книги из ГПНТБ / Хрупкие разрушения сварных конструкций

тичны диаграмме рис. 12. При знакопеременной нагрузке де­ формация в металле шва меняется по линии IJKLMKMK, а в ос­ новном металле — по линии I'J'K'L'M'K'N'K'L'M'.

Из рис. 13 ясно видно, что при приложении внешнего напря­ жения Ордсварной шов растягивается пластически на величину

Рис. 13. Диаграмма напряжений и деформации в свар­ ном соединении

ес + е< — ( е ,,w— Е у ь) - При знакопеременном нагружении основ­ ной металл последовательно сжимается и растягивается (плас­ тически).

Р А В Н О М Е Р Н А Я П Л А С Т И Ч Е С К А Я Д Е Ф О Р М А Ц И Я

О д н о р о д н ы й м а т е р и а л

Если малоуглеродистая сталь деформирована пластически, а затем разгружена, остаточная деформация характеризуется точ­ кой 3 на рис. 1. При нагружении материала пластическая де­ формация, начавшись в одном или нескольких участках, посте­ пенно охватывает весь объем образца.

При испытаниях на растяжение, например, линии скольже­ ния, как правило, возникают вблизи захватов разрывной маши­ ны и распространяются к середине образца. Это хорошо заметно

121

на полированном образце или на образце с хрупким лаковым по­ крытием, а также может быть обнаружено методом муара (муа­ ровых полос). Действительно, на первой стадии пластическая де­ формация неоднородна, но после того как линии Людерса воз­ никли на всей поверхности образца, пластическую деформацию с инженерной точки зрения можно считать равномерной. Если об­ разец разгрузить, остаточных напряжений практически не будет, но свойства материала, претерпевшего пластическую деформа­ цию, будут отличаться от первоначальных. Если такой материал использовать в конструкции, то он уже не будет обладать таким

деформации, то сумма оказывается меньше деформации, достиг­ нутой при разрушении без предварительной деформации.

' Если предварительная деформация осуществляется сжатием, потеря пластичности при последующем растяжении оказывается еще больше; об одной из причин такой потери пластичности бу­ дет сказано при рассмотрении явления охрупчивания стали. Не­ мецкие исследования ш основной бессемеровской и мартенов­ ской стали показали, что в случае предварительной деформации сжатия на 30% и более пластическое удлинение при последую­ щем растяжении до разрыва практически отсутствует.

Из этих рассуждений можно сделать вывод, что если одно­ родный материал деформирован пластически, последующая рав­ ная деформация противоположного знака снижает пластичность на величину, по крайней мере, равную величине предваритель­ ной деформации. Поскольку для малоуглеродистой стали упру­ гая деформация составляет лишь около 1 / 1 0 0 0 значения пласти­ ческой деформации при разрыве, со статической точки зрения мало правдоподобно, чтобы пластичность уменьшилась (прои­ зошло охрупчивание) за счет предварительной деформации на­ столько, чтобы разрушение произошло при упругой деформации (например, в зоне 1 на рис. 1). Другими словами, маловероят­

' 122

но, чтобы предварительная равномерная деформация однород­ ного материала привела к возможности разрушения материала при напряжении ниже предела текучести. Дополнительные све­ дения о влиянии предварительной деформации будут приведе­ ны в гл. 4.

Неоднородный материал

Как уже указывалось, типичным примером неоднородного ма­ териала является образец из двух пластин, сваренных встык, у которого предел текучести наплавленного металла обычно выше

ленный металл деформируется по линии АВВ'С', а основной ме­ талл — по линии АВС.

