Накопление усталостных повреждений в тавровых сварных соединениях стали 09Г2С в исходном и упрочненном высокочастотной механической проковкой состояниях
В рамках гипотезы линейного суммирования усталостных повреждений установлены критерии разрушения тавровых сварных соединений стали 09Г2С в исходном и упрочненном технологией высокочастотной механической проковки (ВМП) после сварки состояниях при возрастающем, убывающем и квазислучайном блоках нагру...
Saved in:
| Published in: | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Date: | 2008 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2008
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100016 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Накопление усталостных повреждений в тавровых сварных соединениях стали 09Г2С в исходном и упрочненном высокочастотной механической проковкой состояниях / В.В, Кныш, С.А. Соловей, А.З. Кузьменко // Автоматическая сварка. — 2008. — № 10 (666). — С. 12-18. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-100016 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Кныш, В.В. Соловей, С.А. Кузьменко, А.З. 2016-05-14T19:27:00Z 2016-05-14T19:27:00Z 2008 Накопление усталостных повреждений в тавровых сварных соединениях стали 09Г2С в исходном и упрочненном высокочастотной механической проковкой состояниях / В.В, Кныш, С.А. Соловей, А.З. Кузьменко // Автоматическая сварка. — 2008. — № 10 (666). — С. 12-18. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100016 621.791.052:620.193.2 В рамках гипотезы линейного суммирования усталостных повреждений установлены критерии разрушения тавровых сварных соединений стали 09Г2С в исходном и упрочненном технологией высокочастотной механической проковки (ВМП) после сварки состояниях при возрастающем, убывающем и квазислучайном блоках нагружения. Отмечено, что при прогнозировании долговечности сварных соединений, упрочненных технологией ВМП, вполне приемлемо использовать линейную гипотезу накопления усталостных повреждений. Для сварных соединений в исходном состоянии, накопление повреждений в которых существенно зависит от истории нагружения, предложено правило суммирования повреждений, уменьшающее рассеяние предельной суммарной поврежденности. Criteria of fracture of welded T-joints on steel 09G2S in the as-welded state and after strengthening by the technology of high-frequency mechanical peening (HMP), loaded in the decreasing, increasing and quasi-random modes, are considered in the context of the hypothesis of linear summation of fatigue damages. It is noted that this hypothesis is well suitable for prediction of fatigue life of the welded joints strengthened by the HMP technology. For the as-welded joints, where accumulation of damages strongly depends upon the loading history, the rule of summation of damages is suggested that decreases scattering of the ultimate total degree of damages. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Научно-технический раздел Накопление усталостных повреждений в тавровых сварных соединениях стали 09Г2С в исходном и упрочненном высокочастотной механической проковкой состояниях Accumulation of fatigue damage in tee welded joints of 09G2S steel in the initial condition and after strengthening by high-frequency mechanical peening Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Накопление усталостных повреждений в тавровых сварных соединениях стали 09Г2С в исходном и упрочненном высокочастотной механической проковкой состояниях |
| spellingShingle |
Накопление усталостных повреждений в тавровых сварных соединениях стали 09Г2С в исходном и упрочненном высокочастотной механической проковкой состояниях Кныш, В.В. Соловей, С.А. Кузьменко, А.З. Научно-технический раздел |
| title_short |
Накопление усталостных повреждений в тавровых сварных соединениях стали 09Г2С в исходном и упрочненном высокочастотной механической проковкой состояниях |
| title_full |
Накопление усталостных повреждений в тавровых сварных соединениях стали 09Г2С в исходном и упрочненном высокочастотной механической проковкой состояниях |
| title_fullStr |
Накопление усталостных повреждений в тавровых сварных соединениях стали 09Г2С в исходном и упрочненном высокочастотной механической проковкой состояниях |
| title_full_unstemmed |
Накопление усталостных повреждений в тавровых сварных соединениях стали 09Г2С в исходном и упрочненном высокочастотной механической проковкой состояниях |
| title_sort |
накопление усталостных повреждений в тавровых сварных соединениях стали 09г2с в исходном и упрочненном высокочастотной механической проковкой состояниях |
| author |
Кныш, В.В. Соловей, С.А. Кузьменко, А.З. |
| author_facet |
Кныш, В.В. Соловей, С.А. Кузьменко, А.З. |
| topic |
Научно-технический раздел |
| topic_facet |
Научно-технический раздел |
| publishDate |
2008 |
| language |
Russian |
| container_title |
Автоматическая сварка |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Accumulation of fatigue damage in tee welded joints of 09G2S steel in the initial condition and after strengthening by high-frequency mechanical peening |
| description |
В рамках гипотезы линейного суммирования усталостных повреждений установлены критерии разрушения тавровых сварных соединений стали 09Г2С в исходном и упрочненном технологией высокочастотной механической проковки
(ВМП) после сварки состояниях при возрастающем, убывающем и квазислучайном блоках нагружения. Отмечено, что при прогнозировании долговечности сварных соединений, упрочненных технологией ВМП, вполне приемлемо использовать линейную гипотезу накопления усталостных повреждений. Для сварных соединений в исходном состоянии, накопление повреждений в которых существенно зависит от истории нагружения, предложено правило суммирования повреждений, уменьшающее рассеяние предельной суммарной поврежденности.
