2.4. Сопротивление сварных соединений зарождению разрушений при динамическом нагружении

В практике определения хладостойкости металла труб большого диаметра принята методика испытаний полнотолщинных крупногабаритных образцов DWTT падающим грузом по схеме трехточечного ударного изгиба согласно техническим условиям на поставку труб. Количество волокнистой составляющей в изломах образцов DWTT, испытанных при регламентированной температуре, является сдаточной характеристикой. Во ВНИИСТе испытания образцов DWTT производятся на маятниковом копре с максимальным запасом энергии маятника А_м = 15 кДж. Копер оснащен регистрирующей аппаратурой, позволяющей в процессе разрушений образца производить запись диаграмм «динамическое усилие на ноже маятника F^д — время t» и «перемещение маятника копра f — время t». Эти диаграммы позволяют построить зависимость F^д (f)и вычислить работу (энергию) зарождения разрушения А₃ и работу распространения А_р. Силоизмерительное устройство копра позволяет регистрировать поглощенную энергию удара А_п при разрушении образца. Разработанная в лаборатории методика обработки результатов испытания образцов DWTT, изложенная ниже, позволяет определить динамические критерии трещиностойкости A₃ и _c^д, характеризующие сопротивление зарождению трещины в металле труб.

Размеры полнотолщинного образца DWTT со стандартным надрезом глубиной 5 мм, а также схема испытания показаны на рис. 51.

При испытании металла шва ось надреза располагают по центру сварного соединения (рис. 52, а), а при испытании металла зоны термического влияния ось надреза проходит на расстоянии у от точки пересечения линий сплавления внутреннего и наружного швов (рис. 52, б). Образцы отбирают поперечные (длинная сторона — поперек оси трубы).

Рис. 51. Эскиз и схема испытания полнотолщинного образца типа DWTT на ударный изгиб

Рис. 52. Схема нанесения надрезов в металле шва (а) и в зоне термического влияния (б) образцов на ударный изгиб

При испытании образцов регистрируется энергия удара А_п, расходуемая на процесс разрушения, и осциллограмма (рис. 53, а). Кривая 1на осциллограмме показывает изменение нагрузки во времени. По тарировочному графику (рис. 53, б) определяют соответствующую данному моменту t₁ динамическую нагрузку F^д. При расшифровке осциллограмму схематизируют, как показано на рис. 53, а, и обрабатывают для получения диаграммы динамическое усилие — перемещение образца. F^д (f) (см. рис. 53, в).

Рис. 53. Осциллограмма разрушения (а), тарировочный график (б) и диаграмма динамического изгиба (в) образца DWTT из сварного соединения трубы 1420х15,7 мм (сталь Х-70, надрез по зоне термического влияния)

Считая, что моменту зарождения трещины соответствует максимум нагрузки F_в^д, интегрируют площадь под кривой в пределах от 0 до f₃ и вычисляют работу зарождения А₃ трещины. На величину F_в^д оказывает влияние сила инерции, возникающая при нагружении образца, которую необходимо вычесть из значения F_в^д. Однако при толщине образцов до 20 мм инерционные силы не оказывают влияния на величину максимального усилия. Поэтому в наших работах силы инерции не учитывались. Для оценки возможности использования характеристики A₃ при определении удельной работы разрушения как критерия динамической трещиностойкости сварных соединений исследовали деформированное состояние образцов DWTT после разрушений. В зоне разрушения от вершины надреза на обеих поверхностях образца наносили измерительные базы; b_x в направлении оси Ох и b_у в направлении оси Оу (рис. 54, а). Деформации ε_z измеряли в центре каждой пары измерительных баз.

Средние по обеим поверхностям испытанного образца компоненты пластических деформаций в сечении x = 10 мм показаны на рис.54, б. Установлено, что деформации ε_x по величине близки к нулю, т. е. в процессе зарождения и вязкого распространения разрушения продольное удлинение кромок практически отсутствует. Из условия постоянства объема должно быть ε_у = -ε_z, что и подтверждается кривыми. Аналогичное распределение деформаций имело место и для других значений х, вплоть до x = 50 мм, когда на деформированное состояние образца накладываются деформации, вызванные ударом бойка. Установленное соотношение показывает, что пластическая деформация ограничена плоскостью yz. Поэтому в дальнейшем при определении области пластических деформаций вблизи надреза измеряли только поперечные деформации в интересующем сечении.

Рис. 54. Схема нанесения измерительных баз (а) и распределение средних пластических деформаций в сечении х = 10 (б) после вязкого разрушения образца DWTT из трубы 1020х12 мм (сталь 17Г1С)