Повышение сопротивления усталости сварных соединений с накопленной поврежденностью при многоступенчатом и блочном нагружениях
Приведены результаты испытаний на усталость тавровых сварных соединений стали 09Г2С, упрочненных технологией высокочастотной механической проковки после накопления 50% усталостных повреждений, при действии многоступенчатого и блочного нагружений с отличающимися параметрами до и после упрочнения. Уст...
Saved in:
| Published in: | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Date: | 2012 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2012
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101236 |
| 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: | Повышение сопротивления усталости сварных соединений с накопленной поврежденностью при многоступенчатом и блочном нагружениях / В.В. Кныш, С.А. Соловей, А.З. Кузьменко // Автоматическая сварка. — 2012. — № 7 (711). — С. 24-28. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859814913001652224 |
|---|---|
| author | Кныш, В.В. Соловей, С.А. Кузьменко, А.З. |
| author_facet | Кныш, В.В. Соловей, С.А. Кузьменко, А.З. |
| citation_txt | Повышение сопротивления усталости сварных соединений с накопленной поврежденностью при многоступенчатом и блочном нагружениях / В.В. Кныш, С.А. Соловей, А.З. Кузьменко // Автоматическая сварка. — 2012. — № 7 (711). — С. 24-28. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Автоматическая сварка |
| description | Приведены результаты испытаний на усталость тавровых сварных соединений стали 09Г2С, упрочненных технологией высокочастотной механической проковки после накопления 50% усталостных повреждений, при действии многоступенчатого и блочного нагружений с отличающимися параметрами до и после упрочнения. Установлено, что применение этой технологии позволяет повысить уровни первоначально прикладываемых напряжений к таким соединениям и увеличить их остаточную долговечность.
The paper gives the results of fatigue testing of tee welded joints of 09G2S steel strengthened by the technology of high-frequency mechanical peening after accumulation of 50 % of fatigue damage, at application of multistep and block loading with differing parameters before and after strengthening. It is established that application of this technology allows increasing the levels of stresses initially applied to such joints and improving their residual fatigue life.
|
| first_indexed | 2025-12-07T15:22:05Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 621.791.05:[620.193.2:539.43]
ПОВЫШЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ УСТАЛОСТИ
СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ С НАКОПЛЕННОЙ
ПОВРЕЖДЕННОСТЬЮ ПРИ МНОГОСТУПЕНЧАТОМ
И БЛОЧНОМ НАГРУЖЕНИЯХ
В. В. КНЫШ, д-р техн. наук, С. А. СОЛОВЕЙ, канд. техн. наук, А. З. КУЗЬМЕНКО, инж.
(Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины)
Приведены результаты испытаний на усталость тавровых сварных соединений стали 09Г2С, упрочненных технологией
высокочастотной механической проковки после накопления 50% усталостных повреждений, при действии многос-
тупенчатого и блочного нагружений с отличающимися параметрами до и после упрочнения. Установлено, что
применение этой технологии позволяет повысить уровни первоначально прикладываемых напряжений к таким
соединениям и увеличить их остаточную долговечность.
К л ю ч е в ы е с л о в а : накопление усталостных поврежде-
ний, высокочастотная механическая проковка, циклическая
долговечность, усталость, сварное соединение
В процессе эксплуатации инженерные конструк-
ции, как правило, подвергаются сложным режи-
мам нагружения, когда последовательность зна-
чений амплитуд и средних напряжений цикла
изменяется случайным образом [1]. В работах [2–
4] представлены данные экспериментальных ис-
следований по повышению технологией высокочас-
тотной механической проковки (ВМП) несущей
способности сварных элементов эксплуатируемых
металлоконструкций, упрочненных после накопле-
ния заданного уровня усталостных повреждений
вплоть до зарождения трещины. Показано, что пос-
ле упрочнения соединений технологией ВМП уров-
ни эксплуатационных нагрузок могут быть сущес-
твенно повышены с обеспечением заданной долго-
вечности. Исследования в данном направлении про-
водили только при регулярном нагружении. В связи
с этим установление эффективности упрочнения
сварных соединений элементов конструкций тех-
нологией ВМП для повышения несущей способ-
ности эксплуатируемых конструкций при воз-
действии нерегулярного нагружения является ак-
туальной задачей.
Цель настоящей работы — экспериментально
установить эффективность упрочнения техноло-
гией ВМП тавровых сварных соединений эксплу-
атируемых металлоконструкций для повышения
их несущей способности в условиях действия
многоступенчатых и блочных нагружений с от-
личающимися параметрами до и после обработки.
