Визначення циклічної довговічності елементів зварних конструкцій в умовах гальмування тріщини втоми

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА академія наук україни

Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Визначення циклічної довговічності елементів зварних конструкцій в умовах гальмування тріщини втоми

Бродовий Володимир Олександрович

Київ - 2003

Анотація

Бродовий В.О. Визначення циклічної довговічності елементів зварних конструкцій в умовах гальмування тріщини втоми.-Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.06. - „Зварювання та споріднені технології”. - Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, Київ, 2003р.

Дисертація присвячена вирішенню наукової задачі забезпечення працездатності зварних конструкцій з тріщиною втоми, яка виникає передчасно. Показано, що одним із можливих шляхів збільшення циклічної довговічності матеріалів та несучих елементів конструкцій слугує гальмування тріщини втоми за рахунок наведення перед її вершиною поля залишкових напружень стиску. Експериментально показано, що залишкові напруження, які встановлюються під впливом циклічного навантаження в зонах концентратора або тріщини втоми, взаємодіють із штучно наведеними в зоні тріщини задля її гальмування залишковими напруженнями і створюють нове поле напружень, відповідальне за подальший розвиток тріщини. Введено поняття коефіцієнта ефективності гальмування тріщини втоми. Встановлено кореляційну залежність цього коефіцієнта від величини та характеру розподілу наведених залишкових напружень стиску та запропоновано на цій основі експериментально - розрахунковий метод визначення циклічної довговічності елементів конструкцій з тріщиною втоми, що розвивається в полі залишкових напружень стиску, наведених перед фронтом задля її гальмування.

Запропонована методика перевірялась на базі експериментальних досліджень циклічної тріщиностійкості великогабаритних зразків із сталі Ст3сп та алюмінієвого сплаву Д16АТ за гальмування тріщини втоми залишковими напруженнями стиску, які створювались за рахунок локальних зміцнюючих обробок.

Ключові слова: циклічна довговічність, тріщиностійкість, залишкові напруження, концентратор напружень, тріщина втоми.

Аннотация

Бродовой В.А. Определение циклической долговечности элементов сварных конструкций в условиях торможения трещины усталости. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.03.06. - "Сварка и родственные технологии". - Институт электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины, Киев, 2003 г.

Диссертация посвящена решению научной проблемы обеспечения работоспособности сварных конструкций с преждевременно возникшими трещинами усталости. Показано, что одним из возможных путей увеличения циклической долговечности материалов и несущих элементов конструкции служит торможение трещины усталости за счет наведения перед ее вершиной поля остаточных напряжений сжатия. Экспериментально показано, что остаточные напряжения, которые устанавливаются под воздействием циклического нагружения в зонах концентратора или трещины усталости, взаимодействуют с искусственно наведенными и формируют новое поле напряжений, ответственное за дальнейшее развитие трещины. Исследования полей остаточных напряжений осуществлялись усовершенствованным акустическим неразрушающим методом.

С целью определения эффективности торможения трещины усталости искусственным наведением полей сжимающих напряжений перед ее вершиной проведены соответствующие испытания образцов на циклическую трещиностойкость. Испытывались плоские образцы из стали Ст3сп и алюминиевого сплава Д16АТ с предварительно выращенной усталостной трещиной. Перед вершиной трещины усталости наводились сжимающие остаточные напряжения локальными обработками взрывом, точечным нагревом или точечной наплавкой. По результатам таких экспериментов построены кинетические диаграммы усталостного разрушения (КДУР), которые состоят из двух частей. Первая ветвь отображает кинетику усталостного разрушения при развитии трещины без ее торможения. Вторая ветвь диаграммы имеет иной угол наклона и отображает кинетику усталостного разрушения с момента торможения. Из КДУР также видно, что наведение в зоне вершины трещины сжимающих остаточных напряжений существенно снижает скорость роста трещины.

Введено понятие коэффициента эффективности торможения усталостной трещины. Установлена корреляционная зависимость этого коэффициента от величины и характера распределения наведенных остаточных напряжений сжатия. На этой основе предложен экспериментально-расчетный метод определения долговечности элементов конструкций с трещиной усталости, которая развивается в поле остаточных напряжений сжатия, наведенных для ее торможения. Разработан ряд оригинальных программ для обеспечения соответствующего алгоритма, что позволяет выполнять необходимые расчеты на ПК.

Предложенный метод апробирован на базе экспериментальных исследований циклической трещиностойкости крупномасштабных образцов из стали Ст3сп и алюминиевого сплава Д16АТ при торможении трещины остаточными напряжениями сжатия, которые наводились за счет локальных упрочняющих обработок.

Ключевые слова: циклическая долговечность, трещиностойкость, остаточные напряжения, концентратор напряжений, трещина усталости.

Abstract

Brodovy V.O. Determination of cyclic durability of welded construction elements in conditions of fatigue crack inhibition.

Dissertation for competition of scientific degree of Candidate of technical sciences according to specialty 05.03.06 “Welding and related technologies”.

