Содержание к диссертации
Введение
1. Факторы, опрвдешщие долговечность
1.1. Постановка задачи 10
1.2. Повреждаемость корпусных конструкций .10
1.3. Усталостные характеристики стали 20
1.4. Влияние различных факторов на усталостную долговечность 32
1.5. Усталостная долговечность узлов судового корпуса 40
1.6. Оценка эффективных коэффициентов концентрации напряжении по данным повреждаемости узлов конструкций корпуса 54
1.7. Выводы 68
2. Вероятность усталостного повреждений
2.1. Основные положения . 69
2.2. Долговременные законы распределения, напряжений для стандартных корпусов наливнШ.;с*$йекв и эффективные периоды волновых нагрузок.;-.'V'V6 70
2.3. Влияние коррозионного изноМ на усталостную долговечность 79
2.4. Закон распределения усталостной долговечности 92
2.5. Выводы 109
3. Применение средств неразрушащего контроля для диагнос тики усталостнйх шврездешй
3.1. Задачи, решаемые средствами неразрушающего контроля 110
3.2. Изменение физических свойств материала в процессе усталостного повреждения, используемые в неразру-шающем контроле . III
3.3. Метода неразрушащего контроля 120
3.4. Исследование влияния усталостных повреждений на выходные характеристики накладного магнитного преобразователя 131
3.5. Усталостные испытания стали 09Г2 и обработка полученных результатов .145
3.6. Выводы 167
Общие выводьі 168
Литература 172
Приложение I 180
- Усталостные характеристики стали
- Влияние коррозионного изноМ на усталостную долговечность
- Изменение физических свойств материала в процессе усталостного повреждения, используемые в неразру-шающем контроле
- Усталостные испытания стали 09Г2 и обработка полученных результатов
Введение к работе
Решениями ХХУТ съезда КПСС предусмотрено дальнейшее развитие морского флота страны в одиннадцатой пятилетке. Грузооборот морского транспорта за І98І-І985 гг. должен возрасти на 8-9$, в состав флота войдут новые специализированные и универсальные суда, еще более укрепится производственная база Минморфлота [35].
Одной из ключевых задач работников морского транспорта в одиннадцатой пятилетке является отыскание путей более полного и эффективного использования основных производственных фондов: повышения провозной способности каждого судна при минимуме стояночного времени в ремонте, под грузовыми и вспомогательными операциями [13] . Важными элементами, способствующими решению этой задачи, являются как совершенствование методов проектирования новых конструкций, так и сокращение и упорядочение ремонта судо-корпусных конструкций, находящихся в эксплуатации.
Корпуса морских транспортных судов представляют собой сложную сварную конструкцию, включающую в себя десятки тысяч узлов пересечения набора, вырезы и другие источники концентрации напряжений, в которых могут возникать усталостные трещины, являющиеся наиболее частым видом повреждения судокорпусных конструкций [33] . Некоторые из таких трещин могут при неблагоприятных условиях приводить к хрупким разрушениям. Появление и развитие усталостных трещин увеличивает как затраты на ремонт, так и время, на которое судно выводится из эксплуатации.
Увеличение долговечности корпусных конструкций возможно путем снижения уровня номинальных напряжений, т.е. путем увеличения их прочностных характеристик, например, момента сопротивления. Однако этот путь связан с повышением затрат металла, строительной стоимости, ухудшением показателей работы судна и не гарантирует полного исчезновения усталостных трещин, другой путь увеличения долговечности корпусных конструкций заключается в повышении надежности узлов, путем применения конструкций, имеющих более низкие значения эффективных коэффициентов концентрации напряжений. Составной частью этого метода является повышение качества изготовления и контроля сварных соединений. Этот путь связан также с увеличением затрат на постройку, усложнением технологических процессов, совершенствованием методов контроля исполнения.
Рациональное решение задачи может быть установлено только в результате технико-экономического анализа, учитывающего суммарные затраты на создание и эксплуатацию конструкций. Для такого анализа необходимо располагать обоснованными исходными данными, включающими затраты на изготовление конструктивных узлов различных типов, а также их работоспособности в эксплуатации.
В настоящей работе рассматривается только часть задач второй группы этого комплекса, а именно: оценка усталостной долговечности различных конструктивных узлов с учетом влияния основных случайных факторов. Причем, принимая во внимание случайную природу большинства факторов, исследование проводится с применением вероятностных методов.