Criteria of fracture of welded T-joints on steel 09G2S in the as-welded state and after strengthening by the technology of
high-frequency mechanical peening (HMP), loaded in the decreasing, increasing and quasi-random modes, are considered
in the context of the hypothesis of linear summation of fatigue damages. It is noted that this hypothesis is well suitable
for prediction of fatigue life of the welded joints strengthened by the HMP technology. For the as-welded joints, where
accumulation of damages strongly depends upon the loading history, the rule of summation of damages is suggested that
decreases scattering of the ultimate total degree of damages.
|
| issn |
0005-111X |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100016 |
| citation_txt |
Накопление усталостных повреждений в тавровых сварных соединениях стали 09Г2С в исходном и упрочненном высокочастотной механической проковкой состояниях / В.В, Кныш, С.А. Соловей, А.З. Кузьменко // Автоматическая сварка. — 2008. — № 10 (666). — С. 12-18. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT knyšvv nakoplenieustalostnyhpovreždeniivtavrovyhsvarnyhsoedineniâhstali09g2svishodnomiupročnennomvysokočastotnoimehaničeskoiprokovkoisostoâniâh AT soloveisa nakoplenieustalostnyhpovreždeniivtavrovyhsvarnyhsoedineniâhstali09g2svishodnomiupročnennomvysokočastotnoimehaničeskoiprokovkoisostoâniâh AT kuzʹmenkoaz nakoplenieustalostnyhpovreždeniivtavrovyhsvarnyhsoedineniâhstali09g2svishodnomiupročnennomvysokočastotnoimehaničeskoiprokovkoisostoâniâh AT knyšvv accumulationoffatiguedamageinteeweldedjointsof09g2ssteelintheinitialconditionandafterstrengtheningbyhighfrequencymechanicalpeening AT soloveisa accumulationoffatiguedamageinteeweldedjointsof09g2ssteelintheinitialconditionandafterstrengtheningbyhighfrequencymechanicalpeening AT kuzʹmenkoaz accumulationoffatiguedamageinteeweldedjointsof09g2ssteelintheinitialconditionandafterstrengtheningbyhighfrequencymechanicalpeening |
| first_indexed |
2025-11-24T11:37:38Z |
| last_indexed |
2025-11-24T11:37:38Z |
| _version_ |
1850845538827632640 |
| fulltext |
УДК 621.791.052:620.193.2
НАКОПЛЕНИЕ УСТАЛОСТНЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ
В ТАВРОВЫХ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ СТАЛИ 09Г2С
В ИСХОДНОМ И УПРОЧНЕННОМ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ
МЕХАНИЧЕСКОЙ ПРОКОВКОЙ СОСТОЯНИЯХ
В. В. КНЫШ, канд. физ.-мат. наук, С. А. СОЛОВЕЙ, А. З. КУЗЬМЕНКО, инженеры
(Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины)
В рамках гипотезы линейного суммирования усталостных повреждений установлены критерии разрушения тавровых
сварных соединений стали 09Г2С в исходном и упрочненном технологией высокочастотной механической проковки
(ВМП) после сварки состояниях при возрастающем, убывающем и квазислучайном блоках нагружения. Отмечено,
что при прогнозировании долговечности сварных соединений, упрочненных технологией ВМП, вполне приемлемо
использовать линейную гипотезу накопления усталостных повреждений. Для сварных соединений в исходном сос-
тоянии, накопление повреждений в которых существенно зависит от истории нагружения, предложено правило сум-
мирования повреждений, уменьшающее рассеяние предельной суммарной поврежденности.
К л ю ч е в ы е с л о в а : сварные конструкции, низколегиро-
ванные стали, тавровые соединения, накопление усталост-
ных повреждений, высокочастотная механическая проков-
ка, циклическая долговечность
В сварных металлоконструкциях, предназначен-
ных для длительной эксплуатации в условиях пе-
ременного нагружения, усталостные повреждения
накапливаются в околошовных зонах в местах
максимальной концентрации рабочих и остаточ-
ных напряжений. Решение задач по оценке и прог-
нозированию долговечности таких конструкций
предполагает наряду с расчетным определением
напряженно-деформированного состояния их эле-
ментов установление закона суммирования уста-
лостных повреждений в зонах концентраторов.
