Оценка предельных напряжений цикла сварных конструкций с высокими остаточными напряжениями по результатам испытаний малогабаритных образцов без остаточных напряжений
Предложено уравнение, позволяющее определять пределы выносливости сварных соединений низкоуглеродистых и низколегированных сталей с высокими остаточными напряжениями по результатам испытаний малогабаритных образцов без остаточных напряжений. Установлена причина независимости амплитуды напряжений от...
Saved in:
| Published in: | Проблемы прочности |
|---|---|
| Date: | 2008 |
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
2008
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/48249 |
| 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: | Оценка предельных напряжений цикла сварных конструкций с высокими остаточными напряжениями по результатам испытаний малогабаритных образцов без остаточных напряжений / В.А. Дегтярев, Б.С. Шульгинов // Проблемы прочности. — 2008. — № 2. — С. 66-81. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859754405849464832 |
|---|---|
| author | Дегтярев, В.А. Шульгинов, Б.С. |
| author_facet | Дегтярев, В.А. Шульгинов, Б.С. |
| citation_txt | Оценка предельных напряжений цикла сварных конструкций с высокими остаточными напряжениями по результатам испытаний малогабаритных образцов без остаточных напряжений / В.А. Дегтярев, Б.С. Шульгинов // Проблемы прочности. — 2008. — № 2. — С. 66-81. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Проблемы прочности |
| description | Предложено уравнение, позволяющее определять пределы выносливости сварных соединений низкоуглеродистых и низколегированных сталей с высокими остаточными напряжениями по результатам испытаний малогабаритных образцов без остаточных напряжений. Установлена причина независимости амплитуды напряжений от среднего напряжения цикла для сварных соединений с высокими остаточными напряжениями.
Запропоновано рівняння, яке дозволяє визначати межу витривалості зварних з’єднань низьковуглецевих та низьколегованих сталей з високими залишковими напруженнями за результатами випробувань малогабаритних зразків без залишкових напружень. Установлено причину незалежності амплітуди напруження від середнього напруження циклу для зварних з’єднань із високими залишковими напруженнями.
We introduce an equation which allows one to calculate endurance limits of welded joints of carbon and low-alloyed steels with high residual stresses based on test results obtained from small specimens without residual stresses. For welded joints with high residual stresses we have proved the independence of the stress amplitude from the mean stress in a cycle.
|
| first_indexed | 2025-12-02T00:07:53Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 539.4
Оценка предельных напряжений цикла сварных конструкций с
высокими остаточными напряжениями по результатам испытаний
малогабаритных образцов без остаточных напряжений
В. А. Дегтярев, Б. С. Шульгинов
Институт проблем прочности им. Г. С. Писаренко НАН Украины, Киев, Украина
Предложено уравнение, позволяющее определять пределы выносливости сварных соединений
низкоуглеродистых и низколегированных сталей с высокими остаточными напряжениями
по результатам испытаний малогабаритных образцов без остаточных напряжений. Уста
новлена причина независимости амплитуды напряжений от среднего напряжения цикла для
сварных соединений с высокими остаточными напряжениями.
К л ю ч е в ы е с л о в а : диаграмма предельных напряжений цикла, предел вынос
ливости, остаточное напряжение, пределы текучести и прочности, ампли
туда напряжений цикла, среднее напряжение цикла.
Введение. Принято, что для определения параметров уравнения кривой
усталости крупногабаритных сварных деталей или элементов конструкций
необходимо испытывать на усталость крупногабаритные сварные образцы с
высокими остаточными напряжениями растяжения (ОН) [1]. Остаточные
напряжения считаются высокими, если соблюдается условие о ост > 0,5 о т ,
где о т - предел текучести основного металла при растяжении [2]. Известно,
что для таких образцов предельная амплитуда цикла напряжений о ар от
внешней нагрузки не зависит от среднего напряжения цикла о т (без учета
о ост), т.е. диаграмма предельных напряжений цикла (ДПНЦ) параллельна
лучу, выходящему из начала координат под углом 45°, и описывается урав
нением
2о ар
о Кр ~ о ар о т ~ 1 _ к ’ (1)
где о Кр - предел выносливости детали (сварной крупногабаритный обра
зец) с высокими ОН; К о - коэффициент асимметрии цикла напряжений от
внешней нагрузки [1].
В настоящее время убедительное экспериментально обоснованное объяс
нение, почему ДПНЦ расположена под углом 45°, отсутствует. Кроме того,
такие испытания довольно дорогие, поскольку проводятся на крупногабарит
ных образцах, что связано с большим расходом материала и наличием
дорогостоящего оборудования большой мощности. В свою очередь, опреде
ление ДПНЦ сварных образцов без ОН не требует больших материальных
затрат, хотя считается, что результаты испытаний таких соединений в расче
тах на прочность крупногабаритных конструкций использовать нельзя [2].
Цель данной работы заключалась в обосновании методики определения
предельных напряжений цикла крупногабаритных сварных соединений с
высокими остаточными напряжениями по результатам испытаний на уста
лость малогабаритных сварных образцов без остаточных напряжений.
