CALCULATION METHOD FOR EVALUATING THE LIMITING STRESS AMPLITUDES OF CYCLES IN CASE OF INHOMOGENEITY OF THE STRUCTURAL AND MECHANICAL CHARACTERISTICS OF WELDED JOINTS
Authors: Молоков К.А. , Новиков В.В. , Мамонтов А.И. 
Published: November 2023

в результате перегрузок при действии внешней циклической нагрузки на конструкции в области концентраторов напряжений повышаются степень асимметрии цикла, уровень максимальных напряжений и деформаций в областях значительной неоднородности, имеющей место особенно при сварке термоупрочненных сталей. Учитывая это, важно уметь строить диаграммы предельных амплитуд напряжений циклов с учетом структурной и механической неоднородности для сварных соединений. Оценка таких предельных амплитуд напряжений для действующих циклических напряжений на участках сварного соединения может быть выполнена с помощью диаграмм предельных амплитуд напряжений, построенных для этих участков зоны термического влияния. Предлагаемый метод построения диаграмм предельных амплитуд напряжений для зон сварного соединения апробирован численно на феррито-перлитных сталях (сталь 10, 50, Ст.3сп, 22К, 15Г и др.), он базируется на использовании математических моделей классической линейной и структурно-механической механики разрушения материалов. Разработана инженерная методика расчета предельных амплитуд напряжений и построения диаграмм Хея. Аналитическим расчетом подтверждена справедливость предлагаемого подхода, заключающегося в определении предельных амплитуд напряжений при многоцикловом нагружении в широком диапазоне изменения коэффициента асимметрии цикла применительно для сталей феррито-перлитного класса с пределом текучести до 400 МПа. Представлена блок-схема алгоритма отражающего поиск максимальной длины микротрещины, согласующейся с граничным условием равенства средних напряжений цикла пределу прочности материала. Характерной особенностью методики является возможность расчета предельных амплитуд напряжений для высоких значений асимметрии цикла и напряжений цикла, а также то, что в ней могут быть учтены: характеристики внешней нагрузки; структурные и механические характеристики в области зоны термического влияния, зависящие от выбранного режима сварки. Предлагаемый метод позволяет с допустимой для инженерных расчетов погрешностью строить диаграммы усталости Смита и Хея для области растяжения, учитывая, в том числе средний размер зерна феррито-перлитного материала в зоне термического влияния (ЗТВ) сварного соединения. Численно полученные диаграммы предельных амплитуд напряжений сравнивались с имеющимися экспериментальными данными феррито-перлитных сталей. Результаты согласования численных с экспериментальными данными убедительно говорят о применимости используемых математических и физических моделей в предложенном расчетном методе
as a result of overloads under the action of an external cyclic load on structures in the area of stress concentrators, the degree of cycle asymmetry, the level of maximum stresses and deformations in areas of significant inhomogeneity, which occurs especially when welding heat-strengthened steels, increase. Taking this into account, it is important to evaluate the limiting stress amplitudes of cycles, taking into account the structural and mechanical inhomogeneity for welded joints. The assessment of such limiting stress amplitudes for acting cyclic stresses in sections of the welded joint can be performed using diagrams of limiting stress amplitudes constructed for these sections of the heat-affected zone. The proposed method for constructing diagrams of limiting stress amplitudes for zones of a welded joint has been tested numerically on ferrite-pearlitic steels (steel 10, 50, St.3sp, 22K, 15G, etc.), it is based on the use of mathematical models of classical linear and structural-mechanical fracture mechanics materials. An engineering technique for calculating the limiting stress amplitudes and constructing Hay diagrams has been developed. An analytical calculation confirmed the validity of the proposed approach, which consists in determining the endurance limits and limiting stress amplitudes under high-cycle loading in a wide range of cycle asymmetry coefficient for steels of the ferrite-pearlitic class with a yield strength of up to 400 MPa. A block diagram of the algorithm reflecting the search for the maximum length of a microcrack consistent with the boundary condition of equality of the average stresses of the cycle to the ultimate strength of the material is presented. A characteristic feature of the technique is the possibility of calculating the limiting stress amplitudes for high values of cycle asymmetry and cycle stresses, as well as the fact that it can take into account: characteristics of the external load; structural and mechanical characteristics in the area of the heat-affected zone, depending on the selected welding mode. The proposed method allows, with an error acceptable for engineering calculations, to build Smith and Hay fatigue diagrams for the tensile region, taking into account, among other things, the average grain size of the ferrite-pearlite material in the heat-affected zone (HAZ) of the welded joint. The numerically obtained diagrams of the limiting stress amplitudes were compared with the available experimental data for the class of ferrite-pearlitic steels. The results of the agreement between the numerical and experimental data convincingly indicate the applicability of the mathematical and physical models used in this calculation method