книги / Прочность сварных соединений при переменных нагрузках
..pdfИнтегрируя |
это уравнение по |
Ъ от |
Ъ0 |
Д/Г.ШЯб? |
||
до | (Ь0 — начальное |
значение |
малой |
|
|||
полуоси |
эллипса, !■— расстояние |
от |
|
|||
центра |
до поверхности шва), получим |
|
||||
длительность |
стадии |
распространения |
|
|||
усталостной |
трещины |
от момента |
ее |
|
страгивания до момента выхода на по верхность шва
N = \ _____________ ®_____________
I С0 (Да + аа^)т ° (1 - 0,366/а)т ° х '
X |
7По/2 |
(5.34) |
|
||
|
|
Численным интегрированием с ис пользованием ЭВМ по (5.34) рассчитана продолжительность стадии распростра нения усталостной трещины в образцах стыковых соединений стали с непрова ром, расположенным в поле высоких растягивающих остаточных напряже ний. Постоянные С0 и т0 для металла
шва определены на образцах, сварен ных встык, которые имели низкий уро вень остаточных напряжений: С0 =
= 0,27 10” 11, т0 = 4,3. Поскольку
механические характеристики рассмат риваемого материала практически та кие же, как и у стали 15ХСНД, то в первом приближении можно положить а = 0,1 (в параграфе 3 настоящей гла
вы на основании экспериментальных данных о кинетике развития усталост ной трещины в образцах стали 15ХСНД установлено, что / (Кги 0) = 0,1ХГ1).
Результаты вычислений соответствую щих долговечностей в зависимости от исходных параметров непровара и тол-
Рлс. 120. Зависимость числа циклов, соот ветствующих моменту страгпваппя усталост ной трещины (очаг зарождения трепшны — внутренний непровар стыкового соединения, расположенный в зоне высоких растягиваю щих остаточных напряжений) от размаха ко
эффициента интенсивности напряжений.
щпны соединения представлены в табл. 33. По этим данным построен график (рис. 120), из которого для
дальнейших расчетов определяется чис ло циклов, необходимое для начала страгивания трещины # стр, в зависи мости от размаха КИН в вершине не провара. Величина Nс^р определяется соотношением
^ 3 = ^ о а щ -^ р , |
(5.35) |
где ЛГ0ащ — экспериментально установ ленное число циклов напряжений до момента выхода трещины на поверх ность шва; ]Ур — расчетное число цик лов, затраченное на распространение трещины.
Таким образом, предложенный под ход позволяет определять расчетно экспериментальным путем продолжи тельность стадий зарождения и распро странения усталостной трещины в со единении с непроваром.
Таблица 33. Результаты вычнслепия долговечностей в зависимости от исходных параметров непровара и толщины соединения
До, МПа |
2Ь, мм |
2а, мм |
§, мм |
^обш |
|
* р |
88,0 |
6 |
61 |
15 |
169 000 |
64 870 |
104 130 |
81,5 |
6 |
52 |
10 |
305 400 |
155 698 |
149 702 |
74,5 |
5,8 |
61 |
14,1 |
1 005 200 |
834 728 |
170 472 |
57,0 |
5 |
47 |
5,0 |
2 155 400 |
1 687 914 |
467 486 |
44,0 |
5 |
63 |
10,5 |
2 432 300 |
1 124 297 |
1 308 003 |
Г Л А В А Ш Е С Т А Я
РАСЧЕТНЫЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО РАСЧЕТНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЕДЕЛА ВЫНОСЛИВОСТИ
Рассмотренный |
в третьей |
главе |
экс |
1. |
КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ |
|
|||||||||||||||||
периментальный метод определения со |
Методы |
определения |
предела |
вынос |
|||||||||||||||||||
противления усталости сварных соеди |
|||||||||||||||||||||||
нении, основанный на получении кри |
ливости |
бывают |
|
экспериментальные, |
|||||||||||||||||||
вых |
усталости, |
разработан |
достаточно |
расчетные и экспериментально-расчет |
|||||||||||||||||||
полно. Он позволяет получить наибо |
ные. Такое разделение |
весьма |
услов |
||||||||||||||||||||
лее достоверные данные о предельных |
но, и зачастую один и тот же метод |
||||||||||||||||||||||
переменных напряжениях |
|
с |
учетом |
можно отнести к разным группам, по |
|||||||||||||||||||
влияния основных факторов, изменяю |
этому важно оговорить условия, ко |
||||||||||||||||||||||
щих |
циклическую |
долговечность |
со |
торыми при этом руководствуются. В |
|||||||||||||||||||
единений. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
настоящей работе к экспериментальным |
|||||||||||||
Однако |
такой |
метод |
весьма |
трудо |
относятся |
методы |
детерминированного |
||||||||||||||||
емкий, |
особенно |
|
это |
относится |
к |
и вероятностного |
определения |
предела |
|||||||||||||||
установлению значений пределов вынос |
выносливости по данным прямого эк |
||||||||||||||||||||||
ливости сварных соединений на боль |
сперимента, т. е. по результатам испы |
||||||||||||||||||||||
ших базах испытаний. Сокращение дли |
таний образцов на усталость. Отличи |
||||||||||||||||||||||
тельности и трудоемкости работ путем |
тельными |
признаками эксперименталь |
|||||||||||||||||||||
перехода на расчетные и эксперимен |
ных методов являются постоянство па |
||||||||||||||||||||||
тально-расчетные |
методы |
представля |
раметров нагружения в ходе испытания |
||||||||||||||||||||
ет собой важное самостоятельное и |