The dissertation is dedicated to scientific problem of operability assurance of welded constructions with prematurely raised fatigue crack. It is shown, that the inhibition of the crack by inducing of contracted residual stresses on its front is one of possible ways to increase cyclic durability of materials and supporting elements of constructions. Experimentally shown, that the residual stresses, which are formed in the regions of fatigue crack or concentrator under the action of cyclic loading, interact with the artificially induced ones and form a new field of residual stresses. The notion of crack inhibition effectiveness coefficient was introduced. The correlation dependence of introduced coefficient on value and on order of induced residual stresses obtained. Basing on obtained correlation, the method of experimental-computational determination of cyclic durability of construction elements with fatigue crack growing under the conditions of field of induced contracting residual stresses proposed. This method was approved on the basis of experimental investigations of cyclic durability of a large-scale samples made of low-carbon steel and aircraft aluminum alloy after the inhibition of the crack by residual contraction stresses induced by local strengthening treatments.

Keywords: cyclic durability, residual stresses, stress concentrator, fatigue crack.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Державними довгостроковими програмами розвитку науки і техніки передбачається суттєве зменшення металоємності виробів нової техніки за одночасного забезпечення високого рівня їх міцності та довговічності. В цьому плані, особливої ваги набувають питання забезпечення несучої спроможності зварних з`єднань. Такі задачі постають як при створенні нових металоконструкцій, так і в процесі експлуатації вже діючих споруд. Нерідко це пов`язане з тим, що під час проектування недостатньо враховується вплив дії окремих факторів на опір з`єднань зовнішнім навантаженням. Так наприклад, спостерігається передчасна поява тріщин втоми в зварних з`єднаннях споруд залізничних мостів, елементів конструкцій залізничних вагонів, кранів та інших конструкцій ще на ранньому етапі їх експлуатації. Поява таких тріщин обумовлюється впливом певних конструктивно-технологічних та експлуатаційних факторів, що не були враховані при проектуванні конструкцій. Для усунення причин, що призводять до появи таких тріщин потрібен значний час та додаткові дослідження. Тому у випадках, коли фактори, невраховані за проектування, призвели до появи тріщини в процесі експлуатації конструкції, виникає потреба у гальмуванні її розвитку. Саме тому виникає необхідність розробки ефективних способів гальмування або зупинки розвитку тріщини втоми в елементах конструкцій. Серед ряду способів, що використовуються із згаданою метою, найбільш ефективною показала себе заварка тріщини втоми з попереднім видаленням прилеглої до тріщини частки металу. Такий спосіб може використовуватись в комплексі з зміцнюючою обробкою ремонтного шва. Проте, на практиці використання подібних ремонтних методів далеко не завжди можливе. З метою гальмування розвитку тріщини втоми використовуються також і інші способи, зокрема, чільне місце посідають методи, засновані на штучному наведенні поля залишкових напружень стиску перед фронтом тріщини, що розвивається.

Для обґрунтованого застосування способів штучного наведення залишкових напружень стиску перед вершиною тріщини втоми з метою її гальмування необхідна оцінка їх ефективності. Створення такої експериментально-розрахункової оцінки дозволить виявити найбільш раціональні об`єкти для використання цих способів, а також оптимізувати їх параметри в залежності від початкової довжини тріщини втоми, характеристик циклу змінного навантаження та властивостей матеріалу.

Зв'язок роботи з науковими програмами та планами. Дисертація виконувалась у відповідності до науково-технічних програм та планів наукових досліджень Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України:

- 1.6.1.3.6. “Розробити заходи забезпечення несучої здатності і ресурсу металоконструкцій, засновані на більш повному врахуванні при проектуванні факторів, які сприяють передчасному виникненню тріщини в зварних з`єднаннях, застосуванні ефективних засобів гальмування їх розвитку та удосконалення розрахункового знаходження залишкового ресурсу”, від 13.05.1997р.

- 1.6.1.3.87.8 “Створити методологію розрахункового визначення та гарантованого продовження залишкового ресурсу зварних конструкцій, які вичерпали призначений строк служби”, від 20.04.2000р.

А також планів пошукових досліджень Інституту Електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 3.7/10-П від 30.01.2000р.

Мета та задачі досліджень. Експериментально-розрахункове визначення циклічної довговічності елементів зварних конструкцій в умовах гальмування тріщини втоми штучним наведенням залишкових напружень стиску перед її вершиною.

У відповідності до вказаної мети вирішувались наступні задачі:

1. Дослідити кінетику формування та зміни залишкових напружень під впливом циклічного навантаження перед вершиною тріщини втоми, що розвивається.

2. Дослідити взаємодію залишкових напружень, що виникли під впливом циклічного навантаження в зонах концентратора та тріщини втоми зі штучно наведеними залишковими напруженнями.

3. На великогабаритних зразках експериментально дослідити ефективність застосування способів наведення залишкових напружень стиску перед вершиною тріщини втоми з метою її гальмування.

4. Розробити експериментально-розрахункову методику визначення циклічної довговічності елементів зварних конструкцій, що містять тріщини втоми, за їх гальмування штучно наведеним полем залишкових напружень стиску.

5. Розробити відповідне програмове забезпечення для розрахункового визначення циклічної довговічності елементів зварних конструкцій на стадії гальмування тріщини втоми.

6. Удосконалити методику та устаткування для визначення залишкових напружень акустичним методом.

Методи дослідження. В дослідженнях використовувались різні методики, що дозволяли враховувати вплив силових, деформаційних та енергетичних факторів на процес руйнування зварних з`єднань.

Використовувались великогабаритні зразки, що відтворювали особливості роботи зварних з`єднань в реальних конструкціях.

