Файл: Вопросы нормирования технологических дефектов сварных соединений сосудов высокого давления..pdf

Т а б л и ц а 2

Коэффициенты снижения усталостной прочности для сварных соединений с искусственными дефектами при малоцикловом нагружении

общего числа циклов до разрушения образца, в то время как во втором она появляется в начальный момент нагружения (отдель­ ные образцы с непроваром разрушались при числе циклов, мень­ шем 10% от общей долговечности).

Таким образом, влияние трещиноподобных дефектов и дефек­ тов округлой формы на циклическую прочность сварных соедине­ ний различно, если оценку снижения долговечности за счет техно­ логического концентратора производить по одному и тому же кри-

на образцах из Сг—Мо—V шва; О® □ —

соответственно непровар, искусственное и реальное шлаковые включения на образ­ цах малоуглеродистого шва; х — шлаковое включение на внутренней поверхности па­ трубка сосуда, выполненного электродами

УОНИ-13/45

терию, т, е. по появлению усталостного повреждения от дефекта. Подобный подход следует сохранить к дефектам, округлой формы (например, газовые поры, сферические и вытянутые полости шла­ ка). Однако он не может быть использован для трещиноподобных дефектов (несплавления, непровары, трещины, неметаллические включения с острыми надрезами), ибо любой из них можно рас­

15

сматривать как трещину усталостного характера. Это означает, что если размер дефекта превышает 1,5 мм, то разрушение конст­ рукции может наступить до начала эксплуатации. Вместе с тем известно, что конструкция и с такого рода дефектами может успешно эксплуатироваться, а сами дефекты в ряде случаев яв­ ляются допустимыми. Обнаруженное противоречие связано с тем, что для трещиноподобных дефектов более правильно учитывать вторую стадию усталостного разрушения — распространение трещи­ ны от исходного технологического концентратора. При этом долго­ вечность сварных соединений с такими дефектами следует рассма­ тривать с точки зрения кинетики трещины и определять числом циклов; необходимым для достижения трещиной некоторого крити­ ческого размера. Подобная оценка влияния дефектов приводится ниже.

ИССЛЕДОВАНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ РАЗВИТИЮ УСТАЛОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

В последнее время значительное внимание уделяется изучению докритического роста трещин под действием циклических нагру­ зок. Многими авторами на основании экспериментальных резуль­ татов и теоретических разработок предложены зависимости, свя­ зывающие скорость роста усталостной трещины с силовыми фак­ торами. Как правило, при выводе этих закономерностей рассмат­ ривается трещина в бесконечной пластине, растягиваемой равно­ мерными напряжениями, перпендикулярными к фронту трещины. В единой форме закономерности распространения усталостных трещин могут быть представлены следующим образом:

При этом длина трещины (а) связывается с числом циклов при­ кладываемой нагрузки (N) в зависимости от изменения силового фактора (а) и постоянных материала (Cj).

Как показано Пэрисом и Эрдоганом, скорость распростране­ ния усталостной трещины наиболее полно описывается уравне­ нием (1) при представлении функции f(Ci, а, о) через коэффици­ ент интенсивности напряжений.

Коэффициент интенсивности напряжений для оценки поведе­ ния конструкций при наличии трещин характеризует напряженное состояние в корне трещины и зависит от ее геометрии и характера прикладываемой нагрузки. Основываясь на обработке большого количества экспериментальных данных, в одной из работ предло­ жена зависимость, связывающая скорость роста трещины*с изме­ нением коэффициента интенсивности напряжений за цикл:

16

Результаты, полученные для стали, показывают, что т в зави­ симости (2) может изменяться в пределах от 2 до 6. Для высоко­ прочной стали, обладающей большой вязкостью, т изменяется от 2 до J. Значения т, превышающие 4, характерны главным обра­ зом для стали, обладающей малой вязкостью.

