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

кипящей плавки и у полуспокойных; стали спокойной плавки, не обработанные термически после проката, также имеют некоторую склонность к хрупкому разрушению до развития пластической де­ формации, особенно при больших толщинах проката. Во избежание проявления хрупкости, низколегированные судокорпусные стали при толщине проката более 12 мм рекомендуется обрабатывать тер-

Рис. 88. Хрупкое разрушение палуб базы «Спасск».

1 — верхняя палуба; 2 — верхний носовой твиндек; «? —2-я па­ луба; 4—3-я палуба; 5 — твиндеки; 6 —трюмы; 7, 8,10— трещи­ ны; 9 — грузовой люк.

мически путем закалки или нормализации с последующим высоким отпуском. Такая термическая обработка улучшает структуру сталей и вместе с высокой прочностью обеспечивает необходимую способ­ ность деформироваться пластически при самых неблагоприятных

стойкости против хрупкого разрушения термообработанной низко­ легированной судокорпусной стали.

В предпусковой период постройка крупнотоннажного танкера «Р. Зорге» из стали марки 10ХСНД (СХЛ-4) завершалась сварочными работами во время морозов до —33° С. Из-за сварочных и темпе­

120

ратурных напряжений в обшивке носовой части корпуса, в листе толщиной 14 мм, возникла трещина, распространение которой, однако, ограничилось длиной менее 1 м. Это повреждение было ис­ правлено подваркой при продолжающемся морозе. Повторно тре­ щина не возникала, что свидетельствовало о достаточно высокой пластичности стали в сложившихся неблагоприятных условиях по­

ренные элементы жесткости смялись от потери устойчивости в пласти­ ческой области и отделились от обшивки вследствие разрушения сварных соединений (рис. 89). Разрушения наблюдались лишь в зоне действия на корпус больших давлений. Поверхность излома ока­ залась волокнистой, свидетельствуя о высокой пластичности стали в условиях несомненно сложного и жесткого напряженного состоя­ ния. Большая пластическая деформация, предшествовавшая разру­ шению листа обшивки и элементов жесткости, являлась признаком надежности конструкции, поскольку соответствовала результату весьма жесткой технологической пробы. Ввиду ограниченного рас­ пространения рассмотренных повреждений их исправление не вы­ звало затруднений.

§ 33

Анализ и обобщение причин хрупких разрушений

Предельные состояния материалов, в том числе состояние, для которого характерно хрупкое разрушение, изучаются по-разному, в соответствии с принятой моделью материала. Напри-

121

Мер, в сопротивлении материалов рассматривается сплошная одно­ родная среда, что ограничивает теоретический анализ предельных состояний и обобщение их критериев. Некоторые исследователи находят больше возможностей объяснения предельных состояний, учитывая статистическую неоднородность конструкционных материа­ лов либо руководствуясь линейной механикой хрупкого разрушения. Упомянутые теоретические разработки иногда недостаточны для уверенного применения экспериментальных характеристик, полу­ ченных на образцах, к инженерным решениям, предупреждающим предельные состояния деталей. В таких случаях оказываются полез­ ными непосредственные данные о сопротивлении повреждению и разрушению материала натурных узлов конструкций или моделей. Однако натурные испытания не всегда возможны. Поэтому решения на аналитической основе при неизбежных произвольных допуще­ ниях имеют важнейшее значение.

Проанализируем предпосылки ранее рассмотренных хрупких разрушений стальных конструкций согласно представлениям, осно­ ванным на положениях, принятых в сопротивлении материалов, т. е. исходя из сплошной и однородной среды. При отсутствии види­ мой макропластической деформации, тщательное исследование пока­ зывает, что в зонах излома имелись микропластические деформации, развитие которых предшествовало хрупкому разрушению.

Процесс хрупкого разрушения можно представить следующим образом. Микропластические деформации, достигающие предельного значения, вызывают неглубокие заостренные надрывы. Надрывы располагаются перпендикулярно растягивающим напряжениям. Из-за остроты краев надрыва возбуждается местное объемное растя­

7

единицы. Если для стали у 1 становится больше YOTp> т0 сопротивле-

Т

ние распространению излома оказывается меньше сопротивления возникновению первичного микропластического надрыва. Изложен­ ные соображения позволяют принять следующую схему работы стали в составе конструкции при хрупком разрушении без заметного при­ знака предшествующей пластической деформации:

1. В зоне будущего начала излома возбуждается наибольшее растягивающее напряжение. При гладкой поверхности и плавных контурах Y] незначительно отличается от единицы, однако вблизи

7

концентраторов, поверхностных повреждений, трещин технологи­ ческого и эксплуатационного происхождения Yi может существенно

7

превышать единицу.