Математична обробка експериментальної інформації проводилась на сучасному комп`ютерному обладнані та спеціальних програмах із застосуванням методів регресійного аналізу і відомих підходів механіки руйнування.

Наукова новизна. Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

Експериментально встановлено закономірності формування результуючого поля залишкових напружень стиску перед вершиною тріщини втоми, яке визначає характер втомного руйнування. Це поле формується при взаємодії штучно наводжуваних гальмуючих тріщину напружень з напруженнями, викликаними зовнішнім навантаженням.

Встановлено кінетику результуючого поля залишкових напружень в зоні тріщини втоми в процесі її розвитку під дією циклічного навантаження.

Показано, що способи гальмування тріщин втоми, які базуються на штучному створенні перед їх фронтом залишкових напружень стиску близьких до половини межі текучості забезпечують суттєве зростання циклічної довговічності елементів конструкцій з тріщинами (на порядок та більше).

Запропоновано експериментально-розрахункову методику оцінки циклічної довговічності елементів конструкцій з тріщиною втоми, що гальмується. В основу методики покладено встановлення кореляційної залежності коефіцієнта ефективності гальмування тріщини втоми від параметру, який характеризує величину та розподіл штучно наведених задля її гальмування залишкових напружень стиску.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, отриманих результатів і висновків. Обґрунтованість та достовірність забезпечуються проведенням досліджень в сертифікованих лабораторіях на атестованому обладнанні, використанням методик, що дозволяли врахувати вплив силових та деформаційних факторів на процес руйнування зварних з`єднань, використанням великогабаритних зразків, що відтворюють особливості зварних з`єднань в реальних конструкціях. Порівняльний аналіз теоретичних та експериментальних результатів свідчить про їх узгодженість. Отримані результати та висновки узгоджуються також з відомими у відповідних літературних джерелах.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблена розрахунково-експериментальна методика визначення циклічної довговічності елементів конструкцій з тріщиною втоми, що розвивається за штучно наведених залишкових напружень стиску перед її вершиною задля її гальмування. Методика дозволяє дослідити залежність циклічної довговічності від основних факторів впливу на ефект гальмування та виконати оцінку ефекту гальмування та визначити раціональні об`єкти для використання способу обробки, а також оптимізувати його параметри.

Особистий внесок автора. Дисертація є підсумком експериментальних та теоретичних досліджень, виконаних автором особисто. Постановка задач і обговорення результатів проведені спільно з науковим керівником та співавторами публікацій. До особистого внеску здобувача належить:

- Результати експериментальних досліджень формування залишкових напружень в зонах концентратора та тріщини втоми під впливом циклічного навантаження, аналіз та узагальнення результатів (В.А. Бродовой, П.П. Михеев, О.И. Гуща, Некоторые закономерности формирования остаточных напряжений в зонах концентратора и усталостной трещины при циклическом нагружении. // Автомат. сварка.- 2001.- №2.- С.9-12).

- Огляд публікацій щодо взаємодії залишкових напружень різного походження, результати експериментальних досліджень взаємодії залишкових напружень, що встановлюються в зонах концентратора або тріщини втоми за циклічного навантаження з залишковими напруженнями, які додатково наводяться під впливом зміцнюючи обробок, аналіз та узагальнення результатів (Бродовой В.А., Гуща О.И., Кузьменко А.З., Михеев П.П., Взаимодействие остаточных напряжений в зонах концентратора и трещины усталости// Автомат. сварка.- 2001.- №9.- С.52-54).

- Огляд новітніх публікацій щодо розробки та використання засобів гальмування тріщини втоми в елементах металоконструкцій, результати експериментальних досліджень ефективності гальмування тріщини втоми в сталях та алюмінієвих сплавах за рахунок наведення перед вершиною тріщини залишкових напружень стику; розробка методичних питань, програмового забезпечення обробки результатів, їх аналіз та узагальнення (Бродовой В.А., Михеев П.П., Книш В.В., Гуща О.И., Кузьменко А.З., Лабур Т.М., Исследование эффективности торможения усталостных трещин полем остаточных напряжений сжатия // Автомат. сварка. - 2003. - №8. - С.50-51).

- Удосконалення устаткування та методики неруйнівного визначення залишкових напружень, пов`язані з автоматизацією вимірювань, підвищенням точності та надійності вимірювань (Сміленко В.М., Гуща О.Й., Бродовий В.О., Кудрявцев Ю.П., Клейман Я.І., Пристрій контролю механічних напружень та деформацій в твердих середовищах // Рішення про встановлення дати подання заявки, Укрпатент, 16.04.2002. стосовно заявки №20023258).

Апробація роботи. Основні положення роботи були повідомлені на:

- XXXVII Міжнародному семінарі. “Актуальные проблемы прочности”, 3-5 липня 2001 р., м. Київ;

- 1 Всеукраїнській науково-технічній конференції молодих учених та спеціалістів “Сварка и родственные технологи”, 22-24 травня 2001р., м. Київ.

- Результати роботи були також предметом обговорення на тематичному семінарі ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАНУ ”Зварні конструкції та технічна діагностика”, а також на науковому семінарі “Зварні конструкції” відділу №3 ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАНУ.

- Межународная конференция «Современные проблемы сварки и ресурса конструкций» 24-27 ноября 2003, Киев, Украина.

