Аналитическая модель оценки предела выносливости сварных соединений феррито-перлитных сталей

Введение. Микродефекты и зоны с концентрацией напряжений в сварных соединениях обусловливают появление усталостных макротрещин. Такие повреждения потенциально опасны, особенно если ресурс усталостной прочности конструкции практически исчерпан. В этом случае размер трещины близок к критическому значению, и крайне важно определить ее длину. Статья посвящена разработке инженерной аналитической модели для оценки критической длины трещины и предела выносливости сварных соединений с образовавшимся зерном в структуре феррито-перлитных сталей после сварки. Материалы и методы. Использованы теория и методы механики разрушения материалов на мезоуровне. Получена простая аналитическая зависимость, позволяющая определить критические размеры макротрещины для феррито-перлитных сталей без использования формулы Гриффитса. Приведены результаты расчета критических длин трещин различных сталей в зависимости от их предела текучести. Представлена аналитическая зависимость расчета предела выносливости для наиболее опасного симметричного цикла нагружения по стандартному набору механических характеристик и среднему диаметру зерна ферритоперлитной стали. Результаты исследования. Выполнен структурно-деформационный анализ процесса развития трещин. На его базе разработана инженерная методика оценки предела выносливости. Создана математическая модель, которая позволяет рассчитывать предел выносливости и критическую длину трещины в элементах сварных конструкций крупногабаритной техники с учетом циклических нагрузок симметричного цикла. С помощью данной модели можно оценить степень чувствительности металла к исходным характеристикам (предел текучести, коэффициент Пуассона, диаметр зерна, относительное сужение, модуль Юнга, коэффициент степенного упрочнения и др.).Обсуждение и заключение. При напряжениях, соответствующих пределу выносливости стали, сближаются скорости раскрытия критической трещины вершины и берегов. Этот момент энергетически примерно соответствует переходу трещины в нестабильное состояние. Накопление односторонних пластических деформаций приводит к предельному состоянию пластичности области, примыкающей к вершине трещины и лавинообразному или резко ускоренному ее движению. Эта критическая область взаимосвязана с диаметром зерна материала, характеристикой критической пластичности и критическим раскрытием в вершине трещины на пределе выносливости. Предложенные аналитические зависимости могут быть использованы для оценки остаточного ресурса и предела выносливости сварных конструкций, влияния различных факторов на предел выносливости сварных соединений феррито-перлитных сталей, используемых в машиностроении, судостроении, трубопроводном транспорте и др.