Молоков Константин Александрович-доцент кафедры, кандидат технических наук.
690091, РФ, Владивосток, ул. Суханова, 8.
ResearcherID AAH-6348-2019, ScopusID: 57197836777
Новиков Валерий Васильевич- доцент кафедры, кандидат технических наук.
690091, РФ, Владивосток, ул. Суханова, 8.
ScopusID: 5641710410
Герман Андрей Петрович-доцент кафедры.
690091, РФ, Владивосток, ул. Суханова, 8
ResearcherID D-1725-2014, ScopusID: 56417290300
Introduction. Microdefects and zones with stress concentration in welded joints cause fatigue macrocracks. Such damage is potentially dangerous, especially if the fatigue life of the structure is almost exhausted. In this case, the crack size is close to the critical value, and it is crucial to determine its length. The paper considers the development of an engineering analytical model for assessing the critical crack length and endurance limit of welded joints with the formed grain in the structure of ferrite-pearlitic steels after welding.
Materials and Methods. The theory and methods of fracture mechanics at the mesoscale are used. A simple analytical dependence is obtained, which provides determining the critical dimensions of a macrocrack for ferrite-pearlite steels without using the Griffiths formula. . The calculation results of the critical crack lengths of various steels depending on their yield strength are presented. An analytical dependence of the endurance limit calculation for the most dangerous symmetric loading cycle, according to the standard set of mechanical characteristics and the average grain diameter of ferrite-pearlite steel, is presented.
Results. Structural deformation analysis of the crack propagation process has been performed. On its basis, an engineering technique for assessing the endurance limit is developed. A mathematical model that enables to calculate the endurance limit and the critical crack length in the components of welded assemblies of large-sized facilities, considering periodic loads of a symmetrical cycle, is developed. Using this model, it is possible to estimate the degree of metal sensitivity to the original characteristics (yield stress, Poisson's ratio, grain diameter, relative constriction, Young's modulus, power-law hardening coefficient, etc.).
Discussion and Conclusion. Under stresses corresponding to the steel endurance limit, the critical crack opening rates of the tip and edges approach each other. Energetically, this moment approximately corresponds to the transition of the crack to an unstable state. The accumulation of one-sided plastic deformations causes the limiting state of plasticity of the region adjacent to the crack tip and its avalanche-like or sharply accelerated motion. This critical area is interrelated with the grain diameter of the material, the characteristic of critical plasticity and the critical opening at the crack tip at the fatigue limit. The proposed analytical dependences can be used to assess the residual life and the fatigue limit of welded structures, the influence of various factors on the fatigue limit of welded joints of ferrite-pearlitic steels used in mechanical engineering, shipbuilding, pipeline transport, etc
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.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.