Такой случай исследовался [2] на двух сваренных пластинах из малоуглеродистой стали размерами 12,6X25X2,28 см. В од­ ном случае образец после снятия остаточных напряжений нагру­ жался в направлении, перпендикулярном к шву, как показано на рис. 14. Пластическое течение в основной пластине началось при напряжении 24,1 кгс/мм2, а деформация 1% была достигнута при 24,6 кгс/мм2. Пластическая деформация в сварном шве началась при напряжении 25,8 кгс/мм2. Муаровая картина для продоль­ ных перемещений (в направлении силы Р на рис. 14) показана на рис. 15, а для поперечных — на рис. 16. Поскольку расстояние между линиями муара в зоне шва больше, чем в основном ме­ талле, то пластическая деформация наплавленного металла мень­ ше, чем основного. Деформации в обоих направлениях (продоль­ ном и поперечном) отличались, как это показали измерения, по муаровой картине (рис. 17). Продольная деформация в основ­ ном металле находится в пределах 0,6—1,7%, а поперечная при-

123

124

близительно вдвое меньше. Кривизна муаровых линий на рис. 15 показывает, что траектории деформации также имеют кривизну, которая обусловлена различием поперечной деформации в свар­ ном шве и в основном металле, которое создает касательные на­ пряжения вблизи шва.

С увеличением нагрузки величины деформации в наплавлен­ ном и основном металле непрерывно возрастают, но разница ме­ жду ними становится постепенно все меньше. Испытание было

испытания были проведены на сварных образцах (с поперечным швом), не подвергнутых снятию остаточных напряжений. Резуль­ таты были получены в общем такие же; единственное отличие состояло в том, что пластическое течение в сварном шве и в ос­ новном металле начиналось при несколько более высоком нап­ ряжении.

Если деформация осуществляется вдоль сварного соедине­ ния, металл шва и основной металл деформируются совместно. Даже на начальной стадии приложения нагрузки, когда пласти­ чески деформируется лишь часть образца, не наблюдается раз­ личия в поведении шва и основного металла, и пластическое те­

125

чение распространяется от захватов к середине образца. Свар­ ной шов не влияет на картину муаровых полос. Фотография муа­

шву продольный шов, будучи выпол­ нен из более прочного металла, может оказаться перегружен­ ным, что, по-видимому, вызовет общее уменьшение пластичности.

Н Е Р А В Н О М Е Р Н А Я Д Е Ф О Р М А Ц И Я

О концентрации напряжений и деформаций

Выше предполагалось, что распределение напряжений и де­ формаций в образце (или его зонах) достаточно равномерное, од-

‘нако на практике такие условия не имеют места. Во всех конст­ рукциях имеются участки, где напряжения или деформации ока­ зываются выше средних значений. Эти так называемые «концен­ трации напряжений» обусловлены либо способом нагружения (например, изгибом, кручением или растяжением), либо формой образца, либо наличием дефектов или несплошностей. Концен­ трация напряжений или деформаций может играть важную роль

вповедении конструкции, и весьма часто разрушения (трещины) начинаются от этих участков. Поэтому правильный расчет, пра­ вильная технология и эффективный контроль материалов все еще являются существенными факторами, обеспечивающими нормальную работу конструкции.

Ксожалению, зоны концентрации напряжений и деформаций -в данной конструкции, как правило, неизвестны. В большинстве

■ 126

случаев конструкторы имеют довольно хорошее представление о распределении напряжений и деформаций в тех частях конст­ рукции, которые нагружены равномерно и где нет «скрытой» опасности концентрации напряжений; однако в участках, где' форма изделия или детали меняется и имеется значительная кон­ центрация напряжений, положение намного сложнее и с трудом может быть учтено; это, в частности, относится к зонам, где име­ ются сварочные дефекты. Опасность крупных дефектов сварки,

тщательном контроле нельзя гарантировать выявление всех сва­ рочных дефектов; поэтому даже после неразрушающего контро­ ля следует учитывать возможность наличия сварочных дефектов. К сожалению, нужно признать, что даже после многолетних ис­ следований мы довольно мало знаем о поведении элементов, в которых имеется концентрация напряжений и деформаций.

