Расчетные методы оценки ударной вязкости сварных элементов с трещинами

Abstract

Практика показывает, что для сварных конструкций, эксплуатируемых в условиях Крайнего Севера необходимо уделять внимание работоспособности сварных соединений при низких температурах. Металл сварных соединений в процессе воздействия обработки изменяет свои свойства, снижается ударная вязкость, образуется гетерогенная структура с большой степенью разнозернистости. Чтобы оценивать и иметь возможность правильно контролировать термическое воздействие и последствия сварочного процесса, требуется решить задачу аналитического определения ударной вязкости для всех зон сварного соединения. В настоящей статье представлен инженерный метод оценки ударной вязкости, применимый для любой зоны сварного соединения, в которой имеется острый или особый концентратор напряжений – трещина. Разработанный аналитический метод расчета ударной вязкости отражает качественную и количественную картину взаимосвязи структурно-механических характеристик и работы развития трещины в диапазоне температур 77…300 К. Предложенная схематизация зависимости критического коэффициента интенсивности напряжений от температуры позволила найти коэффициенты, характеризующие свойства материала, и выполнить расчеты изменения предела текучести и предела прочности от температуры эксплуатации. Построены графики зависимости работы развития трещины от температуры эксплуатации для сталей 15ГС и 17ГС, сравнение которых с экспериментальными данными показывает удовлетворительное согласование. Найдено, что при напряжениях предела выносливости отношение работы развития трещины к критической длине трещины постоянно, не зависит от температуры и для сталей 15ГС и 17ГС равно около 10. Ключевые слова: ударная вязкость, работа разрушения, коэффициент интенсивности напряжений, трещина, феррито-перлитная сталь, зона термического влияния. For welded structures under operation in the Far North, attention must be paid to the performance of welded joints at low temperatures. The properties of metal of welded joints are changed in the process of treatment, its toughness decreases, and a heterogeneous structure with a large range of different grain sizes is formed. In order to evaluate and be able to correctly control the thermal effect and the consequences of the welding process, it is necessary to solve the problem of analytical determination of impact strength for all zones of the welded joint. The paper presents an engineering method for evaluation of the impact strength applicable to any area of the welded joint in which there is a sharp or super sharp stress concentrator – a crack. The developed analytical method for calculating the impact strength reflects a qualitative and quantitative codependency of structural and mechanical characteristics and the process of crack development in the temperature range of 77–300 K. The proposed schematization of dependence of the critical coefficient of stress intensity on the temperature made it possible to find coefficients characterizing the properties of the material and to perform calculations of changes in yield strength and tensile strength on operating temperature. Graphs of the crack development process dependency on the operating temperature for 15ГС and 17ГС steels were constructed, and their comparison with experimental data displays satisfactory agreement. It was found that at endurance limit stresses, the ratio of the crack development process to the critical crack length is constant, non-dependent on temperature, and is equal to 10 for 15ГС and 17ГС steels. Keywords: impact strength, fracture work, stress intensity factor, crack, ferrite-pearlite steel, heat affected zone, steel tempering.