книги / Хладноломкость металлоконструкций и деталей машин

И. А. РАЗОВ

ных резервуаров, газопроводов, мостов и т. п.) и деталей машин от хладноломкости представляют большую опасность и наносят огромный ущерб народному хозяйству. Необходимо расследо­ вание каждого случая в отдельности и анализ всех известных случаев аварии, потому что выводы, сделанные при этом, долж­ ны учитываться как при проектировании и изготовлении новых конструкций, так и при эксплуатации старых, уже существую­ щих.

Хрупкое разрушение от хладноломкости протекает в две ста­ дии. Первая стадия — это возникновение очага хрупкого излома, возникновение первой микротрещины, которая может носить хрупкий, усталостный или даже вязкий характер, и достиже­ ние микротрещиной критических размеров. Вторая— это рас­ пределение хрупкой трещины, распространение хрупкого изло­ ма в конструкции.

По нашему мнению, наибольшую опасность для сварных кон­ струкций представляет именно вторая стадия, так как первая — возникновение микротрещин — часто оказывается прейденной, причем микротрещины либо остаются незамеченными и имеют­ ся в сварных конструкциях несмотря на жесткий контроль сварных соединений, либо образуются в процессе эксплуатации. Поэтому второй стадии хрупкого разрушения, а именно — вопросу о распространении хрупкого излома в конструкциях— и уделено в работе наибольшее внимание.

Факторы, определяющие распространение хрупхого излома, следующие: 1) повышенная склонность стали к хладноломкости,

Рис. I Определение критической температуры хрупкости на стандартных образцах Менаже по ударной вязкости и виду излома:

1 — аи = / ((9); 2 — динамика: 3 — статика.

гов концентрации напряжений.

Склонность стали к хладноломкости принято оценивать кри­ тической температурой хрупкости 7\. , характеризующей фак­ тический или условный переход от вязких, пластичных изломов к хрупким или полухрупким. Критическую температуру хруп­ кости можно определять как по полной или удельной работе деформации (ударная вязкость а„ ), так и по виду излома. Су­ ществует достаточно много способов определения критической температуры хрупкости.

Рассмотрим методы оценки Тк на образцах стандартного раз­ мера, т. е. 10 X 10 х 55 мм.

В Советском Союзе наиболее старым является метод сериаль­ ных испытаний Н. Н. Давиденкова [11, заключающийся в испы­ тании на удар серии стандартных образцов Менаже при понижаю­ щихся температурах. На кривой ударная вязкость—температу­ ра (рис. 1) обычно наблюдается срыв значений ударной вязкости,

Тенпература,°С

Рис. 2. Определение критической температуры хрупкости по ударной вязкос­

зом (ГОСТ 9454—60) кривая имеет плавный характер (рис. 2). В этом случае критическая температура хрупкости по предло­ жению Е. М. Шевандина обычно определяется по снижению

3 кгс -м/см2 [31.

При определении критической температуры хрупкости по виду излома в судостроении критерием является относительная волокнистость излома, равная 65—70% [41. Эта температура обычно определяется на образцах с острым надрезом и обозна­ чается Г70 или Тк,д.у, что означает критическая ударная по Дра-

служит содержание 65—70% волокна в изломе, прячем практи­ чески это температура, при которой ни один из пяти испытанных образцов не содержит в изломе менее 65—70% волокна. Эта тем­ пература обозначается Тк.д.с, т. е. критическая статическая по Драгомирову.

В США и Англии определение критической температуры хрупкости также производят либо по ударной вязкости (удар­ ной работе), либо по виду излома. Используются образцы Шарпи с радиальным надрезом (глубина надреза 5 мм, радиус дна надреза 1 мм), с-о образным надрезом, а также образцы Шнадта. Последние отличаются от Шарпи с о-образным надрезом лишь большей остротой надреза и исключением из рассмотрения сжатой зоны путем использования цилиндра из закаленной стали.

При испытании образцов Шарпи также наблюдается зона разброса значений ударной работы (рис. 3). За критическую тем­ пературу хрупкости принимается температура, соответствующая середине зоны разброса (Тк ). При испытании образцов с острым надрезом получается плавная кривая, и критическую температуру хрупкости определяют по следующим критериям (рис. 4): снижение работы удара в два раза, снижение работы удара до 30, 20, 15 или 10 футо-фунтов. Критерием Тк по виду излома служит содержание волокна в изломе, равное 50% (Т'кут — Для удара и Ткс(50) — для статики).