© В. А. Д Е ГТЯ РЕВ , Б. С. Ш У Л ЬГИ Н О В , 2008
66 ТБОТ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 2
Оценка предельных напряжений цикла сварных конструкций
Анализ результатов усталостных испытаний. В настоящее время
диаграммы предельных напряжений цикла сварных соединений с высокими
ОН определяются только по напряжениям от внешних нагрузок без учета
остаточных напряжений [1-3], хотя они значительно влияют на сопротив
ление усталости сварных соединений. Рассмотрим это влияние в условиях
многоциклового нагружения. В работах [4, 5] показано, что в сварных
соединениях высокие остаточные напряжения при циклическом нагружении
изменяются, стабилизируясь через некоторое число циклов. Остаточные
напряжения, которые при дальнейшем циклическом нагружении не изме
няются, называют установившимися. В [4] принято, что при воздействии
внешней нагрузки установившееся остаточное напряжение в зоне концент
рации напряжений определяется уравнением
а ост а т а а а тах, (2)
в [ 5 ] -
у а т
а ост _ а _ а тах, (3)
а а
где а а - теоретический коэффициент концентрации напряжений; а тах -
максимальное номинальное напряжение цикла в зоне концентратора от
внешней нагрузки.
В табл. 1 приведены данные сравнительного анализа влияния макси
мального напряжения а тах отнулевого цикла от внешней нагрузки на
установившиеся остаточные напряжения, полученные после 105 цикл для
пластин с концентратором напряжений, остаточные напряжения в которых
вызваны продольной наплавкой. Для углеродистых сталей исходное значе-
иние остаточных напряжений а ост достигало предела текучести материала,
для стали 09Г2С оно составляло 0 ,7ат . В табл. 1 приведены разности Д 1 и
Д 2 между расчетными и экспериментальными (фактические) значениями
установившихся остаточных напряжений соответственно, определенные по
зависимости
Д = а уст - а ост. (4)
Видно, что разность между расчетными данными по формуле (3) и
фактическими значениями установившихся остаточных напряжений в 73%
случаев меньше, чем по формуле (2), что свидетельствует о некотором
преимуществе формулы (3). Однако расчеты и по формуле (3) дали большую
погрешность (от 51 до - 6 9 МПа). В первом приближении это можно
объяснить тем, что изменения ОН происходят не только вследствие пласти
ческой деформации материала в зоне концентрации напряжений, но и изме
нения теоретического коэффициента концентрации напряжений а а , что пока
не учитывается. Поэтому, с одной стороны, использование коэффициента
а а в исходном состоянии не совсем корректно, с другой - его определение в
реальных сварных соединениях представляет значительные технические
трудности.
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 2 67
В. А. Дегтярев, Б. С. Шулъгинов
Т а б л и ц а 1
Экспериментальные и расчетные установившиеся остаточные напряжения
в зависимости от величины максимального напряжения о max отнулевого цикла
Сталь о т-
МПа
0 max-
МПа
«о о Уэо̂ст,
МПа
L
&
CN
о
М
по
Д1,
МПа
оУост
МПа
по (3)
А-2 ,
МПа
Литера
турный
источ
ник
Ст. 3 270 80
130
1.5
1.5
120
50
150
85
30
35
100
50
-20
0
[6]
80
130
2-0
2,0
40
-15
110
10
70
25
55
5
15
20
80
130
2.5
2.5
25
-35
70
-55
45
-20
28
-22
3
13
Низко 269 50 2,5 125 144 19 58 -67 [4]
углеро 80 2,5 40 69 29 28 -12
дистая 130 2,5 -25 -56 -31 -23 2
150 2,5 -94 -106 -12 -43 51
Ст. 3сп 264 50 2,5 125 139 14 56 -69 [7]
80 2,5 40 64 24 26 -14
130 2,5 -25 -61 -36 -25 0
09Г2С 317 110 2,5 65 42 -23 17 -48 [8]
134 2,5 30 -18 -48 -7 -37
Исходя из предположения об идентичности влияния на сопротивление
усталости имеющихся в сварном соединении как установившихся остаточ
ных напряжений, так и напряжений от внешней нагрузки были проанали
зированы результаты усталостных испытаний сварных стыковых соедине
ний низкоуглеродистой стали с разными исходными остаточными напря
жениями оист [9] (табл. 2). В табл. 2 приведены экспериментально полу
ченные при испытаниях в условиях изгиба пределы выносливости при
симметричном 0 _! и отнулевом о 0 цикле напряжений от внешней нагруз
ки при разных исходных значениях ОН. В основном в образцах исходные
остаточные напряжения были растягивающие и только в одном случае -
сжимающие (в табл. 2 обозначены как отрицательные). Диаграммы предель
ных напряжений цикла для таких образцов, построенные только с учетом
действия напряжений от внешней нагрузки на базе N = 2-106 цикл, пред
ставлены в [9] в виде семейства разных прямых, проведенных через точки,
соответствующие пределам выносливости при симметричном и отнулевом
циклах напряжений, что свидетельствует о влиянии исходного остаточного
напряжения на предел выносливости о к сварного соединения.
Установившиеся остаточные напряжения о^ст (табл. 2) в сварных
соединениях вычисляли по формулам
о ост = о т _ о Кр (5)
при
о ост + о Кр ~ о т (6)
68 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2008, № 2
Оценка предельных напряжений цикла сварных конструкций
О = О , (7)
И
при
О Ист + ° К < О т> (8)
где О Кр - предел выносливости сварного соединения с исходными ОН,
соответствующими условию (6); Ок - предел выносливости сварного соеди
нения с исходными ОН, соответствующими условию (8). Было принято, что
в случае соблюдения зависимости (8) исходные ОН изменяться не будут.
