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

рациям, требующим больших пластических деформаций. В других случаях хрупкие разрушения появляются без заметной пластиче­ ской деформации и, следовательно, при напряжениях, меньших предела текучести. Такие разрушения происходят, например, при параллельном воздействии сварочных или других остаточных напря­ жений. Хрупкие разрушения могут происходить и из-за снижения пластичности стали после технологических операций, которые сопровождаются местным нагревом до высоких температур и возник-

чувствительнее, чем углеродистые, применяемые после проката стали. Из публикаций результатов исследований можно заключить, что местные нагревы незначительно влияют на такие характеристики сопротивления стали пластическим деформациям, как предел теку­ чести и временное сопротивление, определяемые при растяжении гладких образцов. Однако испытания, с помощью которых опреде­ ляется переход от пластического состояния к хрупкому, в частности испытания надрезанных образцов с применением холода, выявляют хрупкость в стали, которая предварительно испытала влияние

местного нагрева*.

§ 2

Эксплуатационные повреждения

Эксплуатируемые конструкции испытывают действие нагрузок, которые переменны и нестационарны во времени. Эксплуатационные нагрузки случайны и аналитически могут пред­

* К а н ф о р С. С. Судокорпусная сталь Л ., Судпромгиз, 1960.

10

ставляться вероятностным распределением. Из этого распределения выделяются неизбежные для условий эксплуатации кратковременные перегрузки, которые могут вызывать местные пластические дефор­ мации, а также местные напряжения, равные пределу текучести, при умеренной общей напряженности. К перегрузкам оказываются чувствительными места конструкций с дефектами оформления или изготовления. Например, на многих транспортных судах после 3 лет «притирочного» периода эксплуатации осмотром были обна­ ружены повреждения корпуса. Повреждения представляли собой трещины, берущие начало от дефектов.

В условиях эксплуатации не уделяется особого внимания зарож­ дению трещин и темпам их распространения. Согласно имеющемуся ограниченному опыту, эти трещины могут оказаться нераспространяющимися или же распространяющимися настолько медленно, что повреждение поддается своевременному исправлению. Образование трещин объясняется малоцикловой усталостью, которая является результатом повторения местных пластических деформаций. Для малоцикловой усталости характерно постепенное распространение трещины по мере возрастания числа циклов. Малоцикловая уста­ лость может вызвать хрупкость стали, в результате чего появившаяся трещина сразу же будет распространяться на заметное расстояние. Таким образом, пока не находится убедительных признаков для категорического утверждения малоцикловой усталости как един­ ственной причины хрупкого разрушения корпусов судов в эксплуа­ тационных условиях. Возможно, что такое разрушение происходит из-за случайных, особенно неблагоприятных условий эксплуатации, независимо от усталостного повреждения. Другой причиной эксплуа­ тационного хрупкого разрушения может служить недостаточная эффективность лабораторного контроля, вследствие чего не обнару­ живаются необходимые признаки сравнительной оценки сталей. Отсутствие таких признаков затрудняет отделять стали удовлетво­ рительной пластичности и прочности и пригодные для практических целей от сталей непригодных.

Сталь, недостаточно проверенная на способность к пластической деформации, в случае ее использования может обнаруживать склон­ ность к хрупкости при технологических и других воздействиях, пред­ шествующих эксплуатации металлоконструкции. Хрупкие разру­ шения, возникающие при постройке металлоконструкций, служат своевременным предупреждением о возможности образования тре­ щин от перегрузки при неблагоприятных условиях эксплуатации. Однако на практике, в процессе постройки, иногда не обращают внимания на образование трещин, исправляют повреждения и создают кажущееся благополучие. Построенная таким образом металло­ конструкция может эксплуатироваться в благоприятных условиях. Но при изменении условий эксплуатации в худшую сторону хрупкое разрушение становится возможным со всеми вытекающими из этого тяжелыми последствиями.

