ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. Сварка, родственные процессы и технологии
DOI.org/10.5281/zenodo.399005
УДК 621.791
К.А. Молоков, А.В. Сахарова, М.В. Михалев
МОЛОКОВ КОНСТАНТИН АЛЕКСАНДРОВИЧ – к.т.н., доцент, e-mail: spektrum011277@gmail.com
САХАРОВА АНЖЕЛИКА ВАДИМОВНА – студент, e-mail: lika.sakharova.96@mail.ru
МИХАЛЕВ МИХАИЛ ВЛАДИМИРОВИЧ – студент, e-mail: mixaljov_mv@students.dvfu.ru
Кафедра сварочного производства Инженерной школы
Дальневосточный федеральный университет
Суханова ул., 8, Владивосток, 690950
Оценка пределов выносливости
сварных соединений по критерию распространяющихся трещин
Аннотация: Отличительная черта сварного шва и зоны термического влияния – значительная неоднородность механических характеристик, диаметра зерна, а также присутствие различных концентраторов напряжений, провоцирующих появление усталостных трещин. Известно, что основным фактором, влияющим на вероятность появления и скорость развития макротрещин, является уровень напряженного состояния, а также структурная и механическая неоднородность металла сварных соединений. Уровень напряженного состояния, в свою очередь, во многом зависит от остаточных сварочных напряжений и локальных физических концентраторов напряжений.
В данной работе предлагаются авторские модель и подход к оценке эффективных коэффициентов концентрации напряжений для сварных соединений с дефектами в виде подрезов, пор и других концентраторов напряжений с позиции распространяющихся трещин под действием стационарной переменной нагрузки. Предложенная модель основана на решении Кирша для круглого отверстия в условиях плосконапряженного состояния под действием одноосной нагрузки. Результаты модели экспериментально проверены на углеродистых сталях и сталях феррито-перлитного класса. Получены значения пределов выносливости по критерию распространяющихся трещин в зависимости от размера дефекта. Вычислены размеры трещин (зародившихся в области действия концентрации напряжений и не развивающихся) в зависимости от диаметра кругового отверстия в пластине. В отличие от упомянутой модели в монографии Г.М. Хажинского, предложенная методика дает асимптотическое приближение предела выносливости к значению δ-1/3 с возрастанием макроконцентратора напряжений в виде отверстия. Модель построена для бесконечной пластины и не учитывает изменение поля напряжений от действия ограниченности размеров.
Предложенная модель не рассматривает коррекцию решения Кирша как необходимость при изменении поля напряжений от появления зарождающейся трещины в области максимальной концентрации напряжений. Модель базируется на рассмотрении примыкающей области с повышенными напряжениями к кромке отверстия как к области, наиболее интенсивно набирающей повреждения возле концентратора напряжений под действием циклических нагрузок.
Ключевые слова: сварное соединение, предел выносливости, дефект, концентратор напряжения, страгиваемая макротрещина, усталостная трещина, коэффициент интенсивности напряжений.
Molokov K., Sakharov A., Mikhalev M.
KONSTANTIN MOLOKOV, Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor, e-mail: spektrum011277@gmail.com
ANZHELIKA SAKHAROVA, Student, e-mail: lika.sakharova.96@mail.ru
MIKHAIL MIKHALEV, Student, e-mail: mixaljov_mv@students.dvfu.ru
Department of Welding, School of Engineering
Far Eastern Federal University
8 Sukhanova St., Vladivostok, Russia, 690950
Crack propagation-based assessment
of the endurance limits of welded joints
Abstract: The welded joint and heat-affected zone are characterized by considerable heterogeneity of mechanical properties, diameter of grain, as well as by the existence of different stress concentrators which provoke the appearance of fatigue cracks. It is known, that the main factor that influences on the possibility of the appearance and the propagation rate of microcracks is the level of the stress condition, as well as the structural and mechanical discontinuity of the metal of welded joints. The level of the stress condition largely depends on residual welding stress and local physical stress concentrators.
The article presents the authors’ model and approach to the assessment of the effective coefficients of the stress concentrations for welded joints having the defects like undercuts, reeds, and other stress concentrators caused by propagating cracks that are generated by the stationary variable load. The proposed model is based on Kirsch solution for circular hole in the conditions of plane stress state under the influence of uniaxial load. The results of the model have been checked experimentally on carbon and ferrite-pearlite steels. The values of the endurance limits, the propagation of cracks depending on the size of the defect being the criterion, have been obtained. The sizes of the cracks that appear in the area of stress concentration and do not propagate in relation to the diameter of the circular hole in the plate have been calculated. Unlike the model presented in G.M. Charzynski’s monograph this one gives an asymptotic approximation of the endurance limit to the value δ-1/3 with the macroconcentrator stress increase in the shape of a hole. The model is built for infinite plate and it takes no account of change in the stress field conditioned by limited sizes. The presented model does not take into consideration the correction of Kirsch solution as a necessity under changes of the stress area caused by the appearance of cracks in the area of maximum stress concentration. The model is based on the consideration of the area with higher stresses adjacent the edge of the hole as the area gaining the most intense damages near the stress concentrator under the action of cyclic loads.
Key words: welded joint, endurance limit, defect, stress concentrator, breakloose macrocrack, fatigue crack, stress intensity factor.
С