книги / Хладноломкость металлоконструкций и деталей машин

минимум температуры. Все разрушения несущих балок галереи происходили в нижней ее части, не соприкасающейся с кирпич­ ной кладкой.

По химическому составу металл несущих балок соответ­ ствовал кипящей стали марки ст. 3. Хрупкие разрушения об­ разцов типа I, вырезанных из балок, начинались при температу­ ре — 30° С. В тех же климатических условиях в течение ряда

..чет безаварийно эксплуатируется такая же галерея, изготовлен­

гемпературе —30°С произошел обвал сварных ферм строящегося перекрытия крупного цеха. Металлоконструкции перекрытия были изготовлены методом сварки из малоуглеродистого про­ ката с высоким содержанием фосфора — 0,1%, сталь с таким содержанием фосфора обнаружила очень высокую склонность

хладноломкости. Ударная вязкость при комнатной темпера­ туре была близка нулю. Обвалившиеся в результате хрупкого разрушения фермы были нагружены только собственным весом, так как кровля еще не была установлена. Начало трещины уста­ новить не удалось, так как при падении элементы ферм раска­ лывались на несколько частей. Грубых дефектов сварки в кон­ струкциях не было. Основной причиной хрупкого разрушения

из металлургических заводов вследствие хрупкого разрушения нижнего пояса моста обрушился 50-тонный мостовой кран. Исследование показало, что элементы нижнего пояса моста из­

реза. Эта зона сохранилась после раскроя листов, так как строж­ ка кромок заводом-изготовителем не производилась. Трещина была замечена в период эксплуатации при положительной тем­ пературе, но она не выводила деформацию моста за допустимые пределы и не увеличивалась, а потому эксплуатация крана про должалась. При резком снижении температуры'трещина мгно­ венно распространилась на все сечение при незначительной ра­ бочей нагрузке крана.

В описанном случае причинами разрушения были малая хладостойкость металла и наличие технологического дефекта. Хотя дефект был обнаружен своевременно, недооценка опасности дала возможность проявиться склонности конструкции к хладнолом­ кости.

Большое влияние на хладностойкость сварной конструкции оказывает температура окружающего воздуха, при которой про­ исходит сварка. Качество сварных соединений, выполненных при низкой температуре, значительно ниже, чем качество свар­ ных соединений, выполненных при прочих равных условиях, нс при положительной температуре. Чем ниже температура при сварке, тем больше возможность появления трещин. Это объ­ ясняется повышением напряжений первого и второго рода и уве­ личением количества газов (кислорода, азота, водорода), раст­ воренных в металле шва при сварке.

Мы расследовали случай массового образования трещин при монтаже понтона драги в зимнее время. В различных частях понтона было обнаружено 13 трещин различных размеров (до 3 м). В условиях монтажа аналогичных понтонов в теплое вре­ мя года трещины не возникали. Аварийный понтон имел целый комплекс факторов, усиливающих хладноломкость, Часть лис­ тов была из стали марки ст. 3 кипящей плавки. Конструкция была сильно напряжена при сборке под сварку, сварочные ра­ боты выполнялись при температурах до —30° и даже ниже. Свар­ ные шзы как монтажные, так и выполненные на заводе при из­ готовлении секций, имели большое количество дефектов.

Анализ разрушений сварных конструкций, происходящих при низких температурах, показывает, что одним только пра­ вильным выбором металла нельзя предотвратить опасность хруп­ кого разрушения. Неудачная конструкция сварного соединения и неудовлетворительное ее технологическое исполнение —. очень частые причины хладноломкости. Технологические требования к качеству сварки при изготовлении конструкций, поставляе­ мых в северные районы, должны быть более высокими, чем при

2. В. В. Ш е в е р н и ц к и й , В. И. Н о в и к о в , Г. В. Ж е м ч у ж ­

6.В. В. Ко т о в , В. Г. С а в и ц к и й . Особенности сварки при ремонте конструкций, работающих в условиях низких температур, Иркутск,

Иркутский совнархоз, Центральное бюро технической информации, 1960. 7. Г. В. У ж и к. Прочность и пластичность металлов при низких темпе­

ратурах. Изд. АН СССР, 1957

8.А. С. Ф а л ь к е в и ч. Прочность сварных цилиндрических резервуа­ ров. М., Машгиз, 1958.

Л. А. КОПЕЛЬМАН

ВЛИЯНИЕ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

Как известно, наряду с обычными повреждениями стальных конструкций, связанных с перегрузками, в условиях эксплуа­ тации имеют место хрупкие разрушения, происходящие при весь­ ма низких (3 Ч- 10 кгс/ммг) средних напряжениях от внешней статической нагрузки. Так как склонность к хрупкому разру­ шению возрастает при увеличении толщины сечений, общепри­ нятая методика расчета по средним напряжениям и «коэффици­ ентам запаса» не может гарантировать надежность конструк­ ции в условиях хладноломкости. В связи с этим на кафедре сва­ рочного производства ЛПИ им. М. И. Калинина была сделана попытка разработать уточненную расчетную методику для дан­ ного случая.

Экспериментально установлено [1, 2], что хрупкие разруше­ ния при низком уровне напряжений имеют место только при сов­ местном воздействии таких неблагоприятных факторов, как низ­ кая температура, острый надрез, остаточные напряжения или другой конструктивный концентратор, создающий в области надреза повышение напряжения.