Экспериментальному исследованию закономер-
ностей накопления усталостных повреждений в
конструкционных сталях посвящено множество
работ, в том числе и обзорных [1–3].
При решении задач по оценке долговечности
для различного рода нестационарных нагружений
наиболее широко используется гипотеза линей-
ного суммирования повреждений, применяемая
как для основного материала, так и для сварных
соединений, что объясняется ее простотой и от-
сутствием неизвестных параметров. Впервые она
была предложена Пальмгреном в 1924 г. и позднее
развита Майнером в 1945 г.
Согласно гипотезе Пальмгрена—Майнера
доля поврежденности Di при любом i-м уровне
напряжений цикла прямо пропорциональна от-
ношению количества циклов его действия ni к
количеству циклов до разрушения на этом уров-
не Ni. Предсказывается, что разрушение прои-
зойдет, если
∑
i = 1
k
Di = ∑
i = 1
k ni
Ni
≥ 1.
(1)
Результаты экспериментальных исследований,
полученные при различных видах нагружения для
гладких образцов и образцов с концентраторами,
не всегда удовлетворительно согласуются с ли-
нейной гипотезой Пальмгрена—Майнера. Разброс
значений суммы долей поврежденности при раз-
рушении для таких образцов колеблется примерно
от 0,1 до 5 [1–3]. При этом отмечается, что по-
рядок приложения нагрузок оказывает существен-
ное влияние на долговечность образца. При ре-
жимах нагружения, когда низкие напряжения
предшествуют высоким, происходит так называ-
емая тренировка и суммарная поврежденность,
как правило, больше единицы. Наиболее сущес-
твенно тренировка проявляется, когда первона-
чальный размах напряжений ниже предела вы-
носливости незначительно увеличивают через ин-
тервалы в несколько миллионов циклов. При ре-
жимах нагружения, когда высокие напряжения
предшествуют низким, происходит так называе-
мая перегрузка и суммарная поврежденность, как
правило, меньше единицы. Если различные ам-
плитуды циклических напряжений будут чередо-
ваться квазислучайным образом, то эксперимен-
тальное значение суммы долей поврежденности
в момент разрушения приближается к единице.
Поскольку во многих практических приложениях
напряжения меняются квазислучайно, использо-
вание правила линейного суммирования повреж-
дений Пальмгрена—Майнера для предсказания
разрушения часто оказывается приемлемым.
Иногда при известных спектрах нагружения, ха-
© В. В. Кныш, С. А. Соловей, А. З. Кузьменко, 2008
12 10/2008
рактерных для того или иного изделия, улучшение
соответствия предсказанной долговечности с эк-
спериментально установленной достигают путем
модификации линейной гипотезы Пальмгрена–
Майнера, получаемой путем замены в выражении
(1) критерия разрушения на величину a, отлича-
ющуюся от единицы. В литературе отсутствует
единое мнение о методике определения параметра
a, чаще всего его значение вычисляется экспе-
риментально при неизменном программном наг-
ружении отдельных образцов с усреднением ре-
зультатов испытаний.
Данная модификация линейной гипотезы име-
ет существенный недостаток — она справедлива
для строго определенного круга материалов и ус-
ловий нагружения и не может распространяться
на условия, выходящие за рамки первоначального
эксперимента.
Что касается сварных соединений, то работ по
исследованию закономерностей накопления уста-
лостных повреждений гораздо меньше. В работах
[4, 5] отмечается, что в сварных соединениях с
высокими остаточными напряжениями растяже-
ния при однократной смене максимальных нап-
ряжений цикла переменного нагружения накоп-
ление повреждений существенно зависит от по-
рядка нагружения. Кроме того, от порядка наг-
ружения зависит суммарная поврежденность
сварных соединений, подвергнутых действию
многоступенчатой убывающей или возрастающей
последовательности нагружения [6–8]. Разброс
приведенных значений суммарной относительной
долговечности колеблется примерно от 0,3 до 3.
Для других видов нагружения, в частности, при
многоблочном и двухступенчатом с многократной
сменой напряжений, гипотеза линейного сумми-
рования повреждений получила эксперименталь-
ное подтверждение. Так, в работе [4] справедли-
вость линейной гипотезы накопления усталост-
ных повреждений подтвердилась при многоблоч-
ном нагружении сварных образцов стали ВСт3
с высокими остаточными напряжениями. Пока-
зано, что, начиная с десятиблочного двухступен-
чатого нагружения, результаты испытаний прак-
тически перестают зависеть от порядка первона-
чального нагружения (перехода с высшего уровня
на низший или с низшего на высший).