Экспериментальные исследования проводили
на образцах тавровых соединений стали 09Г2С
(σт = 370 МПа, σв = 540 МПа). Заготовки под
образцы 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
дуговой сваркой электродами марки УОНИ-13/55.
Форма и геометрические размеры образца при-
ведены на рис. 1. Толщина образца обусловлена
широкой применимостью в сварных конструкци-
ях проката толщиной 12 мм, а ширину рабочей
части образца выбирали исходя из мощности ис-
пытательного оборудования. При упрочнении со-
единений технологией ВМП поверхностному
пластическому деформированию подвергали уз-
кую зону перехода металла шва к основному ме-
таллу. Испытания на усталость образцов прово-
дили на испытательной машине УРС 20 при одно-
осном переменном растяжении с асимметрией
© В. В. Кныш, С. А. Соловей, А. З. Кузьменко, 2012
Рис. 1. Форма и размеры образца таврового соединения стали
09Г2С
24 7/2012
цикла Rσ = 0. Все образцы испытывали до полного
разрушения.
Эффективность повышения технологией ВМП
характеристик сопротивления усталости сварных
соединений с накопленными усталостными пов-
реждениями при действии отличающихся многос-
тупенчатых и блочных нагружений до и после
упрочнения определяли путем сопоставления эк-
спериментальных данных испытаний на усталость
сварных соединений в исходном состоянии и уп-
рочненных после наработки заданного количества
циклов переменного нагружения. Эксперимен-
тальные данные испытаний исследуемых сварных
соединений в исходном состоянии при многос-
тупенчатом и блочном нагружениях получены
ранее в работах [5, 6].
Испытания на усталость тавровых сварных со-
единений стали 09Г2С, упрочненных после на-
работки заданного количества циклов перемен
напряжений, проводили на 18 образцах, по 9 об-
разцов соответственно в условиях многоступен-
чатого и блочного нагружений с возрастающим,
убывающим и квазислучайным порядками при-
ложения нагрузки в блоке. Для каждого порядка
приложения нагрузки испытывали три образца в
условиях многоступенчатого и три образца в ус-
ловиях блочного нагружений.
При многоступенчатом и блочном нагружени-
ях сварных соединений в исходном после сварки
состоянии порядок приложения нагрузки задавали
одними и теми же пятью уровнями (ступенями)
прикладываемых максимальных напряжений цик-
ла, но с различной наработкой доли поврежден-
ности (количества циклов перемен напряжений)
на каждом уровне. Возрастающий порядок при-
ложения нагрузки в блоке задавали начальными
максимальными напряжениями цикла, равными
180 МПа на первой ступени нагружения с пос-
Рис. 2. Схема нагружения образцов таврового сварного соединения стали 09Г2С до и после упрочнения при многоступенча-
том нагружении с возрастающей (а), убывающей (б) и квазислучайной (в) последовательностями приложения нагрузки
7/2012 25
ледующим увеличением до 260 МПа (пятая сту-
пень нагружения) с шагом 20 МПа. Убывающий
порядок приложения нагрузки в блоке задавали
начальным уровнем максимальных напряжений
цикла 260 МПа с последующим уменьшением до
180 МПа также с шагом 20 МПа. Квазислучай-
ный порядок приложения нагрузки в блоке за-
давали следующими пятью последовательными
уровнями максимальных напряжений цикла в бло-
ке: 220, 200, 240, 180, 260 МПа.
Упрочнение технологией ВМП сварных сое-
динений проводили при накоплении соединени-
ями 50 % усталостных повреждений. Количество
циклов перемен напряжений до упрочнения на
каждой ступени нагружения в условиях многос-
тупенчатого и блочного нагружений задавали ис-
ходя из установленных ранее предельных значе-
ний суммы относительных долговечностей (кри-
териев разрушения) тавровых сварных соедине-
ний стали 09Г2С в исходном состоянии при ана-
логичных нагружениях [5, 6]. В условиях мно-
гоступенчатого переменного нагружения для всех
порядков приложения нагрузок суммарная пов-
режденность соединений, равная 50 %, задавалась
путем уменьшения в два раза приведенных в ра-
боте [5] значений количества циклов наработки
на каждой ступени нагружения до разрушения об-
разцов (см. рис. 2). При этом возрастающий по-
рядок приложения нагрузки задавали тремя сту-
пенями нагружения, а убывающий и квазислучай-
ный — пятью. В условиях блочного нагружения
для всех порядков приложения нагрузки в блоке
суммарную поврежденность соединений, равную
50 %, задавали путем уменьшения в два раза ко-
личества блоков нагружения до разрушения свар-
ных образцов, приведенных в работе [6], оставляя
неизменным количество циклов в блоке (рис. 3).