Многие исследователи (Барабанов Н.В., Бойцов Г «В., Болотин В.В., Брикер А.С., Быструшкин Г.С, Гаврилов М.Н., Ершов Н.Ф., Козаков В.А., Козляков В,В., Короткий Я.И., Максимаджи А.И., Петитов С .В., Эпштейн M.H.,Mu.RRcxy ,Va.&ta. и др.) занимались вопросами усталостной прочности судовых конструкций, изучение которых развивалось в нескольких направлениях: теоретического анализа, испытаний узлов в лабораторных условиях, изучения статистики повреждаемости, црименения методов обнаружения усталостных повреждений с помощью неразрушающего контроля. При этом оцен - 5 -ка усталостной долговечности судовых конструкций путем теоретического анализа производилась во многих работах разными авторами, однако учет случайности параметров, влияющих на долговечность, выполнялся сравнительно редко (Бойцов Г.В., Литонов О.Е.[30] и Y.Aklta[62] ). Только в отдельных работах учитывалось влияние износа и коррозии на усталостную долговечность (Козляков В.В., Максимаджи А.И.).
Детерминистический подход позволяет сравнивать корпусные
конструкции по условной долговечности, но не пригоден для определения уровня повреждаемости, необходимого при проектировании из условия минимума затрат на их изготовление и ремонт. Вопросы определения вероятности усталостного повреждения и связанной с ,ним оценкой надежности конструкций остаются пока еще недостаточно разработанными и требуют дальнейшего исследования. Снижение времени простоев судов в ремонте и затрат на его проведение не ограничиваются мероприятиями по повышению надежности элементов корпуса на стадиях проектирования и изготовления. Своевременное обнаружение и предсказание времени возникновения усталостных повреждений на эксплуатирующихся судах позволяет уменьшать затраты за счет улучшения планирования ремонтных работ.
Изучение статистики повреждений конструкций корпусов морских транспортных судов [63, 85, 86, 893 позволяет выявить наиболее повреждаемые узлы. Существенную роль в повышении эффективности обнаружения усталостных повреждений могут сыграть средства неразрушающего контроля. В настоящее время, к сожалению, применяются лишь некоторые из известных методов неразрушающего контроля, причем как показывает проверка на судоремонтных заводах, они не обладают достаточной надежностью [84] . Это заставляет искать новые пути совершенствования известных методов.
Целью настоящей работы является совершенствование методов повышения надежности корпусных конструкций: для обоснования на стадии проектирования надежных конструктивных решений оформления узлов конструкций; установлении на стадии эксплуатации корпуса слабых элементов, приборного обнаружения усталостных повреждений и прогноза долговечности узлов конструкций.
С этой целью в данной работе решается ряд задач, направленных на определение влияния случайных факторов на долговечность конструкций, выявление закона распределения вероятностей усталостного повреждения и возможности применения эффективных средств неразрушающего контроля для обнаружения усталостных повреждений в конструкциях корпуса.
Научная новизна результатов проведенных исследований состоит в том, что:
- предложена методика, позволяющая оценивать эффективные коэффициенты концентрации напряжений узлов конструкций корпуса , на основе анализа их повреждаемости и сопоставления с данными прямых испытаний;
- получены законы распределения вероятностей усталостных повреждений при отсутствии коррозии и с учетом коррозионного из- носа конструкций корпуса;
- предложена методика определения вероятности усталостного повреждения в продольных связях судового корпуса;
- разработан способ выявления усталостных повреждений на ранних стадиях их развития, основанный на модификации метода высших гармоник.
В основу решений вероятностных задач, связанных с усталостной долговечностью, было положено статистическое моделирование методу Монте-Карло.
Первая глава посвящена определению распределений факторов, влияющих на усталостную долговечность, и выявлению наиболее повреждаемых типовых узлов конструкций корпуса.