Для того чтобы выявить характер влияния температуры и остаточных напряжений, рассмотрим простейший случай: одноосное растяжение элемента с остаточными напряжениями, действующими вдоль внешней нагрузки, и без них. При этом ус­ ловием зарождения вязкого разрушения будет достижение плас­

намного ниже сопротивления отрыву 5отр, и в процессе растяже­ ния и упрочения критическая деформация екр достигается рань­ ше, чем напряжения возрастут до 50тр. В результате происходит зарождение вязкого разрушения. При снижении температуры растяжения до какого-то значения (его можно назвать «переход­ ной температурой по виду излома») сопротивление материала пластическим деформациям возрастает настолько, что нормаль­ ные напряжения достигают сопротивления отрыву в тот момент, когда пластические деформации достигают критической вели­ чины. Начиная с этой температуры и ниже, происходит разру­ шение от отрыва после значительных пластических дефор­ маций.

При еще большем снижении температуры пластическая де­ формация, предшествующая разрушению, будет снижаться и, наконец, при каком-то значении (назовем его переходной тем­ пературой нулевой пластичности и обозначим Тил) станет рав­ ной нулю. На схеме Иоффе эта температура соответствует точ­ ке пересечения кривых предела текучести и сопротивления отрыву. С дальнейшим снижением температуры характер раз­ рушения не изменяется, однако прочность может возрастать, так как микродефекты, необходимые для отрыва, зарождаются при достижении предела текучести [3, 4].

Если до нагружения в материале существовали остаточные напряжения, то их воздействие суммируется с воздействием внешней нагрузки. Для грубой оценки можно принять, что кри­ тическая пластическая деформация для малоуглеродистой стали

экстраполяции экспериментальных данных Бриджмена 151 по растяжению при больших гидростатических сжатиях. Оказы­ вается, что критическая деформация снижается приблизитель­ но в 2 раза, т. е. екр= 30%. В связи с объемностью напряжен­ ного состояния остаточные напряжения могут быть больше пре­ дела текучести гладкого образца, но, как показывают расчеты, даже в самых неблагоприятных условиях они не превышают 5ат. Таким образом, наибольшая возможная упругая деформация, связанная с ними, еост = 0,5%. Подставив численные значения в (1а), получим

откуда видно, что и в присутствии надреза остаточные напряже­ ния не могут существенно влиять на работоспособность вязкой стали. Ввиду большей возможной величины остаточных напря­ жений и меньшей екр переходный интервал изменения проч­ ности элемента с надрезом несколько расширится в область тем­ ператур выше Тил, однако учитывая соотношения значений предельно возможных деформаций (см. выражение (16)), можно ожидать, что расширение будет малозаметно, т. е. существенное влияние остаточных напряжений на прочность элемента прояв­ ляется в присутствии концентратора напряжений только при температурах ниже Г|ьп. Пределы изменения средних разру­ шающих напряжений Р можно оценить из выражения

Выражение для определения Г,,.,, в заданной макроскопичес­ кой точке элемента конструкции можно получить, если- (3) по­ делить на максимальное главное напряжение и последнее приравнять сопротивлению отрыва. Тогда выражение примет вид:

Вычислив это выражение по графику рис. 1, нетрудно найти соответствующее значение ТКшЛдля малоуглеродистой кипящей стали Ст. 3 в состоянии после прокатки. Для другой стали или другого металлографического состояния данной стали,

необходимо построить аналогичный график по результатам за ­ меров предела текучести на гладких образцах и определения соп­ ротивления отрыву каким-либо из известных способов.

Если в области концентратора напряжений имеется поле на­ пряжений с главными напряжениями от внешней нагрузки совпадающими по направлению состаточными напряжениями а (ост, то суммарные главные напряжения молено представить в виде суммы

где 1 = 1, 2, 3 — главные направления тензора напряжений. Если обозначить соотношения между главными напряжения­

а остаточные напряжения выразить через предел текучести глад­ кого образца

О ю ст= п а т, ^20ст = ^ г > Сзост= т а т, ( ^)

то, после подстановки (6) и (7) в (5) и в (4), последнее уравнение можно преобразовать к виду

где Я = 1?.

а1Ь

Найдя из этого уравнения значение Я, нетрудно определить

Из выражения (8) видно, что Я, а следовательно, и ТПшП за­ висят не только от соотношений напряжений от внешней нагруз­ ки и и р, но и от значений остаточных напряжений (п, /, ш). Для оценки влияния этих факторов рассмотрим напряженное состояние в минимальном сечении пластины с глубокими двусторонними гиперболическими надрезами (рис. 2 сверху), рас­

Ввиду того, что трудно ожидать больших остаточных напря­ жений <ту0СТ в минимальном сечении такого элемента вблизи

как показалх анализ уравнения (8), остаточные напряжения, ориентированные перпендикулярно оси надрезов и вдоль внеш­ ней нагрузки (рх0ст)| мало сказываются на переходной темпера­ туре Г,,.,,, Этот вывод подтверждается экспериментальными ре­ зультатами Загородских [7] и Дегтярева [81. Вследствие ска­ занного можно с достаточной для практики точностью в уравне­

полученное путем вычисления формулы (13) и (9) с помощью графика рис. 1, приведено на рис. 2. Шкала переходных темпе­ ратур соответствует стали Ст. 3 в состоянии после прокатки. В нижней части рисунка построены в масштабе контуры надре­ зов, соответствующие приведенным кривым. '

Вычисления переходных температур производились в двух случаях: при отсутствии остаточных напряжений (агост= 0 ) и при наличии вдоль оси надреза остаточных напряжений растя­ жения, равных пределу текучести (<тгост= а т).

Из графика видно, что переходная температура точек, лежа­