Публікації. Матеріали дисертації опубліковані в 7 наукових роботах, 4 з яких задовольняють вимогам ВАК до публікацій.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку цитованої літератури. Загальний обсяг роботи 183 сторінки, що містять 4 таблиці, 70 рисунків, бібліографію на 109 найменувань.

1. Основний зміст роботи

У відповідності до мети і поставлених задач дослідження проводились у двох напрямках:

- дослідження взаємодії залишкових напружень, що сформувались під впливом циклічного навантаження в зонах концентратора та тріщини втоми, з штучно наведеними задля гальмування розвитку тріщини залишковими напруженнями стиску;

- розробка экспериментально-розрахункового методу визначення циклічної довговічності елементів конструкцій з врахуванням поля залишкових напружень стику, наведених в процесі росту тріщини втоми з метою її гальмування.

Поміж ряду способів, що використовуються з метою гальмування розвитку тріщини втоми, чільне місце посідають методи, засновані на принципах наведення перед фронтом тріщини поля залишкових напружень стиску. Для обґрунтованого застосування таких способів розроблено метод оцінки їх ефективності.

В реальних конструкціях поява і розвиток тріщини втоми часто обумовлені наявністю зварних з`єднань. Тому виникає необхідність враховувати особливості конструктивно - технологічних факторів, що притаманні зварним з`єднанням, і їх вплив на розвиток руйнування від втоми. До таких факторів також належать і залишкові напруження. Відомо, що залишкові напруження можуть суттєво впливати на довговічність зварних з`єднань при циклічному навантаженні. Цей вплив виявляється і на стадії розповсюдження тріщини.

За першим напрямком проводились інформаційно-пошукові та експериментальні дослідження, які підтвердили, що за циклічного навантаження зварних з`єднань відбувається перерозподіл початкових залишкових напружень. Штучно створені залишкові напруження стиску також взаємодіють із зварювальними залишковими напруженнями і такими, що виникли в зонах концентратора та тріщини втоми. В результаті формується результуюче поле залишкових напружень. Для оцінки ефективності впливу штучно наведених залишкових напружень стиску на швидкість розповсюдження тріщини втоми необхідно враховувати кінетику цього поля залишкових напружень.

За другим напрямком досліджень доведено, що закономірності розвитку тріщини втоми у сталях та алюмінієвих сплавах за гальмування штучно наведеними перед її фронтом залишковими напруженнями стиску відтворюються кінетичними діаграмами втомного руйнування (КДВР).

Разом з тим, при гальмуванні тріщини втоми штучно наведеними залишковими напруженнями стиску перед її вершиною, положення КДВР та відповідні параметри рівняння Періса суттєво залежать від рівня та характеру розподілу цих напружень, що суттєво обмежує використання КДВР за визначення довговічності. В зв`язку з цим запропоновано метод експериментально-розрахункової оцінки циклічної довговічності елементів з тріщиною втоми, яка розвивається в полі залишкових напружень стиску. При цьому враховується величина та характер розподілення залишкових напружень, що наведені перед вершиною тріщини, і умови зовнішнього навантаження. Розроблено алгоритм обчислення та відповідну комп`ютерну програму, які дозволяють визначати довговічність відповідно до кінетики втомного руйнування елементу за умови гальмування тріщини.

Вплив зварювальних залишкових напружень на працездатність зварних з`єднань елементів конструкцій при циклічному навантаженні.

Впливу залишкових напружень на циклічну міцність зварних з`єднань присвячено багато досліджень, серед яких відмічено фундаментальні результати В.І. Труфякова, В.І. Махненка, Л.М. Лобанова, В.В. Панасюка, О.Є. Андрійкова, Г.О. Ніколаєва, І.В. Кудрявцева, В.С. Ігнатьєвої, В.О. Винокурова, П.П. Міхеєва, О.Й. Гущі, С.І. Медокса (Madox S.I.), Т.Р. Герні (Gurney T.R.), Уелса А.А. (Wels A.A.) та ін. Зварювальні залишкові напруження розтягу в елементах зварних конструкцій можуть сягати рівня межі плинності матеріалу. Такі напруження, змінюючи асиметрію циклу навантаження, можуть суттєво знизити опір зварних з`єднань втомному руйнуванню. Наведення залишкових напружень стиску призводить до підвищення витривалості елементів конструкцій. При цьому дія залишкових напружень в обох випадках значно змінюється в залежності не тільки від величини цих напружень, але й від рівня зовнішнього циклічного навантаження, його асиметрії та ін.

Зварювальні залишкові напруження впливають також на швидкість розвитку тріщини втоми в зварних конструкціях. Експериментально доведено, що залишкові напруження розтягу прискорюють розвиток тріщини. Натомість залишкові напруження стиску гальмують розвиток тріщини втоми.

Показано, що під впливом циклічного навантаження значення зварювальних залишкових напружень та характер їх розподілення помітно змінюється. Інтенсивність цього процесу залежить від рівнів залишкових та прикладених напружень і від ступеню їх концентрації.