Характерными в этом отношении оказались разрушения при эксплуатации судов типа «Либерти» американской постройки. Для

11

указанных транспортных судов была применена углеродистая сталь, оправдавшая себя ранее на судах клепаной постройки, но не иссле­ дованная на пригодность ее в сварном судостроении. В процессе по­ стройки корпусов обнаруживались хрупкие трещины от техноло­ гических воздействий. Однако эти сигналы, свидетельствующие о не­ обходимости применять для постройки сварных судов более пластич­ ную сталь, чем для клепаных, остались без внимания. Согласно публикациям [3], [29], [35], [65], многие из этих судов при экс­ плуатации получили значительные повреждения из-за образования хрупких трещин, а некоторые переломились и затонули.

Аварии сварных судов типа «Либерти» привлекали внимание технических кругов. Тщательно обследовались разрушения корпусов с целью установления мест возникновения трещин, направления их распространения, вида излома. Вместе с тем выяснились неблаго­ приятные условия эксплуатации, способствующие авариям. Согласно анализу накопленных по этим судам данных, аварии произошли отчасти из-за конструктивно-технологических дефектов, вызвавших чрезмерную концентрацию и объемность напряжений. Концентра­ торами оказались нескругленные углы люков, неподкрепленные вырезы, обрывы связей, необнаруженные трещины. Из-за монолит­ ности сварных конструкций распространение хрупких трещин не ограничивалось одним листом. Другой причиной аварий оказалось применение для постройки судов корпусной стали кипящей плавки. О пониженном качестве такой стали свидетельствует ее хладнолом­ кость в неблагоприятных условиях.

Хрупкое разрушение судов типа «Либерти» наблюдалось иногда, казалось бы, от незначительной причины. Так, однажды на судне, находящемся в порту, произошло разрушение корпуса из-за дей­ ствия напряжений, возбуждаемых изменением суточной температуры от 20° С днем до 5° С ночью. На одном из судов произошло хрупкое разрушение корпуса в районе ширстрека от удара ломом при очистке обледеневшей палубы во время стоянки судна в порту зимой.

Хрупкие разрушения в условиях холода характерны для сталь­ ных конструкций, поскольку некоторые стали хладноломки вслед­ ствие двойственной природы прочности.

В странах умеренного климата случаи хрупких разрушений резко учащаются в неожиданные суровые зимы. В публикациях [65], [68] рассмотрены аварийные случаи хрупких разрушений стальных мостов, больших резервуаров для газов и нефти, маги­ стральных трубчатых газопроводов. Согласно опыту эксплуатации транспортных и дорожных машин, а также горного оборудования серийного производства, эти машины и оборудование оказываются неприспособленными для работы в условиях Крайнего Севера. От­ казы становятся бедствием, несмотря на надежность того же обору­ дования при эксплуатации в обжитых районах с относительно

умеренным климатом.

Следовательно, практика эксплуатации стальных конструкций и механического оборудования, накопленная в благоприятных усло­ виях, не применима к менее благоприятным условиям. Рассмотрен­

12

ные эксплуатационные хрупкие разрушения произошли неожиданно, без предупредительных признаков пластической деформации. Раз­ рушение предопределялось действием местных напряжений в зоне концентраторов. Возбуждаемые напряжения распределялись в соот­ ветствии с упругим состоянием, и сопротивление разрушению ока­ залось сравнительно низким. Но если бы под действием перегрузки развивалась пластическая деформация, тогда реализовались бы огромные резервы сопротивления конструкции деформированию и разрушению. Эти резервы возникли бы, во-первых, за счет более выгодного перераспределения напряжений, а во-вторых, вследствие упрочнения материала в зонах развития пластической деформации.

Из изложенного следует, что важнейшей задачей специалиста является тщательная разработка конструктивных форм, их опти­ мизация и обоснованный выбор материала, при которых конструк­ ция в случае перегрузки не разрушалась бы хрупко, а деформиро­ валась бы пластически.

