Структура металла и хрупкость стальных изделий

ности стали (Кв) будет достаточным для подавления микроскола при наличии дефекта данной силы j <С 7„р по (10.1), то возможность воз­

никновения лавинного разрушения от данного дефекта будет исклю­ чена, поскольку других путей инициирования разрушения у малого дефекта нет. Остановимся подробнее на критических параметрах дефектов (jKV, KtHp) в сталях, используемых для строительства ма­

гистральных трубопроводов.

Отечественная промышленность изготовляет для газопроводов с рабочим давлением 75 атм трубы диаметром 1420 и толщиной стенки 17,5 мм из стали 09Г2СФ {119], основные механические свойства которой приведены в таблице 10.1. При пределе текучести 47 даН/мм2

ваемая им локальная жесткость меньше 2,5. Как видим, пробле­ ма повышения силовой надежности трубопроводов сводится преж­ де всего к повышению характеристики К в конструкционных ста­

лей. Анализ механических свойств широкого набора типичных

му высокопрочные конструкционные стали оказываются более чув­ ствительными к присутствию различных дефектов. Чтобы увеличить дефектостойкость (в указанном смысле) высокопрочных сталей, не­ обходимо обеспечить опережающее повышение сопротивления микросколу Иж в сравнении с ростом предела текучести. Решать такие за­

дачи технологически трудно — требуется добиться сильного измель­ чения зерна за счет специального легирования и диспергирования всей структуры стали путем тщательно выполненной контролируе­ мой прокатки. Запас вязкости К в одной из таких зарубежных ста­

лей, близкой по прочности к стали 09Г2СФ, находится в пределах 2,4—4,0, что, по-видимому, можно считать признаком ее высокой надежности в трубопроводах. Вместе с тем можно использовать дру­ гой, более простой и экономичный путь повышения дефектостойкости таких сталей, связанный с реализацией резервов, скрытых в применя­ емых в настоящее время запасах прочности. В рассматриваемом при­ мере запас прочности трубопровода по отношению к разрушающему давлению принимается двукратным, т. е. составляет 100 % рабочего давления, равного 75 атм. Давление гидроиспытаний труб на 25 % превышает рабочее. Возникает вопрос, какую роль в обеспечении на­ дежности играют остальные 75 % запаса прочности. Предположим, 10 % учитывают неизбежные колебания в составе и свойствах приме­

няемой стали, еще 15 % — случайные превышения рабочего давле­ ния, возможные в экстремальных условиях. Оставшиеся 50 % запаса резервного давления бесполезны, поскольку для факторов перегруз­ ки макроскопического порядка этот уровень нагружения (150 % ра­ бочего давления составляет почти 115 атм) уже недосягаем даже в самых неблагоприятных условиях, а для обеспечения безопасности от присутствия концентраторов напряжений двукратного запаса по упругим напряжениям совершенно недостаточно, поскольку сопро­ тивляемость стали вредному действию дефектов зависит от ее запаса вязкости, а именно от Кв.

Проведем следующее рассуждение. Предположим, что мы имеем дело с неким силовым элементом, работающим при коэффициенте запаса прочности К п = 2,0. Увеличится ли надежность работы этого элемента, если мы перейдем к большему запасу прочности K D= 3?

Без учета пластических свойств материала на этот вопрос однознач­ но ответить нельзя. Действительно, мы можем повысить запас проч­ ности изделия за счет увеличения прочности стали без увеличения Дмс, например, путем снижения температуры. Очевидно, что несмот­ ря на увеличенное значение коэффициента Кп в данном случае нель­

зя ожидать повышения надежности изделия, поскольку снижение 8а-

2 1 2

паса вязкости К в неизбежно увеличит ее чувствительность к кон­

центраторам напряжений. Хрупкому металлу трудно защищаться от действия дефектов за счет создания запаса прочности, поскольку не­ обходимый запас прочности по пределу текучести практически линей­ но связан с коэффициентом концентрации упругих напряжений: при К в = 1 запас прочности Кп = 3 будет почти полностью перекрыт де­ фектом с концентрацией напряжений Ki = 3. Но если мы снизим прочность материала (например, повысив немного температуру) при * том же уровне R MCи том же уровне рабочей нагрузки, то несмотря

на снижение запаса прочности надежность (дефектоустойчивость) изделия вследствие даже небольшого повышения К в весьма сущест­

венно возрастает. Таким образом, наличие повышенного коэффициен­ та запаса прочности К п еще не говорит о достаточной надежности ра­