За відсутності початкових залишкових напружень в процесі циклічного навантаження в зонах концентраторів створюються залишкові напруження. Під дією циклічного розтягу виникають напруження стиску, а під дією циклічного стиску - залишкові напруження розтягу. Із збільшенням числа циклів навантаження значення сформованих залишкових напружень змінюється. Ці зміни відбуваються головним чином на перших циклах навантаження. В подальшому ці зміни зменшуються і рівень залишкових напружень практично стабілізується. З розвитком процесу втоми в зоні концентратора виникає тріщина втоми, яка в свою чергу впливає на поле залишкових напружень. При цьому, біля вершини тріщини втоми формуються залишкові напруження стиску з високим градієнтом, досягаючи на її фронті межі плинності матеріалу. У випадку, коли тріщина втоми виникає і розвивається в зварних елементах конструкцій, на закономірності формування залишкових напружень біля її вершини також впливають зварювальні залишкові напруження.

Дослідження взаємодії залишкових напружень, сформованих зовнішнім циклічним навантаженням в зонах концентратора або тріщини втоми, із штучно наведеними в цих зонах залишковими напруженнями стиску в процесі втомного руйнування.

Відомо, що шляхом штучного наведення залишкових напружень стиску в місцях імовірного зародження тріщини втоми можна суттєво підвищити несучу спроможність зварних з`єднань, що працюють в умовах циклічного навантаження, як на стадії виникнення, так і на стадії розповсюдження тріщини втоми.

При циклічному навантаженні зварних з`єднань, як відмічалось раніше, відбувається перерозподіл залишкових напружень. Це відбувається головним чином за рахунок появи пластичних деформацій в зоні концентратора в результаті взаємодії зварних залишкових напружень з напруженнями зовнішнього навантаження. Залишкові напруження стиску, що штучно наводяться перед фронтом тріщини задля її гальмування, взаємодіють з напруженнями, що виникли в зоні тріщини під впливом зовнішнього навантаження, формуючи нове поле залишкових напружень, яке може значно відрізнятись від своїх складових.

Для оцінки впливу штучно наведених залишкових напружень на швидкість розповсюдження тріщини втоми необхідно враховувати згадану взаємодію та кінетику результуючих напружень в процесі розвитку втомного руйнування. З цією метою досліджувалась взаємодія залишкових напружень, що виникли в зоні концентратора, а також напружень, які сформувались в зоні тріщини втоми під впливом циклічного навантаження, зварювальних напружень і залишкових напружень стиску, наведених ультразвуковою ударною обробкою та точковим нагрівом. Зразок із сталі Ст3сп (у_T = 259 МПа, у_в = 448 МПа) розмірами 240х160х14мм з концентратором у вигляді бокових викружок навантажувався осьовим віднульовим циклічним стиском. Теоретичний коефіцієнт концентрації напружень становив б_у = 2,48. Максимальне напруження номінального циклу навантаження складало мінус 120МПа.

Відомо, що за циклічного навантаження рівень залишкових напружень в зоні концентратора стабілізується після перших кількох циклів навантаження. Були зафіксовані напруження, які сформувались після 10 циклів навантаження. В зонах концентраторів під впливом циклічного стиску виникло двохосьове поле залишкових напружень розтягу. Поздовжня компонента якого сягає 150МПа розтягу в зоні концентратора.

Після цього зразок у викружках почергово піддавався ультразвуковій ударній обробці. Під впливом обробки в зонах концентраторів на місці напружень розтягу сформувалось поле двоосьових залишкових напружень стиску. Обидві компоненти напружень стискуючі з максимальною їх величиною на рівні мінус 160МПа.

Після повторного навантаження зразка циклічним стиском в зонах концентраторів знову виникло поле двохосьових залишкових напружень розтягу. Максимальна їх величина досягає 90МПа.

В другому аналогічному зразку після навантаження циклічним стиском, в зонах концентраторів зафіксовано залишкові напруження розтягу на рівні 125-130МПа. Після обробки зразка локальним точковим нагрівом в зонах концентраторів сформувались двоосьві залишкові напруження стиску. Їх максимальна величина досягає мінус 160МПа. Залишкові напруження в зонах нагріву досягають межі плинності сталі.

Після повторного навантаження зразка циклічним стиском в зонах концентраторів знову сформувались залишкові напруження розтягу. Максимальне їх значення досягає 100МПа. Дещо знизився також рівень напружень в точках нагріву.

Наступний зразок із сталі 15ХСНД (у_T = 370 МПа, у_в = 531 МПа) розмірами 650х160х30 мав концентратори у вигляді бокових викружок у полі залишкових напружень розтягу. Ці напруження створені поздовжніми наплавками на бокові кромки зразка. Наплавка мала розрив за рахунок концентратора. Максимальні значення поздовжньої компоненти в зонах концентратора досягають 318МПа. Величина поперечної компоненти знаходиться майже на нульовому рівні.

Після ультразвукової ударної обробки зони концентратора максимальні поздовжні напруження зменшились до 125МПа, а поперечна компонента знизилась до мінус 89МПа. Затим зразок було піддано циклічному навантаженню з циклом R_у = 0; у_max = 145,8МПа. В наслідок цього рівень напружень суттєво знизився. Поздовжні напруження в зоні концентратора зменшились до мінус 80МПа. Дещо понизився також рівень поперечної компоненти до мінус 100МПа.

З появою тріщини втоми в зоні її вершини формується поле залишкових напружень. Так зразок із сталі Ст3сп, розмірами 700х250х12мм з концентратором у вигляді отвору в центрі навантажувався віднульовим розтягом на машині ЦДМ - 200Пу. Після появи тріщини втоми в зоні її вершини сформувались залишкові напруження стиску. Їх максимальна величина досягала рівня межі плинності сталі. Після обробки зразка локальним точковим нагрівом напруження стиску в зоні тріщини зменшились до мінус 100МПа, а зона цих напружень збільшилась з 5 до 15мм від вершини тріщини.