Разрушение от усталости при макроскопически упругом состоя­ нии под действием местных напряжений, близких к пределу теку­ чести, происходит после нескольких тысяч нагружений. Примером может служить разрушение транспортных реактивных самолетов «Комета» английской постройки. Самолеты разрушались в 1954 г. при полетах на авиалинии Англия—Австралия. При авариях по­ гибло много пассажиров и членов экипажа. Обследование условий аварий и натурные эксперименты показали, что разрушению само­ летов предшествовало образование трещин усталости в нескругленных углах прямоугольных световых люков.

В отличие от самолетов, большинство конструкций и машинного оборудования предназначается для значительно большего эксплуа­ тационного ресурса. В этих случаях число нагружений практически можно считать неограниченным. Но вследствие повторно-переменного действия напряжений возникает угроза разрушения от усталости. Для предупреждения такого разрушения необходимо эксплуатиро­ вать детали под напряжениями значительно ниже предела текучести. Для деталей эксплуатируемого машинного оборудования неограни­ ченно повторяющиеся переменные напряжения возникают, например, вследствие изменения давления в цилиндрах двигателей, компрес­ соров, при вращении изогнутых валов и осей, а в технологическом оборудовании — под влиянием усилий, возбуждаемых при обра­ ботке заготовок. Иногда повторно-переменные напряжения имеют динамическое происхождение. Например, динамические напряжения возникают при ударах корпуса о встречные волны, о льдины, из-за неплотности соединений деталей работающих машин. Каждый удар возбуждает затухающие свободные колебания и соответствующие повторно-переменные напряжения.

Динамические нагрузки, действующие периодически, в частности давление воды на корпус судна в районе гребных винтов, инерцион­ ные силы при вращении неуравновешенных элементов, вызывают вынужденные колебания (вибрацию). При неблагоприятных частотах возмущающих сил амплитуды напряжений, вызываемых вибрацией,

13

могут оказаться настолько значительными, что будут создавать угрозу разрушения от усталости. Примером может служить разру­ шение Такомского моста в США. Мост подвесной конструкции пред­ назначался для движения пешеходов и автотранспорта. Однажды в течение нескольких часов ветер устойчивой скорости и направле­ ния срывал сбегающий с проезжей части моста поток воздуха (явле­ ние флаттера), в результате чего аэродинамические силы стали дей­ ствовать с частотой, близкой к частоте свободных колебаний моста или равной ей. Мост начал раскачиваться, амплитуда колебаний постепенно увеличивалась и достигла такого большого значения, что эксплуатация моста оказалась невозможной. Из-за повторно-пере­ менного действия чрезмерно высоких напряжений, значение кото­ рых явно достигало предела текучести, элементы моста начали ча­ стично разрушаться. Затем проезжая часть, утратившая часть связей, сломалась и рухнула в реку.

При упругих колебаниях и сравнительно невысоких повторно­ переменных напряжениях возникновение и распространение трещин усталости происходит после продолжительной эксплуатации. Такие трещины возникли, например, в переборке одного корабля, резони­ рующей с работающими механизмами. Однако с распространением трещин жесткость переборки уменьшилась, и вибрация стала затухать. Вместе с тем прекратилось дальнейшее распространение трещин усталости.

Рассмотренные кратко примеры позволяют заключить, что раз­ рушение от усталости, обусловленное повторно-переменным действием напряжений, представляется случайным событием. Во-первых, это разрушение предопределяется вероятностным спектром нагружений и их повторяемостью, во-вторых, разрушение зависит от вероят­ ности появления конструктивных дефектов и технологических по­ роков материала, способствующих возникновению трещин усталости. На практике разрушения от усталости оказываются событиями малой вероятности. Это достигается продуманным проектированием, исключающим чрезмерную вибрацию и концентрацию напряжений, а также повышением технической культуры, что позволяет свое­

предопределяющие повреждения материала конструкций

Предельные состояния конструкций, эксплуа­ тируемых под нагрузкой, в основном обусловливаются механиче­ скими повреждениями или разрушениями материала, работающего в составе этих конструкций. Значительное влияние на повреждение оказывают также физические и физико-химические факторы, усили­ вающие действие механических факторов, а иногда и изменя­ ющие в неблагоприятную сторону свойства материалов. К механи­ ческим факторам относятся внешние и внутренние силы, напряже­ ния, деформации и соответствующие им перемещения.