боты изделия — все в гораздо большей мере зависит от запаса вяз­ кости металла. Поэтому в изделиях из стали гораздо выгоднее использовать не упругий запас прочности, а добавочный запас вязкос­ ти материала К в, который намного эффективнее «гасит» вредное дей­

ствие малых, но острых дефектов. Из табл. 10.1 видно, что увеличив

чести стали — до 40 даН/мм2, что при неизменном рабочем давлении

стали технологически значительно проще, чем повысить сопротивле­ ние микросколу. Достаточно частично разлегировать сталь по леги­ рующим элементам, создающим упрочняющий эффект в ферритной матрице, снизив, например, содержание марганца или кремния, оста­ вив технологию прокатки неизменной. В табл. 10.1 приведены ожи­ даемые свойства таких гипотетических сталей (ОЭГФкп и 09Фкп), у которых сопротивление микросколу остается на прежнем уровне (85 даН/мм2) за счет сохранения их мелкозернистости вследствие легирования ванадием, а К в повысится соответственно до 2,1 и 2,5

за счет небольшого понижения предела текучести. Частичное разлегирование стали как средство повышения запаса вязкости экономично, тогда как контролируемая прокатка, используемая в настоящее вре­ мя для производства толстолистовой трубной стали, требует специ­ ального оборудования и сложна технологически. Имеет смысл изы­ скать более простой путь повышения К в стали, ориентированный на

сохранение состава стали п. 1 по основным легирующим элементам с использованием обычной технологии горячей прокатки. Для компен­ сирования небольшой потери прочности можно в допустимых преде­ лах повысить содержание углерода (табл. 10.1, п. 4).

Сталь 14Г2АФ разработана и выпускается в промышленных мас­ штабах для строительных конструкций как высокопрочная мелко­ зернистая феррито-перлитная сталь с нитридами ванадия [116]. Та­ кая структура обеспечивает высокое значение i?MC, что наряду с по­ вышенной прочностью придает ей хорошую пластичности высокую

213

сопротивлйемость хрупкому разрушению и удовлетворительную сва­ риваемость. Умеренная стоимость при поставке в нормализованном состоянии обеспечивает возможность широкого использования этой стали для изготовления ответственных сварных металлических кон­ струкций [116]. В то же время по показателю Кв = 2,4 сталь 14Г2АФ

в нормализованном состоянии может обеспечить значительно более высокую устойчивость к действию концентраторов напряжений, а следовательно, и более высокую сопротивляемость зарождению ла­ винных разрушений, чем сталь 09Г2СФ контролируемой прокатки:

Для стали со столь высокой дефектостойкостью запас прочности мо­ жет быть несколько снижен, например К п от 2 до 1,7, что достаточно

для обеспечения безопасности по вариациям макроскопических фак­ торов (колебания по уровню рабочего давления и разброс свойств стали). Сэкономленный запас прочности может быть использован либо для соответствующего повышения (на 15 %) рабочего давления,; либо для уменьшения расхода металла (табл. 10.1, п. 5). Как видим,; увеличение характеристики Кв стали позволяет объединить решение

двух противоречивых задач — повышения надежности и снижения металлоемкости изделий. В этом уникальность К в как физической

характеристики вязкости металла, отличающей ее от других извест­ ных показателей пластичности и вязкости. Опираясь на тради­ ционные показатели этих свойств (б, ф, ап, К\е и др.), невозможно

было бы осуществить подобный анализ проблемы силовой надежнос­ ти элементов металлических изделий и сооружений.

Таким образом, обеспечение силовой надежности в значительной мере основано на способности стали сопротивляться действию кон­ центраторов напряжений, но следует различать при этом свойства трещино- и дефектостойкости. Понятие трещиностойкости характери­ зует способность материала нести служебную нагрузку при наличии достаточно большого трещиноподобного дефекта, опасное критиче­ ское значение которого скр оценивается с помощью коэффициента вязкости разрушения К\с. Следовательно, при с <С скр данный де­

фект не снижает несущей способности материала и поэтому не опасен.

шей общего предела текучести, изделие разрушится от мелкого ост­ рого дефекта раньше, чем от трещины с <С скр. Сталь, трещиностой­

кая по отношению к трещине с, может не обладать достаточным сопротивлением действию более острых мелких дефектов, т. е. необ­ ходимой дефектостойкостью. Пока невозможно корректно рассчи­ тать номинальное напряжение, при котором мелкий острый де­ фект вызывает микроскол, но можно оценить предельные условия, при которых дефектостойкость и трещиностойкость материала со­ впадают.