2. Перенапряжение, вызываемое предельной нагрузкой, возбу­ ждает местную пластическую деформацию и приводит к образованию первичного неглубокого надрыва.

122

3. В связи с заостренными краями образующегося надрыва и усилением объемности растяжения параметр жесткости напряжен­ ного состояния Yj сильно возрастает по сравнению с исходным зна-

7

чением.

4. Если новое, возросшее значение Yi становится больше

7

реологической характеристики у 0тР > то сопротивление разрушению резко падает по сравнению с сопротивлением первичному надрыву и наступает хрупкий излом со значительно большей скоростью рас­ пространения его, чем скорость образования первичного надрыва. Кроме того, из-за сопутствующего увеличения стт значение уотр ==

Потр

=—-— существенно снижается, что приводит к мгновенному рас­

пространению хрупкой трещины.

Предпосылки хрупкого разрушения оказываются более сложными, если учитывать неизбежную структурную неоднородность конструк­ ционной стали, а также имеющиеся в ней дефекты. Например, по на­ блюдениям Н. П. Щапова [73], деформация на поверхности образцов крайне неравномерна и напряжение первого рода, рассчитанное для сплошной и однородной среды, представляет собой достоверно со­ противление лишь большим пластическим деформациям, поскольку развитие этих деформаций способствует выравниванию напряжений. С приближением характера разрушения к хрупкому, по мнению Н. П. Щапова, напряжения первого рода оказываются полезными только для формального расчета прочности. Отставание деформации в одних микрообъемах и усиление ее в других объемах наблюдал П. О. Пашков [56]. По его данным, такая неравномерность стано­ вится заметнее с возрастанием пластической деформации.

По представлениям С. И. Губкина [22], неоднородность и лока­ лизация деформации в отдельных местах рассматриваемого объема являются основными особенностями пластической деформации. Раз­ витие пластической деформации происходит в условиях неравно­ весного состояния, и потенциальная энергия, накапливаемая в де­ формированном объеме, стремится к минимуму, что, по соображениям С. И. Губкина, вызывает появление дополнительных напряжений. Эти напряжения являются результатом возбуждения внутренних сил и не зависят от внешней нагрузки. Они могут охватывать как большие, так и малые части деформированного объема.

Неоднородность деформации можно иногда отчетливо наблюдать при растяжении гладких образцов из литой стали [8]. О неоднород­ ности еще на ранней стадии пластического растяжения свидетель­ ствует возникновение небольших поперечных надрывов. Вблизи над­ рывов даже невооруженным глазом видна сосредоточенная значи­ тельная пластическая деформация. Явная неоднородность этой де­ формации дает основание полагать, что одни объемы или зерна де­ формируются интенсивнее других. Более подвижные из них обтекают менее подвижные, причем связь между структурными составляющими сохраняется, за исключением мест разрывов. Следовательно, прини­

123

маемому в расчете равномерному и линейному напряженному состоя­ нию всего объема растягиваемого образца сопутствует неравномер­ ное и объемное микронапряженное состояние. Другими словами, наряду с напряжениями первого рода для сплошной однородной среды можно рассматривать напряжения второго рода отдельных микрообъемов. С увеличением деформации отдельные частицы, в результате исчерпания пластичности, разрушаются, обнажая

родностью деформирования, рассматривать объемное напряженное состояние микрообластей и соответствующие главные напряжения

Т

деформацией, имеют место меньшие значения у г, чем в областях,

~ 4

где материал остается упругим. Одновременно надо рассматривать поле значений реологической характеристики материала уотр. При образовании пластических надрывов, поблизости от них возбу­ ждаются напряжения с еще более выраженной объемностью и повы­ шенными значениями у, . Кроме того, с развитием деформации ма-

Т

териала происходит изменение сопротивления отрыву и предела те­ кучести, вследствие чего изменяется поле уотр. Микрообласти, где

124

у j достигает значения реологической характеристики уотр> оказы-

~4

ваются неблагоприятными, поскольку, в случае перенапряжения, в этих областях образуются хрупкие трещины. Если для материала свойственно преобладание микрообъемов с высокими значениями у0тр, то трещины останавливаются и оказываются нераспространяющимися. Если же в материале для значительной части микрообъемов величина уотр меньше Yj, то происходит быстрое распространение

Т

хрупких трещин, приводящее к излому.