В табл. 2 приведены также суммарное напряжение Оке , определяемое
по формуле
О КЕ = О Кр О ост , (9)
и суммарное среднее напряжение цикла О при К О = 0:
О 0р | у О П у ,1П.
О тЕ 2 О ост или О тЕ 2 О ост, (10)
при К О = 1 полагаем, что О т2 = О уст.
Таким образом, в результате суммирования установившихся остаточных
напряжений с экспериментально определенным пределом выносливости
сварного соединения получим новое его значение.
С использованием данных табл. 2 представим зависимость Оке от От2
в виде ДПНЦ сварных стыковых соединений низкоуглеродистой стали
(рис. 1). Обращает на себя внимание тот факт, что все точки хорошо ложатся
на диаграмму предельных напряжений цикла сварных малогабаритных
образцов без остаточных напряжений, описываемую зависимостью Гудмана:
ОКЕ = О-1 + ( 1 - ^ о ) О т , (11)
где ^ О - коэффициент чувствительности к асимметрии цикла напряжений,
определяемый по двум пределам выносливости при любых коэффициентах
асимметрии цикла напряжений К О,
2(О КЕ2 - О КЕ, )
Ф" = 1--------------------2--------- 1----------- (12)
О О ке2(1+ К 2) - о КЕ1(1+ К1) (12)
(ОКЕ2 > ОКЕ1 ) '
При Оке2 = о о , Оке1 = о - 1 зависимость (12) преобразуется в выраже
ние
2 о -1 - О о
^ о = О- ’ (13)0
/ХОТ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, М 2 69
/ББЛГ 0556-17IX. Проблемы
прочност
и, 2008, №
2
° Т а б л и ц а 2
Расчетные значения пределов выносливости сварных соединений низкоуглеродистых и низколегированной сталей,
определенные с учетом установившихся остаточных напряжений
Сталь,
вид соединения
о Т ,
МПа
о в,
МПа
И
ОСТ >
МПа МПа
^ост ̂
МПа
Суммарные
напряжения, МПа
К р
°К2>
МПа
А,
МПа
Литера
турный
источника И1.
Низкоуглеродистая,
стыковое
300 410 300 С| 1 чГ II о 231 300,0 231,0 0,540 290,0 -1 0 ,0 [1, 9]
180
осГ00II1ъ 180 260,0 180,0 0,380 252,0 -8 ,0
90 о _ 1 =100,0 90 190,0 90,0 -0 ,0 5 0 183,5 -6 ,5
0 о _ 1 =108,0 0 108,0 0 -1 ,0 0 0 108,0 0
- 9 0 о _ 1 =130,0 -9 0 40,0 -9 0 ,0 -5 ,5 0 0 46,5 6,5
300 а 0р = 130,0 170 300,0 235,0 0,560 291,5 -8 ,5
180 а 0р = 135,0 165 300,0 232,5 0,550 291,5 -8 ,5
90 а 0 =165,0 90 255,0 172,5 0,353 246,5 -8 ,5
0 а 0 =178,0 0 178,0 89,0 0 178,0 0
- 9 0 сг0 = 210,0 - 9 0 120,0 15,0 -0 ,7 5 0 126,5 6,5
Ст. 3,
крестовое
300 450 127
•ЛосГII1Ь 127 155,5 127,0 0,530 156,0 0,5 [10]
0
осГ'чГII1Ь 0 40,0 0 -1 ,0 0 0 40,0 0
-1 5 3 о _ 1 = 53,5 -1 5 3 -9 9 ,5 -1 5 3 ,0 2,080 -9 9 ,2 0,3
09Г2С, 340 518 250
ОсГ00II1Ь 250 330,0 250,0 0,510 320,0 -1 0 ,0 [1]
стыковое 0 а 0 = 215,0 0 215,0 107,5 0 215,0 0 [12]
250 а 0р = 155,0 185 340,0 262,5 0,530 329,0 -1 1 ,0 [1]
09Г2, 343 518 0 а 0 = 235,0 0 235,0 117,5 0 235,0 0 [П ]
стыковое 230 а 0р = 178,0 165 343,0 254,0 0,480 323,0 -2 0 ,0
В. А. Дегт
ярев, Б. С. Ш
улъгинов
Оценка предельных напряжений цикла сварных конструкций
где 0 _ 1 , О 0 - пределы выносливости сварного соединения без ОН при
симметричном и отнулевом циклах напряжений соответственно (на рис. 1
светлые точки).
МПа
400
300 V
\
<5=
РОО
1001
■100 О 100 200 300 400 о^ М П а
Рис. 1. Диаграмма предельных напряжений цикла сварных стыковых соединений низко
углеродистой стали: О - без остаточных напряжений; • - с учетом совместного влияния
установившегося остаточного напряжения и предела выносливости.