Большое количество конструкций с концентраторами напряжений делает практически невозможным детальный осмотр всех узлов. Наиболее приемлемым подходом является использование схем осмотров, основанных на контроле наиболее повреждаемых узлов в обследуемом районе корпуса, имеющих относительно высокие значения эффективных коэффициентов концентрации напряжений. В работе приведены наименее надежные типовые узлы, полученные в результате анализа повреждаемости конструкций корпуса [63, 85, 86] . Для многих применяемых узлов эффективный коэффициент концентрации напряжений неизвестен и оценивается обычно приближенно по значениям для узлов близких конфигураций. Прямые испытания натурных узлов с целью определения эффективного коэффициента концентрации являются трудоемкими и длительными и поэтому не могут охватить все множество встречающихся на практике узлов. В диссертации предложена методика оценки эффективных коэффициентов концентрации напряжений, основанная на экстраполяции известных данных, полученных путем прямых испытаний, на другие типы узлов с учетом относительной повреждаемости последних. Вычислялась зависимость вероятности повреждения от расчетных коэффициентов концентрации напряжений за время, равное среднему возрасту обследуемых судов [85, 86] .С помощью полученной зависимости определялись значения расчетных коэффициентов концентрации от доли поврежденных узлов. Сравнивая типы узлов из работ [85, 86] с данными прямых испытаний [3] , для сходных конфигураций находились значения эффективных коэффициентов концентрации напряжений и определялась линия регрессии на расчетные концентрации. Используя линию регрессии, была построена зависимость эффективных коэффициентов концентрации от доли поврежденных узлов, выявленных при осмотре.
Вторая глава посвящена оценке надежности узлов судового корпуса. Задача решалась на примере конструкций продольных связей стандартных корпусов наливных судов, у которых момент сопротивления равен минимальному по требованиям Правил Регистра СССР, эксплуатирующихся в районах Северной Атлантике Iе Волновые изгиба-ющие моменты, действующие на корпус судна, и их эффективные периоды определялись по полновероятностной схеме с учетом трехмерности волнения, изменения скорости хода и курсовых углов в зависимости от балльности волнения. Влияние коррозии на усталостную долговечность учитывалось через постоянный рост номинальных напряжений вследствие износа конструкций корпуса, полагая годовое уменьшение толщин связей постоянным во времени.
Применение метода Монте-Карло позволило определить форму закона распределения усталостной долговечности без учета коррозии, которая хорошо описывается двойным логарифмически нормальным законом, и при наличии коррозионного износа корпуса. Анализ кривых плотности вероятностей усталостного повреждения при наличии коррозионного износа показывает их сложный характер, который в зависимости от соотношения между величиной коэффициента концентрации и среднегодовым уменьшением толщин связей может проявляться в виде двух максимумов на кривой плотности вероятностей.
Третья глава посвящена вопросу применения средств неразрушающего контроля для обнаружения усталостных повреждений. На основе анализа существующих способов неразрушающего контроля и проведенного теоретического и экспериментального исследований предложена модификация метода высших гармоник, заключающаяся в измерении отношения третьей гармоники выходного сигнала накладного магнитного датчика к первой.
Разработанный в диссертации на этом принципе макет прибора позволяет выявлять как имеющиеся трещины, так и усталостные ловреждения, предшествующие появлению трещин. Проведенные испытания на образцах из стали 09Г2 позволили получить зависимость показаний прибора от выработки относительной долговечности, с помощью которой можно прогнозировать время появления усталостной трещины.
Практическая ценность результатов работы заключается в том, что разработанная методика определения вероятности появления усталостных повреждений в конструкциях корпуса может быть применена на стадии проектирования при выборе конструктивных форм узлов. В работе проведен анализ повреждаемости различных узлов корпусных конструкций. Контроль за их повреждаемостью на стадии эксплуатации и применение предложенного приборного способа выявления усталостных повреждений повышает эффективность оценки состояния корпусов судов, увеличивает безопасность эксплуатации и позволяет заблаговременно получать информацию об объемах ремонта.