До тех пор, пока инженер при конструировании основывается на теории упругости, недостаточность сведений о поведении ма­ териала он компенсирует назначением значительных коэффици­ ентов запаса. Немногочисленные эксперименты, которые он про­ водит, выполняются на образцах, тщательно проверенных с точ­ ки зрения отсутствия дефектов. Конечно, такой образец не мо­ жет характеризовать огромную конструкцию, и результаты та­ ких экспериментов, ценные во многих отношениях, служат для определения некоторых физических констант почти «идеального» материала.

Если концентрация напряжений или деформаций вызвана ло­ кальной несплошностью образца, то при этом не только повы­ шается локальное значение напряжения или деформации, но из­ меняется и характер напряженного состояния (его жесткость) возле зоны концентрации. Это согласно критерию Мизеса-Генки ведет к увеличению напряжения, необходимого для возникнове­ ния локального течения материала; повышенная (вследствие из­ менения напряженного состояния) величина предела текучести может быть названа пределом стесненной текучести. Его вели­ чина в значительной степени зависит от формы локальной не­ сплошности и, в свою очередь, свидетельствует о сложности оцен­ ки прочности материала, возникающей при наличии концентра­ ции напряжений (деформаций).

В большинстве случаев концентрация напряжений (деформа­ ций) возникает около какой-нибудь физической несплошности: выреза, отверстия, надреза, полости или трещины. Хотя условия локального течения усложняются наличием вблизи несплошно­ сти трехосного напряженного состояния (или условий стеснен­ ной деформации), концентрация напряжений (деформаций) вы­ зывает локальное или начальное течение гораздо раньше, чем напряжения в той части конструкции, где нет концентраторов, достигнут предела текучести. По этой причине логичнее говорить

127*

о величине деформации, а не о концентрации напряжений; сле­ довательно, с точки зрения будущего для изучения явлений раз­ рушения основное значение имеет углубление знаний о распреде­ лении деформации в зонах концентрации или несплошностей. К сожалению, в технической литературе можно почерпнуть до­ вольно мало сведений о распределении пластической деформации

метод замораживания фотоупругих трехмерных моделей. Карти­

ется, получить такие картины для различных концентраторов и условий нагружения — неимоверно сложная работа. Поэтому с инженерной точки зрения в первую очередь целесообразно ис­ следовать концентрацию деформаций около несплошностей ти­ пичной формы, которые дают ясную картину возможных источ­ ников опасности разрушения.

Одним из таких случаев является трещина; более того, тре­ щины часто встречаются в конструкциях, возникая при их изго-

128

товлении или в результате явлений усталости при эксплуатации, и при развитии «автоматически» ориентируются перпендикуляр­ но главному растягивающему напряжению. С другой стороны, ис­ следования трещин весьма сложны. Для получения усталостной трещины, например, требуется сначала циклически нагрузить об­ разец на усталостной машине, а затем испытывать на разрывной (или другой) машине статического действия. Такая операция трудоемка, дорога и занимает много времени.

Получение усталостных трещин в крупных пластинах стало возможным лишь недавно с созданием мощных машин для ис­ пытания на усталость. Поэтому в большинстве исследований' крупных пластин усталостные трещины, технологические не­ сплошности или самопроизвольно возникшие трещины моделиру­ ются острым надрезом, сделанным ювелирной пилкой. Однако следует иметь в виду, что распределение деформаций около лю­ бого такого надреза неидентично распределению их вокруг тре­ щины, и поэтому выводы, сделанные для надреза ювелирной пил­ кой, могут дать слишком оптимистическую картину поведения образцов с реальными трещинами. Последние данные показыва-, ют, что возможно существенное различие в поведении образцов с усталостными трещинами и трещинами, возникшими под дей­ ствием высоких или низких статических напряжений.