14

Деформация и напряженность взаимосвязаны. Деформация мо­ жет быть упругой, т. е. обратимого характера, и пластической, состоящей из упругой и остаточной частей. Упругая часть деформа­ ции предопределяется изменением размеров атомно-кристаллической решетки. При этом возбуждаются внутренние силы сопротивления деформированию. Атомно-кристаллическая решетка обладает свой­ ством восстанавливать свои размеры после устранения внешнего воздействия, чем и объясняется упругость материала. Деформации количественно представляются геометрическими характеристиками, а интенсивность внутренних сил — напряжением.

Ранее уже были рассмотрены повреждения материалов, рабо­ тающих в составе конструкций. Эти повреждения были обусловлены действием напряжений от технологических, пробных или эксплуа­ тационных нагрузок. Различные материалы, в зависимости от их физических свойств, обладают разной способностью выдерживать без повреждения действие напряжений. На физические свойства материалов, в свою очередь, оказывают влияние температура, ско­ рость деформирования, продолжительность выдержки под напря­ жением, агрессивное действие внешней среды. Так, например, под влиянием нагрева металлические материалы размягчаются, чем облегчается их пластическая обработка. Длительная выдержка под напряжением способствует пластическому последействию и вызывает явление ползучести. Сопротивление пластическому деформирова­ нию в этом случае оказывается значительно меньше, чем при кратко­ временном нагружении. Коррозионная среда оказывает отрица­ тельное влияние на хрупкую и усталостную прочность. Так, под влиянием влажной атмосферы, особенно при наличии аммиака, про­ исходит хрупкое разрушение латунных изделий, длительно испыты­ вающих растягивающие напряжения. Примером служит растрески­ вание гребных винтов, отлитых из латуни и испытывающих действие остаточных растягивающих напряжений, возникающих после за­ варки дефектов. Растрескивание происходит при хранении гребных винтов на открытых заводских площадках [15].

В другом примере (из зарубежной практики) [74] от коррозион­ ного растрескивания страдали латунные гильзы. Эти гильзы дли­ тельно хранились в условиях жаркого, влажного климата Индии, подвергаясь действию растягивающих напряжений от тугой посадки на ружейные пули.

Общеизвестна низкая усталостная прочность стальных пере­ менно-напряженных деталей, работающих при соприкосновении с водой без защиты поверхности. Характерными примерами служат коррозионно-усталостные изломы гребных валов транспортных и рыбопромысловых судов, а также ледоколов. Продолжительное эксплуатационное время таких судов обусловливает высокие цикли­ ческие пробеги гребных валов под переменным действием напря­ жений. Иногда из-за недостаточно надежной защиты от соприкос­ новения с морской водой возникает угроза коррозионно-усталост­ ного разрушения вала с отделением той части, на которую насажен гребной винт. Е. С. Рейнбергом [58] приводятся сведения о таких

15

изломах гребных валов с потерей гребных винтов. Аварии произо­ шли в разных районах Мирового океана. Буксировка судов, утра­ тивших самостоятельный ход из-за потери гребных винтов, и осо­ бенно восстановление гребного вала с винтом требует больших затрат и сокращает эксплуатационное время судов.