Усталостные характеристики стали
Испытания образцов и узлов конструкций на циклическое натрут жение позволяет определять зависимость долговечности от приложенных нагрузок .Полученные кривые усталости могут аппроксимироваться различными фикциями, наиболее распространенными из которых являются следующие. Если наклонный участок кривой усталости изображается в полулогарифмических координатах 6 j- Gg N прямой линией, то уравнение кривой усталости может быть записано в виде [23] : где о- - предел выносливости; NQ - число циклов, соответствующее точке перелома кривой усталости; К - коэффициент, характеризующий наклон левого участка кривой усталости. Для описания кривой усталости используют также уравнение ВейЗулла[23] : (б. j ,р +дг/. Ь , /V±, р , Е - параметры уравнения; (Э.доо - предел выносливости, соответствующий неограниченной базе ( # ). В инженерной практике усталостную кривую обычно представляют в виде, показанном на рис. I.I. Поскольку в логарифмических координатах кривая усталости близка к прямой, то связь между амплитудой напряжений & и чис лом циклов до разрушения Л р может быть представлена в виде С27] : где NQ - число циклов, соответствующее пределу выносливо сти, N0 = 2 5 1оР; пг - показатель степени, зависящий от характеристик материала, обычно равный 4 6; ОГ.А - предел выносливости. Многочисленные испытания на усталость малых полированных образцов при температуре 20С выявили довольно устойчивую зависимость предела выносливости (ош от временного сопротивления 6 ь типа [28] : Однако при наличии микродефектов в металле, которые в основном располагаются в сварных швах, картина существенно меняется. Накопленный к настоящему времени экспериментальный материал убедительно свидетельствует о том, что влияние мелких производственных дефектов может быть смоделировано путем введения в образец неглубоких (0,5-5-1 мм), но достаточно острых надрезов [4] . При фиксированной глубине надреза с уменьшением радиуса закругления р его дна (увеличением остроты) наблюдается падение ус - 23 -талостных характеристик. При некоторой величине JWn (предельно острый надрез) падение усталостных характеристик прекращается. Практически можно считать, что предельная острота надреза достигается при радиусах закругления, равных ОД т 0,15 мм [83] . Характер усталостной кривой при переходе от гладких полиро-ванных образцов к образцам с надрезом претерпевает некоторые изменения. Предел выносливости падает примерно в 2 3 раза и изменяется показатель т в формуле (I.I). Для показателя /гь объем опытных данных сравнительно невелик, но обобщение их позволяет воспользоваться приближенной зависимостью С 2] : где э ,3 - предел выносливости для материала с микродефек тами. Зависимость предела выносливости от временного сопротивления для материала с микродефектами, обычно более слабая, чем для полированных образцов. Существует несколько взглядов на форму этой зависимости,например, предлагается рассматривать б _ как функцию от V6& [2] , линейную [68] или практически не зависящую от временного сопротивления разрыву [78] . Для судокорпусных сталей с ь, лежащим в сравнительно нешироком диапазоне от 400 до 700 МПа, наиболее удобно предположение Хемпеля, приведенное в работе [68] . Хемпель привел результаты усталостных испытаний образцов с поперечным отверстием и показал, что величина предела выносливости при наличии концентрации напряжений обязательно леясит в области между двумя прямыми, представляющими предельные случаи: нечувствительности к концентрации напряжений ( б14э= Сэ_А 6 /2. ) и абсолютной чувствительности к концентрации напряжений теоретический коэффициент концентрации напряжений. В пределах точности обработки результатов поведение материала в среднем описывается прямой линией: В работе [58] приведена расчетная формула для определения где О - радиус кривизны в основании концентратора. Однако ввиду большого разброса значений О и Кт для реальных сварных узлов б\« удобней оценивать на основании данных по усталостным испытаниям узлов, выполненных из различных марок стали. На усталостную прочность сварных соединений оказывает существенное влияние технология сварки (способ выполнения сварки, тип электродов, форма шва) и тип сварного соединения (стыковое, внахлест, тавровое и т.п.). Поэтому наиболее близкими к реальным судовым конструкциям могут оказаться результаты испытаний сварных балок и рам, приведенные в работе [28]. На основании этих данных построена таблица 1.5, в которой приведены средние значения предела усталости для сталей с бь , лежащим в диапазоне 400 + 500 МПа; 500 600 МПа; 600 + 700 МПа. Соотношение между временным сопротивлением и пределом выносливости, приведенное на рис. 1.2, свидетельствует о том, что эта зависимость для сварных соединений близка к линейной в рассматриваемом диапазоне по 6ь . При вероятностном подходе к определению усталостной долговечности важной характеристикой является закон распределения предела выносливости. В ряде случаев его принимают как нормальным, так и логарифмически нормальным С 23]. Поскольку эти два за
Влияние коррозионного изноМ на усталостную долговечность
Коррозия является важным фактором, заметно сказывающимся на усталостной долговечности узлов судового корпуса.