Все порядки приложения нагрузок при блочном наг-
ружении задавали пятью ступенями нагружения.
После упрочнения технологией ВМП порядок
приложения нагрузки в блоке (возрастающий,
убывающий или квазислучайный) в условиях мно-
гоступенчатого и блочного нагружений оставался
неизменным. При этом сам блок нагружения за-
Рис. 3. Схема нагружения образцов таврового сварного соединения стали 09Г2С до и после упрочнения при блочном
нагружении с возрастающей (а), убывающей (б) и квазислучайной (в) последовательностями приложения нагрузки в каждом
блоке
26 7/2012
давали уже не пятью, как до упрочнения, а по-
вышенными относительно первоначальных че-
тырьмя ступенями нагружения. Повышенные
уровни прикладываемых максимальных напряже-
ний цикла отвечали уровням ограниченных пре-
делов выносливости упрочненных сварных сое-
динений (вследствие ВМП предел выносливости
рассматриваемых сварных соединений повышал-
ся на 56 %, а долговечность увеличивалась до
10 раз) [5].
После упрочнения ВМП тавровых сварных со-
единений с 50 % наработкой возрастающий по-
рядок приложения нагрузки в блоке задавали
максимальными напряжениями цикла, равными
260 МПа на первой ступени нагружения с пос-
ледующим увеличением до 305 МПа (четвертая
ступень нагружения) с шагом 15 МПа. Убываю-
щий порядок приложения нагрузки в блоке за-
давали начальным уровнем максимальных нап-
ряжений цикла 305 МПа с последующим умень-
шением до 260 МПа также с шагом 15 МПа. Ква-
зислучайный порядок приложения нагрузки в бло-
ке задавали следующими четырьмя последова-
тельными уровнями максимальных напряжений
цикла в блоке: 290, 275, 305, 260 МПа. Количес-
тво циклов перемен напряжений на каждой сту-
пени нагружения образца в условиях многосту-
пенчатого нагружения отвечало 12,5 %, а в ус-
ловиях блочного нагружения — 6,25 % долговеч-
ности упрочненного в исходном состоянии об-
разца [5]. Такой подход обеспечивал суммарную
поврежденность за четыре ступени нагружения
(блок нагружения) при многоступенчатом нагру-
жении, равную 50 %, а при блочном нагружении
— 25 % упрочненного в исходном состоянии об-
разца.
Критерием завершения испытаний в условиях
многоступенчатого и блочного нагружений слу-
жило полное разрушение образцов. Если в усло-
виях многоступенчатого нагружения упрочнен-
ный после 50 % наработки в исходном состоянии
сварной образец не разрушался после заданных
повышенных относительно первоначальных четы-
рех ступеней нагружения (за один блок нагру-
жения), то данный блок нагружения повторялся.
Таким образом, после упрочнения сварные об-
разцы вместо многоступенчатого нагружения
фактически испытывали до полного разрушения
в условиях блочного нагружения. При этом длина
блока (количество циклов перемен напряжений
в одном блоке) оставалась неизменной и состав-
ляла 481,6⋅103 циклов (см. рис. 2).
Результаты испытаний на усталость образцов
тавровых сварных соединений стали 09Г2С, уп-
Результаты испытаний на усталость образцов тавровых сварных соединений
Вид
нагружения
Порядок приложения
нагрузки N50%, тыс. циклов N
50%
упр , тыс. циклов N
50%
упр ⁄ N50%
, % Разрушение
Многоступен-
чатое
Возрастающий
176,2 641,5 364 1 ступень 2 блока
176,2 930,6 528 4 ступень 2 блока
176,2 1274,1 723 2 ступень 3 блока
Убывающий
599,9 1656,0 276 3 ступень 4 блока
599,9 2075,6 346 2 ступень 5 блока
599,9 2378,1 396 4 ступень 5 блока
Квазислучайный
230,3 1202,4 522 3 ступень 3 блока
230,3 1847,6 802 4 ступень 4 блока
230,3 2079,1 903 2 ступень 5 блока
Блочное
Возрастающий
230,2 1909,6 830 4 ступень 8 блока
230,2 2297,2 998 2 ступень 10 блока
230,2 2409,0 1046 Образец не разрушился
Убывающий
230,2 1552,6 674 3 ступень 7 блока
230,2 1761,8 765 2 ступень 8 блока
230,2 2409,0 1046 Образец не разрушился
Квазислучайный
230,2 1401,5 609 4 ступень 6 блока
230,2 2171,9 943 1 ступень 10 блока
230,2 2409,0 1046 Образец не разрушился
П р и м е ч а н и е . N50% — долговечность образца в неупрочненном состоянии, отвечающая 50 % накопленной усталостной пов-
режденности при заданном нагружении [5, 6]; N50%
упр — долговечность образца, упрочненного после наработки 50 % поврежден-
ности в исходном состоянии, при заданном нагружении.
