книги из ГПНТБ / Хрупкие разрушения сварных конструкций

Глава 4

ВЛИЯНИЕ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ И ТЕМПЕРАТУРЫ

В В Е Д Е Н И Е

На пластичность стали влияют многие факторы, в том числе' химический состав, термическая обработка, размер зерна, тем­ пература прокатки, способ раскисления и т. п. Здесь невозмож­ но дать исчерпывающую картину влияния всех технологических^ факторов, от которых зависит пластичность стали. Мы не будем7 касаться таких специфических факторов, как, например, водо­ родное охрупчивание, отпускная хрупкость и т. п. Дополнитель-т ные сведения об этих факторах можно найти в работах, приве­ денных в библиографии на стр. 298, 299.

В данной главе мы ограничимся общеизвестными, довольно опасными охрупчивающими факторами, которые могут быть вы­ званы технологическими операциями при обработке изделий или заготовок.

Как уже обсуждалось в гл. 3, можно считать, что охрупчива­ ние сдвигает максимальную точку кривой напряжение— дефор­ мация для материала справа налево, или, другими словами, сни­ жает его пластичность.

Хорошо известно, что такие операции, как штамповка, свар­ ка, механическая обработка, резка могут существенно снижать пластичность стали. Наиболее важными факторами при этих ме­ тодах обработки являются пластическая деформация и темпера­ тура; серьезное влияние может оказать также старение, влияние которого будет рассмотрено ниже. Поэтому инженеру необходи­ мо иметь представление об охрупчивании, которое может быть вызвано некоторыми технологическими операциями, применен­ ными без соответствующих предосторожностей. Из приведенных ниже результатов отдельных испытаний будет видно, что охруп­ чивание вызывается деформацией материала при определенных температурах.

В предыдущих главах отмечалось, что пластическая дефор­ мация при комнатной температуре снижает деформационную способность на величину, равную по меньшей мере величине предварительной деформации. Часто оказывается, что величина

151

оставшегося ресурса пластичности значительно меньше, чем мо­ жно было бы ожидать, учитывая предварительную деформацию. Эту потерю пластичности можно объяснить двояко. Изпесттю, что 'пластически деформированный металл склонен к старению. Воз­ можность старения затрудняет исследование склонности к- ох­ рупчиванию, так как здесь играет роль фактор времени, т. е. ис­ следователь вынужден учитывать время, прошедшее с момента предварительной деформации до испытания. Более того, процесс старения, несомненно, связан со многими физико-химическими процессами, которые пока еще не совсем ясны. Другим важным фактором является изменение формы исходных несплошностей в процессе предварительной деформации; если дефекты имелись в материале до деформации, то деформация может изменять

.форму этих дефектов.

В гл. 3 отмечалось, что при деформации материала (с исход­ ными трещинами) при одноосном растяжении трещины притуп­ ляются, и такая операция во многих случаях дает благоприят­ ный эффект. Однако предварительная деформация может вред­ но сказываться, если надрез или дефект становится более ост­ рым. Это может происходить, если предварительная деформа­ ция осуществлялась, например, растяжением в направлении, пер­ пендикулярном к растяжению при окончательном испытании. 'Наиболее опасной для образцов, испытываемых при растяжении, является предварительная деформация сжатием. Полезно также ^заметить, что предварительная деформация небольшой трещины путем сжатия перпендикулярно ее плоскости или путем растяже­ ния вдоль ее плоскости, по-видимому, менее опасна, чем та же операция на открытом, выходящем на поверхность дефекте боль­ шего размера, так как при таком предварительном нагружении внутренние трещины могут «захлопываться» полностью или ча­ стично.

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

Для иллюстрации влияния направления предварительной де­ формации можно привести результаты испытаний, выполненных Майлонасом [1, 2].

Пластины из стали Е (0,20% С, 0,33% Mn, crs = 22,5 кгс/мм2, <7В= 45,7 кгс/мм2, 6 = 30%і) перед нанесением надреза подверга­ лись предварительной деформации вдоль или поперек направле­ ния растяжения при последующем испытании. Величина дефор­ мации была довольно невелика и колебалась в пределах 1—6%. Испытания на растяжение проводились при температурах от—20 до — 25° С; излом во всех случаях был перпендикулярен оси на­ гружения и имел хрупкий характер. Результаты испытаний были представлены в виде зависимости средней (номинальной) проч­ ности при разрушении от исходного предела текучести.

-152

Пластины, деформированные предварительно растяжением в направлении, перпендикулярном к направлению растяжения при испытании, разрушались при среднем напряжении, которое было ниже исходного предела текучести. В противоположность этому все пластины, деформированные предварительно в продольном направлении, разрушались при напряжении, равном или превы­ шающем исходный предел текучести, но не превышающем пре­ дел текучести увеличивавшийся в результате предварительной деформации.

Эти испытания еще раз подчеркивают, какую важную роль'

играет направление предварительной деформации, и подтверж­ дают, что предварительная деформация, способствующая рас­ крытию дефектов, увеличивает склонность к хрупкому разруше­ нию, тогда как предварительная деформация, вызывающая «за­ хлопывание» дефектов, дает охрупчивание в меньшей степени.,

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

Майлонас [1, 3] изучал также влияние предварительного сжа­ тия при комнатной температуре. На плоских образцах шириной 254 мм из стали Е с обеих сторон были сделаны внешние надре­ зы. Надрезанные образцы перед испытанием были подвергнуты различной степени сжатия. Деформация сжатия измерялась на базе 25,4 мм возле вершины надреза; она составляла 1—4%.