Таким чином, залишкові напруження, що виникають під впливом циклічного навантаження та тріщини втоми, взаємодіють з напруженнями, які штучно наводяться внаслідок зміцнюючи обробок. Така взаємодія спостерігається як на стадії зародження руйнування від втоми, так і після появи тріщини втоми.

Під дією подальшого циклічного навантаження це результуюче поле залишкових напружень також змінюється, формуючи нове поле залишкових напружень, яке і визначає опір матеріалу та зварних з`єднань зародженню та розповсюдженню тріщини втоми.

Визначення циклічної довговічності елементів конструкцій в умовах гальмування тріщин втоми штучно наведеними залишковими напруженнями стиску.

Використання підходів механіки руйнування для оцінки циклічної довговічності елементів конструкцій з тріщиною втоми при її розвитку в полі зварювальних залишкових напружень. Як неодноразово зазначалось, на кінетику втомного руйнування і довговічність зварних з`єднань впливають зварювальні залишкові напруження.

У підходах, запропонованих В.І. Труфяковим із співавторами вплив зварювальних залишкових напружень враховується відповідною зміною асиметрії циклу змінного навантаження.

В роботах В.І. Махненко зварювальні залишкові напруження враховуються відповідно зміною величини максимального напруження циклу змінного навантаження.

В обох цих випадках для опису закономірностей розповсюдження тріщини втоми використовуються відповідні кінетичні співвідношення, які в явному виді містять у першому випадку асиметрію циклу, а в другому - максимальні напруження циклу змінного навантаження. При цьому пропонується визначати коефіцієнт інтенсивності від незрелаксованих залишкових напружень шляхом прикладання їх до берегів тріщини. Ці підходи задовільно описують експериментальні дані у випадку розвитку тріщини втоми в полях зварювальних залишкових напружень. У випадку гальмування тріщини втоми штучним наведенням залишкових напружень стиску перед її вершиною локальними зміцнюючими обробками у безпосередній близькості від вершини ця тріщина суттєво впливає на закономірності розподілу наводжуваних напружень. Отже для оцінки ефективності застосування таких локальних зміцнюючих обробок необхідне проведення комплексних експериментальних досліджень взаємодії полів діючих напружень та кінетики втомного руйнування в умовах гальмування тріщини втоми.

Експериментальні дослідження циклічної тріщиностійкості великомасштабних зразків сталі Ст3сп та алюмінієвого сплаву Д16АТ та її зміни під впливом залишкових напружень стиску, штучно наведених перед вершиною тріщини втоми. Експериментальні дослідження циклічної тріщиностійкості проводилось на зразках із сталі Ст3сп та алюмінієвого сплаву Д16АТ (у_T = 256 МПа, у_в = 471 МПа) при гальмуванні тріщини втоми залишковими напруженнями стиску, які створювались локальними обробками вибухом, точковим нагрівом та точковою наплавкою.

Випробовувались пласкі зразки з попередньо вирощеною тріщиною втоми. Перед вершиною тріщини наводились залишкові напруження за згаданими технологіями. Безпосередньо після обробки зразків та періодично в процесі росту тріщини втоми контролювались рівень та розподілення залишкових напружень перед фронтом тріщини. Одночасно фіксувались відповідні довжина тріщини та число циклів змінного навантаження.

Повторно виміряні залишкові напруження, коли тріщина втоми підросла до довжини 20, складали мінус 250МПа. Коли тріщина виросла до півдовжини 28 мм, рівень залишкових напружень в зоні вершини тріщини дорівнював мінус 100МПа. Така кінетика рівня залишкових напружень пов`язана з зміною діючої площі перерізу зразка та з наближенням тріщини втоми до зони залишкових напружень розтягу.

З метою гальмування тріщини втоми в алюмінієвому сплаві Д16АТ для наведення залишкових напружень стиску було використано точкову аргоно-дугову наплавку. Така наплавка створювала в зоні вершини тріщини напруження стиску в межах мінус 75-100МПа.

Попередньо в зразку 500х160х3мм вирощувалась тріщина втоми довжиною . Втомні випробування здійснювались за віднульового циклу навантаження при .

Подібні дослідження були виконані на однотипних зразках з метою з`ясування ефективності застосування різних модифікацій точкової аргоно-дугової наплавки в зонах розповсюдження втомних тріщин задля їх гальмування. Отримані результати засвідчують, що суттєвий ефект гальмування розвитку тріщини втоми спостерігається за всіх варіантів точкової наплавки. Разом з тим, ефект гальмування вищий там, де наведено вищий рівень та ширша зона залишкових напружень стиску в околі вершини тріщини втоми.

В тих випадках, коли не було зафіксовано помітного наведення залишкових напружень стиску, ефект гальмування також був відсутній.

Особливості кінетичних діаграм втомного руйнування при гальмуванні тріщини втоми полем штучно наведених залишкових напружень стиску. Довговічність елементу конструкції, який містить тріщину втоми і експлуатується в умовах змінного навантаження, визначається числом циклів, що відповідає зростанню тріщини втоми від початкової довжини l₀ до критичного її значення l_c. З метою прогнозування довговічності елементів конструкцій з тріщинами проводяться відповідні лабораторні випробування зразків на циклічну тріщиностійкість.