Для мелкого острого дефекта микроскол невозможен раньше раз­ вития общей текучести материала, если /тах Кв. Трещина дли-

214

ной с не станет критической при напряжении ниже оТг если

щинам размером менее 5 мм трещиностойкость данного материала будет обеспечена. Но если в стали окажется шлаковое включение раз­ мером около 1 мм, с относительной остротой tip ж 200, /тах « 2,2 (рис.

9.1), то хрупкий микроскол при нагрузке ниже аТ будет неизбежен (/max > К в) и тем самым данный материал обнаружит недостаточную

дефектостойкость. Допустимыми для него окажутся лишь мелкие дефекты с остротой tip меньше 100 (/max <С 2). Сказанное достаточно

ясно демонстрирует различие между свойствами трещино- и дефектостойкости стали.

В последующем в качестве фактора, определяющего надежность стали в изделии, будем рассматривать лишь дефектостойкость.

§ 10.2. Оптимизация запаса прочности деталей машин и сооружений

В предыдущем параграфе при рассмотрении влияния запаса вяз­ кости на надежность стальных изделий обнаружилось, что к этой проблеме примыкает вопрос о применяемых запасах прочности и до­ пускаемых напряжениях в проектируемых изделиях. Как известно, действительным коэффициентом запаса прочности конструкции Ка

называется отношение предельных (опасных) напряжений апр к ре­ ально действующим в конструкции напряжениям а [120]:

В качестве предельных напряжений чаще всего принимают предел те­ кучести (для пластичных материалов) или предел прочности (для хрупких материалов), но в специальных условиях нагружения могут также использоваться предел выносливости предел длительной проч­ ности и др.

215

На этапе проектирования конструктор пользуется расчетным ко­ эффициентом запаса прочности

где [а] — допускаемое напряжение.

Если действительные напряжения в изделии сг близки к расчет­ ному допускаемому [сг], то К р « К а. Поэтому выбор допускаемых

напряжений является весьма важным и ответственным шагом в про­ цедуре расчета прочности. Сложность этого шага связана с тем, чте расчетный коэффициент запаса прочности К р представляет собой

многофакторную величину, характеризующую степень отличия ре­ альной ситуации от расчетной схемы. Эти различия могут возникать из-за несоответствия расчетных действительным исходным данным о силовых и температурных факторах, об уровне механических свойств; из-за разброса этих свойств, наличия необнаруженных дефектов, воз­ можных случайных перегрузок и т. п. В связи с тем что традицион­ ный метод выбора допустимых напряжений в соответствии с ведом­ ственными или заводскими нормативными документами не отражает всего многообразия условий работы детали и свойств материала, раз­ работан дифференциальный метод определения коэффициента запаса [120]. Расчетный коэффициент запаса определяется как произведе­ ние отдельных коэффициентов, учитывающих особенности каждого из упомянутых факторов влияния:

представляет собой самостоятельную непростую задачу. По такому фактору, как разброс свойств материала, частный коэффициент К р,0

может быть определен на основе статистически надежно установлен­

среди частных коэффициентов должен быть такой, который учитывает степень опасности, создаваемой присутствием в изделии дефекта,; случайно пропущенного при контроле или выходящего за пределы разрешающих возможностей принятого метода дефектоскопическогоконтроля К д.

Отсюда вытекает, требуемое значение К а по теоретическому ко­

эффициенту концентрации напряжений выбрать невозможно. Исходя из критериев механики разрушения сделать это с достаточной точ­ ностью удается не всегда, поскольку в реальных изделиях нередко оказывается невыполненным условие плоской деформации, которое обязательно должно соблюдаться при определении критического зна­ чения коэффициента интенсивности напряжений К\0. В этом случае

а также при наличии в реальном изделии дефектов, обладающих меньшей остротой, чем усталостно-наведенная трещина, заложенный коэффициент запаса может оказаться излишне большим. Обоснован­ ное назначение этого коэффициента можно осуществить на основе

216

физических предпосылок, связанных с учетом влияния дефекта па инициирование микроскола, как причины понижения несущей спо­ собности изделия.