Какую же критическую температуру следует брать за основу при оценке сопротивляемости стали распространению хрупкой трещины?

Во-первых, для учета эффекта концентрации напряжений определение Тк по ударной вязкости необходимо производить лишь на образцах с острым надрезом. Острота надреза 0,2— 0,3 мм является достаточной, так как при дальнейшем увели­ чении остроты критическая температура повышается весьма не­ значительно (на 5—10°) [2].

Во-вторых, острый надрез способствует раннему возникнове нию трещины, т. е. работа образования трещины незначительна, и полная работа удара фактически характеризует сопротивляе­ мость стали распространению трещины.

То же самое можно сказать и о критической температуре хруп­ кости, определяемой по виду излома, ибо она характеризует свой ства стали уже после возникновения трещины в надрезе.

На основании большого количества экспериментальных дан­ ных для углеродистых и низколегированных конструкционных сталей установлены следующие соотношения между разлнч ными критическими температурами хрупкости:

ТК20 — критическая температура хрупкости на образцах Шарпи, отвечающая достижению величины работы, равной 20 футо-фунтам;

ТКт — критическая температура хрупкости на образцах Шарни, определенная в середине зоны разброса значений удар­ ной работы.

Между американскими и нашими критериями склонности стали к хрупкости можно установить следующие соотношения (в °С):

Тк 0,25 = Ту 15 = Ть 10; Тк.д.у = Т7о = 15° -Ь Тк.у

П-л, = Т'к.с (50)'

Несмотря на существование определенных приближенных соотношений, установление критической температуры хруп­ кости необходимо производить одним-двумя методами на опре­ деленном типе образцов. Отсюда вытекает необходимость раз­ работки ГОСТа или нормали для оценки склонности стали к хрупкости, который позволит сопоставлять между собой данные различных исследований.

Важная роль остаточных напряжений, под которыми сле­ дует понимать главным образом напряжения от сварки, сборки, температурные напряжения, установлена давно. Известно, что хрупкие разрушения сварных конструкций происходят обыч­ но при низких расчетных напряжениях, а в ряде случаев даже при отсутствии внешней нагрузки. В то же время, как показали испытания больших плоских образцов с острыми надрезами при низких температурах, но проведенных либо без сварки, либо после снятия сварочных напряжений, разрушение таких образ­ цов происходит при напряжениях порядка предела текучести. Об этом свидетельствуют, в частности, данные Шеверницкого [6]. Кнхара и Масубуки [71, испытывая на растяжение свар­ ные образцы с надрезами после предварительного нагружения, убедительно доказали, что разрушающие напряжения возраста­ ют в результате пластической деформации, протекавшей при пред­ варительном нагружении; величина сварочных напряжений уменьшалась (табл. 1).

Т а б л и ц а 1

Влияние остаточных напряжений на хрупкое разрушение сварных образцов с надрезом (по данным X. Кихара и К. Масубуки)

Уровень рабочих напряжений от внешней нагрузки должен оказывать определенное влияние на хрупкие разрушения свар­ ных конструкций, так как в конце концов распространение хрупкой трещины должно определяться суммарной величиной напряжений от внешней нагрузки и остаточных напряжений.

турный запас вязкости вычисляется по формуле

ТЛ - Т К ___АТ

Т„ Т0 ’

где Г0 и Тк — соответственно наиболее низкая температура эксплуатации конструкции и критическая температура хруп­ кости, °К.

По мнению Н. Н. Давиденкова, запас вязкости, как и запас прочности, должен выражаться безразмерным числом. Однако более целесообразно определять температурный запас вязкости просто абсолютной величиной Д Т = Т0— Тк и в градусах Цельсия, тем более, что запас вязкости, по Н. Н. Давиденкову, оказывается зависящим при данном А Т от температуры эксплу­ атации (Т0).

Наконец, наличие технологических или конструктивных очагов концентрации напряжений, приводя к увеличению сте­ пени объемности напряженного состояния, вызывает повышен­ ную хрупкость. Работами Е. М. Шевандина и И. А. Разова 19] установлено, что увеличение остроты надреза, т. е. увеличение степени «жесткости» очага концентрации напряжений приводит к возникновению предельного напряженного состояния, чему соответствует предельная критическая температура хрупкости. Таким образом, фактор концентрации напряжений в сварных конструкциях может быть учтен путем определения критичес­

Из этого краткого рассмотрения основных факторов, харак­ теризующих возможность хрупких разрушений сварных кон­ струкций, следует, что фактически определяющими являются два: температурный запас вязкости и уровень номинальных нап­ ряжений. Первый фактор учитывает как концентрацию напря­ жений, так и температуру эксплуатации. Что касается фактора остаточных напряжений, то поскольку его практически учесть невозможно, можно предположить, что остаточные напряжения

сварных конструкциях. Это приводит к необходимости установ­ ления зависимости между .температурным запасом вязкости и уровнем номинальных напряжений от внешней нагрузки.