Судовые корпусные конструкции имеют неизбежный фон концент-рации напряжений, связанный с различными технологическими дефектами и сваркой. Поэтому для них влияние коррозии и износа на усталостную долговечность в основном проявляется через уменьшение толщины связей и, как следствие, в постепенном повышении уровня номинальных напряжений с ростом возраста судна.
- -В практике расчетов усталостной долговечности корпусов судов этот фактор обычно не учитывается, а срок службы до появления видимой трещины определяется по модифицированной формуле (1.23) В.В.Болотина [5, 24] , в которой изменение уровня напряжений во времени не принимается вовнимание:
Вместе с тем, учет повышения уровня напряжений по мере старения корпуса, безусловно, может оказать значительное влияние на величину усталостной долговечности.
Возникает необходимость в разработке соответствующей методики, позволяющей принимать во внимание этот важный фактор.
Введем в рассмотрение приведенный коэффициент макроконцентрации напряжений а , являющийся функцией времени: где Wt/W0 - относительное уменьшение момента сопротивления корпуса, зависящее от времени.
Если в формулу (1.23) подставить выражение для К3 в виде (2.22), то полученная зависимость шзволит решить поставленную задачу.
Однако, поскольку коэффициент концентрации напряжений Кэ входит в качестве одного из аргументов в выражения для 6e,(jf% ), то аналитическое решение уравнения (1.23) при К ъ , являющимся функцией времени, затруднено.
Одним из путей решения задачи в указанных условиях может быть применение метода интерполяции.
По предложению [32] относительное уменьшение момента сопро - -тивления хорошо описывается линейной фикцией от времени: где р - относительное годовое уменьшение момента сопротивления; і - время. Годовой износ определяется из выражения где W2o/\v0 - о носительное уменьшение момента сопротивления корпуса через 20 лет эксплуатации. Имеющиеся данные по относительному уменьшению момента сопротивления корпусов судов к концу срока службы [32] позволяют представить \c0/w0 в виде некоторых аналитических зависимостей. Так, например, для наливных судов эту зависимость можно принять в виде степенной функции от длины судна (коэффициент корреляции равен 0,845, среднеквадратичное отклонение - 0,0335).
Учитывая постоянный рост уровня напряжений с увеличением возраста судна, необходимо уравнение (1.23) заменить на вспомогательную функцию долговечности при фиксированных значениях относительного уменьшения момента сопротивления корпуса, т.е. при фиксированных спектрах напряжений.
Расчет, проведенный при среднестатистических параметрах, входящих в формулу (1.23), и ряда заданных значений \Х/т/ 0, входящих в формулу (2.22), показал, что искомая вспомогательная зависимость может быть аппроксимирована формулой (коэффициент корреляции равен 0,9999, среднеквадратичное отклонение - 0,(77 лет).
По результатам расчета построен график на рис. 2.1, который иллюстрирует близость аппроксимирующей формулы (2.25) к расчетам долговечностей по зависимости (1.23).
Хорошее соответствие показательной функции (2.25) результатам расчета по формуле (1.23) позволяет находить ее параметры ( Ь0 и bd) по двум крайним точкам, т.е. для случаев нового корпуса и корпуса в конце срока службы. Иными словами, коэффициенты Ь0 и ЬА могут Здесь Т0 - долговечность по формуле (1.23) без учета влияния коррозии; Т0 - долговечность по формуле (1.23) при замене К на 4= К Интенсивность усталостного повреадения определяется из соотношения
Тогда, интегрируя, получим: Первое: umTK = T0 , означающее, что при малых долговечного стях коррозия не успевает проявляться. что в логарифмических координатах означает наличие двух асимптот, описываемых уравнениями: квадратов; V ЬІ. С - коэффициенты, определяемые из условия непрерывности составной функции и ее первой производной в точке Т0 = Тцр : Л о-а т "1 .
Для вычисления коэффициентов 0Со и Clt методом наименьших квадратов сначала, используя типичные распределения параметров фордулы (1.23) методом Монте-Карло, вычислялись случайные пары значений Т0 и Т0 , по которым с помощью формулы (2.26) определялись величины Тк . Полученные значения СиТ0 и ыи . при - -заданном износе корпуса к концу срока службы приведены в таблице 2.7.