В отдельных работах при оценке скорости распространения трещины учитываются смещение кривых в зависимости от отноше­ ния минимальной и максимальной нагрузок цикла R и неустойчи­ вость роста трещины при приближении величины коэффициента интенсивности напряжений к критической Кс. На основании ана­ лиза теоретических и экспериментальных результатов была пред­ ложена модифицированная зависимость скорости роста усталост­ ной трещины:

d N (1 - R ) Кс — ЬК '

Более общий вид зависимости был сформулирован Г. Г1. Чере­ пановым и X. Н. Халмановым, которые на основании анализа раз­ мерностей и более детального рассмотрения баланса энергии в корне развивающейся циклической трещины получили выра­ жение:

Константы Кс и р должны быть определены экспериментально. Аналогичная зависимость для скорости распространения тре­ щины, учитывающая также пластичность материала, предложена

О. Г. Рыбакиной:

где Род — предел текучести материала при растяжении.

Указанные выше зависимости получены на основе феноменоло­ гического подхода. Кроме этого, в настоящее зремя существуют дислокационные модели, характеризующие процесс распростране­ ния трещины. Использование этих моделей ffpT|pKege-gm.ix; расче­ тах, как правило, затруднено сложность^

док и трудностью перехода к реальным поликристаллическим ма­ териалам.

Экспериментальные исследования скорости распространения усталостных трещин в широком диапазоне изменения коэффици­ ента интенсивности напряжений выявляет ряд особенностей в за­ висимости da/dN=f(AK).

На рис. 8 представлена кривая изменения скорости трещины от параметра А К для алюминиевого сплава 7075-16.

Рис. 8. Зависимость между измене­ нием скорости роста трещины и раз­ махом коэффициента интенсивности напряжений для алюминиевого спла­ ва 7075-16:

странение усталостной трещины, ко­ торое наблюдается при приближении величины максимального коэффици­ ента интенсивности напряжений за цикл к критическому.

Подобный характер указанной зависимости наблюдается так­ же на сталях. Причины, вызывающие изменение наклона кривой на участках I и II, в настоящее время не выяснены. Однако выска зывается мнение об отсутствии систематического влияния окру­ жающих условий на появление перегиба. Изменение наклона на

18

1

участках II и III объясняется переходом от циклического развития, трещины к квазистатическому, при котором daJdN —►оо.

Эксперименты показали, что усталостная трещина, образую­ щаяся от поверхностного дефекта или концентратора напряжений, обычно принимает форму полуэллипса в толстостенных конструк­ циях типа сосудов высокого давления. Изучение скорости роста полуэллиптической или дисковой трещины, характерной для вну­ тренних дефектов, методически достаточно сложно. В то же время литературные данные свидетельствуют о том, что совпадение ско­ рости роста трещины в образцах с поверхностными полуэллиптическими и со сквозными трещинами оказывается вполне удовле­ творительным для большинства практических случаев. Поэтому с целью максимального упрощения методики измерения длины тре­ щины в настоящей работе исследования проводились на сквозных трещинах.

Представленные в литературе экспериментальные результаты,, касающиеся исследования скорости роста трещины, получены, как правило, на тонколистовых образцах, где в корне трещины реали­ зуется плосконапряженное состояние. В сосудах высокого давле­ ния, где толщины стенок достигают 100—150 мм, в корне трещины чаще обеспечиваются условия плоской деформации. Поэтому для определения скорости роста усталостной трещины авторы исполь­ зовали крупногабаритные призматические образцы, испытывае­ мые на трехточечный изгиб. Размеры образцов исследованных ма­ териалов, их термическое состояние и механические свойства при­ ведены в табл. 3.

Применение крупногабаритных образцов обусловлено необхо­ димостью обеспечения в процессе испытаний условий, отвечающих требованиям линейной механики разрушения, характеризующей процессы развития трещины, и реализации в образце условий плоской деформации.

На рис. 9 представлены зависимости отношения размера зоны пластических деформаций гу к толщине В от величины параметра А К для некоторых типоразмеров образцов. Предельные условия для состояния плоской деформации

( 6)'

показаны сплошной линией. Величина зоны пластических дефор­ маций рассчитывалась по формуле

(7 )

Как видно из рис. 9, зона пластических деформаций у вершины трещины испытанных образцов мала по сравнению с толщиной об-

19-