книги из ГПНТБ / Быков В.А. Пластичность, прочность и разрушение металлических судостроительных материалов

ОТ АВТОРА

В предлагаемой читателю книге систе­ матизируются и обобщаются разрозненные сведения о повреждениях судов, взятые из практики судостроения и из эксплуатации морского флота. На основании анализа прак­ тических и экспериментальных данных обосно­ вываются требования к конструкционным ма­ териалам, к их технологической подготовке и к конструктивной разработке узлов и пред­ лагаются направления экспериментальных ис­ следований по пластичности, прочности и со­ противлению разрушению. Даются рекомен­ дации по обновлению и совершенствованию расчетных условий прочности, которые исклю­ чали бы предельные состояния, представляющие угрозу для проектируемых конструкций.

Книга охватывает материал, касающийся научных познаний о применении механики к расчетам конструкций, эксплуатируемых под нагрузкой, а также о свойствах материалов при их работе в составе конструкций. Некото­ рая разобщенность специалистов, работающих

вэтих направлениях, не всегда обеспечивала сходимость предельных состояний конструкций, получаемых расчетным путем и наступающих

вдействительности. Отсутствие такой сходи­ мости являлось результатом консервативного

применения имеющихся расчетных методов, т. е. без своевременного учета новых факторов, влияющих на свойства материалов.

ВВЕДЕНИЕ

Увеличение морских перевозок и выход на пути Мирового океана привело к резкому возрастанию количества судов отечественного морского флота и их тоннажа. Усложнились условия эксплуатации флота, поскольку увеличились переходы судов. Одни и те же суда могут находиться то в жарком влажном климате, в условиях агрессивной среды, то во льдах Арктики или Антарктики, а также испытывать временами действие сильного волнения.

Опыт постройки и эксплуатации судов позволил накопить важ­ ную информацию о разнообразных неразрушающих и разрушающих повреждениях судов и судового оборудования. В частности, могут появиться чрезмерные пластические деформации, приводящие иногда к местным разрывам, или образовываться трещины, которые при распространении на большое расстояние способны вызвать аварию. Для исправления аварийных повреждений неразрушившихся кон­ струкций требуется дорогостоящий ремонт. Иногда аварийные по­ вреждения оказываются настолько значительными, что приводят к разрушению и гибели конструкции.

Информация, охватывающая разрозненные частные случаи не­ разрушающих и разрушающих повреждений конструкций, ну­ ждается в систематизации и обобщении на основе научного анализа. Для этого анализа необходим комплекс сведений, содержащих спектр и динамичность нагрузок, характер напряженного состояния, а также механические свойства материала конструкции. Последние сле­ дует рассматривать в зависимости от физико-химического действия среды, в которой находится конструкция при постройке, сдаточных испытаниях и при эксплуатации. В результате анализа накопленной практикой информации и экспериментальных исследований измени­ лись сложившиеся ранее представления о работе материала в составе напряженных конструкций. Произошли весьма существенные пере­ мены в оценке пластичности и прочности применяемых конструк­ ционных материалов; обновилась трактовка механических харак­ теристик, используемых в инженерных решениях. В корне измени­ лись направления расчетов прочности проектируемых конструкций, поскольку наряду с традиционным принятием”фибровой текучести в качестве опасного признака оказалось целесообразным рассма­

5

тривать другие предельные состояния. Например, в связи с расши­ рением применения низколегированных свариваемых сталей в кон­ струкциях судового корпуса увеличилась напряженность последних, поэтому реальную угрозу стали представлять усталость и хрупкое разрушение, которые не рассматривались для ранее применявшихся клепаных судов, районы плавания и скорости движения которых были ограниченнее, чем в настоящее время.

Неразрушающие и разрушающие повреждения обусловлены меньшим или большим развитием реологического процесса в ма­ териале, работающем в составе напряженной конструкции. Реоло­ гический процесс представляет собой течение материала под напря­ жением. Материалы с высокой реологической способностью обнару­ живают большие остаточные деформации без нарушения сплошности. Этим предопределяется пластичность материалов. При неблагоприят­ ных условиях реологическая способность ограничивается разру­ шением после незначительной, иногда незаметной, остаточной де­ формации. В последнем случае материал считается хрупким.