Однако установление такой зависимости по данным различ­ ных аварийных случаев крайне затруднительно прежде всего из-за отсутствия всех необходимых данных. Поэтому наряду с анализом таких случаев аварий мы также пользовались резуль­ татами испытаний больших пластин в полную толщину листа

.Рис. 5. Зависимость относительной величины разрушающего напряжения от температурного запаса вязкости по данным испытаний крупногабаритных об­

разцов С. И Александрова:

с острыми надрезами или трещинами при разных температурах

способами: выстрелом, ударом, за счет сварочных напряжений и т. п. Так, было установлено,' что разрушающее напряжение, при котором хрупкая трещина распространяется по всему се­ чению образца, зависит от температуры, причем величина раз­ рушающих напряжений оказалась ниже предела текучести.

В опытах С. И. Александрова [10] испытывались плоские образцы нескольких марок сталей шириной от 250 до 500, дли­ ной от 1000 до 4500 мм и толщиной от 5 до 20 мм. Образцы имели центральный надрез предельной остроты, причем условия на­

либо сразу, либо при весьма малых нагрузках к трещине. В дру­ гой серии опытов трещина создавалась за счет удара по клину, проходившему через круглое отверстие надреза в середине об­ разца. Кроме того, испытывались образцы с наплавленными хрупкими валиками у дна надреза.

Рис. 6 Зависимость относительной величины разрушающего напряжения от температурного запаса вязкости по данным испытаний крупногабаритных

образцов Фили и сотрудников:

Результаты испытаний представлены на рис. 5 в координа­ тах АТ = Т0— Тк и а/ог где ДТ— температурный запас вязкости. В качестве критической температуры хрупкости Тк была взята критическая температура хрупкости ТК<ДЛ, определенная по виду излома на образцах типа Менаже с острым надрезом. Та­ ким образом фактор концентрации и объемности напряженного состояния учитывался величиной Тк.д>с.

Приведенные данные свидетельствуют, что уровень действую­ щих напряжений, приводящих к хрупкому распространению трещины, сильно зависит от температурного запаса вязкости. Так, при ДТ < 0° относительный уровень напряжений, вызы­ вающий распространение хрупкой трещины по сечению образ­ ца, составляет 0,25—0,30 от предела текучести. При Д7’= 1 0 :'—

расчетов прочности сварных конструкций, которые эксплуати­ руются при пониженных температурах.

Фили с сотрудниками также испытывал при пониженных тем­ пературах большие плоские образцы с боковым надрезом, в ко­ торых микротрещина создавалась за счет удара в плоскости образца [11,12]. По экспериментальным данным, приведенным

1,0

Рис. 7 Зависимость относительной величины разрушающего напряжения от температурного запаса вязкости по данным испытаний А. С. Фалькевичаи сотрудников.

1 — БСт. 3 бессемеровская; 2 — МСт. 3 спокойная; 3 — МСт. 3 кипящая; 4— МСт. 3 улучшенная; 5 — низколегированная марганцовистая.

в координатах а /а т = / (Д Г ^ То—Гк), причем за Гк было взято 7^0,25 находящееся в прямой связи с Тк.д.с Тк0)25 = Г к.д.с — —20 . Из рис. 6 видно, что минимальный уровень напряжений, вызывающий распространение хрупкой трещины, равен 0,25 а т

дить при напряжениях порядка предела текучести. Таким об­ разом, можно видеть, что в области квазихрупких разрушений, где а/ст = 0,25—0,30, и вязких, где о/от > 1, данные С. И. Алек­ сандрова и Фили полностью совпадают. Различие наблюдается лишь для области, где

0,25 — 0,30 < а/стг < 1.

По-видимому, это следует связывать с методикой испыта­ ний. В работе Фили она была более жесткой, поскольку для ини­ циирования хрупкой трещины использовался метод динамичес­ кого нагружения. Величина сообщаемой образцу динамической энергии и являлась трй причиной, которая оказывала определен­ ное влияние не только на напряжение возникновения хрупкой