Анализ данных табл. 2 и рис. 1 показал, что несмотря на наличие в
сварных соединениях разных исходных ОН или их отсутствие, все диа
граммы предельных напряжений цикла сливаются в единую диаграмму,
уравнение которой можно записать в виде
ОД 2 = ° - 1 + (1_ ^ о )(От + О уст) . (14)
Значения О п р и в е д е н ы в табл. 2. При отсутствии ОН уравнение (14)
приобретает вид (11). Факт существования единой диаграммы может быть
использован на практике, когда необходимо подобрать требуемые режимы
нагружения для достижения наперед заданных Оуст в сварной конструкции
с помощью ДПНЦ сварного соединения без ОН. Из данных табл. 2 видно,
что ошибка (Д = О — О ) в определении пределов выносливости по
формуле (14) и с учетом Оуст находится в пределах 6,5...10 МПа.
Анализ результатов испытаний крестовых сварных образов из стали Ст. 3
[10] с разным уровнем исходных ОН также показал, что суммарные пре
дельные напряжения цикла О х о р о ш о описываются зависимостью Гуд-
мана. В данном случае исходные ОН при циклическом нагружении не
изменяются, поскольку, суммируясь с напряжениями от внешней нагрузки,
предел текучести не достигается. Значение амплитуды напряжений в зависи
мости от величины ОН представляет собой напряжение, соответствующее
пределу выносливости при симметричном цикле от внешней нагрузки, а
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 2 71
В. А. Дегтярев, Б. С. Шулъгинов
среднее напряжение равно о ост. Ошибка Д не превышает 0,5 МПа, что
соответствует 0,3%.
Из данных табл. 2 и рис. 1 также видно, что несмотря на полученные
разные значения о^ст в зависимости от напряжений внешней нагрузки
(пределов выносливости), по достижении суммой этих напряжений предела
текучести материала наблюдается единый предельный цикл напряжений,
максимальное и минимальное напряжения которого определяются следу
ющими соотношениями: о тах = о уст + о Кр = о т ; о ̂ = о т — 2о ар. Во всех
случаях суммарное напряжение не превышает предела текучести матери
ала.
Поэтому сверху ДПНЦ можно ограничить пределом текучести. Коэф
фициент асимметрии цикла напряжений, при котором пересекаются ДПНЦ
и горизонтальная прямая на уровне предела текучести, определяется по
формуле
2о т!
К т = ^ — 1 (15)
о К!
Его значение ввиду разброса экспериментальных данных изменяется в пре
делах 0,54...0,56 (табл. 2).
На практике для построения ДПНЦ сварных соединений часто ограни
чиваются определением предела выносливости при одном значении К о ,
наиболее предпочтительно при симметричном цикле осевого нагружения.
Затем полученную точку, согласно работе [13], соединяют с пределом проч
ности материала о в прямой, полагая, что при других значениях К о преде
лы выносливости располагаются на ней. Авторы настоящей работы на
основании известных данных о выносливости разных типов сварных соеди
нений предприняли попытку проанализировать справедливость такого опре
деления ДПНЦ. В табл. 3 приведены данные испытаний на усталость при
двух значениях коэффициента асимметрии цикла напряжений в условиях
осевого нагружения сваренных встык пластин [14, 15], арматурных стерж
ней разного диаметра [16], а также нахлесточных соединений с обваркой по
контуру [13] малоуглеродистых и низколегированных сталей без ОН. В этом
случае расчетное значение предела прочности ор определяли по формуле
р 1 — 0,5(1 + Ко )(1—Ша )
о р = о К ------------- Ш--------------- , (16)
где коэффициент чувствительности к асимметрии цикла напряжений вычис
ляли согласно (12).
Из данных табл. 3 следует, что расчетные значения предела прочности
при испытаниях каждого типа сварного соединения почти совпадают с
экспериментально определенным пределом прочности основного материала.
Для всех типов сварных соединений ошибка Д находится в пределах
— 2...29 МПа, что соответствует 0,1...3,8%. Таким образом, при проведении
усталостных испытаний в условиях осевого нагружения ДПНЦ сварных
72 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 2
Оценка предельных напряжений цикла сварных конструкций
соединений без ОН можно определять по данным о механических свойствах
материала (предел прочности) и пределе выносливости при одном значении
Я0 . В таком случае коэффициент чувствительности к асимметрии цикла
напряжений можно определять как ^ 0 = о _ Д о в.
Т а б л и ц а 3
Значения пределов выносливости, полученных экспериментально
при осевом нагружении, и пределов прочности основного материала для разных
типов сварных соединений, полученных экспериментально и путем расчета
Тип
соединения
Марка
стали
оя ■
МПа
ов, МПа Д.
МПа
Литера
турный
источникЭксперимент Расчет по (16)
Нахлесточное
с обваркой
по контуру
Ст. 3сп о_0,5 = 69
00,147 = 107
400 402,3 _2,3 [13]
Стыковое » » о_1 =126
о0 3 = 233
450 439 _11,0 [14]
Стыковое
(многослой
ный шов)
» » о_ 1 =140
00,14 = 235
452 481 29,0 [14]
Стыковое 3нС о_1 = 90
00,143 = 160
400 384 _16,0 [15]
35ГС о0 =180
о0 5 = 285
672 682 10,0 [16]
Несколько иные результаты получены при испытаниях в условиях изги
ба. Обработка данных испытаний стыковых соединений низкоуглеродистой
стали (рис. 1) показывает, что если ДПНЦ определять по двум значениям
предела выносливости, то расчетное значение предела прочности будет
превышать фактическое почти на 20%.