В последние годы с целью повышения цик-
лической долговечности сварных узлов и элемен-
тов металлоконструкций широкое применение на-
ходят технологии поверхностного пластического
деформирования, в частности, высокочастотная
механическая проковка (ВМП). Эффективность
применения данной технологии на стадии изго-
товления изделий при регулярном нагружении хо-
рошо изучена, однако, экспериментальные дан-
ные по установлению закона суммирования пов-
реждений в упрочненных ВМП сварных соеди-
нениях практически отсутствуют (следует отме-
тить единственную работу [9]).
Цель настоящей работы — экспериментальная
оценка применимости гипотезы линейного сум-
мирования повреждений для тавровых сварных
соединений в исходном и упрочненном техноло-
гией ВМП состояниях при возрастающем, убы-
вающем и квазислучайном блоках нагружения.
Экспериментальные исследования проводили
на образцах тавровых соединений стали 09Г2С
(σт = 370 МПа, σв = 540 МПа). Заготовки под об-
разцы из этой стали вырезали из листового про-
ката так, чтобы длинная сторона была ориенти-
рована вдоль проката. Поперечные ребра прива-
ривали угловыми швами с двух сторон ручной
электродуговой сваркой электродами марки УО-
НИ-13/55. Форма и геометрические размеры об-
разца приведены на рис. 1. Толщина образца обус-
ловлена широкой применимостью в сварных кон-
струкциях проката толщиной 12 мм, а ширину
рабочей части выбирали исходя из мощности ис-
пытательного оборудования. Известно, что при
ширине образца 50 мм уровни остаточных нап-
ряжений растяжения в околошовной зоне не дос-
тигают предельного значения, а равны примерно,
0,5σт, однако, как будет показано ниже, этот фак-
тор не оказывает существенного влияния на ре-
зультаты исследований. При упрочнении соеди-
нений технологией ВМП поверхностному плас-
тическому деформированию подвергалась узкая
зона перехода металла шва к основному металлу.
Усталостные испытания образцов проводили на
испытательной машине УРС 20 при одноосном
переменном растяжении с асимметрией цикла
Rσ = 0. Все образцы испытывали до полного раз-
рушения. Первоначально были установлены кри-
вые усталости тавровых сварных соединений ста-
Рис. 1. Схема образца таврового соединения стали 09Г2С
10/2008 13
ли 09Г2С в исходном и в упрочненном техноло-
гией ВМП сразу после сварки состояниях (рис. 2).
Для установления критерия разрушения (величи-
на a) в соответствии с линейной гипотезой на-
копления усталостных повреждений испытывали
шесть серий образцов: по три серии для упроч-
ненных и неупрочненных сварных соединений со-
ответственно. При этом каждая серия состояла
из трех образцов.
При усталостных испытаниях сварных соеди-
нений в исходном состоянии блок включал пять
ступеней нагружения с наработкой 20 % долго-
вечности на каждой. Первую серию образцов ис-
пытывали при заданном начальном уровне нап-
ряжений 180 МПа с последующим увеличением
до 260 МПа с шагом 20 МПа (возрастающий вид
нагружения). Образцы второй серии испытывали
при начальном уровне напряжений 260 МПа с
последующим уменьшением до 180 МПа также
с шагом 20 МПа (убывающий вид нагружения).
Образцы третьей серии испытывали при следу-
ющих пяти последовательных уровнях макси-
мальных напряжений цикла: 220, 200, 240, 180,
260 МПа (квазислучайный вид нагружения).
Для сварных соединений, упрочненных тех-
нологией ВМП, сразу после сварки блок включал
четыре ступени нагружения с наработкой 25 %
долговечности на каждой. Четвертую серию об-
разцов испытывали при заданном начальном
уровне напряжений 260 МПа с последующим уве-
личением до 305 МПа с шагом 15 МПа. Образцы
пятой серии испытывали при начальном уровне
напряжений 305 МПа с последующим уменьше-
нием до 260 МПа также с шагом 15 МПа. Образцы
шестой серии испытывали при следующих четы-
рех последовательных уровнях максимальных
напряжений цикла: 290, 275, 305, 260 МПа.