каждого отдельно образца, а также |
||||||||||||||||||||||
актуальное |
направление |
|
исследова |
принцип |
|
оценки |
искомой |
характери |
|||||||||||||||
ний. |
|
|
|
расчетные |
и |
расчетно |
стики только по значениям уровней на |
||||||||||||||||
Известные |
гружения и числу разрушившихся и |
||||||||||||||||||||||
экспериментальные |
методы |
установле |
неразрушившихся |
образцов |
на |
этих |
|||||||||||||||||
ния пределов выносливости материалов |
уровнях. |
Для |
|
определения |
|
предела |
|||||||||||||||||
основаны на различных принципах и |
в ы н о с л и в о с т и |
экспериментальными |
ме |
||||||||||||||||||||
подходах. |
Каждый |
из |
них |
обладает |
тодами |
не используются |
зависимости |
||||||||||||||||
своими достоинствами и |
|
недостатками |
циклической |
долговечности |
или |
пре |
|||||||||||||||||
и может использоваться в определен |
дельных |
|
напряжений |
от |
параметров |
||||||||||||||||||
ных |
условиях. |
|
|
|
|
|
|
|
|
нагружения |
образца. |
К |
эксперимен |
||||||||||
Большинство |
методов |
разработано и |
тальным методам прежде всего отно |
||||||||||||||||||||
апробировано |
применительно |
к |
оп |
сятся классический метод |
детермини |
||||||||||||||||||
ределению |
предела |
выносливости |
ма |
рованной |
оценки предельных напряже |
||||||||||||||||||
териалов |
без учета влияния |
факторов, |
ний, вытекающий из построения кри |
||||||||||||||||||||
привносимых сваркой. В |
связи |
с этим |
вых усталости, а также методы проби |
||||||||||||||||||||
весьма важно из всего многообразия |
тов и ступенчатого изменения напряже |
||||||||||||||||||||||
имеющихся методов выделить те, ко |
ний, применяемые |
при |
вероятностном |
||||||||||||||||||||
торые мог^т дать наиболее достоверные |
определении |
значений |
предела |
вынос |
|||||||||||||||||||
значения |
предела |
выносливости свар |
ливости. |
|
Основное |
назначение |
экспе |
||||||||||||||||
ных соединений и установить условия |
риментальных |
методов — установление |
|||||||||||||||||||||
их применимости. |
|
|
|
|
|
|
|
объективных |
и |
достоверных |
значений |
предела |
выносливости, |
которые можно |
числа испытываемых образцов. На точ |
|||||||||||||||||
принимать за базовые оценки. Для |
ность |
оценки искомых |
характеристик |
|||||||||||||||||
получения |
таких |
оценок |
приходится |
при этом существенное влияние оказы |
||||||||||||||||
испытывать |
большое |
число образцов, |
вает вид принятых для их вычисления |
|||||||||||||||||
и это определяет длительность и высо |
зависимостей. |
Такие |
зависимости |
под |
||||||||||||||||
кую |
трудоемкость |
экспериментальных |
бираются |
эмпирически |
применительно- |
|||||||||||||||
методов. |
|
|
|
|
|
|
|
от |
к некоторым конкретным образцам и |
|||||||||||
К |
экспериментально-расчетным |
условиям |
испытаний. |
Поэтому |
экспе |
|||||||||||||||
носятся методы оценки предела вынос |
риментально-расчетные методы разви |
|||||||||||||||||||
ливости |
по |
регрессионным зависимо |
вались преимущественно для |
проведе |
||||||||||||||||
стям, связывающим его значение с энер |
ния контрольных оценок. Сказапное- |
|||||||||||||||||||
гетическими, |
деформационными |
кри |
прежде всего относится к первым двум |
|||||||||||||||||
териями или со значением других ве |
подгруппам экспериментально-расчетных |
|||||||||||||||||||
личин, |
которые непосредственно |
сами |
методов. В последнее время все больше |
|||||||||||||||||
не |
служат |
характеристиками |
сопро |
внимания |
уделяется |
развитию |
экспе |
|||||||||||||
тивления усталости образцов п специ |
риментально-расчетных методов с целые |
|||||||||||||||||||
ально |
контролируются в ходе испыта |
получения установочных оценок харак |
||||||||||||||||||
ний на усталость. В эту же группу |
теристик сопротивления усталости [183г |
|||||||||||||||||||
включены методы определения предела |
213, 244]. При этом ставится задача ми |
|||||||||||||||||||
выносливости с помощью зависимостей, |
нимизировать чцсло испытываемых об |
|||||||||||||||||||
в которые он входит как параметр (на |
разцов во взаимосвязи с требуемой |
|||||||||||||||||||
пример, по уравнениям кривых уста |
точностью |
получаемых |
оценок. |
|
||||||||||||||||
лости). |
Экспериментально-расчетные |
В группу расчетных включены мето |
||||||||||||||||||
методы подразделены на три подгруп |
ды, в которых значения предела вы |
|||||||||||||||||||
пы. |
Одна |
из |
них объединяет |
методы |
носливости |
являются |
функцией |
гео |
||||||||||||
оценки |
предела |
выносливости |
по из |
метрических |
размеров |
образцов, стан |
||||||||||||||
менению физико-механических свойств |
дартных характеристик |
материалов и |
||||||||||||||||||
материала образца, например по изме |
ряда заданных параметров. При рас |
|||||||||||||||||||
нению частоты колебаний, предела про |
четном определении |
предела |
выносли |