При обработке данных таблицы 2.7 были найдены значения коэффициентов CL0 » &i , С , Ьо и Ьх , которые приведены в таблице 2.8. Характер изменения ЕцТ . при W2o/\tf0 = 0f8 показан на рис. 2.2. Коэффициент 0Lo может быть в свою очередь аппроксимирован линейной функцией от W&0/Wo (коэффициент корреляции равен 0,9934). Коэффициент Х± можно принять постоянным, так как коэффициент корреляции \ = 0,4799, что меньше критического значения R = 0,8783 для выборки N = 5 при уровне значимости d - 0,05 [6] .
Изменение физических свойств материала в процессе усталостного повреждения, используемые в неразру-шающем контроле
Процесс усталости связан с постепенным накоплением дефектов кристаллической решетки и, как следствие этого, с постепенным развитием усталостных повреждений. Поэтому явлению усталости присуща стадийность процесса, характеризующаяся вполне определенными структурными изменениями. В настоящее время нет достаточно-четкого разделения кривой усталости на отдельные характерные области, хотя известно, что кинетика накопления повреждаемости и механизм разрушения зависят от уровня амплитуды нагружения [52]. Кроме того, известно, что область малоцикловой усталости в свою очередь разделяется на ряд характерных участков, а при переходе от малоциклового нагружения в область многоцикловой усталости в ряде случаев наблюдаются характерные перегибы или даже разрывы кривых усталости [59, 64] . На рис. 3.1, заимствованном из работы [19], приведена полная кривая усталости в диапазоне нагрузок от временного сопротивления до предела выносливости. Вся кривая усталости в первую очередь разделяется на две основные области: малоцикловой и многоцикловой усталости.
Область малоцикловой усталости охватывает диапазон напряжений 6 dp. При действии этих напряжений уже с первых циклов нагружения подводимая энергия расходуется на зарождение микротрещин.
В малоцикловой области в случае одноосного нагружения можно выделить три характерных участка. На участке I и П разрушение но сит квазистатический характер с образованием шейки в месте излома. На участке Ш на поверхности разрушения уже отчетливо можно выделить зону усталостного излома.
Между областями малоцикловой и многоцикловой усталости находится переходная область, к которой относятся усталостные разрушения между напражениями fp и fK . Напряжение 6? может совпадать с динамическим пределом текучести [52].
К области многоцикловой усталости относятся усталостные разрушения при напряжениях ниже переходной области (кривая ДЕЖ).
Ниже области многоцикловой усталости в диапазоне напряжений & _{ лежит область безопасных повреждений. В этой области возникающие трещины тормозятся и не приводят к разрушению образцов.
Область малоцикловой усталости а) Участок квазистатического излома (участок I). Особенность поведения материала на этом участке заключается в том, что обра зец разрушается либо при первом цикле нагружения, либо он не раз рушается в течение нескольких десятков или сотен циклов.
Механизм разрушения на этом участке кривой усталости, очевидно, зависит от конечной долговечности: если образец разрушается при первом цикле нагружения, то наблюдается вязкий статический излом; если же образец выдерживает большое число циклов, то разрушение происходит также с образованием шейки, однако иногда уже на этой стадии излом носит усталостный характер, т.е. разрушение происходит с образованием трещины усталости, которая составляет 1-2$ от всего поперечного сечения. б) Участок циклической ползучести (участок П). Для этого участка характерно возрастающее с числом циклов непрерывно наг ружение накопление пластической деформации. При этом петля гисте резиса вплоть до разрушения образцов всегда остается открытой. - -Разрушение на этом участке кривой усталости носит квазистатический характер и приводит к образованию шейки.
Однако в изломе шейки уже может наблюдаться зародыш усталостной трещины. Как установлено [49], квазистатическое разрушение происходит только у материалов, циклически разупрочняющих и циклически стабильных.
Для упрочняющихся материалов накопление деформаций не характерно и участок циклической ползучести практически отсутствует, вместо него наблюдается участок усталостного разрушения (участок Ш). в) Участок усталостного разрушения при макропластической циклической деформации (участок Ш). На участке усталостного разрушения пластические деформации накапливаются менее интенсивно, чем при циклической ползучести, петля гистерезиса после определенного числа циклов закрывается, и разрушению предшествует образование усталостной трещины [8В ]. Хотя при высоких напряжениях на этом участке кривой усталости может быть накоплена значительная пластическая деформация, за усталостное разрушение ответственна обратимая циклическая пластическая деформация, приводящая к накоплению повреждений. Этот процесс преобладает для циклически упрочняющихся материалов, где не наблюдается участок циклической ползучести.