Другие факторы, такие как температура в момент образова­ ния трещины и форма трещины, как известно, также влияют на результаты. Коррозия также является важным фактором. К со­ жалению, в настоящее время мало известно о распределении ло­ кальных деформаций в пластине с трещинами. Следует отметить,„ что в последних исследованиях главное внимание было сосредо­ точено на роли ширины пластины с трещиной.

Многие лаборатории в настоящее время оснащены оборудо-' ванием для испытания крупных пластин, однако в большинстве лабораторий можно испытывать пластины шириной не более 2 м. Но даже такие машины не позволяют получить исчерпывающий ответ на вопрос о поведении пластин с трещинами, так как на них нельзя изучать длинные трещины. Априори кажется мало­ правдоподобным, что длинные трещины в конструкции могут быть не обнаружены, но в действительности, это довольно часто имеет место. В крупных конструкциях часто имеются отверстия,, вырезы, проемы, например, люки на кораблях или в герметич­ ных оболочках; если в контуре такого проема есть трещина, ее эффективная длина не ограничивается глубиной трещин в мате­ риале и может быть соизмерима с шириной проема в направле­ нии трещины. В таких случаях при исследованиях влияния тре­ щин следует рассматривать весьма длинные трещины.

В настоящее время практически единственная возможность изучения влияния таких длинных трещин состоит в испытании на разрушение цилиндрических сосудов или труб с осевыми надреза­ ми или дефектами. Следует, однако, заметить, что между испы-

танпямп на растяжение крупных пластин с трещинами и испы­ таниями на разрушение цилиндрических сосудов с продольным надрезом имеется существенное различие, даже если продольное (осевое) напряжение от внутреннего давления отсутствует ввиду жесткого ограничения осевой деформации. В новом приближении можно с достаточной точностью предположить, что перемещения концевых сечений пластины у захватов машины постоянны, так что общая схема нагружения плоского образца (пластины), ве­ роятно, удовлетворяет условию постоянства деформации при раз­ грузке; напротив, в цилиндрическом сосуде давление во всех точ­ ках оболочки одинаково и общее нагружение образца более точ­ но удовлетворяет условию постоянства напряжения. Кроме того, в первом случае жесткость системы машина — образец может существенно влиять на характеристики развития разгружения, после того как возникнет трещина; во втором случае такое же влияние может иметь характер среды, создающей давление, од­ нако степень влияния рабочей среды в сильной степени зависит от ее сжимаемости.

К о н ц е н т р а ц и я д е ф о р м а ц и й в о д н о р о д н ы х п л а с т и н а х при от су тств ии о ст а т о ч н ы х н а п р я ж е н и й

Известно, что при нагружении образца, деформирующегося равномерно, переход от упругого состояния к пластическому и от пластического к разрушению, как правило, довольно резкий. Од- 'нако, если деформация неравномерна, процессы текучести и раз­ рушения концентрируются в небольшом участке и возникают пе­ реходные состояния, постепенно сменяющие одно другое. В рас­ сматриваемом случае эти состояния обычно наблюдаются в сле­ дующем порядке: упругое состояние; упруго-пластическое состо­ яние, начинающееся с первых признаков пластического течения в локальных зонах и заканчивающееся общим пластическим те­ чением; пластическое состояние, сопровождающееся деформаци­ онным упрочнением; состояние или процесс разрушения, характе­ ризующиеся возникновением разрушения, его развитием и окон­ чательным разрушением.

Переходное состояние возникает вначале в одной точке (ло­ кальной области) конструкции и развивается по всему объему по

.мере ее нагружения. Начальное проявление такого состояния оп­ ределяется в значительной степени локальными условиями; уп­ руго-пластическое состояние начинается в небольшом участке, где локальные условия нагружения могут вызвать первый акт пластического течения; то же самое справедливо для возникно­ вения трещин и разрушения. Развитие же явления (пластической деформации или разрушения), наоборот, зависит в основном от таких факторов, как размеры образца, запасенная упругая энер­ гия и т. д.

-130