Для этого необходимо исходить из той или иной вероятности присутствия в материале мелкого дефекта определенной степени ост­ роты. Для дефекта малых размеров длиной порядка 1 мм трудно ожидать предельно высокого значения остроты радиуса закругления (менее 1 мкм), которому соответствовал бы максимально возможный уровень жесткости / « 2,5—2,6 (рис. 9.1). Наиболее типичные внут­ ренние концентраторы, характерные для металла сварных соедине­ ний, обладают ЖНС в пределах 1,4—1,7, в редких случаях до / » 2 (табл. 9.1 по [58]). Хотя корректно рассчитать несущую способность образца с мелким острым дефектом невозможно, все же несложно оценить пределы ее изменения. На этом основании можно построить гипотетическую линию понижения несущей способности для мате­ риала с дефектом заданной степени остроты (рис. 10.2). Допустим, что в реальных изделиях практически невозможно иметь дефект с остротой более tip = 50, что отвечает Kt « 7. Критическая жест­ кость для такого дефекта согласно рис. 9.1 составляет jKp т 1,9. По­

этому можно на гипотетической кривой несущей способности матери­

ала с таким дефектом нанести точку А начала уменьшения Ов/ат при. К в — 1,9 (кривая 2). Вторая крайняя точка на этой кривой тоже из­ вестна: при К в = 1 потеря прочности изделия с таким дефектом опре­

деляется Kt = 7, т. е. в точке Б ов1от = 0,14. Все промежуточные

точки данной кривой можно приближенно нанести по плавной линии. А Б соответственно ходу экспериментальной кривой 1 для кольцево­

го надреза. Такая операция вполне допустима, поэтому область ни­ же кривой А Б можно в первом приближении считать безопасной для

соответствующих сталей, содержащих дефекты указанной степени остроты.

Рис. 10.3. Связь коэффициентов вязкости К в и К ве mln для малоуглеродистой отожженной стали.

Рис. 10.4. Зависимость частного коэффициента запаса прочности /Гд, учи­ тывающего возможность присутствия в стали дефектов с параметром /тах ^ 1,9, от запаса вязкости стали:

1 — по условию хрупкого микроскола Кв = jmax; г — по условию вязкого микроскола

^ве mln = 4пах*

2 1 7

Сказанным подразумевают, что микроскол в районе дефекта реали­ зуется на границе упруго-пластической зоны, когда выполняется условие /щах = Я в (рис. 10.1, точки 1 и Г). Однако внутри плас­

тически деформированной зоны из-за деформационного понижения коэффициента вязкости Яве (рис. 7.7) условие вязкого микроско­

предельную кривую А Б на рис. 10.2 проводить по значениям пара­

метра Я ве min- Учитывая, что Яв и Яве min взаимосвязаны (рис. 10.3), можно перестроить точки кривой 2 в новую кривую 3 (рис.

10.2), ниже которой в заштрихованной области располагается зона без,опасных нагружений материала с данным дефектом. Ход кривой 3

диктует закономерность, которой следует руководствоваться при вы­ боре частного коэффициента запаса прочности Я д, ответственного за гарантирование безопасности по фактору механической дефектности

равного 1. В то же время, если на рис. 10.2 представить кривую из­ менения допускаемых напряжений, назначаемых при проектировании транспортирующих трубопроводов высокого, давления из условия

[а] = ав, то вследствие уменьшения ав/ат для сталей с понижен­

ной вязкостью (рис. 10.2, кривая 4) действующие номинальные на­ пряжения для маловязких сталей (область левее т. В на кривой 5)

будут опасными, если в материале случайно окажутся дефекты с жесткостью /тах ^ 1,9. И наоборот, для высокопластичных сталей (область правее т. В) применяемый запас прочности оказывается за­

вышенным.

Как видим,, по фактору дефектности материала частный коэффи­ циент запаса прочности Яд может быть выбран в зависимости от за­ паса вязкости стали, определяемой коэффициентом Яв в заданной степени остроты дефекта. Конструктору на этапе проектировочного расчета необходимо лишь задаться предельным допустимым значе­ нием теоретической концентрации напряжения [Я«], полагая, что дефектов с К\ > [Я/] в изделии быть не может либо вероятность его

появления не выше допускаемой вероятности отказа изделия по при­ нятым нормам его надежности. Исходя из Я/ и соответствующего графика на рис. 10.2 или 10.4 для материала с заданным Яв опреде­ ляется нужный коэффициент запаса Яд. В предельном случае для ма­ териала с запасом вязкости Я в ^ 2,5 этот частный коэффициент за­ паса прочности оказывается равным единице: Ял = 1. Полный ко­ эффициент запаса прочности изделия Яр может рассчитываться по (10.7) с учетом остальных факторов несоответствия: разброса меха­ нических свойств, случайных перегрузок и т. п.