О наличии единого предельного цикла напряжений свидетельствуют
также обработанные результаты усталостных испытаний сварных стыковых
соединений низколегированной стали 09Г2С с высокими ОН в условиях
осевого нагружения [1]. На рис. 2 кривой 1 представлена ДПНЦ образцов с
высокими ОН, полученная с учетом действия напряжений только от внеш
ней осевой нагрузки при симметричном и отнулевом циклах напряжений.
Видно, что она параллельна линии, проведенной под углом 45°, и это не
противоречит данным, полученным в [1]. После пересчета предела выносли
вости по формуле (14) кривая 1 стремится трансформироваться в единый
предельный цикл напряжений (на рис. 2 темные точки). Исходные ОН,
пределы выносливости от внешней нагрузки и оост приведены в табл. 2.
Таким образом, если для определения ДПНЦ использовать только пределы
выносливости от внешнего нагружения, то получим линию, если дополни
тельно к этому учитывать влияние установившегося значения ОН, то линия
трансформируется в единый предельный цикл напряжений, максимальное
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 2 73
В. А. Дегтярев, Б. С. Шулъгинов
напряжение которого равно о т . Это и объясняет независимость предельной
амплитуды цикла сварных образцов с высокими ОН от среднего напряжения.
Из рис. 2 также следует, что полученные точки удовлетворительно
ложатся на ДПНЦ сварных образцов без ОН (кривая 2) [12]. Ошибка Д в
определении пределов выносливости о п о уравнению (14) при одина
ковых значениях среднего напряжения цикла и приведенных в табл. 2 равна
10...11 МПа, что соответствует 3...3,2%. Поэтому даже при отсутствии
достаточного количества данных при испытаниях образцов из низколегиро
ванной стали можно предположить существование единой диаграммы пре
дельных напряжений цикла сварных соединений при проведении испытаний
в условиях осевого нагружения. Заметим, что с увеличением Я о кривые 1 и
2 на рис. 2 сближаются. Это свидетельствует о том, что ОН уменьшаются и
их влияние ослабевает.
МПа
400
300
200
100
0
0 100 200 300 400 аш,МПа
Рис. 2. Диаграммы предельных напряжений цикла сварных стыковых соединений низколегиро
ванной стали 09Г2С с высокими остаточными напряжениями (1), без таковых (2) и с учетом
совместного влияния установившегося остаточного напряжения и предела выносливости (♦).
Интересно отметить, что кривые 1 и 2 (рис. 2) при их продолжении
пересекаются в точке, практически соответствующей пределу текучести
материала. Кроме того, установлено, что пересечение ДПНЦ крупногаба
ритных сварных соединений с пределом текучести соответствует предель
ному напряжению цикла. Это позволяет определить их предельную ампли
туду напряжений, которая в условиях симметричного нагружения соответ
ствует пределу выносливости. Для стыковых соединений пересечение диа
грамм происходит примерно при Я о = 0,5, как и было ранее установлено
[11]. Можно доказать, что оуст = 0, если напряжение от внешней нагрузки, в
данном случае предел выносливости, будет равно пределу текучести. Для
этого запишем уравнение (5) в виде
у 2о ар
0 ост = 0 т _ 0 Яр = 0 т _ 1 _ Я ■ (17)
74 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 2
Оценка предельных напряжений цикла сварных конструкций
Путем несложных преобразований можно определить, что о уст = 0 при
о Rp = о т . Следовательно, обе диаграммы должны показать одинаковое зна
чение предела выносливости в точке, соответствующей пределу текучести
материала, что и подтвердил анализ данных на рис. 2.
Анализируя результаты испытаний, приведенные в литературных источ
никах, можно показать, что и для других марок материала и типов сварных
соединений пересечение ДПНЦ образцов с ОН и без таковых происходит в
точке, практически соответствующей пределу текучести материала. На рис.
3 и 4 представлены ДПНЦ сварных стыковых соединений сталей Ст. 3сп
[14], 35ГС [16], а также нахлесточного соединения с фланговыми швами с
обваркой по контуру стали Ст. 3сп [13] и соединения с приваренными
поперечными ребрами из стали Ст. 3 [12] без ОН и с высокими ОН [1].
Известно, и это видно из рис. 3, 4, что значение сопротивления усталости
стыкового соединения максимальное, нахлесточного - минимальное. Значе
ния сопротивления усталости остальных типов соединений располагаются
между ними. Из рис. 3, 4 видно, что пересечение ДПНЦ сварных соеди
нений с высокими ОН и без таковых происходит в точке, ордината которой
расположена несколько ниже предела текучести материала. Это позволило
предложить методику определения предела выносливости сварного соеди
нения с высокими ОН по результатам испытаний малогабаритных образцов.
пш„..------------------------------------------------------------------------------------------------------------
м ш
600
500
400
300
200
0 100 200 300 400 500 600 с т:мпа
Рис. 3. Диаграммы предельных напряжений цикла сварных стыковых соединений сталей
Ст. 3сп (1, 3) и 35ГС (2, 4). (Здесь и на рис. 4: 1, 2 - без остаточных напряжений; 3, 4 - с
высокими остаточными напряжениями.)