Изложенные соображения качественно представляют собой про­ цесс первоначальной пластической деформации избирательного' ха­ рактера, приводящей сначала к образованию пластических заострен­ ных надрывов, а затем к хрупким трещинам, не распространяю­ щимся — в лучшем случае и распространяющимся — в худшем случае.

Рассмотренные выше этапы деформирования перед хрупким раз­ рушением образца применимы к материалу, работающему на растя­ жение в составе напряженной конструкции. Что же касается напря­ жений второго рода, то методы аналитического расчета таких напря­ жений не разработаны. Отсутствует также возможность эксперимен­ тального определения значений сгт и стотр для микрообъемов и по­

лей 7 о т р - Следовательно, сопротивление хрупкому разрушению конструк­

ций целесообразно устанавливать на инженерно-практической основе, считая среду сплошной и однородной и используя эксперименталь­ ные характеристики материала.

Обобщая примеры хрупкого разрушения, можно заметить ряд одинаковых причин, обусловливающих хрупкость стали. Этими при­ чинами оказываются:

1)плоское растяжение, возбуждаемое в листовых элементах; объемное местное растяжение, сопутствующее концентрации напря­ жений от конструктивных или технологических факторов;

2)остаточные объемные растягивающие сварочные и другие напряжения;

3)не обнаруженные ине исправленные своевременно пороки в виде трещин, надрывов, поверхностных повреждений;

4)ударные внешние воздействия;

5)проявление хладноломкости, обусловленное понижением тем­ пературы и действием плоского или объемного растяжения;

6)масштабный эффект, поскольку хрупкость стали более всего проявляется на крупных деталях.

Эти причины хрупкости проявляются сильнее или слабее в за­ висимости от качества стали, обусловленного ее составом и техноло­ гической подготовкой. Наиболее склонны к переходу в хрупкое состояние стали кипящей и полуспокойной плавки, а также толсто­ стенный прокат и массивные поковки, не обработанные термически. Практически стальные детали хрупко разрушаются при совокупном действии рассмотренных причин. Одни из этих причин приводят

125

к повышению параметра жесткости напряженного состояния Yj .

Т

Другие причины вызывают снижение реологической характеристики

стали уотр.

В некоторых случаях проявление хрупкости стали при длитель­ ном действии растягивающих напряжений обусловлено агрессивным действием внешней среды. При этом хрупкое разрушение, называе­ мое коррозионным растрескиванием, происходит по площадкам дей­ ствия растягивающих напряжений. Углеродистые стали растрески­ ваются под действием таких агрессивных сред, как водные растворы щелочей, азотнокислых солей, синильной кислоты, а также в присут­ ствии сероводорода [18], [34]. Коррозионное растрескивание от длительно приложенных растягивающих напряжений наблюдается на изделиях из латуни, испытывающих действие влажной среды, содержащей аммиак. В частности, коррозионное растрескивание от остаточных растягивающих напряжений, возбуждаемых после за­ варки дефектов, происходит на гребных винтах из латуни, содержа­