|||||||||||||||||
порциональности, |
магнитного |
или |
вости сварных соединений к заданным |
|||||||||||||||||
электрического |
сопротивления, |
|
твер |
параметрам |
могут относиться |
|
коэффи |
|||||||||||||
дости и т. д., другая — по результатам |
циент концентрации напряжений, оста |
|||||||||||||||||||
ускоренных |
испытаний. |
Вторая |
под |
точные напряжения, а также характе |
||||||||||||||||
группа представлена методами, в ко |
ристики сопротивления |
усталости, по |
||||||||||||||||||
торых |
ускорение |
испытаний достига |
лученные |
при |
некоторых фиксирован |
|||||||||||||||
ется в результате увеличения действую |
ных |
условиях |
испытания, |
например* |
||||||||||||||||
щих в образце напряжений по специ |
предел выносливости |
стандартных об |
||||||||||||||||||
альной |
программе. Методы ускорения |
разцов ОМ при симметричном цикле |
||||||||||||||||||
испытаний |
путем |
повышения |
частоты |
нагружения. |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
нагружения |
образцов |
не |
рассматрива |
Расчетные методы имеют важную осо |
||||||||||||||||
ются, они подробно изложены в работе |
бенность, отличающую их от экспери |
|||||||||||||||||||
[129]. И наконец, последнюю подгруп |
ментальных и экспериментально-рас |
|||||||||||||||||||
пу составляют методы экстраполяцион |
четных. Она заключается в том, что* |
|||||||||||||||||||
ной оценки предела выносливости по |
последние позволяют судить о значени |
|||||||||||||||||||
результатам |
усталостных |
испытаний, |
ях предела выносливости образцов толь |
|||||||||||||||||
проводимых |
в |
области |
ограниченной |
ко по результатам их испытания в за |
||||||||||||||||
долговечности |
образцов. |
Основной |
данных условиях. Расчетные же методы |
|||||||||||||||||
целью |
создания |
экспериментально |
дают возможность вычислять значения* |
|||||||||||||||||
расчетных |
методов |
является сокра |
предела выносливости |
без проведения' |
||||||||||||||||
щение длительности, |
снижение трудо |
дополнительных усталостных |
испыта |
|||||||||||||||||
емкости определения характеристик со |
ний. Эта особенность дает большое пре |
|||||||||||||||||||
противления усталости |
и |
уменьшение |
имущество |
|
расчетным |
методам |
перед |
другими, особенно на этапе проектиро |
Структурные методы. Эти методы от |
||||||||||||||||||
вания |
конструкций. |
Однако |
расчет |
личаются многообразием процедуры про |
|||||||||||||||
ные оценки могут значительно отли |
ведения испытаний и способов регистра |
||||||||||||||||||
чаться от экспериментальных, и, как |
ции контролируемых параметров. Боль |
||||||||||||||||||
правило, |
это |
объясняется |
неточностью |
шинство из них основано на выявлении |
|||||||||||||||
расчетных методов. К тому же возмож |
линий скольжения в процессе испыта |
||||||||||||||||||
ности |
расчетных методов |
ограничива |
ния образца [100, 179, 309]. Суть струк |
||||||||||||||||
ются |
детерминированной |
оценкой зна |
турных методов заключается в том, что |
||||||||||||||||
чений |
предела выносливости. Предла |
пределом |
выносливости |
считается |
то |
||||||||||||||
гаемые методики вероятностного опре |
максимальное напряжение цикла , ко |
||||||||||||||||||
деления не имеют надежного обеспе |
торое еще не вызывает появления ли |
||||||||||||||||||
чения исходными данными для расчетов |
ний |
|
скольжения. |
|
Проводится |
непо |
|||||||||||||
и не получили должного эксперимен |
средственное наблюдение за состоянием |
||||||||||||||||||
тального обоснования. В этой связи |
поверхности |
образца |
|
и предусматрива |
|||||||||||||||
зачастую приходится делать выбор меж |
ется испытание одного образца путем |
||||||||||||||||||
ду трудоемкостью проведения |
испыта |
последовательного |
ступенчатого |
пони |
|||||||||||||||
ний на усталость и ограниченной до |
жения уровней нагружения или раз |
||||||||||||||||||
стоверностью |
расчетных |
оценок. |
ных |
образцов на каждом уровне нагру |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
жения. После каждого нагружения ана |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
лизируются |
макроструктуры |
металла |
||||||||||
|
2. |
УСТАНОВЛЕНИЕ ПРЕДЕЛА |
образцов с целью выявления линий |
||||||||||||||||
ВЫНОСЛИВОСТИ ПО ИЗМЕНЕНИЮ |
скольжения. |
При |
использовании |
од |
|||||||||||||||
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ |
ного образца образовавшиеся на его |
||||||||||||||||||
|
|
|
МАТЕРИАЛА |
|
|
поверхности |
линии |
скольжения |
перед |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
испытанием на следующем уровне на |
||||||||||||
Разрушение металлов под действием |
гружения |
удаляют полировкой. Испы |
|||||||||||||||||
переменных |
нагрузок |
представляет со |
тания продолжаются до тех пор, пока не |
||||||||||||||||
бой процесс |
постепенного накопления |
будет установлен уровень нагружения, |
|||||||||||||||||
усталостных |