Усталостный характер разрушения типичен для нагружения с постоянной амплитудой деформации (жесткое нагружение). При этом в процессе деформирования происходит увеличение (для упрочняющихся материалов) или уменьшение (для разупрочнящихся материалов) напряжений с ростом числа-циклов. При фактографических исследованиях усталостный тип излома при малоцикловом разрушении не всегда можно отличить от усталостного излома образца, испытанного при напряжениях ниже предела
Усталостные испытания стали 09Г2 и обработка полученных результатов
Основным преимуществом структурочувствительных методов не-разрушающего контроля над остальными является возможность выявлять изменения в материале, предшествующие моменту образования усталостной трещины.
Поскольку предлагаемая модификация метода высших гармоник относится к структурночувствительным методам, то следует ожидать, что параметр "U /Ц будет изменяться на протяжении всего времени до появления трещины. С другой стороны, изменения отдельно взятых гармоник при циклическом нагружении носят немонотонный характер. Это означает, что одному и тому же значению измеряемого параметра соответствует одновременно несколько значений циклов нагружения, что не позволяет использовать его для прогноза остаточной долговечности конструкции.
Применение параметра 1 / могло бы выявить качественно иную картину поведения при циклическом нагружении. Поэтому основной задачей исследования было определение формы зависимости параметра Uh / V от выработки долговечности и оценки возможности применения его для прогноза времени появления трещин в корпусных конструкциях.
Материалом исследования явилась широко распространенная в транспортном судостроении листовая низколегированная сталь 09Г2, относящаяся к феррито-перлитному классу. Химический состав и механические свойства материала приведены в таблице 3.2.
Испытанию подвергались плоские образцы, форма и размеры которых приведены на рис. З.Ы. Поскольку наиболее частыми местами возникновения трещин являются сварные швы, то образцы изготовлялись из сварных полос, а сварной шов зачищался фрезерованием . Усталостные испытания проводились на жесткой изгиб на машине ЛКИ-2, фотография которой приведена на рис. 3.12. Параметры нагружения и проведение усталостных испытаний
При проведении усталостных испытаний образцов с постоянной амплитудой нагружения перед исследователем всегда встает вопрос о применении результатов эксперимента к реальным условиям. Конечно, наибольшее соответствие было бы получено, если бы испытания проводились при случайном нагружении со спектром, характерным для реальных условий эксплуатации. Это позволило бы избежать погрешностей, вызванных различными приближенными теориями. Однако такие испытания являются весьма трудоемкими и дорогими и под силу лишь отдельным организациям. Промежуточным случаем является программное нагружение, в котором последовательность амплитуд нагрузок выступает как детерминированная величина.
Поэтому в практике исследовательских работ широко применяется метод, основанный на замене случайного процесса синусоидальным нагружением с постоянной амплитудой, Суть такой замены основана на приравнивании общего числа циклов случайного нагружения, вызвавшего повреждения, к числу циклов нагрузки постоянной амплитуды. Так, например, в работе [83] была приведена формула перехода от среднеквадратичного отклонения напряжений (о , характеризующий спектр нагружения с Гауссовской реализацией, к эквивалентному напряжению 6 . Формула была получена для распределения амплитуд напряжений, подчиненных закону Релея, и для кривой усталости вида Л/рб = С : б ъ-- « , (3.4) где &ъкъ эквивалентное напряжение синусоидального цикла; &4 - стандарт напряжений; к-- [г(нь)]4/т- . Г(4+дг) - полная гамма-функция; Ьг - показатель степени в кривой усталости Л/р-б = С - 150-Однако данная формула имеет ограниченное применение по следующим причинам: - долговременные распределения напряжений подчинены закону Вейбулла;- отсутствует учет горизонтального участка в кривой усталости; - усталостные характеристики лабораторных образцов отличаются от характеристик материала узлов судового корпуса.
Чтобы получить более общую формулу для б аіф , учитывающую указанные особенности, можно воспользоваться следующей методикой. По формуле (1.22) общее число циклов нагружения до появления повреждения составляет:
Можно считать, что только амплитуды напряжения выше б є приводят к накоплению усталостных повреждений, заканчивающихся разрушением.. Тогда эквивалентное число циклов нагружения по закону Вейбулла составит: амплитудное напряжение для испытуемого образца;