Результаты испытаний сварных соединений в
исходном состоянии и упрочненных сразу после
сварки представлены соответственно в табл. 1 и
табл. 2. Установленные предельные значения сум-
мы относительных долговечностей при испыта-
ниях на усталость сварных соединений в исход-
ном состоянии изменяются в пределах от 0,32 до
1,97. При этом порядок приложения нагрузок ока-
зывает существенное влияние на циклическую
долговечность сварных соединений. Так, значения
суммарной поврежденности, полученные при ис-
пытании трех образцов до разрушения, при воз-
растающей последовательности приложения наг-
рузок находятся в пределах от 0,32 до 0,56, при
убывающей — от 1,48 до 1,97 и при квазислу-
чайном виде нагружения — от 0,84 до 1,25. Эти
значения предельных сумм долей поврежденнос-
ти подтверждают, что порядок приложения наг-
рузки в сварных соединениях вызывает обратный
эффект в закономерностях накопления усталост-
ных повреждений при использовании линейной
гипотезы по сравнению с конструкционными ста-
лями [4].
Экспериментально установленные предельные
значения суммы относительных долговечностей
при испытаниях на усталость всех образцов свар-
ных соединений, упрочненных технологией ВМП
сразу после сварки, находятся в более узких гра-
ницах от 0,65 до 1,08. При этом разброс значений
суммарной поврежденности для возрастающей
последовательности приложенных нагрузок нахо-
Рис. 2. Кривые усталости тавровых сварных соединений низ-
колегированной стали 09Г2С: , — соответственно в
исходном и упрочненном после сварки состояниях
Т а б л и ц а 1. Результаты испытаний на усталость тавровых сварных соединений стали 09Г2С при различных видах
блока нагружения
№ образ-
ца
Вид блока
нагружения
1-е нагружение* 2-е нагружение 3-е нагружение
σ1max, МПа n1, тыс.
циклы σ2max, МПа n2, тыс.
циклы n2/N2, % σ3max, МПа n3, тыс.
циклы n3/N3, %
1 Возрастающий 180 208,8 200 119,9 20,0 220 55,9 15,6**
2 180 208,8 200 72,9 12,2** — — —
3 180 208,8 200 119,9 20,0 220 13,4 3,7**
4 Убывающий 260 25,6 240 42,8 20,0 220 71,6 20,0
5 260 25,6 240 42,8 20,0 220 71,6 20,0
6 260 25,6 240 42,8 20,0 220 71,6 20,0
7 Квазислучайный 220 71,6 200 119,9 20,0 240 42,8 20,0
8 220 71,6 200 119,9 20,0 240 42,8 20,0
9 220 71,6 200 119,9 20,0 240 42,8 20,0
14 10/2008
дится в пределах от 0,91 до 0,98, для убывающей
— от 0,65 до 0,74, а для квазислучайного вида
нагружения — от 0,73 до 1,08. Следовательно,
для упрочненных ВМП тавровых сварных сое-
динений порядок приложения нагрузок не ока-
зывает существенного влияния на циклическую
долговечность соединений.
Установленные закономерности накопления
усталостных повреждений в исследуемых свар-
ных соединениях отражают их специфические
особенности в сравнении с основным металлом,
такие как наличие сварочных остаточных напря-
жений и геометрического концентратора напря-
жений ασ, обусловленного формой соединения.
Известно, что в результате взаимодействия оста-
точных напряжений с напряжением цикла пере-
менного нагружения в зоне концентратора свар-
ного соединения формируется новый цикл нап-
ряжений того же размаха, что и исходный, но
другой асимметрии. При неизменных параметрах
прикладываемого циклического нагружения к
сварным соединениям в исходном состоянии (Rσ =
= 0) с высокими остаточными напряжениями рас-
тяжения в зонах концентраторов максимальные
σmax
k и минимальные σmin
k напряжения цикла оп-
ределяются соотношениями [10]:
σmax
k = σт, (2)
σmin
k = σост
y = σт – ασ 2σa, (3)
где σт — предел текучести материала; σост
y —
установившиеся остаточные напряжения; σa —
амплитуда напряжений цикла переменного наг-
ружения.
Соотношения (2) и (3) записаны для идеально
упругопластического материала.
Принимается, что свойства стали 09Г2С близ-
ки к идеально упругопластическим. Следователь-
но, при построении кривой усталости (рис. 2) тав-
ровых сварных соединений в исходном состоянии
с остаточными напряжениями растяжения σост ≈
≈ 0,5σт во всем диапазоне приложенных внешних
Окончание табл. 1
№ образ-
ца
Вид блока
нагружения
4-е нагружение 5-е нагружение
∑
ni
Ni
, %
σ4max, МПа n4, тыс. цик-
лы n4/N4, % σ5max, МПа n5, тыс. цик-
лы n5/N5, %
1 Возрастающий — — — — — — 55,6
2 — — — — — — 32,2
3 — — — — — — 43,7
4 Убывающий 200 119,9 20,0 180 1221,8 117,0** 197,0
5 200 119,9 20,0 180 710,7 68,1** 148,1
6 200 119,9 20,0 180 998,2 99,4** 179,4
7 Квазислучайный 180 208,8 20,0 260 5,3 4,1** 84,1
8 180 208,8 20,0 260 57,2 44,7** 124,7
9 180 208,8 20,0 260 23,6 18,4** 98,4
* Для 1-го нагружения n1/N1 = 20,0 %. ** Образец разрушился.