Предельные состояния напряженных конструк­ ций предупреждаются соответствующими расчетами прочности. По общеизвестной схеме расчета прежде всего надо задаваться наиболь­ шей эксплуатационной нагрузкой. Далее необходимо найти состав­ ляющие главного вектора и главного момента внутренних сил в опас­ ном сечении и рассчитать наибольшие напряжения. Располагая экспериментальным значением предельного напряжения, в заверше­ ние расчета можно найти коэффициент запаса прочности, разделив предельное напряжение на наибольшее расчетное напряжение в опас­ ном сечении. Коэффициент запаса прочности нормируется исходя из практических соображений и не всегда является достоверным. Такая схема расчета даст удовлетворительный результат, если пре­ дельное состояние будет определяться пластическим повреждением, когда в качестве экспериментальной характеристики прочности, т. е. предельного напряжения, можно будет рассматривать предел текучести материала. Но представленная схема не удовлетворяет идее расчета, предупреждающего хрупкое разрушение, прежде всего из-за того, что такое разрушение не объясняется внешней перегрузкой, во многом наступает из-за местных напряжений, кото­ рые невозможно определить при современном уровне теоретических знаний. К тому же еще не определились условия для нормирования экспериментальной характеристики хрупкой прочности. Поэтому в существующих инженерных решениях хрупкие разрушения сталь­ ных конструкций предупреждаются продуманным конструированием узлов и тщательно разработанной технологией, при которых исклю­ чаются чрезмерные местные напряжения объемного характера. Вместе с тем экспериментально контролируется способность стали

126

деформироваться пластически в неблагоприятных условиях объем­

производятся значительно легче других. Для упрощения опыта прибегают к усилению действия легковоспроизводимых причин хрупкости, оставляя в стороне трудновоспроизводимые причины. Например, при стандартных испытаниях образцов по ГОСТ 9454—60 материал подвергается местному объемному растяжению в области, непосредственно расположенной у надреза. Вследствие ударного воздействия и охлаждения развитие пластической деформации в над­ резанных образцах сдерживается и создаются особенно жесткие условия для проверки пластичности стали. Предполагается, что при подобном испытании в некоторой степени возмещается действие такой невоспроизводимой в лабораторных условиях причины хрупкости, как масштабный эффект. Ударная вязкость сталей, определяемая при испытаниях надрезанных образцов, нормируется техническими условиями. При проверке качества стали для жестко напряженных и крупных деталей, часто испытывают охлажденные до определенной температуры образцы. Температуру охлаждения практически под­ бирают так, чтобы образцы из неудовлетворительной стали раз­ рушались хрупко, а из удовлетворительной стали деформировались пластически.

Устранение хрупкого разрушения путем создания условий, при которых сталь в перенапряженном состоянии будет работать как пластичный материал, является важнейшей обязанностью инженера. Эта работа часто очень трудна, но разрешима при вдумчивом отно­ шении к проектированию стальных деталей и конструкций. При проектировании можно исходить из предельного пластического со­ стояния материала деталей. Для создания условий, при которых материал будет деформироваться пластически без хрупкого разру­ шения, стремятся к совершенным конструктивным формам деталей, способствующим уменьшению концентрации напряжений. Большое внимание уделяется поискам удовлетворительных типов соединений деталей. Наряду с этим выбирается сталь подходящей марки, удо­ влетворяющая техническим требованиям по характеристикам проч­ ности и пластичности. Исходя из значений прочностных характери­ стик стали, и в первую очередь предела текучести, путем расчета добиваются умеренной напряженности деталей под нагрузкой.

Для того чтобы фактическая предельная нагрузка построенной конструкции соответствовала расчетной, применяется только такая сталь, которая, согласно испытаниям, удовлетворяет требованиям, положенным в основу проектирования и расчета. Фактическая проч­ ность и пластичность стали проверяется при приемочных испыта­ ниях, которые выбираются применительно к условиям работы ма­ териала конструкции. В случае жестких условий работы, материал проверяется на ударную вязкость. При необходимости повысить эффективность испытаний образцы охлаждаются.

Ударная вязкость является сложной характеристикой, которая еще недостаточно изучена. Поэтому соответствующие нормативы

127

й температура испытаний должны назначаться с осторожность^ во избежание как излишней, так и недостаточной требовательности к пластичности материала. Испытание надрезанных образцов по ГОСТ 9454—60 не является единственным средством проверки пла­ стичности стали. Создавая жесткие условия деформирования, испы­ тывают образцы и других типов в целях получения характеристик, свидетельствующих о способности стали деформироваться пласти­ чески и дополняющих результаты испытания на осевое растяжение. Например, для исследования пластичности применяют образцы в форме пластинок или оболочек, испытывающие при деформирова­ нии плоское напряженное состояние. Эффективную проверку пла­ стичности обеспечивают образцы в виде плоской планки с боковым надрезом, испытываемые на загиб или на внецентренное растяжение при надрезе на растянутой стороне (последним образцам будет уде­

лено внимание в дальнейшем).

