Введение Прочность и долговечность корпусных конструкций определяется качеством выполнения сварочных работ. В процессе эксплуатации корпус судна испытывает следующие виды нагрузок: - статические (вес судна и давление воды на погруженную часть корпуса (силы поддержания)); - динамические (проявляющиеся при качке судна на взволнованной поверхности воды: силы инерции массы судна, силы сопротивления воды, ударные силы при слеминге, удары судна о лед и т. п.); - циклические (действующие при плавании на волнении). При воздействии на корпус судна переменных циклических нагрузок происходит накопление необратимых микропластических деформаций в структурно-неоднородных объемах металла, перераспределение атомов углерода и примесей, что приводит к уменьшению прочности, а также пластичности и ударной вязкости металла, и, следовательно, к снижению сопротивляемости разрушению [1]. Сварной шов и зона термического влияния является наиболее протяженным структурно-неоднородным объемом металлоконструкции, в котором наиболее вероятно зарождение очага усталостного разрушения. В предыдущих исследованиях [2, 3] было дано описание экспериментального исследования влияния дефектов сварки на механические свойства корпусной стали, определенные при статическом и динамическом нагружениях. Результаты испытаний показали, что характеристики пластичности корпусной стали, начиная с относительной площади дефектов 35 %, резко снижаются, переводя статическое разрушение из разряда пластического в хрупкое, что также негативно сказывается на работоспособности сварных швов и корпуса судна в целом. Ударная вязкость также снижается при увеличении площади дефекта. При отношении средней площади дефекта к площади сечения образца до 30 % снижение характеристик пластичности и ударной вязкости незначительно. Испытания на усталость сварных соединений без дефектов [4] показали, что чем больше отношение длины шва к толщине образца, тем больше значения долговечности. Предел выносливости стыковых соединений в исходном состоянии, сваренных различными способами на малоуглеродистых сталях, составляет 40-64 % от предела выносливости основного металла. Материалы и методы исследования Для оценки влияния дефектов сварных швов на механические свойства корпусной стали PCD 40, определенные при циклическом нагружении, было вырезано 20 образцов из сварных швов с дефектами. Образцы длиной 220 мм имели прямоугольное сечение 20 ´ 16 мм. Площадь дефектов выявлялась рентгенографированием. Для уточнения площади применялся метод макроструктурного анализа. На этих же образцах исследовалось влияние концентрации напряжений на характеристики выносливости корпусной стали с дефектами. Концентрация напряжений обеспечивалась нанесением V-образного надреза (рис. 1). Рис. 1. Образцы для испытания Усталостные испытания были проведены на установке (рис. 2) [5, 6], по пульсирующему циклу. Циклическая пульсирующая изгибающая нагрузка действовала перпендикулярно сварному шву и образцу. Рис. 2. Установка для испытаний: 1- электродвигатель; 2 - муфта; 3 - опора подшипника; 4 - вал; 5 - эксцентрик; 6 - обойма; 7 - втулка; 8 - гайка; 9 - фиксирующее устройство; 10 - система пружин; 11 - образец; 12 - тензорезистивный датчик; 13 - основание Установка работает следующим образом: образец устанавливается на фиксирующем устройстве 9, две стороны которого регулируются болтами для предварительного нагружения. Образцы, имеющие сварочные дефекты, проходят усталостные испытания до полного разрушения образца или шва. При включении электродвигателя 1, который жестко закреплен на основании 13, происходит передача крутящего момента через муфту 2 валу 4, установленному в опорных подшипниках 3, обеспечивающих точную и стабильную центровку вращающихся частей. Вал 4 передает вращение эксцентрику 5, который создает пульсирующую циклическую нагрузку и передает ее через систему пружин 10 на образец 11. Для изменения величины нагрузки используются эксцентрики 5 с различным эксцентриситетом. Время прохождения испытаний и количество циклов до разрушения образца фиксируются. Для измерения напряжения в образцах использован тензорезистивный датчик 12. Испытания образцов проводились при одном уровне напряжений, который составлял 350 МПа. Результаты испытаний на усталость образцов с наличием дефектов представлены в таблице. Результаты испытаний № образца Размеры дефекта, мм2 Относительная площадь дефекта, % Число циклов до разрушения, N · 104 1 9,0 5,0 100,8 2 12,6 7,0 94,1 3 27,9 15,5 69,2 4 45,0 25,0 75,6 5 72,0 40,0 58,8 6 76,1 42,3 42,3 7 90,7 50,4 25,2 8 108,0 60,0 98,3 9 117,0 65,0 30,0 10 144,4 80,2 85,2 11 14,4 8,0 100,8 12 18,2 10,1 94,1 13 22,1 12,3 69,2 14 30,6 17,0 75,6 15 54,9 30,5 58,8 16 63,7 35,4 42,3 17 57,6 32,0 25,2 18 84,8 47,1 98,3 19 93,6 52,0 30,0 20 17,1 9,5 85,2 Для оценки влияния концентрации напряжений на долговечность было испытано 5 образцов без надреза и без дефектов. Результаты показали число циклов до разрушения: N1 = 162,9 × 104; N2 = 156,6 × 104; N3 = 153,7 × 104; N4 = 165,8 × 104; N5 = 163,5 × 104. Средняя долговечность образцов без надреза и дефектов составила = 160,5 × 104 циклов. В связи с тем, что ферритно-перлитные корпусные стали обладают значительной пластичностью, во всех случаях при испытаниях разрушение носило вязкий характер, область разрушения была деформирована, удлинение составляло не более 2 % относительно рабочей длины образца. На рис. 3 представлены характерные изломы разрушенных образцов с дефектами. Поверхность разрушения представляет собой классический усталостный излом. Рис. 3. Излом образцов с дефектами после испытаний Для определения коэффициента концентрации напряжений был проведен анализ напряженно-деформированного состояния (НДС) методом конечных элементов (МКЭ). На рис. 4 представлена модель анализа МКЭ образца без концентратора напряжения (слева) и образца с концентратором напряжения (справа). Рис. 4. Схема расчета методом конечных элементов образца без надреза и с V-образным надрезом Анализ НДС образцов без надреза и образцов с надрезом показал, что коэффициент концентрации напряжений составил 3,2. По результатам испытаний был построен график зависимости числа циклов до поломки образцов от относительной площади дефекта (рис. 5). Рис. 5. Зависимость числа циклов до разрушения от относительной площади дефекта Как видно из рис. 5, с увеличением относительной площади дефекта число циклов до разрушения образца снижается, причем этот показатель становится значительнее при достижении значения площади дефекта 30% . Заключение Таким образом, по результатам испытаний образцов установлено, что при циклическом нагружении увеличение площади дефектов до 75 % приводит к снижению долговечности сварных соединений на 76 %, причем при увеличении значения относительной площади дефекта до 15 % число циклов до поломки образца уменьшается незначительно. Дальнейшее увеличение площади дефектов до 50 % приводит к снижению долговечности до 42 %. Концентрация напряжений приводит к снижению долговечности сварных соединений примерно на 37 %. Результаты этого исследования могут быть использованы при назначении допускаемых без исправления размеров дефектов сварных швов корпусных конструкций, что в свою очередь приведет к сокращению сроков постройки и ремонта корпусов судов.