Схема определения ДПНЦ крупногабаритных образцов представлена на
рис. 5. Методика основана на установленном факте пересечения ДПНЦ
образцов без ОН (кривая 1) и с ОН (кривая 2) в точке, почти равной пределу
текучести (рис. 5). Примем, что это пересечение происходит на уровне
предела текучести (на рис. 5 точка А). В этом случае имеем
ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2008, № 2 75
В. А. Дегтярев, Б. С. Шулъгинов
О ост = О т - О к т = а т - а ̂ - ( 1 - )(а тт - о ̂ ) = 0, (18)
где а к - предел выносливости сварного соединения без ОН, определенный
при коэффициенте асимметрии цикла ; о тК - соответствующее ему
среднее напряжение цикла.
^гпак>
МПа
400
300
200
100
0 100 200 300 400 СГгл, МПа
Рис. 4. Диаграммы предельных напряжений цикла нахлесточного соединения с фланговыми
швами стали Ст. 3сп (1, 3) и соединения с приваренными поперечными ребрами из стали
Ст. 3 (2, 4).
0 СТ1г|Г стш
Рис. 5. Схема определения диаграммы предельных напряжений цикла крупногабаритных
сварных соединений с высокими остаточными напряжениями по результатам испытаний
малогабаритных образцов.
При известном значении предела выносливости о - выражение (18)
преобразуется к виду
Оуст = От - О -1 - ( 1 - ^ о )о тт = 0 (19)
76 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 2
Оценка предельных напряжений цикла сварных конструкций ...
Путем некоторых преобразований можно найти предельное среднее
напряжение цикла о т т :
о т _ о К,
- + ° тп (20)о тт 1 _ ^ о
или
= о т _ о _1
тт 1 _ ^ о (21)
В зависимости от того, в каком виде представить , выражение (21)
будет иметь вид
о т о _ 1
(22)о тт л _ / _
1 о _ 1 1 о в
или
о „ _ о
о тт
_1
2(1_ о _ ^ о о ) ' (23)
Предельную амплитуду напряжений о ат для крупногабаритных свар
ных образцов (рис. 5), которая, как отмечалось выше, не зависит от среднего
напряжения цикла, можно определить по уравнению
о К, _ т
о ат о К о тт о Кр о тт о т о тт 1 _ ^ о тК, , (24)
или, как частный случай, из выражении
_ о _1( о в _ о т )
о ат = --------------------
о в _ о _1
(25)
или
о т (о 0 _ 2 о _1) + о 0 о _1
2 (о о _ о _1)
(26)
Задаваясь любым значением К о , предел выносливости сварного соеди
нения с высокими ОН можно рассчитать по формуле
2о 2
о Кр = 1 _ ^ „
или
Кр 1_ Ко (1_ К о )
2 о _1( о в _ о т)
_ о тК,
о Кр =
(о в _ о _1)(1_ К )
(27)
( 2 8 )
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 2 77
В. А. Дегтярев, Б. С. Шулъгинов
о т (а 0 - 2ог_!) + а 0а _ х
° Яр ( а о — а _ 1 )(1 — Я а ) ' (29)
Ошибка в определении путем расчета по формулам (27) и (28) и
экспериментально значений предела выносливости крупногабаритных образ
цов при симметричном цикле напряжений в условиях осевого нагружения
для разных типов сварных соединений и марок материала приведена в
табл. 4. Анализ полученных данных показал, что практически во всех
случаях расчетное значение предела выносливости меньше эксперименталь
ного. Поскольку ошибка достаточно мала, для инженерной практики расчета
сварных конструкций на прочность ею можно пренебречь.
Т а б л и ц а 4
Экспериментальные и расчетные значения пределов выносливости
разных типов сварных соединений низкоуглеродистых и низколегированных сталей
с высокими остаточными напряжениями
Тип
соеди
нения
N б,
цикл
Марка
стали
а в,
МПа
а т,
МПа
аЯ :
МПа
Предел
выносливости
а_ 1 МПа
А,
МПа
Литера
турный
источ
никЭкспе
римент
Расчет
Стыковое 2 • 106 Ст. 3сп 450 260 62II7а 80 74 -6 [2, 14]
Стыковое,
шов много
слойный
107 452 260 а_1 =140 80 86 6 [1, 14]
Стыковое 107 35ГС 672 425 а0 = 180
а0 5 = 285
70 50 —20 [1, 16]
Стыковое 2 • 106 09Г2С 517 340 а0 = 215 80 67 —13 [1, 12]
Нахлес-
точное с
фланговым
швом
2 • 106 Ст. 3сп 400 230 96II01а 35 28 —7 [1, 13]
С попереч
ными
ребрами
107 Ст. 3 440 260 а0,14 _ 150 50 42 -8 [2, 12]
В отдельных случаях, и это подлежит дополнительному изучению,
ДПНЦ сварных конструкций можно определять по результатам испытаний
сварных малогабаритных образцов в условиях изгиба, когда присутствует
градиент напряжений. Однако результат во многом зависит от методики
определения ДПНЦ сварного соединения без ОН. ДПНЦ стыкового соедине
ния низкоуглеродистой стали с ОН определяли по формулам (28) и (29) с
использованием результатов экспериментальных исследований [1] (табл. 5).