Т а б л и ц а 2. Результаты испытаний на усталость тавровых сварных соединений стали 09Г2С, упрочненных
технологией ВМП, при различных видах блока нагружения
№ образ-
ца
Вид блока
нагружения
1-е нагружение* 2-е нагружение* 3-е нагружение 4-е нагружение
∑
ni
Ni
, %
σ1max,
МПа
n1, тыс.
циклы
σ2max,
МПа
n2, тыс.
циклы
σ3max,
МПа
n3, тыс.
циклы n3/N3, % σ4max,
МПа
n4, тыс.
циклы
n4/N4,
%
1 Возрастающий 260 387,2 275 261,8 290 185,7 25,0 305 82,4 16,0** 91,0
2 260 387,2 275 261,8 290 185,7 25,0 305 120,3 23,4** 98,4
3 260 387,2 275 261,8 290 185,7 25,0 305 109,7 21,3** 96,3
4 Убывающий 305 128,6 290 185,7 275 248,9 23,8** 73,8
5 305 128,6 290 185,7 275 155,8 14,9** 64,9
6 305 128,6 290 185,7 275 205,3 19,6** 69,6
7 Квазислучайный 290 185,7 275 261,8 305 128,6 25,0 260 503,7 32,5** 107,5
8 290 185,7 275 261,8 305 118,3 23,0** 73,0
9 290 185,7 275 261,8 305 128,6 25,0 260 287,2 18,5 93,5
* Для 1-го и 2-го нагружения n1/N1 и n2/N2 = 25,0 %. ** Образец разрушился.
10/2008 15
нагрузок в зоне концентратора (ασ = 1,5) реали-
зуется предельный цикл напряжений соответству-
ющего размаха, при котором σmax
k достигают пре-
дела текучести материала. Учитывая отмеченное
выше, увеличение ширины образца (увеличение
уровня остаточных напряжений) не приведет к
изменению реализуемого в зоне концентратора
цикла напряжений, а следовательно, и не окажет
влияния на результаты испытаний.
При блоках нагружения определяющую роль
в закономерности накопления усталостных пов-
реждений сварным соединением играет макси-
мальное напряжение первого уровня приложен-
ного нагружения. Известно, что уже после первых
циклов начальной ступени нагружения в зоне кон-
центратора формируется установившийся уровень
остаточных напряжений σост
y , которые могут быть
как растягивающими, так и сжимающими. Они
и будут определять максимальные σmax
k и мини-
мальные σmin
k напряжения цикла в зоне концен-
тратора на последующей ступени нагружения:
σmax
k = σост
y + ασ2σa, (4)
σmin
k = σост
y . (5)
Аналогичным образом уровень напряжений
предыдущей ступени нагружения будет оказывать
влияние на формирование в зоне концентратора
цикла переменного нагружения последующей сту-
пени. Следует отметить, что σmax
k , определяемое
соотношением (4), не может превышать значение,
равное пределу текучести материала, поскольку
исходя из модели идеально упругопластического
материала вызовет лишь развитие пластических
деформаций в зоне концентратора.