повреждений. Оно нераз |
отвечающий |
началу |
|
образования |
ли |
|||||||||||||
рывно связано с неоднородностью де |
ний скольжелия. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
формирования кристаллитов реальных |
Имеются предложения определять пре |
||||||||||||||||||
металлов, образованием |
микропластп- |
дельные |
напряжения |
цикла, |
соответ |
||||||||||||||
ческих |
деформаций |
и линий |
сдвига. |
ствующие образованию линий скольже |
|||||||||||||||
В свою очередь это предопределяет из |
ния, по результатам испытаний кони |
||||||||||||||||||
менение физико-механических свойств |
ческих образцов на изгиб с вращением |
||||||||||||||||||
металла образца в ходе усталостных |
при постоянной нагрузке. В ходе ис |
||||||||||||||||||
испытаний. Поэтому во многих экспе |
пытаний |
периодически |
после |
|
цик |
||||||||||||||
риментально-расчетных методах полу |
лов |
нагружения |
|
исследуется |
поверх |
||||||||||||||
чаемые значения предела выносливости |
ность |
образца, |
фиксируется |
сечение* |
|||||||||||||||
связываются с особенностями изменения |
до |
которого |
распространились |
линии |
|||||||||||||||
тех или иных свойств металла образ |
скольжения, |
и вычисляются |
напряже |
||||||||||||||||
цов. Основная концепция такого под |
ния, действующие в этом сечении. Ре |
||||||||||||||||||
хода заключается в том, что предел |
зультаты |
испытаний |
двух — четырех |
||||||||||||||||
выносливости данного материала — это |
образцов |
позволяют |
|
построить зависи |
|||||||||||||||
то наибольшее переменное напряжение |
мость |
а — N по |
|
критерию появления |
|||||||||||||||
(оно определяется двумя характеристи |
линий скольжения. На этой основе |
||||||||||||||||||
ками цикла напряжений), при котором |
устанавливаются |
|
предельные |
|
напря |
||||||||||||||
еще не происходит накопления уста |
жения цикла, которые на заданной |
||||||||||||||||||
лостных |
повреждений и, |
следователь |
базе |
|
испытаний |
N5 |
|
не |
вызывают |
на |
|||||||||
но, не должно наблюдаться изменения |
копления |
необратимых |
сдвиговых |
де |
|||||||||||||||
физико-механических свойств материа |
формаций и, следовательно, могут при |
||||||||||||||||||
ла образца. |
|
|
|
|
ниматься |
в качестве |
|
предела |
выносли |
вости материала образцов. Одновре менно для облегчения наблюдений за образованием и развитием линий сколь жения применяется гальваническое мед нение образцов или гальванические пленки-датчики [182, 243].
Помимо оценки предела выносливости по линиям скольжения имеется еще ряд экспериментально-расчетных ме тодов, в той или иной степени связан ных с использованием зависимости структурной повреждаемости металла от числа циклов нагружения. Такие зависимости могут устанавливаться с помощью электронной и световой метал лографии, электронно-микроскопи ческого, рентгеноструктурного и ме таллографического анализов, а также по результатам исследования процесса образования микротрещин. Предла гаются и косвенные методы оценки структурной повреждаемости по изме нению микротвердости образцов, ин дуктивности, электросопротивления, магнитного потока, вихревых токов, а также по эффекту Баркхаузена, оп тической корреляции, акустической эмиссии, работе выхода электрона и т. д. Значительное внимание уделяется определению предела выносливости на основе исследования неразрушающими методами контроля закономерностей из менения механических свойств материа ла образцов под действием переменного нагружения. При этом анализируются закономерности изменения динамиче ского модуля упругости, циклической вязкости, амплитуды колебаний, про гиба, частоты собственных колебаний и резонансной частоты образца [100, 183, 244, 309].
Следует, однако, отметить, что все эти методы относятся только к оценке характеристик усталости основного ме талла по данным испытаний гладких стандартных образцов. Использование упомянутых методов для оценки пре дела выносливости сварных соединений не рассматривалось и представляется нецелесообразным. Основным препят ствием для их применения является образование в зоне сварных соединений
весьма существенной структурной и механической неоднородностей, разви тых упруго-пластических деформаций и сложного поля остаточных напряже ний. Как уже отмечалось, усталостное разрушение сварных соединений чаще всего происходит по границам сплавле ния МШ с ОМ, характеризующимся комплексным взаимодействием перечис ленных факторов в условиях концент рации напряжений. Вместе с тем в на стоящее время отсутствуют надежные неразрушающие средства контроля за изменением того или иного параметра в локальных зонах, ответственных за усталостное разрушение. В этих усло виях не представляется возможным экс периментально проверить исходные по ложения и основные допущения, на которых основаны методы оценки преде ла выносливости по структурной по вреждаемости металла образцов при циклическом нагружении.