Анализ табл. 5 показал, чтобы получить удовлетворительное соответствие
между расчетными и экспериментальными данными, ДПНЦ сварных стыко
вых соединений без ОН необходимо определять не менее чем по двум
значениям Я а .
78 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 2
Оценка предельных напряжений цикла сварных конструкций
Т а б л и ц а 5
Экспериментальные и расчетные значения пределов выносливости
сварного стыкового соединения низкоуглеродистой стали
с высокими остаточными напряжениями, полученные по формулам (28) и (29)
їа аэКр ,МШ а їр , МПа А, МПа
-1 69 56 -13
40 -29
0 130 112 -18
79 -51
0,3 186 160 -26
113 -73
Примечание. Под чертой приведены данные, полученные по формуле (28), над чертой - по
(29).
В ы в о д ы
1.Экспериментально показано, что независимо от величины исходных
остаточных напряжений диаграммы предельных напряжений цикла сварных
соединений, полученные с учетом действия установившихся остаточных
напряжений и напряжений от внешней нагрузки, совпадают с диаграммой
предельных напряжений таких же сварных соединений без остаточных
напряжений.
2. Анализ литературных данных свидетельствует, что диаграммы пре
дельных напряжений разных типов сварных соединений с высокими оста
точными напряжениями и без них для разных классов сталей пересекаются
в точке, ордината которой практически равна пределу текучести мате
риала.
3. Предложена методика определения диаграммы предельных напряже
ний цикла сварных соединений с высокими остаточными напряжениями по
результатам испытаний малогабаритных образцов без остаточных напря
жений.
4. Экспериментально получено, что диаграмма предельных напряжений
цикла сварных соединений, если учесть, что сумма одновременно дейст
вующих установившихся остаточных напряжений и напряжений от внешней
нагрузки в условиях осевого нагружения достигает предела текучести, неза
висимо от коэффициента асимметрии цикла трансформируется в единый
предельный цикл напряжений, максимальное напряжение которого не пре
вышает предела текучести материала.
Р е з ю м е
Запропоновано рівняння, яке дозволяє визначати межу витривалості звар
них з ’єднань низьковуглецевих та низьколегованих сталей з високими залиш
ковими напруженнями за результатами випробувань малогабаритних зразків
без залишкових напружень. Установлено причину незалежності амплітуди
напруження від середнього напруження циклу для зварних з ’єднань із
високими залишковими напруженнями.
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 2 79
В. А. Дегтярев, Б. С. Шулъгинов
1. Т руф яков В. И . Усталость сварных соединений. - Киев: Наук. думка,
1973. - 216 с.
2. Р Д 5 0 -6 9 4 -9 0 . Методические указания. Надежность в технике. Вероят
ностный метод расчета на усталость сварных конструкций. - Введ.
01.07.91.
3. Т руф яков В. И ., К уд р я вц ев Ю . Ф ., М и хеев П. П . О влиянии остаточных
напряжений на сопротивление усталости сварных соединений // Автомат.
сварка. - 1988. - № 2. - С. 1 - 4.
4. Т руф яков В. И ., К уд р я вц ев Ю . Ф. К расчетной оценке влияния внешнего
нагружения на релаксацию остаточных сварочных напряжений // Там
же. - 1988. - № 1. - С. 7 - 9.
5. Ряхин В. А ., М о ш к а р ев Г. Н . Долговечность и устойчивость сварных
конструкций строительных и дорожных машин. - М.: Машиностроение,
1984. - 230 с.
6. Т руф яков В. И ., Г ущ а О. И ., К уд р я вц ев Ю . Ф. Влияние остроты кон
центратора на сварочные остаточные напряжения при многоцикловом
нагружении // Автомат. сварка. - 1981. - № 7. - С. 1 3 - 1 6 .
7. К уд р я вц ев Ю . Ф ., Г ущ а О. И . Некоторые закономерности изменения
остаточных напряжений при циклическом нагружении в зависимости от
их начального уровня и концентрации напряжений // Пробл. прочности.
- 1986. - № 11. - С. 32 - 38.
8. Т руф яков В. И ., Г ущ а О. И., Троценко В. П . Изменение остаточных
напряжений в зонах концентрации при циклическом нагружении // Там
же. - 1976. - № 12. - С. 14 - 17.
9. Т руф яков В. И ., М и хеев П. П ., К уд р я вц ев Ю . Ф. Изменение сопро
тивления усталости сварных соединений под воздействием остаточных
напряжений: Тр. III Всесоюз. симп. “Остаточные технологические на
пряжения” (Кутаиси, окт. 1988 г.). - М.: Ин-т проблем механики АН
СССР, 1988. - С. 358 - 364.
10. Н авроц кий Д . И . Прочность сварных соединений. - М.: Машгиз, 1961. -
177 с.
11. Ш улъгинов Б. С ., Д е гт я р е в В. А ., М а т веев В. В . О предельных напря
жениях цикла сварных соединений с высокими остаточными напряже
ниями // Пробл. прочности. - 1984. - № 3. - С. 5 8 - 6 1 .
12. К уд р я вц ев И. В ., Н аум чен ков Н. Е. Усталость сварных конструкций. -
М.: Машгиз, 1976. - 271 с.