7/2012 27
рочненных технологией ВМП после накопления
50 % поврежденности при действии отличающих-
ся многоступенчатых и блочных нагружений с
указанием количества циклов наработки до и пос-
ле упрочнения, представлены в таблице.
Экспериментально установленные значения
долговечностей при многоступенчатом нагру-
жении тавровых сварных соединений, упрочнен-
ных технологией ВМП после наработки 50 % пов-
режденности (см. таблицу), показывают, что ос-
таточная долговечность этих соединений состав-
ляет от 276 до 903 % остаточной долговечности
неупрочненных сварных соединений. При этом
значения остаточной долговечности, полученные
при испытании образцов при многоступенчатом
нагружении с возрастающей последователь-
ностью приложения нагрузки, находятся в пре-
делах 364…723 %, при убывающей последова-
тельности — в пределах 276…396 %, а при ква-
зислучайной нагрузке — в пределах 522…903 %
остаточной долговечности неупрочненных свар-
ных соединений при аналогичных порядках при-
ложения нагрузки. Как следует из полученных ре-
зультатов, упрочнение технологией ВМП тавро-
вых сварных соединений стали 09Г2С после на-
копления 50 % поврежденности в условиях мно-
гоступенчатого нагружения позволяет повысить
уровни первоначально прикладываемых макси-
мальных напряжений в блоке до уровней напря-
жений, отвечающих значениям ограниченных пре-
делов выносливости области многоцикловой уста-
лости упрочненных сварных соединений, и гаран-
тированно увеличить их остаточную долговечность.
При блочном нагружении для всех порядков
приложения нагрузки после наработки двух бло-
ков нагружения в исходном состоянии (50 % пов-
режденности) и последующего упрочнения к об-
разцам прикладывали повышенные относительно
первоначальных уровни напряжений (см. рис. 3).
Испытания образцов проводили до полного их
разрушения или наработки ими 10 блоков наг-
ружения в упрочненном состоянии (см. таблицу).
Экспериментально установлено, что после упроч-
нения технологией ВМП разброс значений оста-
точной долговечности находится в пределах
609...1046 % остаточной долговечности неупроч-
ненных образцов. При этом значения остаточной
долговечности, полученные при испытании образ-
цов в случае блочного нагружения с возрастаю-
щей последовательностью приложения нагрузки,
находятся в пределах 830…1046 %, при убыва-
ющей последовательности — в пределах
674…1046 %, а при квазислучайной нагрузке —
609…1046 % остаточной долговечности неупроч-
ненных сварных соединений при аналогичных по-
рядках приложения нагрузки.
Таким образом, экспериментально установле-
но, что при многоступенчатом и блочном нагру-
жениях (см. таблицу) упрочнение технологией
ВМП тавровых сварных соединений после нара-
ботки 50 % поврежденности позволяет не только
существенно повысить уровни прикладываемых
напряжений, но и увеличить их остаточную дол-
говечность в 3…10 раз. При этом в условиях блоч-
ного нагружения разброс экспериментальных
значений циклической долговечности сварных со-
единений находится в более узком диапазоне
(1401400…2409000 циклов), чем при многосту-
пенчатом нагружении (641500…2378100 циклов)
и не зависит от порядка приложения нагрузки в
блоке.
1. Трощенко В. Т., Сосновский Л. А. Сопротивление уста-
лости металлов и сплавов: Справочник. Ч. 1. — Киев:
Наук. думка, 1987. — 521 с.
2. Кныш В. В., Кузьменко А. З., Войтенко О. В. Повышение
сопротивления усталости сварных соединений высоко-
частотной механической проковкой // Автомат. сварка.
— 2006. — № 1. — С. 43–47.
3. Гарф Э. Ф., Литвиненко А. Е., Смирнов А. Х. Оценка
долговечности трубчатых узлов, подвергнутых ультраз-
вуковой ударной обработке // Там же. — 2001. — № 2.
— С. 13–16.
4. Кныш В. В., Кузьменко А. З., Соловей С. А. Влияние предва-
рительного циклического нагружения на эффективность
упрочнения сварных соединений высокочастотной проков-
кой // Там же. — 2011. — № 10. — С. 44–48.