Энергетические методы. Конструк ционные материалы на макроскопичес ком уровне являются упругоизотроп ными, и теоретически их можно рас сматривать как сплошную упругую среду. Практически же они состоят из хаотически ориентированных упруго анизотропных кристаллов, свойства ко торых дискретно изменяются по гра ницам зерен. Это приводит к сильному изменению упругих свойств в микро скопических объемах материала, обра зованию при нагружении сложных по лей мпкродеформаций, и в результате даже при номинальных напряжениях значительно ниже предела текучести наряду с упругими в микрообъемах могут возникать и пластические де формации. При упругом деформирова нии наблюдается линейная зависимость между напряжениями и деформациями и материал может сопротивляться воз действию циклических нагрузок сколь ко угодно долго. Появление пластиче ских деформаций в микрообъемах вле чет за собой превращение части работы деформации в тепло, затухание колеба ний, рассогласование линейной зави симости о — г и образование петли гисте-
резнеа вследствие того, что деформация |
оценки |
предела |
выносливости |
мате |
|||||||||||||||||||||
запаздывает по отношению к нагрузке. |
риала по изменению температуры об |
||||||||||||||||||||||||
Появление |
петли гистерезиса |
является |
разцов. Подобпые методы не смогли |
||||||||||||||||||||||
признаком |
|
накопления |
|
необратимых |
обеспечить |
требуемую |
точность |
даже |
|||||||||||||||||
сдвиговых деформаций в процессе цик |
при |
использовании лабораторных |
об |
||||||||||||||||||||||
лического нагружения, а ее площадь |
разцов. |
Поэтому |
развитие |
энергети |
|||||||||||||||||||||
служит мерой этого накопления. На |
ческих методов связывается с более |
||||||||||||||||||||||||
закономерностях |
изменения |
петли |
ги |
подробным рассмотрением полной энер |
|||||||||||||||||||||
стерезиса |
основаны |
энергетические |
и |
гии, вложенной в процессе испытаний. |
|||||||||||||||||||||
деформационные |
критерии |
оценки |
со |
По |
современным представлениям, |
пол |
|||||||||||||||||||
противления |
усталости |
материалов. |
|
ная энергия |
|
разделяется на две части, |
|||||||||||||||||||
Известно, |
что пластические деформа |
соотношение |
между которыми зависит |
||||||||||||||||||||||
ции |
обусловлены сдвигом |
дислокаций |
от числа циклов и уровня действующих |
||||||||||||||||||||||
вдоль плоскости скольжения. Структу |
напряжений. Одна из них расходуется |
||||||||||||||||||||||||
ра решетки при этом сохраняется. |
на деформирование кристаллической ре |
||||||||||||||||||||||||
Теоретически |
для |
перемещения всех |
шетки до критической величины, со |
||||||||||||||||||||||
атомов |
одной |
|
плоскости |
идеального |
ответствующей предельному |
упрочне |
|||||||||||||||||||
кристалла на параметр решетки необ |
нию материала в результате поворота |
||||||||||||||||||||||||
ходимо |
приложить |
сдвиговые |
напря |
плоскостей |
скольжения |
|
в |
направле |
|||||||||||||||||
жения, составляющие 0,10. Но, по |
нии растяжения (модель |
колоды карт),, |
|||||||||||||||||||||||
скольку в реальных металлах сдвиг |
другая — на |
разрушение |
межатомных |
||||||||||||||||||||||
происходит из-за перемещения дисло |
связей в локальных объемах решетки,, |
||||||||||||||||||||||||
каций, пластические деформации в них |
получивших такую деформацию. В ра |
||||||||||||||||||||||||
возникают под |
действием |
существенно |
ботах В. С. Ивановой [97—100] развива |
||||||||||||||||||||||
более |
низких |
|
напряжений. |
Важное |
ется |
концепция |
независимости |
энер |
|||||||||||||||||
влияние на затраты энергии |
при этом |
гии, необходимой |
на разрыв межатом |
||||||||||||||||||||||
оказывает |
|
взаимодействие |
отдельных |
ных связей, от способа разрушения ме |
|||||||||||||||||||||
дислокаций между собой и с другими |
талла. При разработке методов оцепки |
||||||||||||||||||||||||
дефектами |
решетки. |
Энергия |
суще |
предела выносливости принимается ги |
|||||||||||||||||||||
ствующей |
дислокации |
Ес зависит |
от |
потеза об энергетическом подобии уста |
|||||||||||||||||||||
модуля сдвига Ометалла и вектора Бюр- |
лостного |
разрушения |
и |
разрушения |
|||||||||||||||||||||
герса |
Ь, |
характеризующего |
величину |
металла плавлением. |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
и направление |
сдвига, |
|
|
|
|
|
Обе составляющие части полной энер |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
Ес = |
ОЪУ2. |
|
|
(6.1) |
гии нормируются по объему материала |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
с предельно деформированной решеткой |
|||||||||||||||||||
Энергия, необходимая для образования |
|||||||||||||||||||||||||
и объему разрушения. Удельпая энер |
|||||||||||||||||||||||||
новых |
участков |
дислокаций, |
зависит |
гия |
разрушения |
межатомных |
связей |
||||||||||||||||||
также |
от длины |
участка |
5: |
|
|
|
зависит |
от |
|
действующих |
напряжений |
||||||||||||||
|
|
|
|
Е0 = 280ЬУ2. |
|
(6.2) |
Та, |
предела |
|
выносливости тд |
и модуля |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
сдвига О материала. С учетом того что- |
||||||||||||||||||||
Величина критических напряжений, не |
|||||||||||||||||||||||||
усталостное |
|
разрушение |
при |
напряже |
|||||||||||||||||||||
обходимых для сдвига дислокации дли |
ниях |
Та наступит после ТУа циклов и в |
|||||||||||||||||||||||
ной |
I, |
определяется из |
выражения |
соответствии с рабочей гипотезой о ра |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
т = |
ОЫ1. |
|
|
(6.3) |
венстве |
удельной |
энергии разрушения |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
и скрытой теплоты плавления (7Пл вы |
||||||||||||||||||
