книги из ГПНТБ / Хрупкие разрушения сварных конструкций

У. .Дж. Холл, X. Кихара, В. Зут, А. А. Уэллс

ХРУПКИЕ РАЗРУШЕНИЯ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Перевод с английского

Москва

«МАШИНОСТРОЕНИЕ»

1974

В В Е Д Е Н И Е

ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Корабли, мосты, резервуары, сосуды давления, трубопрово­ ды и турбины — вот примеры крупных конструкций, в которых наблюдались хрупкие разрушения. Эти разрушения происходят внезапно и часто оказываются катастрофическими, принося ма­ териальный ущерб и вызывая человеческие жертвы; причем обы­ чно это происходит при напряжениях, средний уровень которых ниже предела текучести материала конструкции. В конструкци­ ях, изготовленных из малоуглеродистой стали, хрупкое разруше­ ние, как правило, характеризуется прямым (нормальным к по­ верхности) изломом с относительно малой величиной пластичес­ кой деформации и низкой поглощенной энергией, причем трещи­ на обычно распространяется с высокой скоростью.

Во время второй мировой войны, когда значение и необходи­ мость изучения хрупкого разрушения стали очевидными, были начаты исследовательские работы с целью установить причины и выяснить механизм хрупкого разрушения, а также найти пути изменения конструкций, позволяющие предотвратить такие раз­ рушения. Результаты этих исследований были обнадеживающи­ ми в том смысле, что удалось лучше понять процесс хрупкого разрушения и предложить соответствующие конструктивные ре­ шения. Например, поисковые исследования помогли выявить раз­ личные типы источников возникновения хрупкого разрушения, экспериментально и теоретически определить напряжения и де­ формации вокруг возникающей, распространяющейся и остано­ вившейся трещины, а также установить роль остаточных напря­ жений, предварительной деформации и термической обработки; что касается конструктивных, практических мер, были установ­ лены основные требования при выборе материалов для отдель­ ных конструкций, выяснена относительная роль дефектов раз­ личного типа и размеров и разработаны методы оценки уровня рабочих напряжений, температуры, методики снятия напряже­ ний и влияние геометрии конструкции. Исследования помогли также установить факторы, которые следует учитывать при свар-

5

ке материалов, и обратить внимание особенно на те из них, кото­ рые можно проконтролировать неразрушающими методами. Не­ смотря на эти значительные успехи, хрупкое разрушение остает­ ся сложной проблемой, которая потребует проведения дополни­ тельных исследований в течение ряда лет. В настоящее время все еще нельзя рекомендовать надежный метод, позволяющий простым способом гарантировать абсолютную безопасность кон­ струкции.

Исследования, рассматриваемые в данной книге, составляют часть поисковых исследований, проведенных за последние не­ сколько десятилетий, которые привели к современному уровню понимания механизма хрупкого разрушения. В настоящей моно­ графии рассмотрены законченные исследования, с которыми ав­ торы и их коллеги были непосредственно связаны, а также от­ дельные работы других лабораторий, имеющих отношение к ис­ следованиям в области разрушения крупных конструкций.

Имеется большое число книг, затрагивающих проблему хруп­ кого разрушения либо с точки зрения металловедения, либо в плане методики испытаний. Таковы книги Паркера [1], Шенка [2], Биггса [3], Типпера [4], Щепанского [5] и Рюля [6]. Эти книги очень полезны, так как в них дан общий обзор имеющихся к мо­ менту их издания сведений; эти книги могут служить также би­ блиографическими источниками для специалистов, интересую­ щихся проблемой более подробно. Литература по хрупкому раз­ рушению, изданная в последние десятилетия, настолько обшир­ на, что без книг подобного типа исследователь или инженер мо­ жет оказаться в затруднительном положении.

Подобно этому имеется ряд обзоров, описывающих случаи эксплуатационного разрушения [7—14]. Начиная с 1959 г., Под­ комиссия D Комиссии IX Международного института сварки со­ ставляет обзоры данных по авариям; такие обзоры можно полу­ чить через этот институт.

В данной монографии обзор материала, представленного в упомянутых выше книгах, сведен до минимума. Не приводятся в ней и упомянутые данные по авариям. Тем не менее мы обра­ щаем внимание на эти книги и обзоры, так как они составляют важную часть литературы по хрупкому разрушению. Установле­ ние корреляции между поведением материала в различных ус­ ловиях с его химическим составом и структурой было важным фактором, способствовавшим повышению надежности методов конструирования, развиваемых и применяемых в настоящее время.

Что касается содержания монографии, то гл. 1 и 2 посвяще­ ны исследованиям крупных пластин. Гл. 2 начинается с кратко­ го обзора исследований крупных пластин, начатых в период вто­ рой мировой войны, а затем переходит к самым последним рабо­ там в этой области, которые главным образом касаются иссле­ дования распространения трещин, полей напряжений вокруг тре-