Углубляя сложившиеся взгляды и признавая условность коли­ чественной оценки напряжений путем расчета, представляется целе­ сообразным в некоторых случаях объяснять предельные состояния неблагоприятным соотношением некоторых безразмерных пара­ метров, характеризующих напряженное состояние конструкции и реологические свойства материала. Предлагаемые в книге параметры

ней нагрузки. Это противоречит некоторым взглядам, но не является парадоксальным, поскольку разрушающими могут быть напряжения от внутренне уравновешенных сил, например остаточ­ ные напряжения, которые не охватываются расчетом напряжений от действия внешних сил. Случаи хрупких разрушений стальных конструкций встречаются практически даже при отсутствии внешних сил. Это и вызывает замешательство специалистов, привыкших к традиционным объяснениям разрушений действием внешней пере­ грузки. В отличие от пластического повреждения хрупкое разруше­ ние наступает неожиданно, без предупреждающих признаков.

Практически при эксплуатации конструкций неизбежна повто­ ряемость нагрузок, а возбуждаемые напряжения могут представ­ ляться вероятностным распределением. Немногократные перегрузки вызывают маловероятные большие напряжения, которые могут превышать предел текучести, обусловливая процесс малоцикловой пластической усталости. В реальных условиях трещины малоцикло­ вой усталости встречаются редко. Некоторое исключение составляют предельно облегченные и высоконапряженные конструкции, заведомо предназначенные для работы при ограниченном числе циклов. На­ копление малоциклового повреждения, даже при отсутствии видимых трещин, может отрицательно повлиять на характеристики пластич­ ности и прочности материала. В частности, для стали, по мнению ряда специалистов, основной отрицательный результат малоцикловой усталости состоит в существенном снижении ее способности дефор­

6

мироваться пластически. Иногда резко уменьшается сопротивление хрупкому^разрушению, хотя сопротивление разрушению при пла­ стической деформации от малоцикловой усталости почти не изме­ няется [10], [20].

Важнейшее значение имеет проблема многоцикловой усталости при макроскопически упругом состоянии.

Представляется интересным проследить за признаками возник­ новения и развития усталостного повреждения, предшествующего излому. Об этом могут косвенно свидетельствовать изменения физико­ механических свойств по кривой сопротивления однократному пластическому деформированию. Эти изменения возникают вслед­ ствие взаимодействия циклического упрочнения и разупрочнения материала в месте появления последующей трещины усталости. Вместе с этим интересно иметь представление о темпах усталостного процесса, т. е. о развитии повреждения без видимого нарушения сплошности материала, о моменте появления первичной трещины усталости и о скорости ее распространения, а также о предельных размерах трещины, создающей угрозу излома. Большое значение имеют данные об отрицательном влиянии на циклическую прочность концентрации напряжений, масштабного эффекта, состояния поверх­ ности, коррозионной среды и других конструктивных, технологиче­ ских и эксплуатационных факторов.

Усталость исследуется экспериментально на образцах, обычно в условиях стационарных переменных напряжений, изменяющихся по симметричному циклу. Однако циклические напряжения деталей эксплуатируемых конструкций не стационарны. Поэтому оказы­ вается важным иметь представление об оценке и суммировании усталостных повреждений, о темпах распространения трещин и о влиянии на циклическую прочность ранее рассмотренных фак­ торов также и при нестационарных напряжениях. Необходимые данные пока недостаточны для их уверенного обобщения и система­ тизации.

Руководствуясь представленными сведениями о повреждениях эксплуатируемых конструкций, можно рассматривать совокупность разнообразных предельных состояний в зависимости от вида напря­ женного состояния, повторяемости напряжений, динамичности на­ грузки и от механических свойств материалов с учетом влияния на эти свойства физико-химических условий эксплуатации и накоп­ ления повреждений.

Повреждения можно классифицировать по степени создаваемой ими угрозы для надежности конструкции. В частности, повреждение, вызванное чрезмерной пластической деформацией, может подда­ ваться исправлению. Хрупкое разрушение представляет значительно большую опасность, поскольку угрожает самыми тяжелыми аварий­ ными последствиями; поэтому при создании стальных конструкций необходимо максимально стремиться к исключению вероятности хрупкого разрушения. Даже при усталостном повреждении надо обращать внимание на возможность хрупкого разрушения в связи с трещинами и неблагоприятным изменением свойств материала.

7

Г Л А В А I * НЕРАЗРУШАЮЩИЕ И РАЗРУШАЮЩИЕ ПОВРЕЖДЕНИЯ ПЕРЕНАПРЯЖЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ КОНСТРУКЦИЙ

§ 1

Повреждения, вызываемые технологическими воздействиями

Технологические воздействия при изготовле­ нии деталей, а также при сборке и соединении узлов конструкций вызывают значительно большие их деформации, чем другие воз­ действия.