Энергетические методы |
определения |
||||||||||||||||||||||||
водится |
равенство |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
предела выносливости |
материалов |
ос |
|
|
|
|
|
аЩ {/ 0 = 0 ВПЛ |
|
|
(6.4) |
||||||||||||||
нованы на анализе энергетических про |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
цессов, происходящих в образцах под |
где приведенное напряжение разруше- |
||||||||||||||||||||||||
действием |
циклического |
нагружения. |
ния а |
= |
та — тд. |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
В наиболее простых учитывается только |
|
Удельная |
энергия Еул критических |
||||||||||||||||||||||
часть энергии. Это относится к методам |
деформаций |
|
кристаллической решетки |
материала зависит от его удельной теп |
ход |
к |
определению |
энергетических |
|||||||
лоемкости СР1 температуры плавления |
критериев сопротивления |
усталости а, |
|||||||||
ТПл и температуры начала испытаний |
Р и УУ& в зависимости |
от материалов, |
|||||||||
Та образца |
гпл |
|
конструктивного оформления, техноло |
||||||||
|
|
гических обработок и т. д. При исполь |
|||||||||
Еул = |
^ |
срс1Т. |
(6.5) |
зовании этого метода для определения |
|||||||
|
*и |
|
|
предела |
выносливости |
сварных соеди |
|||||
С учетом того, что необратимые дефор |
нений могут возникать дополнительные |
||||||||||
трудности, связанные с необходимостью |
|||||||||||
мации решетки при переменном |
нагру |
||||||||||
учета структурной п механической не |
|||||||||||
жении появляются |
при напряжениях |
||||||||||
однородностей, остаточных |
сварочных |
||||||||||
не ниже предела |
циклической |
пропор |
|||||||||
напряжений и фактического уровня де |
|||||||||||
циональности Не, удельная энергия де |
|||||||||||
фектности. |
|
|
|
|
|||||||
формирования у материала с пределом |
Деформацпоппые методы. Применение |
||||||||||
выносливости 0л |
за |
циклов соста |
этих методов также основано на анали |
||||||||
вит |
|
|
|
зе механического гистерезиса, но в ка |
|||||||
|
|
|
|
честве |
характеристики |
|
накопления |
||||
|
|
|
|
усталостных повреждений используется |
|||||||
|
|
II |
|
не величина удельной энергии разруше |
|||||||
где приведенное |
напряжение деформа |
ния |
межатомных |
связей, |
|
а значение |
|||||
неупругой деформации |
за цикл. В лю |
||||||||||
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
бой |
момент нагружения |
справедливо |
|||||
|
|
|
|
соотношение |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
Дег = |
Деу + |
Ден, |
(6.11) |
а = Р[«?„л/Ср7’пл)(С/^)],/*; |
(6.7) |
N. = СрТапЕрА/р. |
(6.8) |
Здесь р — плотность металла; А — ме ханический эквивалент теплоты. Кри терии а и р предлагается принимать по стоянными для всех материалов. Это позволяет записать
ТВ = |
ТА — а; |
(6.9) |
°я = |
ап — 2а, |
(6.10) |
что в свою очередь дает возможность установить предел выносливости на ос нове экспериментального определения только наклонного участка кривой усталости, по которому Оннаходится как значенио, соответствующее ЛГ*.
Рассмотренный метод в ряде случаев дает вполне удовлетворительные оцен ки предела выносливости. Однако от носится это главным образом к одно родным металлам. Для получения при емлемых оценок предела выносливости деталей машин и элементов конструкций требуется дифференцированный под
где Дег, Деу и Де„ — деформация со ответственно гистерезиса, упругая и неупругая. Величина Ден характери зует смещение петли гистерезиса впра во за каждый цикл нагружения и явля ется мерой накопления усталостных повреждений.
В начале развития деформационных методов полагали, что в качестве пре дела в ы н о с л и в о с т и материала можно принимать напряжение, соответствую щее моменту возникновения механиче ского гистерезиса при статическом пагружении образца. Оно определялось по результатам повторно-статических испытаний образца с последовательным повышением уровня нагружения. Вско ре, однако, было установлено, что ха рактеристики неупругости материалов при статическом и циклическом воздей ствиях весьма существенно различают ся, а закономерности проявления меха нического гистерезиса зависят от пред ыстории нагружения и материала об разца. Современные методы оценки со противления усталости образцов на основе деформационных критериев
учитывают эти особенности. Они бази руются только на результатах испыта ний при циклическом нагружении и исходят из предположения, что долго вечность стандартных гладких образ цов и рассчитываемого элемента бу дет одинаковой, если в образце и зоне концентрации напряжений, ответствен ной за усталостное разрушение элемента, за цикл нагружения возникают равные неупругие деформации Ае„. Теоретиче ские основы оценки сопротивления усталости материалов с помощью дефор мационных критериев и особенности их практического использования наи более подробно рассмотрены в работах В. Т. Трощенко [244, 247, 249]. Предел выносливости принимается соответ ствующим циклическому пределу упру гости объемов материала в зоне наиболь шего пластического деформирования. При этом учитывается изменение цикли ческого предела упругости вследствие упрочнения или разупрочнения метал ла в процессе нагружения. В области многоцикловой усталости зависимость между пеупругой деформацией за цикл Аеп и числом циклов до разрушения А^в описывается уравнением
|
Д еЖ |
= |
С, |
(6.12) |
где к — параметр |
уравнения. |
|
||
Считая закон упрочнения стали ли |
||||
нейным, деформация |
Аен выражается |
|||
через |
амплитуду действующих |
напря |
||
жений |
о? и циклический предел теку |
|||
чести |
(Ху |
|
|
(6.13) |
|
Ави = (а« — аЧ)ф> |
где
ф= (Е — Е*)/2ЕЕ*;
Еи Ет — модули упругости соответст венно участков упругого деформиро вания и упрочнения.