Из-за неограниченного разнообразия эксплуатационных напря­ женных состояний элементов реальных конструкций эксперимен­ тально не удается воспроизвести их полностью на образцах. Однако разработаны гипотезы прочности, которые позволяют предельные напряжения, установленные в сравнительно простых условиях, применять для оценки прочности того же материала, работающего при более сложных условиях в составе конструкции. Предельные напряжения, охватываемые кривой сопротивления пластическому деформированию, например предел текучести или временное сопро­ тивление, находятся из испытаний гладких образцов на осевое статическое растяжение. Способность материалов деформироваться пластически в неблагоприятных условиях определяется по данным испытаний надрезанных образцов при возбуждении объемного растя­ жения в зоне надреза. На усталость испытываются образцы гладкие и с концентраторами, преимущественно при повторно-переменном изгибе или при осевом деформировании. При испытаниях образцов на усталость не составляет большого труда обеспечить действие коррозионной среды, если это нужно. В последние годы стали про­ водиться испытания на усталость по программе нагружения в соот­ ветствии с вероятностным распределением эксплуатационных напря­ жений. Однако обработка и обобщение соответствующих данных встречает затруднения и вызывает дискуссию в среде специалистов.

Г Л А В А II • ПРЕДЕЛЬНЫЕ СОСТОЯНИЯ МАТЕРИАЛА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ОБЪЕМНОСТИ И ИНТЕНСИВНОСТИ ВНУТРЕННИХ СИЛ

С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ УСЛОВИЙ

§4

Упругая и пластическая деформация

Упругость конструкционных металлических материалов объясняется стремлением атомно-кристаллической ре­ шетки восстанавливаться до размеров, при которых потенциальная энергия системы междуатомных связей оказывается наименьшей. Вследствие электростатической природы, междуатомные связи пред­ ставляют собой взаимодействие сил притяжения частиц, имеющих заряды разных знаков, с силами отталкивания частиц с зарядами одинаковых знаков. На рис. 3 представлены силы притяжения и отталкивания'для системы, состоящей из двух атомов, расположен­

16

процесса. Эта величина намного превосходит упругое относитель­ ное удлинение е высокопрочной стали с пределом текучести сгт = = 100 кгс/мм2, для которой оно составляет (в пределах упругости)

Ь 100 = 2 •104 ■100 = 0,005, т. е. 0,5%. Растягивающее напря-

жение, соответствующее наибольшей прочности, по теоретическому расчету может составлять около половины модуля упругости, что

много, они оказывают некоторое упрочняющее действие (рис. 4). Но при всех условиях материал, насыщенный дефектами атомно­ кристаллической решетки, слабее бездефектного материала. Строе­ ние, близкое к бездефектному, имеют нитевидные кристаллы («усы»). Полученные искусственным путем нитевидные кристаллы имеют диаметр иногда меньше микрона, а длина их достигает 12 мм. Сопро­ тивление разрыву разных металлов, установленное экспериментально на нитевидных кристаллах и на обычных образцах из тех же мате­ риалов (табл. 1), свидетельствует о значительно более высокой проч­ ности материала усов [32]. Это объясняется тем, что в материале усов отсутствуют дефекты кристаллической решетки, а в материале обычных образцов указанные дефекты неизбежны. Прочность, достиг-

18

нутая на усах за счет отсутствия дефектов, не утрачивается в усло­ виях высоких температур.

Наличие неизбежных дефектов атомно-кристаллической решетки обычных металлов создает предпосылки к необратимым перемеще­ ниям частей зерен друг относительно друга. Эти перемещения про­ исходят путем скольжения по плоскостям кристаллической решетки, в которых атомы расположены наиболее плотно, а сопротивление

сдвигу оказывается наименьшим. В результате необратимых сколь­ жений материал становится пластичным, и под влиянием силового воздействия развивается реологический процесс. При этом возни­ кает как упругая деформация, так и значительные необратимые перемещения больших групп атомов при сохранении внутренних связей (течение материала). Реологический процесс завершается разрушением материала с наступлением утраты его внутренних связей. В условиях реологического процесса остаточные деформации возбуждаются напряжениями, величина которых иногда в тысячи раз меньше напряжений, рассчитанных на основе теоретической прочности. Кристаллическое зерно, или монокристалл, 1 (рис. 5, а) представлено моделью 1 (рис. 5, б) в виде колоды карт, в которой