость:

где а г — коэффициент, зависящий от отношения частот.

Результаты испытаний плоских об­ разцов с отверстиями (сплав Д16ТД

висимости и в случае сравнительно боль­ ших отношений частот (Д и Д изменя­ лись в пределах соответственно 18—22 и 10 000—12 000 мин-1). Вместе с тем экспериментальная проверка, выпол­ ненная Аоки с сотрудниками [78] при ма­ лых значениях Д/Д, не показала соот­ ветствия между экспериментальными

ирасчетными данными.

В.И. Цейтлин и Д. Г. Федорченко [297] предлагают оценивать прочность деталей ГТД, испытывающих совмест­ ное действие повторно-статических я вибрационных нагрузок, по результатам

испытаний, относящихся к каждому из этих видов нагружения в отдель­ ности. Для материалов, имеющих физи­ ческий предел выносливости при дол­ говечностях, которые по циклам высоко­ частотной нагрузки превышают дол­ говечность, соответствующую пределу выносливости, они рекомендуют урав^ нение

где 5 = МВт\ В — предел малоцикло*- вой выносливости (по амплитуде); т — показатель наклона кривой усталости при аппроксимации ее прямой в двой­

уравнению (9.10), авторы этого предпо­ ложения сопоставляли с данными эк­

шие расхождения находились в преде­ лах 0,5 < ЛД/ЛД < 2.

Рассмотренные предложения не позво­ ляют сделать вывод, что в настоящеевремя устанавливается или намечается общий вполне обоснованный метод оцен-

кя долговечности при двухчастотном нагружении, основанный на предпо­ сылках пли зависимостях, отражающих закономерную связь между параметра­ ми пагружен ия и сопротивлением уста­ лости, которая действует в широком диапазоне изменений амплитудных и частотных отношений. В основном ис­ следования выполняли применительно к конкретным изделиям, условиям ра­ боты п материалам. Очевидно, поэтому справедливость предлагаемых расчет­ ных зависимостей органичивается до­ вольно узкими границами. Характерно, что во всех предлагаемых формулах, за исключением (9.10), отсутствуют по­ казатели свойств материала.

Не выяснены также причины, вызы­ вающие изменение сопротивляемости разрушению в условиях двухчастотиого нагружепия. Известно лишь одно ис­ следование, выполненное в ЦНИИТмаше применительно к гидротурбин­ ным сталям [151], в котором показано, что в случае двухчастотного нагруже­ ния микротвердость ранее, чем при од­ ночастотном нагружении, достигает своего предельного уровня, а протяжен­ ность зоны пластической деформации

Рис. 152. Обобщенные результаты испыта­ ний сталей и алюминиевых сплавов при двух­ частотном нагружении:

1 — сплав Д16АТ, растяжение [20]; 2 — сплав Д16Т, растяжение Г78]; 3 — сталь с 0,23 % С, изгиб

существенно сокращается. Авторы ис­ следования полагают, что локализация зопы пластической деформации, по-ви­ димому, и является определяющим фак­ тором ускорения процесса повреждае­ мости при двухчастотном нагру­ жении.

Разнообразие применявшихся мето­ дов исследований, критериев оценки и форм представления результатов двух­ частотных испытаний существенно за­ трудняет пх обобщение. Вместе с тем в большинстве исследований для оцен­ ки долговечности при двухчастотпом нагружении использовалось суммарное напряжение оа = оа%+ оаа к уста­ навливалась связь между оащ1оа и Ао/А.

Пока еще трудно ответить, какое из двух отношений в наибольшей степени отвечает поставленной цели, оа,/а0

ИЛИ О а 2/ о а г МОЖНО ЛИШЬ ОТМвТИТЬ,

что при линейном изменении амплитуд

А 2/А , т . е. устанавливать влияние вы­ сокочастотной составляющей на сниже­ ние исходной долговечности Л^, отве­ чающей нагружению с амплитудой аа1,, а не условной долговечности ./Упри ги­ потетической амплитуде оа.