Совместное рассмотрение уравнения (6.12) и выражения (6.13) позволяет записать
(а? — а?)Ф = С#ГЛ- |
(6.14) |
В соответствии с исходной |
гипотезой |
о равенстве предела выносливости цик лическому пределу упругости предел
выносливости можно определять по ре зультатам испытания двух образцов (сга1, N 1) и (оа„ N 2) по зависимости вида
стд = (а„ЛГ? - оаД2)/(М‘ - N4). (6.15)
Практическое использование такого подхода потребовало установления кор
реляционных зависимостей Оц от для разных материалов. При этом показано, что конструкционные материа лы можно объединить в песколько клас сов в зависимости от величины неун ру гой деформации, при которой цикличе ский предел упругости совпадает с пре делом выносливости [183]. В соответ ствии с этим предложены две схемы определения пределов выносливости. По каждой из них вначале по результатам испытаний образцов на разных уровнях нагружения при стабилизированной не упругой деформации определяются за висимости сха — 1& Аен. Затем по одной
схеме |
испытывают |
разные образцы, |
а по |
другой — один |
на нескольких |
уровнях нагружения. Предел выносли вости определяется по заранее уста новленному для данного класса мате риалов допуску на ’неупругую дефор мацию. Применимость деформационных методов для оценки предела выносливо сти сварных соединений не проверя лась.
3. МЕТОДЫ УСКОРЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ
Оценка влияния различных сопостав ляемых технологических и конструктив ных решений на изменение предела вы носливости изделия часто выполняется методами ускоренных испытаний. Из вестен ряд методов, в которых испыта ния ведутся при переменных напряже ниях с амплитудой, постепенно увели чивающейся в процессе испытания каж дого образца, вплоть до его разрушения. Наибольший интерес представляют ме тоды, предложенные Про, Эномото, Локати, в которых предел выносливости о—\ определяется по максимальному значению амплитуды напряжений (раз рушающему напряжению ар) с учетом скорости ее увеличения (скорости на
гружения а). В эту же подгруппу мож но выделить метод одного образца, со гласно которому образец испытывается на нескольких уровнях нагружения, один из которых перегрузочный. Ниже кратко изложена суть оценки предела выносливости методами ускоренных ис пытаний и проверка метода Локати по результатам испытания сварных соеди нений.
Метод Про. Первоначально предпола галось испытывать 6—8 образцов при переменных напряжениях, амплитуда которых непрерывно увеличивается по линейному закону с разной скоростью для каждого образца. Амплитуда на пряжений повышается вплоть до раз рушения образца, а ее значение <тр, соответствующее этому моменту, явля ется одпим из основных расчетных па раметров. Исходным уровнем нагруже ния рекомендуется считать напряжения, составляющие 0,5—0,7 предела вынос ливости испытываемых образцов. Для определения предела выносливости ис пользуется зависимость разрушающих напряжений ар от его значения и ско рости возрастания нагрузки а = = йа/дп:
ар = Он + Аа4*. |
(6.16) |
Здесь А — параметр, характеризующий материал. Это выражение в координа тах (ар, а 1/*) аппроксимируется прямой линией, а значение предела выносли вости определяется по точке пересече ния линии (6.16), построенной по дан ным испытаний, с осью ординат, так как при а = 0 ор = ад.
Метод Про получил сравнительно ши рокое распространение для оценки пре дела выносливости стандартных образ цов и деталей машин. При этом значе ние предела выносливости обычно уста навливалось по результатам испытания трех-четырех образцов. Однако апро бация этого метода применительно к сварным соединениям вызывает опреде ленные затруднения в связи с отсут ствием мощного оборудования, пригод ного для испытания крупномасштаб ных образцов с непрерывным увеличе
нием амплитуды напряжений. Вместе с тем проверка показывает, что даже по результатам испытания стандартных образцов исходные положения этого метода не всегда подтверждаются. На пример, установлено, что показатель степени при переменной а не явля ется постоянным и может изменяться, для сталей от 0,3 до 0,7. К тому же он зависит от концентрации напряжений,, вида нагружения, скорости увеличения нагрузки и исходного уровня испыта ний* Поэтому зависимость (6.16) запи сывается в виде
Ор = Оп + Ааг, |
(6.17) |
где г — параметр, зависящий |
от мате |
риала и типа образцов. |
|
С целью сокращения объема испытаний предложено при определении пре дела выносливости кроме разрушающих напряжений учитывать значение ис ходного уровня нагружения и число циклов до разрушения образца лр [183> 309], а также введены некоторые до полнительные предположения относи тельно значений параметров зависимо сти (6.17). Например, по методу Надешана, который является модификацией метода Про, образцы испытываются только при одной скорости нагружения в предположении, что параметры А и г в зависимости (6.17) для однородных групп материалов можно принимать постоянными. При этом считается, что их значения могут быть определены заранее для ограниченного числа групп материалов. Следует, однако, прини мать во внимание, что предложения по совершенствованию метода Про пока не получили надлежащего эксперимен тального подтверждения, а примени тельно к сварным соединениям п вовсе* не рассматривались.