Используя соотношения (2)–(5), рассмотрим
более детально циклы переменных напряжений,
которые формируются в зоне концентратора нап-
ряжений таврового соединения с учетом влияния
остаточных напряжений и коэффициента концен-
трации напряжений при воздействии приведен-
ных выше последовательностей нагружения. Для
сварных соединений в исходном состоянии при
возрастающем блоке нагружения (рис. 3, а) на
каждой его ступени в зоне концентратора реа-
лизуются предельные циклы напряжений (σmax
k =
= σт), идентичные тем, которые имеют место при
построении кривой усталости. При этом влияние
остаточных напряжений в процессе нагружения
приводит к развитию пластических деформаций
в зоне концентратора на каждой его ступени. При
убывающем блоке нагружения в зоне концент-
ратора (рис. 3, б) реализуются циклы напряжений,
отличные от предельных, начиная со второй сту-
пени нагружения. Их повреждающая способность
ниже повреждающей способности предельных
циклов напряжений, которые реализуются при тех
же уровнях внешнего переменного нагружения
при построении кривой усталости сварных сое-
динений в исходном состоянии. При квазислу-
чайном блоке нагружения в зоне концентратора
реализуются как предельные, так и отличные от
них циклы напряжений (рис. 3, в). Таким образом,
при одинаковом уровне внешнего нагружения в
зоне концентратора формируется цикл напряже-
ний одинакового размаха, но с зависящей от пос-
ледовательности приложения нагрузки асиммет-
рией цикла напряжений, которые и определяют
его повреждающую способность. Поэтому рассчи-
тывать долю поврежденности сварного соедине-
ния по кривой усталости, при построении которой
в зоне концентратора реализуются только пре-
дельные циклы напряжений, для убывающего и
квазислучайного блоков нагружений некоррект-
Рис. 3. Схематическое изображение размахов напряжений в
зоне концентратора сварного соединения в состоянии после
сварки при возрастающем (а), убывающем (б) и квазислучай-
ном (в) блоках нагружения
16 10/2008
но. Для этих случаев предлагается суммарную
поврежденность определять по формуле:
D =
n1
N1
+ ∑
i = 2
k ni
Ni
⎛
⎜
⎝
σmi
σmi
пp
⎞
⎟
⎠
,
(6)
где σmi — среднее напряжение цикла в зоне кон-
центратора, отвечающее i-му уровню внешнего
переменного нагружения; σmi
пp — среднее напря-
жение предельного цикла в зоне концентратора,
отвечающее i-му уровню внешнего переменного
нагружения.
Значения суммарной поврежденности сварных
соединений в исходном состоянии, полученные
по формуле (6), находятся в следующих пределах:
при возрастающей последовательности приложе-
ния нагрузок — от 0,32 до 0,56, при убывающей
последовательности — от 0,96 до 1,20 и при ква-
зислучайном виде нагружения — от 0,80 до 1,15.
Как видно, использование соотношения (6) умень-
шает разброс значений предельных сумм долей
долговечностей с интервала 0,33…1,97 до
0,33…1,2, а средние значения суммарной повреж-
денности при убывающем и квазислучайном бло-
ках нагружения близки к единице (1,10 и 0,95
соответственно), что подтверждает целесообраз-
ность использования данной формулы в расчете
долговечности сварных соединений при различ-
ных видах нагружения. Достаточно широкий ди-
апазон разброса суммарной поврежденности пос-
ле применения соотношения (6) свидетельствует
о том, что процессы, происходящие в зоне пе-
рехода шва на основной металл, весьма сложные
и не сводятся только к учету остаточных напря-
жений. Поэтому экспериментально установлен-
ные по выражению (6) средние значения предель-
ной суммы долей накопленной поврежденности
для исследуемых видов нагружения следует при-
нимать как критерии усталостного разрушения
тавровых сварных соединений стали 09Г2С, пос-
кольку даже для основного материала установить
общую закономерность накопления усталостных
повреждений в зависимости от режимов измене-
ния нагрузки не удается [1–3].
В сварных соединениях, упрочненных техно-
логией ВМП сразу после сварки, в зоне концен-
тратора наводятся остаточные напряжения
сжатия, которые могут достигать значений, близ-
ких к пределу текучести основного материала.
Следовательно, при построении кривой усталости
тавровых сварных соединений в упрочненном сос-
тоянии во всем диапазоне приложенных внешних
нагрузок в зоне концентратора реализуется цикл
переменных напряжений, максимальные σmax
k и
минимальные σmin
k напряжения которого опреде-
ляются соотношениями (4) и (5). При блоках наг-
ружения циклы напряжений, реализуемые в зоне
концентратора, идентичны тем, которые имеют
место при построении кривой усталости сварных
соединений в упрочненном состоянии и не зави-
сят от уровня и порядка приложения напряжений
(схематично это показано на рис. 4). При этом
средние значения предельной суммарной повреж-
денности, полученные по линейной гипотезе на-
копления усталостных повреждений (для
возрастающей последовательности приложенных
нагрузок 0,95, убывающей 0,69 и для квазислу-
чайного нагружения 0,91), указывают на слабую
чувствительность упрочненных соединений к пос-
ледовательности нагружения. Для исследуемых
Рис. 4. Схематическое изображение размахов напряжений в
зоне концентратора сварного соединения, упрочненного тех-
нологией ВМП, при возрастающем (а), убывающем (б) и
квазислучайном (в) блоках нагружения
10/2008 17
видов нагружения эти значения следует прини-
мать как критерии усталостного разрушения тав-
ровых сварных соединений стали 09Г2С, уп-
рочненных технологией ВМП. Однако в силу их
незначительного отличия для упрочненных свар-
ных соединений вполне оправданно применение
гипотезы Пальмгрена—Майнера (1). Различия в
закономерностях накопления усталостных пов-
реждений и соответственно в разбросе значений
предельных сумм долей долговечностей сварных
соединений в исходном (0,33…1,2) и упрочнен-
ном технологией ВМП (0,65…1,07) состояниях
обусловлены их специфическими особенностями:
различными коэффициентами концентрации нап-
ряжений и уровнями остаточных напряжений; от-
личием пластических деформаций в зоне перехода
шва на основной металл; различным состоянием
поверхности и др.