Однако в конструкциях иногда распространяются на большое расстояние хрупкие трещины, несмотря на положительные резуль­ таты стандартных испытаний надрезанных образцов. Например^, в корпусе крупнотоннажного рыбопромыслового судна сварной конструкции «Остров Русский» образовалась значительная трещина на завершающей стадии постройки. Для исследования свойств стали, из листа, поврежденного трещиной, была взята проба. Отсутствие кремния в химическом составе свидетельствовало о стали кипящей плавки. Механические характеристики, установленные испытанием на растяжение, удовлетворяли техническим требованиям. Значение ударной вязкости при охлаждении до —40° С, а также критическая температура статического излома образцов с .заостренным надрезом Ткр с также оказались удовлетворительными. Как видим, ком­ прометирующим признаком оказалось только применение стали ки­ пящей плавки. Рассмотренный аварийный случай показывает, что контролирование пластичности стали применительно к условиям ее работы в составе судового корпуса представляет сложную задачу. Пока этот вопрос не имеет основания считаться полностью изученным.

В последние годы расширилось применение металлических ма­ териалов с повышенной статической прочностью, например легиро­ ванных сталей, сплавов на основе титана, специальных бронз и ла­ туней. С целью их упрочнения нашли применение методы механико­ термической обработки [48]. Указанные материалы иногда оказы­ ваются чувствительнее традиционных материалов к действию фак­ торов, отрицательно влияющих на пластичность. При контролиро­ вании пластичности высокопрочных металлических материалов ока­ зывается целесообразным испытывать образцы с заостренными

надрезами (см. ГОСТ 9454—60).

В настоящее время стало находить применение испытание до разрушения образцов с заранее выращенными трещинами, которое служит основанием для определения коэффициента вязкости раз­

рушения k lc.

В действующих металлоконструкциях перенапряженная сталь или другие конструкционные сплавы должны работать как пластич­

128

ный, а не как хрупкий материал. Это возможно только в том случае, если сохраняется первоначальное качество материала эксплуатируе­ мой конструкции и ее деталей. Поэтому необходимо предупреждать воздействия, приводящие к изменению свойств материала и к по­ верхностным повреждениям деталей. Прежде всего следует прояв­ лять осторожность при сборке и разборке, при ремонтных работах и транспортировке деталей, не допускать остаточных деформаций, вмятин, царапин и рисок. Нельзя также допускать хранения деталей навалом и на открытом воздухе, во избежание изменения их формы, поверхностных повреждений и коррозии. В случае же повреждений, видимых снаружи, необходимо их по возможности исправлять. Благодаря таким предупредительным мерам будет исключен наклеп материала деталей и появление остаточных напряжений, а также будут устранены причины дополнительной концентрации напряже­ ний. В результате этого будут сохраняться первоначальные пласти­ ческие свойства материала конструкций и деталей, что положительно скажется на их работе.

Г Л А В А V • ЦИКЛИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ И НАКОПЛЕНИЕ УСТАЛОСТНОГО ПОВРЕЖДЕНИЯ

§ 35

Изменение эксплуатационных напряжений. Стационарная и нестационарная циклическая напряженность.

Кривые усталости

При эксплуатации судна его корпус, судовое оборудование и машины подвергаются многократному действию по­ вторно-переменных сил. При перемещении судна относительно волн и под влиянием сил инерции, вызываемых качкой, основные связи корпуса испытывают переменный изгиб со сравнительно небольшой частотой (5"—10 цикл./мин). Значительно медленнее изменяются силы, появляющиеся в результате изменения расположения грузов по длине судна. Один цикл изменения таких сил может занимать боль­ шой промежуток времени. Переменные силы вызывают переменные напряжения.

Наряду с низкочастотными переменными напряжениями корпус судна может испытывать переменные напряжения более высоких частот, например при действии на корпус ударов волн. Удары при­ водят к колебаниям корпуса. Так, удары волн в районе носовой оконечности судна вызывают свободные колебания корпуса, среди которых основное место занимают колебания с частотой первого тона. Эта частота для судов небольшого водоизмещения равна 70—120 кол./мин, а для крупнотоннажных судов 40—60 кол./мин.