па, деформированного на 5% при температурах от 1 0 0 до 4 0 0 °С , было определено, что для исследуемой стали температурный диапазон наибо­ лее интенсивного деформационного старения находится в интервале 275 —3 ОООС. На образцах для испытаний на изгиб наносили надрез глу­ биной 1 2 ,5 мм, а затем усталостную трещину длиной 2 мм и провели

пять серий испытаний. На образцах первой серии была определена тем­ пературная зависимость РТ в исходном состоянии. Образцы остальных четырех серий предварительно подвергались знакопеременному изгибу различной интенсивности при разном числе циклов и температуре 2 75 —3 0 0 °С . Затем в образцах каждой серии определялась темпера­ турная зависимость РТ.

Условия испытаний и их результаты приведены в табл. 1 0 и на рис. 7 6 . Раскрытие трещин при высокотемпературной цикличности иэгибных образцов измерялось скобовым датчиком и пересчитывалось к вершине трещины в предположении, что пластичный шарнир находится

турной циклической деформации изгибных образцов увеличивается

происходит насыщение деформационного старения и зависимости рас­ крытия трещины изгибных образцов и сосудов давления от температуры почти совпадают, особенно если 8С< 0 ,2 5 мм. Сосуды давления, ре­ зультаты испытания которых также приведены на рис.76, подверга­ лись многократному циклическому деформированию при температурах 275 —3 0 0 °С и затем разрушались при температурах - 1 0 , + 20 и +45°С с измерением КРТ у вершин сквозных продольных надрезов.

Таким образом, авторы [1 1 6 ] показали, чт° переходную темпера­ туру и КРТ для сосудов давления, подвергаемых определенному тер­ мическому и механическому воздействию, представляется возможным установить по результатам статических испытаний на изгиб.

Глава IV . ПУТИ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ

МЕХАНИКИ РАЗРУШ ЕНИЯ

1.Обеспечение надежности конструкций

Главная цель механики разрушения состоит в определении сопро­ тивления распространению трещины материала по испытаниям специаль­ ного образца, для того чтобы оценить сопротивление разрушению кон­ струкции. Однако работы по предотвращению разрушения связаны не только с оценкой сопротивления распространению трещин. Надежность изделий определяется также и медленным ростом трещины при цик­ лическом нагружении или коррозии под напряжением, уровнем рабочих напряжений и концентрацией напряжений. Кроме того, необходимы тща­ тельный контроль качества выполняемых в процессе производства опе­ раций, применение эффективных методов неразрушающегося контроля для выявления размера, характера и формы дефектов, детальный ана­ лиз условий эксплуатации, квалифицированное проведение ремонтных работ. Усовершенствования на всех этапах производства и контроля способствуют существенному увеличению надежности.

Как правило, разрушения возникают в результате неблагоприятно­ го сочетания нескольких факторов. Можно значительно уменьшить опас­ ность разрушения путем устранения одного из неблагоприятных фак­ торов, но более эффективно и более экономично оказывать равное вни­ мание всем факторам [5 2 ].

Создание реальных материалов и конструкций всегда связано с на­ личием множества компромиссов. Иногда можно довести одно из ка­ честв до высокой степени без вреда для других, но это обычно дорого стоит и не оправдывает себя. Так, например, можно создать стдль с очень низкой переходной температурой хрупкости, но сохранить это свойство в процессе сварочных операций чрезвычайно трудно.

Представляется возможным использовать относительно хрупкие ма­ териалы, но при этом следует обращать серьезное внимание на де­ тальное проектирование. Так, например, многие аварии на сварных су­ дах типа "Либерти" были вызваны значительной концентрацией на­ пряжений в углах люка. Реконструкция этих и других элементен поз­ волила значительно уменьшить число последующих аварий без улучшения свойств используемых сталей.

Правильное проектирование требует не только тщательного анализа для уменьшения концентрации напряжений, но и внимания к саМей кон­ струкции с точки зрения обеспечения технологичности ее изготовления, применения сварки, а также простого и качественного контроля* На­ дежность конструкции определяется прежде всего правильным й^рвоначальным выбором сопротивления материала развитию трещин1'!. Со­ ответствующий метод и параметры сварки, режим предварительного нагрева и т.п. должны быть тщательно определены до начала Производ­ ства, чтобы ограничить опасность существенного уменьшения с/^против-

пения развитию трещины и появления недопустимых дефектов при сварке. В процессе производства конструкций, особенно крупных, сле­ дует строго поддерживать выбранные режимы. Необходимо также осу­ ществлять контроль на стадии термообработки после сварки. Известны случаи разрушения крупных сосудов, которые претерпели аварию вслед­ ствие неправильной термообработки. Иногда выборка выявленного де­ фекта и восстановление места выборки с применением сварки без по­ следующей термообработки могут принести больший вред конструкции, чем оставление дефекта [5 2 ],

Многие удовлетворительно спроектированные конструкции разруша­ лись из-за плохого контроля в процессе монтажа на месте установки. Возникновению разрушения могут способствовать такие монтажные

мальной нагрузкой, которая, как правило, гарантирует прочность из­ делия и иногда позволяет в&швить опасные дефекты. Так, гидроиспы­ тание является одним из контрольных методов при производстве всех сосудов давления. Во многих конструкциях сочетание испытания мак­ симальной нагрузкой и использования достижений механики разрушения может быть применено для определения срока службы.