Выводы
1. Установлены кривые усталости тавровых свар-
ных соединений стали 09Г2С в исходном и уп-
рочненном технологией ВМП состояниях после
сварки.
2. В рамках гипотезы линейного суммирования
усталостных повреждений установлены критерии
разрушения тавровых сварных соединений стали
09Г2С в исходном и упрочненном технологией
ВМП после сварки состояниях при возрастающем,
убывающем и квазислучайном блоках нагру-
жения. Подтверждено, что порядок приложения
нагрузки оказывает существенное влияние на на-
копление усталостных повреждений в сварных со-
единениях в исходном состоянии.
3. Экспериментально установлено, что законо-
мерности накопления усталостных повреждений
при возрастающем, убывающем и квазислучайном
блоках нагружения тавровых сварных соединений
упрочненных ВМП в состоянии после сварки,
удовлетворительно согласуются с линейной ги-
потезой Пальмгрена–Майнера.
4. Предложено соотношение для накопления
усталостных повреждений в неупрочненных свар-
ных соединениях, учитывающее влияние остаточ-
ных сварочных напряжений и коэффициент
концентрации напряжений соединений, которое
существенно уменьшает рассеяние предельных
сумм повреждений независимо от порядка при-
ложения нагрузок.
1. Manson S. S. , Halford G. R. Re-examination of cumulative
fatigue damage analysis — an engineering perspective //
Eng. Frac. Mech. — 1986. — 25. — P. 539–571.
2. Трощенко В. Т., Сосновский Л. А. Сопротивление уста-
лости металлов и сплавов: Справочник. — Киев: Наук.
думка, 1987. — Ч. 1. — 521 с.
3. Коллинз Дж. Повреждение материалов в конструкциях.
Анализ, предсказание, предотвращение: Пер. с англ. —
М.: Мир, 1984. — 624 с.
4. Прочность сварных соединений при переменных наг-
рузках / Под ред. В. И. Труфякова. — Киев: Наук. думка,
1990. — 256 с.
5. Труфяков В. И. Усталость сварных соединений. — Киев:
Наук. думка, 1973. — 216 с.
6. Gurney T. R. Fatigue of welded structures. — Second ed. —
Cambridge: Cambridge Univ. press, 1979. — 298 р.
7. Blom A. F. Spectrum fatigue behaviour of welded joints //
Intern. J. Fatigue. — 1998. — 17. — P. 485–491.
8. Sonsino C. M., Lagoda T., Demofonti G. Damage accumula-
tion under variable amplitude loading of welded medium-
and high-strength steels // Ibid. — 2004. — 26. — P. 487–
495.
9. Huo L., Wang D., Zhang Y. Investigation of the fatigue beha-
viour of the welded joints treated by TIG dressing and ultra-
sonic peening under variable amplitude load // Ibid. — 2005.
— 27. — P. 95–101.
10. Труфяков В. И., Кудрявцев Ю. Ф., Михеев П. П. О вли-
янии остаточных напряжений на сопротивление усталос-
ти сварных соединений // Автомат. сварка. — 1988. —
№ 2. — С. 1–4.
Criteria of fracture of welded T-joints on steel 09G2S in the as-welded state and after strengthening by the technology of
high-frequency mechanical peening (HMP), loaded in the decreasing, increasing and quasi-random modes, are considered
in the context of the hypothesis of linear summation of fatigue damages. It is noted that this hypothesis is well suitable
for prediction of fatigue life of the welded joints strengthened by the HMP technology. For the as-welded joints, where
accumulation of damages strongly depends upon the loading history, the rule of summation of damages is suggested that
decreases scattering of the ultimate total degree of damages.
Поступила в редакцию 15.04.2008
ВНИМАНИЮ ЧИТАТЕЛЕЙ!
Решением Президиума ВАК Российской Федерации от 4 июля 2008 г. журнал
«Автоматическая сварка» включен в Перечень ведущих рецензируемых научных
журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные
результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук.
18 10/2008
|