6

щин, влияния высоких остаточных напряжений, а также условий остановки трещин. В гл. 2 рассматриваются в основном сварные пластины, влияние остаточных (сварочных) напряжений, дефек­ тов, пластической деформации; приводятся результаты исследо­ ваний сложных сварных конструкций. Первая часть гл. 3 посвя­ щена методам оценки напряжений и деформаций в простых и сварных пластинах; во второй части гл. 3 описаны последние ра­ боты, проведенные в Бельгии, по распределению напряжений в пластинах с надрезами или исходными трещинами. Гл. 4 пред­ ставляет собой обзор работ по влиянию предварительной дефор­ мации и температуры на свойства материалов. Эти данные пред­ ставляют особый интерес в связи с разрушениями, наблюдавши­ мися в крупных конструкциях. Влияние различных методов, при­ меняемых для снятия напряжений, и их роль в конструкторской практике обсуждаются в гл. 5. В гл. 6 обсуждается линейное при­ ближение механики разрушения с уточнениями, которые должны учитываться при использовании этого метода для анализа кон­ струкций из мягкой стали. Даны примеры применения этого ме­ тода для анализа результатов исследования и реальных служеб­ ных характеристик. Гл. 7 содержит описание различных методов испытаний на остановку трещин и наиболее значительных ре­ зультатов, полученных на основании этих испытаний, так как концепции остановки и предотвращения возникновения трещин часто используются при оценке условий эксплуатации; таким примером является методика конструирования на основе анали­ за известной диаграммы разрушения по Пеллини-Пьюзаку. Гл. 8 посвящена вопросам корреляции результатов испытаний, полу­ ченных разными методами. В течение многих лет корреляцион­ ным аспектам не уделялось достаточно внимания, поэтому авто­ ры попытались проиллюстрировать некоторые корреляции, уста­ новленные при анализе экспериментальных данных. Монография заканчивается заключением, содержащим общие замечания и практические рекомендации, позволяющие уменьшить (или из­ бежать) опасность хрупкого разрушения сварных конструкций.

РАЗРУШЕНИЕ И ОЦЕНКА МАТЕРИАЛОВ

Авторы предполагают, что читатель имеет общие представле­ ния о хрупком разрушении, в частности о влиянии химического состава и других факторов. Тем не менее кажется целесообраз­ ным в качестве введения к монографии сделать несколько заме­ чаний.

Разрушение мягкой стали обычно классифицируют одним из двух резко отличных видов: хрупким или вязким. Более жела­ тельным, разумеется, является вязкое поведение стали при раз­ рушении; вязкое поведение предпочтительно, так как явно или неявно предполагается при реализации большинства технологи­ ческих операций при создании конструкций. Вязкое разрушение

7

2-із !

мягкой конструкционной стали обычно характеризуется замет­ ным развитием пластических сдвигов с волокнистым изломом и сопровождается большой пластической деформацией (уменьше­ нием площади поперечного сечения, толщины и остаточным уд­ линением) до разрушения.

9

И наоборот, хрупкое разрушение, происходящее обычно при средних (номинальных) напряжениях, меньших предела текуче­ сти, характеризуется изломом кристаллического типа (во мно­ гих случаях смешанного типа) и сопровождается относительно небольшой общей деформацией, предшествовавшей разрушению. В мягкой стали при таком разрушении излом имеет шевронный рисунок в центральной зоне с малозаметными областями плас­ тического сдвига (иногда эти области отсутствуют вовсе) на кра­ ях. Участок излома, где разрушение затормозилось, обычно име­ ет серповидную (или «ногтевидную») границу, обращенную вы­ пуклостью в направлении распространения трещины. Эта грани­ ца, по-видимому, представляет собой область интенсивной пла­ стической деформации, связанной с процессами остановки раз­ рушения.

Примеры указанных видов разрушения показаны на рис. 1. Для высокопрочной стали морфология разрушения не так яс­ на главным образом вследствие ограниченного числа исследова­ ний. Пеллини и Пьюзак [11], а также Вессел и Хэйз [15] показа­ ли, что в этой стали можно наблюдать широкий набор видов из­

лома: от обычного вязкого излома до хрупкого излома, образую­ щегося при разрушении с низким уровнем поглощенной энергии. Первые два автора приводят данные недавних исследований Во­ енно-морской исследовательской лаборатории, показывающие, что разрушения при низком уровне энергии могут происходить за счет развития дефектов (несплошностей) или разрушения по границам зерен.

Обычно в месте возникновения разрушения имеет место ло­ кальная пластическая деформация (довольно часто заметная не­ вооруженным глазом) независимо от того, хрупкое или вязкое было разрушение. Это наблюдение привело Дракера и Майлонаса [16—18] к теории потери пластичности, объясняющей воз­ никновение хрупкого разрушения. В течение ряда лет классичес­ кой теорией считалась теория максимальных критических нап­ ряжений Менаже—Людвика, изложенная Орованом [19]. В бо­ лее поздние годы широким вниманием и признанием пользова­ лась так называемая видоизмененная энергетическая теория Гриффитса, предложенная Ирвином [20] и Орованом [21].

Для оценки склонности материалов к хрупкому разрушению известно более 50 видов или вариантов испытаний. Типичными примерами таких испытаний являются: испытание на ударную вязкость по Изоду, Шарли (образцы с Ѵ-образным или ключе­ видным надрезом), испытание по Шнадту, испытание на стати­ ческий изгиб по Кинцелю, Ли, Ван-дер-Веену, взрывные пробы, испытание на возникновение трещины по Пеллини, испытание па­ дающим грузом, испытание на разрыв по Кану, испытание на растяжение надрезанного образца по Типперу и многие другие. Подробное описание многих из этих методов можно найти в ли­ тературе [1—6]. Некоторые из этих испытаний и их результаты

10