5. Кныш В. В., Кузьменко А. З., Соловей С. А. Накопление
усталостных повреждений в тавровых сварных соедине-
ниях стали 09Г2С в исходном и упрочненном высоко-
частотной механической проковкой состояниях // Там
же. — 2008. — № 10. — С. 12–18.
6. Кныш В. В., Кузьменко О. З., Соловей С. О. Накопичення
втомних пошкоджень в таврових зварних з’єднаннях в
початковому і зміцненому високочастотним проковуван-
ням станах при блоковому навантаженні // Машинознав-
ство. — 2009. — № 9. — С. 27–31.
The paper gives the results of fatigue testing of tee welded joints of 09G2S steel strengthened by the technology of
high-frequency mechanical peening after accumulation of 50 % of fatigue damage, at application of multistep and block
loading with differing parameters before and after strengthening. It is established that application of this technology
allows increasing the levels of stresses initially applied to such joints and improving their residual fatigue life.
Поступила в редакцию 20.03.2012
28 7/2012
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-101236 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0005-111X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T15:22:05Z |
| publishDate | 2012 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Кныш, В.В. Соловей, С.А. Кузьменко, А.З. 2016-06-01T08:41:37Z 2016-06-01T08:41:37Z 2012 Повышение сопротивления усталости сварных соединений с накопленной поврежденностью при многоступенчатом и блочном нагружениях / В.В. Кныш, С.А. Соловей, А.З. Кузьменко // Автоматическая сварка. — 2012. — № 7 (711). — С. 24-28. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101236 621.791.05:[620.193.2:539.43] Приведены результаты испытаний на усталость тавровых сварных соединений стали 09Г2С, упрочненных технологией высокочастотной механической проковки после накопления 50% усталостных повреждений, при действии многоступенчатого и блочного нагружений с отличающимися параметрами до и после упрочнения. Установлено, что применение этой технологии позволяет повысить уровни первоначально прикладываемых напряжений к таким соединениям и увеличить их остаточную долговечность. The paper gives the results of fatigue testing of tee welded joints of 09G2S steel strengthened by the technology of high-frequency mechanical peening after accumulation of 50 % of fatigue damage, at application of multistep and block loading with differing parameters before and after strengthening. It is established that application of this technology allows increasing the levels of stresses initially applied to such joints and improving their residual fatigue life. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Научно-технический раздел Повышение сопротивления усталости сварных соединений с накопленной поврежденностью при многоступенчатом и блочном нагружениях Improvement of fatigue resistance of welded joints with accumulated damage at multistep and block loading Article published earlier |
| spellingShingle | Повышение сопротивления усталости сварных соединений с накопленной поврежденностью при многоступенчатом и блочном нагружениях Кныш, В.В. Соловей, С.А. Кузьменко, А.З. Научно-технический раздел |
| title | Повышение сопротивления усталости сварных соединений с накопленной поврежденностью при многоступенчатом и блочном нагружениях |
| title_alt | Improvement of fatigue resistance of welded joints with accumulated damage at multistep and block loading |
| title_full | Повышение сопротивления усталости сварных соединений с накопленной поврежденностью при многоступенчатом и блочном нагружениях |
| title_fullStr | Повышение сопротивления усталости сварных соединений с накопленной поврежденностью при многоступенчатом и блочном нагружениях |
| title_full_unstemmed | Повышение сопротивления усталости сварных соединений с накопленной поврежденностью при многоступенчатом и блочном нагружениях |
| title_short | Повышение сопротивления усталости сварных соединений с накопленной поврежденностью при многоступенчатом и блочном нагружениях |
| title_sort | повышение сопротивления усталости сварных соединений с накопленной поврежденностью при многоступенчатом и блочном нагружениях |
| topic | Научно-технический раздел |
| topic_facet | Научно-технический раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101236 |
| work_keys_str_mv | AT knyšvv povyšeniesoprotivleniâustalostisvarnyhsoedineniisnakoplennoipovreždennostʹûprimnogostupenčatomibločnomnagruženiâh AT soloveisa povyšeniesoprotivleniâustalostisvarnyhsoedineniisnakoplennoipovreždennostʹûprimnogostupenčatomibločnomnagruženiâh AT kuzʹmenkoaz povyšeniesoprotivleniâustalostisvarnyhsoedineniisnakoplennoipovreždennostʹûprimnogostupenčatomibločnomnagruženiâh AT knyšvv improvementoffatigueresistanceofweldedjointswithaccumulateddamageatmultistepandblockloading AT soloveisa improvementoffatigueresistanceofweldedjointswithaccumulateddamageatmultistepandblockloading AT kuzʹmenkoaz improvementoffatigueresistanceofweldedjointswithaccumulateddamageatmultistepandblockloading |