В большинстве случаев, когда вероятность непредвиденных пере­ грузок весьма мала, а разброс свойств не превышает 10 %, общий коэффициент запаса прочности для изделия из стали, имеющей Я в » 2,5, может быть снижен до уровня Яп = 1,2—1,3 без ущерба для надежности изделияг что может дать весьма ощутимую экономию

218

металла. На этом основании коэффициент запаса прочности трубо­

вскрыть резервы как в повышении надежности силовых элементов конструкций, так и в научно обоснованном снижении излишне боль­ ших запасов прочности, что представляет собой актуальную народ­ нохозяйственную задачу. Ясное понимание этих возможностей воз­ никло вследствие установления физической природы параметра К в,

его связи с процессами зарождения и развития разрушения на мик­ роуровне и прямого влияния на несущую способность изделия с де­ фектом. В этом уникальность Кв как физической характеристики

вязкости металла, отличающей ее от других известных показателей пластичности и вязкости. Опираясь на традиционные показатели этих свойств (б, ф, ан, Кю и др.), подобный анализ рассматриваемого во­

проса осуществить было бы невозможно.

Таким образом, можно сказать, что у современного конструктора наряду с коэффициентом запаса прочности Кп появляется новый ра­ счетный параметр — коэффициент вязкости К в, от которого весьма

сильно зависит надежность нагруженной системы. Введение этого параметра в расчетную практику позволяет ставить вопрос об опти­ мизации некоторых частных коэффициентов запаса прочности на ос­ нове количественного анализа сопротивляемости материала воздей­ ствию скрытых дефектов металла, служащих очагами зарождения микроскола и нередко приводящих к преждевременному хрупкому разрушению стальных изделий.

§10.3. Критерий микроскола

имеханические теории прочности

Физическая суть критерия микроскола представляет собой фор­ мулировку условий предельной сопротивляемости нагружению мате­ риала при данном виде напряженного состояния. Отметим, что в на­ стоящей монографии под материалом подразумеваются только ме­ таллические конструкционные материалы в виде углеродистых или легированных сталей на ферритной основе. В качестве меры предель­ ной сопротивляемости материала пластическому деформированию микроскол приобретает свойства своеобразного физического крите­ рия прочности, способного выполнять те же функции, которые тра­ диционно присущи механическим теориям прочности, являющимся научной основой инженерной практики расчета металлических изде­ лий, машин и сооружений на прочность. Естественно возникают во­ просы о месте микроскола среди известных критериев прочности, в чем состоят его особенности и какие новые возможности вытекают из него, если рассматривать условие микроскола как критерий проч­ ности материала в изделии. Расчет проектируемого изделия на проч­ ность содержит три основных момента:

219

1.Нахождение номинальных (средних) напряжений в нагружен­ ных элементах изделия, исходя из величин и характера распределе­ ния силовых нагрузок. Определение наиболее напряженного элемен­ та изделия.

2.Определение вида наиболее опасного напряжения, исходя из особенностей напряженного состояния. При этом осуществляется

выбор так называемого эквивалентного напряжения аЗКв, которое в состоянии предельного сопротивления нагружению материала ока­ зывается равным известному показателю прочности данного матери­ ала (ат или (тв), полученному экспериментально по одноосному рас­ тяжению. В сущности этот этап расчета представляет собой выбор так называемой расчетной теории прочности.

3. Выбор материала, отвечающего по уровню своих механических свойств (сгт или ав) расчетному значению аэкв.

В классической схеме расчета между вторым и третьим этапами имеется некоторая внутренняя противоречивость. Эквивалентными напряжениями обычно бывают: по первой теории прочности — аЭКв = = alt где ог— наибольшее растягивающее напряжение; по третьей

т0КТ — октаэдрическое касательное напряжение, Oi — интенсивность

напряжений. Выбор подходящего эквивалентного напряжения дик­ туется свойствами применяемого материала:

для хрупких металлов следует выбирать первую теорию проч­

Нужное значение ог9кв выбирается на основании того, хрупким или пластичным был материал при одноосном растяжении, а в изделии ему, возможно, предстоит работать в ином — более мягком или более жестком — напряженном состоянии, при котором данный материал может перейти либо из хрупкого состояния в пластичное, либо нао­ борот. Например, в расчете на пластичное поведение металла его предельное состояние определяли по условию текучести (10.9) или (10.10), а при работе в элементе изделия, находящегося в ЖНС, ка­ сательные напряжения могут быть настолько понижены, а нормаль­ ные повышены, что достигнет предельного значения по (10.8) раньше, чем начнется текучесть. Следовательно, сделанный выбор аЭКв окажется неоправданным для данного материала, но выявить это несоответствие в рамках классических критериев прочности не­ возможно. Выход из такого противоречия предложил Г В Ужик [57], введя в рассмотрение особую механическую характеристику

2 2 0