2. Влияние характеристик материалов, технологии их изготовления и сварки на стойкость конструкций против хрупких разрушений

Широкий круг возможных причин разрушения, возникающих из-за ошибок в процессе проектирования, можно в значительной мере нейт­ рализовать выбором материала, обладающего повышенной стойкостью к разрушению [5 2 ], Различные условия работы конструкций опреде­ ляют различные требования к вязкости материала. Для многих изде­ лий основное требование заключается в предотвращении возникновения хрупкого разрушения.

Определение характера распространения трещин также очень важно, поскольку от этого часто зависит объем катастрофического разрушения. Если трещина стала нестабильной даже в результате ее возникновения при пластической стадии деформирования, разрушение будет катастро­ фическим. Поэтому в трубопроводах следует избегать хрупкого рас­ пространения трещин, которое здесь, как правило, значительно более интенсивно, чем в случае пластического излома. Для трубопроводов следует выбирать материал, который хорошо сопротивляется разруше­ нию в условиях больших скоростей деформации.

Опасность хрупкого разрушения, как ясно из изложенного выше условия перехода от пластического к хрупкому излому, возрастает при увеличении толщины сечений и уменьшении вязкости материала. Выше

турных поковок по результа­ там разгонных испытаний

1 - 20ХН2МФА, электрошлаковый переплав; 2 - 20ХНЗМФА, электрошлаковый переплав; 3 - 20ХНЗМФА - вакуумно-дуговой переплав; 4 ,5 ,б ,7 - вакуумная раз­ ливка, соответственно сталей мартеновской выплавки 25ХНЗМФА, 20ХН2МФА, 20Х2НМФА, 34ХМА; 8 - диск с трещиной в наплавке

менении технологии изготовления двух дисков из одного слитка мар­ теновской плавки и вакуумной разливки.

4. Оказалось, что содержание легирующих элементов в пределах опробованных составов незначительно влияет на сопротивление разви­ тию трещин. Главное внимание на Кс оказывает технология изготов­

пользование стали с меньшим содержанием углерода и большим содер­ жанием легирующих элементов обеспечило при увеличении на 50% пре­ дела текучести получение натурных поковок сварных роторов со сред­

ных роторов должны быть примерно одинаковыми, что позволило реко­ мендовать изготовление поковок для нового высоконагруженного сварного ротора из слитков электрошлакового переплава.

Были определены также температурные зависимости сопротивления

стали 18Х2НМФА, выплавленной в электропечи с использованием чис­ тых шихтовых материалов и разлитой в вакууме.

Результаты испытаний, приведенные на рис. 7 9 , показывают, что у стали 18Х2НМФА кривая температурной зависимости распола­ гается значительно выше, чем у стали 20ХН2МФА. Наиболее высокие

значения были получены на нержавеющей стали 00X12H3Cf с пре-

дуемом месте конструкции при действующих рабочих нагрузках. В этом случае должны учитываться напряжения не только от внешних сил, но также термические и остаточные напряжения. В анализе на­ пряжений не учитывается наличие дефекта, если его размеры малы по сравнению с размером элемента конструкции. Когда же дефект в кон­ струкции имеет большие размеры и может оказывать влияние на ве­ личину напряжения, необходимо корректировать номинальное напряже­

реходы, центральные части дисков и роторов с отверстиями, необхо­ димо знать величину и направление главных напряжений в связи с размерами, формой и ориентировкой предполагаемого или известного дефекта. Определенные указанным способом номинальные напряжения для конкретной конструкции с трещиной могут использоваться вмес­ те с соответствующим выражением К для подсчета коэффициента ин­ тенсивности напряжений у кончика трещины при наиболее важном для конструкции уровне приложенных напряжений.

Данные по расположению, величине, форме, ориентации и распреде­ лению дефектов в конструкции имеют существенное значение при про­ ведении. анализа с позиций механики разрушения для определения кри­ тических или допускаемых напряжений. Для выбора соответствующего выражения К важно знать расположение и форму дефекта. Выражения К для различных геометрий и условий нагружения содержат характерный размер дефекта, что требует его определения в конкретных конструк­ циях. Ориентация дефекта относительно наибольших напряжений в исследуемом элементе определяет опасное направление напряжений.

то иногда необходимо рассматривать всю зону дефектов как один де­ фект. Если же дефекты значительно отдалены друг от друга, их сле­ дует рассматривать как индивидуальные. Скорость роста трещины, про­ ходящей через участки с дефектами, может существенно превышать аналогичную скорость на участке того же изделия без дефектов, что также необходимо учитывать при расчетах.

Главное в вопросе о дефектах - определение разрешающей способ­ ности примененных методов неразрушающего контроля для обнаруже­ ния и описания характерных черт дефектов, которые могут быть в эле­ ментах конструкции. Для получения наилучшей определенности дефек­ тов необходимо использовать различные методы контроля. Рентгенов­ ский контроль может обеспечить двумерное изображение внутреннего дефекта в одной плоскости. Применение ультразвукового контроля в дополнение к рентгеновскому желательно для определения третьего размера дефекта и его ориентации относительно поверхности. Магнит­ ный контроль, или метод проникающих красителей, позволяет обна­ ружить длину трещины на поверхности, а для определения ее глубины необходимо использовать ультразвуковой контроль или специальную ра­