Примерами сильных технологических воздействий могут служить холодная резка и гибка, правка поковок и деталей из проката, выпрямление неровных листов или искривленных профилей. Эти виды обработки могут вызывать жесткое напряженное состоя­ ние и сопровождаться большими напряжениями, приводящими к развитию пластической деформации. Жесткое высоконапряженное состояние появляется и после сварки. Иногда большие напряжения и местные пластические деформации возникают при пробных .испы­ таниях узлов и при перемещении длинных податливых деталей, вследствие влияния собственного веса, случайных толчков.

Технологические, монтажные и пробные нагрузки немногократны, их действие не угрожает разрушением от усталости. Перенапряжение от них обычно приводит к остаточным деформациям. Последние лишь в крайнем случае сопровождаются надрывами и местными разрушениями. Однако иногда, при особенно жестком напряженном состоянии, перенапряжение может привести к хрупкому разрушению. Это разрушение опасно тем, что происходит оно неожиданно, без предупреждающих, видимых признаков. Особенно опасно хрупкое разрушение сварных конструкций, поскольку вследствие свойствен­ ной этим конструкциям монолитности хрупкая трещина может распространяться, не задерживаясь на сварных соединениях. При технологических операциях для пластических деформаций часто складываются менее благоприятные условия, чем при лабораторных испытаниях образцов для проверки качества материала. Следова­ тельно, данные о поведении материала при технологическом дефор­ мировании могут рассматриваться как существенное дополнение к результатам испытаний лабораторных образцов для проверки способности его деформироваться пластически.

Рассмотрим практические примеры предельных состояний, на­ ступающих под влиянием перенапряжений, и уделим основное вни­ мание хрупким разрушениям, как представляющим особую опас­ ность для конструкций.

8

Холодная гибка листов на заданный радиус кривизны является одним из видов пластической обработки судокорпусной стали. Но холодная гибка иногда сопровождается образованием трещин, что мешает использовать изделия после их изготовления. Возникающие вследствие гибки листов трещины, раскрываясь, обнажают свою поверхность, одна часть которой оказывается волокнистой, а дру­ гая, иногда наибольшая, имеет кристаллический, блестящий вид. Блестящий излом свидетельствует о недостаточной способности листовой стали деформироваться пластически при гибке на заданный радиус кривизны, если даже ее механические характеристики, определяемые при осевом растяжении, и химический состав нахо­ дятся в норме.

Недостаточную пластичность при холодной гибке обнаруживают судостроительные стали некоторых марок, если после проката они не обрабатывались термически. Толстолистовые стали по сравнению с тонколистовыми более расположены к образованию хрупких трещин, из-за уменьшения сопротивления разрушению под действием масштабного эффекта; однако трещинообразование возможно и при гибке сравнительно тонких листов. Так, в заводской практике наблюдались трещины при гибке листовой низколегированной стали толщиной 5 мм, не обработанной термически. Они возникали при изгибе до остаточного угла не более 45° и при радиусе кривизны, равном примерно четырехкратной толщине листа. Указанным зна­ чениям соответствует фибровая относительная деформация при­ мерно 12%, которая при осевом растяжении не приводит сталь к разрушению. Трещины с характерной для хрупкого разрушения зернисто-кристаллической поверхностью блестящего вида наблю­ дались в тонкостенном бункере при постройке рыбопромысловой базы «Восток». Материалом бункера, предназначенного для приема улова, служила нержавеющая хромистая сталь марки 0Х17Т в ли­ стах толщиной 6 мм. Трещины возникали под действием остаточных растягивающих сварочных напряжений, частично вблизи приварен­ ных ребер жесткости (рис. 1). Повреждения оказались настолько значительными, что было принято решение заменить бункера новыми, изготовленными из более пластичной и лучше сваривающейся стали марки Х18Н10Т.

В другом случае аналогичные напряжения, вызванные приваркой продольных полосок, оказались причиной хрупкого разрушения валиков, изготовленных из стали 20. Диаметр валиков составлял 50 мм. Материал валиков вблизи концов полосок, приваренных под прямым углом, видимо, испытывал большие остаточные растягива­ ющие напряжения. Один из валиков случайно свалился с верстака на пол мастерской и от удара хрупко разрушился по сечению, рас­ положенному у конца приваренной полоски (рис. 2).

Из рассмотренных примеров видно, что в одних случаях хрупкое разрушение происходит путем образования трещины после заметной пластической деформации, не достигающей, однако, того предель­ ного значения, которое получается на гладких образцах при растя­ жении. Хрупкие разрушения препятствуют технологическим опе-

9