Преимущества использования таких отношений показаны в работах [265,

зультаты испытаний, проведенных раз­ личными авторами при аддитивном нагружении в среднем интервале отно­

в данную систему. Несмотря на то что образцы отличались формой и размера­ ми, были изготовлены из различных ма­ териалов, результаты испытаний согла­ суются между собой. В данной системе координат между сга./сга, и А ,/А 2 в до­

вольно широком диапазоне наблюдается линейная связь.

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ПО ИСХОДНЫМ КРИВЫМ УСТАЛОСТИ

Линейная связь между отношениями амплитуд напряжений сга,/ста1 и долго­ вечностей N±1N2 позволяет оценить влия­

ние наложения высокочастотной состав­ ляющей аа, на долговечность при двух­ частотном нагружении по изменению исходного значения долговечности отвечающей одночастотному нагру­ жению:

где N 1 и N 2 — долговечность соответст­

венно одно- и двухчастотного нагруже­ ния по числу циклов низкочастотных напряжений сга(; х — коэффициент, за­

риментальным данным, полученным на разнообразных по форме, размерам и материалу образцам, при различных, хотя и близких по величине, коэффи­ циентах асимметрии цикла, можно пред­ положить, что коэффициент х инвариан­ тен к этим параметрам. Однако мало­

Рис. 153. Образцы для испытании при одно- и двухчастотном нагружениях.

вероятно, что коэффициент х пе зависит от отношения частот / 2//1в Результаты проверки этих положений и установле­ ние аналитической зависимости х от параметров двухчастотного нагруже­ ния рассмотрены в работе [267].

Изменчивость коэффициента х под влиянием концентрации напряжений, остаточной напряженности, асиммет­ рии цикла, вида и частоты нагруже­ ния, температуры, механических свойств материала и критерия завершения ис­ пытаний устанавливали по результатам сравнительных испытаний крупномас­ штабных образцов в условиях одно- и двухчастотного нагружений при раз­ личных напряжениях от уровня, не­ сколько превышающего предел вынос­ ливости образцов, до предела текучести материала. При этом отношение оа1/оа% изменялось от 0,05—0,1 до 0,6—0,9.

Плоские образцы сечением 20 X X 155 мм (см. рис. 153, а) изготавлива­ ли из низкоуглеродистой стали 22К

выкружки создавали в различных об­ разцах концентрацию напряжений а^, равную 1,5; 2,5 и 3,5. Образцы из высо-

—®

'(рис. 153, в). Учитывая существенное

Рис. 154. Инвариантность коэффициента и к изменению основных факторов, определяющих сопротивление усталости материалов и сое­ динений:

влияние на сопротивление усталости сварных изделий остаточных напряже­ ний, действие этого фактора на измене­ ние коэффициента ус оценивали на об­ разцах с наплавками (рис. 153, б) и на реальном соединении (рис. 153, г). В зонах концентраторов наплавки соз­ давали исходные сварочные остаточные напряжения, близкие к пределу теку­ чести основного материала. Влияние температуры изучали на стали 12Х18Н10Т.

Испытания осуществляли как при осевом нагружении, так и при изгибе. В случае низкочастотного нагружения испытания проводили при симметрич­ ном, отнулевом и асимметричном (Ва = = 0,5) циклах, имеющих треугольную форму. Для исключения погрешностей, связанных с возможным влиянием час­ тот при одно- и двухчастотном нагру­ жениях, частота /х в многоцикловой области не превышала 20 мин—1 [269]. Частота /2 составляла 300 мин- 1 при

осевом нагружении и 1800 мибг-1 при изгибе. Требуемое отношение /2//х в диапазоне 102—5 103 достигалось

варьированием частоты Выбранные условия испытаний для

отдельных серий образцов представле­ ны в табл. 48. Всего испытано свыше 300 образцов. Критерием завершения усталостного испытания служила на-