Метод Эномото. Для определения пре
дела выносливости используется |
зави |
симость |
|
Ор/о—1 = / (а). |
(6.18) |
Значение отношения (6.18) для лю бых стальных образцов при одной и той же скорости нагружения а принимает
ся постоянным. По пзвестпому отноше |
жет зависеть от материала, типа об |
|||||||||||||||||||||
нию (6.18) для принятой скорости на |
разцов, величины приращения уровней |
|||||||||||||||||||||
гружения а определяется предел вы |
нагружения, |
последовательности |
их |
|||||||||||||||||||
носливости |
а_ 1. При определении пре |
приложения и базы испытаний. Эти |
||||||||||||||||||||
делов выносливости образцов и деталей |
же факторы могут оказывать существен |
|||||||||||||||||||||
машин по методу Эномото (в отличие |
ное влияние на предел выносливости, |
|||||||||||||||||||||
от метода Про) все образцы испытыва |
определенный по методу одного |
образ |
||||||||||||||||||||
ются при постоянной скорости нагру |
ца. При испытании сварных соединений |
|||||||||||||||||||||
жения. Известно проведение испытаний |
на |
нескольких |
уровнях |
нагружения |
||||||||||||||||||
при непрерывном и ступенчатом уве |
будет |
наблюдаться |
перераспределение |
|||||||||||||||||||
личении напряжений. В обоих |
случаях |
остаточных |
упруго-пластических |
|
де |
|||||||||||||||||
испытания |
рекомендуется |
начинать |
с |
формаций в зоне концентраторов на |
||||||||||||||||||
напряжений а2, составляющих 0,5—0,7 |
пряжений, |
обусловленных |
сварным |
|||||||||||||||||||
предполагаемого предела выносливости. |
швом. Это вносит дополнительные по |
|||||||||||||||||||||
•Следует отметить, однако, что основ |
грешности |
в оценку |
|
предела выносли |
||||||||||||||||||
ная предпосылка |
|
Эномото |
о зависимо- |
вости. Как следует из процедуры про |
||||||||||||||||||
• сти отношения ар/сг_1 только от скорости |
ведения испытаний, метод не дает со |
|||||||||||||||||||||
нагружения а не всегда находит экспе |
кращения по длительности |
испытаний. |
||||||||||||||||||||
риментальное подтверждение. В общем |
Наработка образца на всех уровнях |
|||||||||||||||||||||
•случае оно может зависеть от исходного |
вплоть до разрушения весьма значи |
|||||||||||||||||||||
уровня |
нагружения, |
материала, |
вида |
тельна. Вместе с тем сокращение объе |
||||||||||||||||||
нагружения. Опыт оценки предела вы |
ма испытаний до одного образца дает |
|||||||||||||||||||||
носливости сварных соединений по ме |
случайное |
значение |
|
предела |
выносли |
|||||||||||||||||
тоду Эномото отсутствует. |
|
|
|
|
вости и порождает неуверенность в нем. |
|||||||||||||||||
Метод |
одного |
образца. Определение |
Очевидно, в связи с этим метод одного |
|||||||||||||||||||
предела выносливости по этому методу |
образца не находит сколько-нибудь зна |
|||||||||||||||||||||
заключается в последовательном испы |
чительного применения для оценки пре |
|||||||||||||||||||||
тании одпого и того же образца на не |
дела |
выносливости |
сварных |
соедине |
||||||||||||||||||
скольких уровнях |
нагружения вплоть |
ний. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
до разрушения. Испытания |
начинают |
Метод Докати. Этот метод предложен |
||||||||||||||||||||
ся с уровня, заведомо более низкого, |
как проверочный и предназначен для |
|||||||||||||||||||||
чем предел выносливости. Последующие |
оценки |
изменения |
предела |
выносли |
||||||||||||||||||
уровни |
нагружения |
увеличиваются |
на |
вости под влиянием различных причин |
||||||||||||||||||
постоянную величину. На каждом из |
(свойств |
материала, |
|
|
технологии |
из |
||||||||||||||||
предварительно |
выбранных |
уровней, |
готовления, |
конструктивного |
оформле |
|||||||||||||||||
кроме последнего, |
образец |
испытыва |
ния и т. д.). В основе его лежит гипотеза |
|||||||||||||||||||
ется в течение принятой базы испыта |
линейного |
суммирования |
усталостных |
|||||||||||||||||||
ний. Последний |
уровень нагружения, |
повреждений (см. восьмую главу). Об |
||||||||||||||||||||
на котором |
образец |
полностью прошел |
разцы испытываются под действием пе |
|||||||||||||||||||
базу испытаний, принимается в каче |
ременных |
напряжений, |
амплитуда |
ко |
||||||||||||||||||
стве предела усталости. Оценка преде |
торых |
увеличивается |
ступенчато. |
На |
||||||||||||||||||
ла выносливости по этому методу ос |
гружение |
начинается |
с начального на |
|||||||||||||||||||
нована на том, что в материале |
образца |
пряжения (7ц заведомо меньшего пре |
||||||||||||||||||||
не накапливаются усталостные повреж |
дела |
|
выносливости |
|
испытываемых |
|||||||||||||||||
дения, пока уровень действующих пе |
образцов. |
|
В |
процессе |
нагружения |
|||||||||||||||||
ременных напряжений не превысит пре |
выдерживается |
постоянной |
средняя |
|||||||||||||||||||
дела выносливости. Это исходное поло |
скорость |
роста |
напряжений |
а = |
ка/щ |
|||||||||||||||||
жение в ряде случаев не получает экспе |
(Да — приращение |
напряжений, |
щ — |
|||||||||||||||||||
риментального подтверждения. Извест |
число циклов нагружения на каждой |
|||||||||||||||||||||
но, что |
накопление |
усталостных |
по |
ступени). По результатам испытания |
||||||||||||||||||
вреждений при испытании образца па |
подсчитывается сумма накопленных об |
|||||||||||||||||||||
.нескольких |
уровнях |
нагружения |
мо |
разцом |
до |
разрушения |
относительных |