Результати таких експериментів відтворюються відповідними кінетичними діаграмами втомного руйнування (КДВР), лінійна ділянка яких описується степеневою залежністю Періса:

,

Відповідні дослідження циклічної довговічності та її зміни під впливом наведених залишкових напружень стиску задля гальмування тріщини втоми були виконані на зразках із сталі Ст3сп та алюмінієвого сплаву Д16АТ.

В зразках із сталі Ст3сп попередньо вирощувалась тріщина до початкової довжини 2l₀=76мм за віднульвого циклу навантаження з максимальним напруженням циклу у_мах=155МПа. На відстані 30мм від вершини тріщини зразок оброблявся точковим нагрівом. Виміряні залишкові напруження стиску в зоні тріщини становили мінус 195МПа. Зразки далі випробовувались за попередніх умов навантаження. За даними випробування будувались КДВР та розраховувались коефіцієнти рівняння Періса.

В зразках із сплаву Д16АТ залишкові напруження стиску в зоні вершини тріщини створювались за рахунок наплавок точок аргоно-дуговим способом. На рис. 4 наведена КДВР для такого зразка. Для зразка із сплаву Д16АТ КДВР також складається із двох відтинків. Відтинок 1 відтворює кінетику втомного руйнування при зростанні тріщини втоми до напівдовжини без гальмування. Відтинок 2 відображає кінетику з моменту гальмування тріщини втоми наведеним стиском на рівні мінус 100МПа. При цьому швидкість росту тріщини зменшилась від рівня до рівня . Нахил відтинку 2 КДВР також суттєво відрізняється від нахилу відтинку 1 діаграми.

Коефіцієнти рівняння Періса для відтинку 1 складають та , на відтинку 2 та . У випадках, коли не було зафіксовано помітного наведення залишкових напружень стиску, на кінетичних діаграмах втомного руйнування також не помічено суттєвих змін.

Результати виконаних досліджень засвідчують, що наведення в зоні вершини тріщини втоми, що розвивається залишкових напружень стиску суттєво зменшує швидкість зростання довжини тріщини та змінює положення відповідної КДВР.

Експериментально-розрахунковий метод визначення циклічної довговічності елементів конструкцій в умовах гальмування тріщини втоми. Раніше показано, що параметри циклічної тріщиностійкості та залежать від величини і характеру розподілу наведених перед вершиною тріщини залишкових напружень стиску. Разом з тим ефективними розрахунковими співвідношеннями для довговічності можуть бути лише такі, які містять параметри циклічної тріщиностійкості матеріалу, незалежні від поля наведених напружень стиску, але враховують дію цього поля. З цією метою пропонується для оцінки ефективності гальмування тріщини втоми використовувати кореляційну залежність між двома деякими коефіцієнтами і . Коефіцієнт залежить від об`єму стиснутого металу перед вершиною тріщини, максимальних напружень циклу змінного навантаження та початкової напівдовжини тріщини і визначається співвідношенням

Де площа, що утворюється кривою розподілу залишкових напружень стиску перед вершиною тріщини втоми та віссю ОХ, і визначається співвідношенням:

тут h - протяжність зони розподілу штучно наведених перед вершиною тріщини залишкових напружень стиску.

Коефіцієнт кількісно показує ефективність застосування засобів гальмування втомних тріщин і визначається виразом

,

де: - довговічність зразка, що відповідає утворенню тріщини напівдожини ;

- довговічність зразка після обробки, що відповідає підростанню напівдовжині тріщини , при якій вона виходить із зони напружень стиску;

- довговічність зразка, що відповідає підростанню тріщини до напівдовжини без гальмування тріщини.

Отримані експериментальні результати були описані за допомогою лінійної регресії. При цьому коефіцієнт кореляції становив 0,94, що вказує на правомірність такої регресії з рівнянням

В такому разі довговічність елементу конструкції з тріщиною втоми напівдовжини , яка гальмується і розвивається до напівдовжини , коли вона виходить із зони дії напружень стиску, можна одержати із виразу

За викладеним методом проведено розрахунки циклічної довговічності зразків з алюмінієвого сплаву Д16АТ при різних способах гальмування тріщини втоми. Для цього сплаву коефіцієнти розрахункового співвідношення (2) мають значення: ; ; ; . Залишкові напруження стиску наводились за допомогою точкової аргоно-дугової наплавки. Максимальний рівень залишкових напружень в околі тріщини втоми складав мінус 130МПа. Наведені залишкові напруження стиску розповсюджувались на відстань до 25мм від центру тріщини. Початкова напівдовжина тріщини . Розраховані за співвідношенням (1) значення коефіцієнта для вказаного розподілу залишкових напружень становить . На рис. 6 наведені розрахункові та експериментальні графіки циклічної тріщиностійкості одного з таких зразків. Як видно з наведених графіків результати розрахунку задовільно співпадають з експериментом.

Аналогічні результати отримано і за інших варіантів гальмування тріщини втоми за допомогою точкової аргоно-дугової наплавки.

Таким чином, запропонований експериментально-розрахункових метод задовільно описує процес розвитку тріщини втоми за її гальмування наведеними перед її вершиною залишковими напруженнями стиску.