13. Д учин ски й Б. Н . Выносливость элементов сварных мостовых конструк
ций при переменных и знакопеременных напряжениях // Исследование
прочности сварных мостовых конструкций. - М.: Трансжелдориздат,
1956. - Вып. 20. - С. 86 - 163.
14. Г о х б е р г М . М . Металлические конструкции кранов. - М.; Л.: Машгиз,
1959. - 182 с.
80 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 2
Оценка предельных напряжений цикла сварных конструкций
15. Д учин ски й Б. Н . Прочность и основания расчета сварных соединений,
работающих на переменное и знакопеременное напряжение // Вибра
ционная прочность сварных мостов. - М.: Трансжелдориздат, 1952. -
С. 137 - 198.
16. Б родский А. Я ., Л ощ и лов В. И . Выносливость сварных стыковых соедине
ний арматурных стержней крупного диаметра из стали 35ГС // Автомат.
сварка. - 1963. - № 3. - С. 28 - 33.
Поступила 07. 11. 2006
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 2 81
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-48249 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0556-171X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-02T00:07:53Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Дегтярев, В.А. Шульгинов, Б.С. 2013-08-17T11:58:40Z 2013-08-17T11:58:40Z 2008 Оценка предельных напряжений цикла сварных конструкций с высокими остаточными напряжениями по результатам испытаний малогабаритных образцов без остаточных напряжений / В.А. Дегтярев, Б.С. Шульгинов // Проблемы прочности. — 2008. — № 2. — С. 66-81. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. 0556-171X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/48249 539.4 Предложено уравнение, позволяющее определять пределы выносливости сварных соединений низкоуглеродистых и низколегированных сталей с высокими остаточными напряжениями по результатам испытаний малогабаритных образцов без остаточных напряжений. Установлена причина независимости амплитуды напряжений от среднего напряжения цикла для сварных соединений с высокими остаточными напряжениями. Запропоновано рівняння, яке дозволяє визначати межу витривалості зварних з’єднань низьковуглецевих та низьколегованих сталей з високими залишковими напруженнями за результатами випробувань малогабаритних зразків без залишкових напружень. Установлено причину незалежності амплітуди напруження від середнього напруження циклу для зварних з’єднань із високими залишковими напруженнями. We introduce an equation which allows one to calculate endurance limits of welded joints of carbon and low-alloyed steels with high residual stresses based on test results obtained from small specimens without residual stresses. For welded joints with high residual stresses we have proved the independence of the stress amplitude from the mean stress in a cycle. ru Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України Проблемы прочности Научно-технический раздел Оценка предельных напряжений цикла сварных конструкций с высокими остаточными напряжениями по результатам испытаний малогабаритных образцов без остаточных напряжений Estimation of the limiting cyclic stresses for welded structures with high residual stresses based on tests of small specimens without residual stresses Article published earlier |
| spellingShingle | Оценка предельных напряжений цикла сварных конструкций с высокими остаточными напряжениями по результатам испытаний малогабаритных образцов без остаточных напряжений Дегтярев, В.А. Шульгинов, Б.С. Научно-технический раздел |
| title | Оценка предельных напряжений цикла сварных конструкций с высокими остаточными напряжениями по результатам испытаний малогабаритных образцов без остаточных напряжений |
| title_alt | Estimation of the limiting cyclic stresses for welded structures with high residual stresses based on tests of small specimens without residual stresses |
| title_full | Оценка предельных напряжений цикла сварных конструкций с высокими остаточными напряжениями по результатам испытаний малогабаритных образцов без остаточных напряжений |
| title_fullStr | Оценка предельных напряжений цикла сварных конструкций с высокими остаточными напряжениями по результатам испытаний малогабаритных образцов без остаточных напряжений |
| title_full_unstemmed | Оценка предельных напряжений цикла сварных конструкций с высокими остаточными напряжениями по результатам испытаний малогабаритных образцов без остаточных напряжений |
| title_short | Оценка предельных напряжений цикла сварных конструкций с высокими остаточными напряжениями по результатам испытаний малогабаритных образцов без остаточных напряжений |
| title_sort | оценка предельных напряжений цикла сварных конструкций с высокими остаточными напряжениями по результатам испытаний малогабаритных образцов без остаточных напряжений |
| topic | Научно-технический раздел |
| topic_facet | Научно-технический раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/48249 |
| work_keys_str_mv | AT degtârevva ocenkapredelʹnyhnaprâženiiciklasvarnyhkonstrukciisvysokimiostatočnyminaprâženiâmiporezulʹtatamispytaniimalogabaritnyhobrazcovbezostatočnyhnaprâženii AT šulʹginovbs ocenkapredelʹnyhnaprâženiiciklasvarnyhkonstrukciisvysokimiostatočnyminaprâženiâmiporezulʹtatamispytaniimalogabaritnyhobrazcovbezostatočnyhnaprâženii AT degtârevva estimationofthelimitingcyclicstressesforweldedstructureswithhighresidualstressesbasedontestsofsmallspecimenswithoutresidualstresses AT šulʹginovbs estimationofthelimitingcyclicstressesforweldedstructureswithhighresidualstressesbasedontestsofsmallspecimenswithoutresidualstresses |