Це дозволятиме оцінювати та прогнозувати ефективність методів гальмування тріщини втоми, в елементах зварних конструкцій що базуються на наведені залишкових напружень стиску.

Загальні висновки

1. Показано, що розподілення компонент залишкових напружень, штучно наведених за допомогою точкових низькотемпературного нагріву або наплавок залежить від їх параметрів (температури нагріву, діаметра плями нагріву, часу нагріву, примусового тепловідводу і т.п.), відстані до тріщини або до краю елементу, розмірів та форми елементу. Так, в пласких зразках із Ст3сп без тріщини розмірами 650х250х12 мм на відстані 30 мм від центру нагріву поздовжня компонента залишкових напружень стиску сягає рівня мінус 10МПа, в той час, як в зоні тріщини втоми на такій же відстані після аналогічного нагріву ці напруження сягають рівня мінус 150 МПа (це відповідає даного матеріалу).

2. Експериментально показано, що для сталі Ст3сп способи обробки, засновані на наведенні залишкових напружень стиску перед фронтом тріщини втоми, що розвивається, за допомогою низькотемпературного нагріву (300-350 ^оС) з застосуванням примусового тепловідводу, можуть збільшувати залишкову циклічну довговічність елементів конструкцій на порядок і більше.

3. Встановлено, що для алюмінієвого сплаву Д16АТ ефективним засобом гальмування тріщини втоми може бути локальна аргоно-дугова наплавка, виконана на відстані 25-30 мм від вершини тріщини. Залишкова довговічність досліджуваних зразків збільшувалась на порядок.

4. Показано, що закономірності розвитку тріщини втоми в низьковуглецевих сталях та алюмінієвому сплаві Д16АТ за гальмування штучно наведеними перед її фронтом залишковими напруженнями стиску відтворюються відповідними кінетичними діаграмами втомного руйнування, які складаються із двох суттєво відмінних лінійних дільниць, які відповідають періодам до та після наведення стиску.

5. На основі встановлення кореляційної залежності введеного коефіцієнта ефективності гальмування тріщини втоми від параметра, який характеризує величину та розподіл штучно наведених задля її гальмування залишкових напружень стиску запропоновано експериментально-розрахункову методику оцінки циклічної довговічності елементів конструкцій з тріщиною втоми, що гальмується.

6. Розроблено ряд оригінальних програм, що забезпечили виконання необхідних розрахунків для визначення полів залишкових напружень, відповідних довговічностей елементів конструкцій та характеристик циклічної тріщиностійкості матеріалів.

7. Порівнянням розрахункових даних, отриманих за допомогою методики оцінки циклічної довговічності елементів конструкцій з тріщиною втоми, що гальмується, з даними, які одержані експериментально, показано, що запропонована методика дає результати, які задовільно узгоджуються з експериментальними.

8. Удосконалення устаткування та методики визначення залишкових напружень на основі відомого вимірювального пристрою УЗИНД призвели до зменшення похибки вимірювання часового інтервалу до відносної величини , що підвищило точність вимірювання залишкових напружень, а також забезпечило можливість визначення залишкових напружень акустичним методом у елементах конструкцій товщиною від 2 мм.

гальмування тріщина зварний акустичний

Основний зміст роботи відображено в публікаціях

1. Бродовий В.А., Михеев П.П., Гуща О.И. Некоторые закономерности формирования остаточных напряжений в зонах концентратора и усталостной трещины при циклическом нагружении// Автомат. Сварка. - 2001. - №2. - С.9-12.

2. Бродовой В.А., Гуща О.И., Кузьменко А.З., Михеев П.П. Взаимодействие остаточных напряжений в зонах концентратора и трещины усталости // Автомат. сварка.- 2001. - №9. - С. 52-54.

3. Бродовой В.А., Кныш В.В., Кузьменко А.З., Михеев В.В. Расчетное определение циклической долговечности элементов конструкций, при торможении усталостных трещин остаточными напряжениями сжатия // Сб. материалов ХХХVII Международного семинара "Актуальные проблемы прочности", 3-5 июля 2001. - Киев. - С.279-280.

4. Бродовой В.А., Кныш В.В., Кузьменко А.З., Михеев В.В. Определение циклической долговечности элементов конструкций, содержащих трещины усталости // Сб. материалов I Всеукраинской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов "Сварка и родственные технологии", 22-24 мая 2001. - Киев. - С.21.

5. Бродовой В.А., Михеев П.П., Книш В.В., Гуща О.И., Кузьменко А.З., Лабур Т.М., Исследование эффективности торможения усталостных трещин полем остаточных напряжений сжатия // Автомат. сварка. - 2003. - №8. - С.50-51.

6. Сміленко В.М., Гуща О.Й., Бродовий В.О., Кудрявцев Ю.П. (СА), Клейман Я.І. (СА) Пристрій контролю механічних напружень та деформацій в твердих середовищах // Висновок про встановлення дати на винахід.- Укрпатент, 16.04.2002. - Київ.

7. П.П. Михеев, В.В, Кныш, Т.М. Лабур, А.З. Кузьменко, В.А. Бродовой Циклическая трещиностойкость алюминиевого сплава Д16АТ при торможении усталостной трещины локальным нагревом // Межународная конференция «Современные проблемы сварки и ресурса конструкций» 24-27 ноября 2003, Киев, Украина. - С.123.

Размещено на Allbest.ru

...