Чтобы исключить возможность старения, после предваритель­ ной деформации, осуществлявшейся при комнатной температу­ ре, образцы выдерживали при — 31° С. Испытания проводили при температуре от — 25 до — 18° С. Все образцы имели хрупкий излом. Результаты испытаний были представлены в виде функ­ ции максимального приложенного напряжения в процентах от исходного предела текучести. Многие из образцов разрушались до начала общей текучести. Один образец разрушился при нап­ ряжении, равном 12% исходного предела текучести, а трещины появились при напряжении, составляющем всего лишь 9% ис­ ходного предела текучести.

И С П Ы Т А Н И Я Н А Р А С Т Я Ж Е Н И Е П Р И Р А З Л И Ч Н Ы Х Т Е М П Е Р А Т У Р А Х

Пластичность существенно зависит от того, сколько времени прошло между предварительной деформацией и испытанием. Чтобы свести к минимуму влияние времени, эти операции мож­ но выполнять без перерыва при одной и той же температуре. Та­ кие испытания на растяжение при различных температурах мо­ гут выявить температуру, при которой сталь наиболее склонна к охрупчиванию. Однако эти испытания не позволяют установить

153'-

величину потери пластичности, обусловленной предварительной деформацией.

На цилиндрических образцах с надрезом и без надреза были получены кривые зависимости истинных напряжений от истин­ ной деформации. Испытания были проведены на углеродистой стали двух марок А и В (табл. 1).

Результаты испытаний образцов без надреза приведены в табл. 2, а надрезанных образцов — в табл. 3.

Диаметр цилиндрических образцов был 15 мм, надрез был сделан в виде кольцевой канавки глубиной 3 мм с углом 66° и радиусом закругления 0,1 мм. В таблицах приведены значения

154

истинного напряжения и истинной поперечной деформации (21nd0/di) при разрушении.

Интересно, что и та, и другая сталь оказались более хрупки­ ми при 200° С, чем при — 60° С, а сталь А более склонна к ох­ рупчиванию, чем сталь В. Однако образцы без надреза при всех температурах имели еще большой запас пластичности.

Эти испытания показали преимущество стали В, на которую почти не влияет температура; сталь А, наоборот, обнаруживает резкое падение пластичности при нагреве образцов на 200— 300° С.

П Р Е Д В А Р И Т Е Л Ь 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 Р А С Т Я Ж Е Н И Е М П Р И В Ы С О К И Х Т Е М П Е Р А Т У Р А Х С П О С Л Е Д У Ю Щ И М И С П Ы Т А Н И Е М П Р И Н И З К И Х

И Л И К О М Н А Т Н О Й Т Е М П Е Р А Т У Р А Х

е

Многие исследователи проводили предварительную деформа­ цию и последующее испытание раздельно. Предварительная де­ формация осуществлялась растяжением при высоких темпера­ турах, а испытание через некоторое время проводилось при ком­ натной или более низкой температуре.

И сп ы тан и я , п р о в е д е н н ы е Т е р а д з а в а

Терадзава с сотрудниками испытывали образцы толщиной

25мм из спокойной малоуглеродистой листовой стали (табл. 4).

4.Химический состав и механические свойства спокойной малоуглеродистой

стали

Цилиндрические образцы были предварительно растянуты при следующих температурах: 10, 100, 200, 300, 400, 500 и 600° С.

Величина предварительной деформации была 0; 2,5; 10; 22; 35; 50 и 70%. Испытания проводились при комнатной температуре через 1—2 дня после предварительного деформирования. Резуль­ таты испытаний (рис. 1) показывают, что общая пластичность материала без трещин, испытываемого при комнатной темпера­ туре, не зависит от степени предварительной деформации при комнатной температуре и равна общему удлинению при обыч­

155

Результаты испытаний приведены в табл. 6.

При испытаниях, проведенных после предварительной дефор­ мации на 45% при температурах между 200 и 300°С, среднее значение удлинения снижалось до 12%. Образцы, деформирован­ ные на 38% при 250° С и надрезанные перед испытанием, имели удлинение при разрыве 2,3%.

156

Образцы без надреза из стами А (предварительная деформация на 10%)

Образцы с надрезом из стали А (предварительная деформация на 10%)

Образцы без надреза из стали В (предварительная деформация на 10%)

Образцы без надреза из стали С (предварительная деформация на 2%)

Образцы без надреза из стали С (предварительная деформация на 30%)

Без предварительной деформации.

157

П Р Е Д В А Р И Т Е Л Ь 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 С Ж А Т И Е М П Р И В Ы С О К И Х Т Е М П Е Р А Т У Р А Х

С П О С Л Е Д У Ю Щ И М И С П Ы Т А Н И Е М Н А Р А С Т Я Ж Е Н И Е П Р И К О М Н А Т Н О Й Т Е М П Е Р А Т У Р Е

Уже упоминавшиеся испытания, проведенные Майлонасом, ясно продемонстрировали опасность предварительной продоль­ ной деформации сжатием надрезанных образцов при комнатной температуре. Вероятно, если такую предварительную деформа­ цию производить при некоторой критической температуре, мож­ но ожидать еще более катастрофических результатов. Для ил­ люстрации влияния температуры и пластической деформации сжатием на образцах без надреза приведем результаты испыта­ ний, выполненных Кёрбером, Эйхингером и Мёллером, Терадзава с сотрудниками, Майлонасом.

7. Химический состав стали

158

И с п ы тан и я , п р о в е д е н н ы е К ё р б е р о м , Э й х и н г е р о м и М ё л л е р о м

Цилиндрические образцы из стали (табл. 7) были подвергну­ ты различной степени предварительной деформации сжатием при разных температурах. Все последующие испытания были проведены при комнатной температуре. Направление предвари­ тельной деформации было параллельным или перпендикулярным

личение степени предварительной деформации повышает склон­ ность к охрупчиванию и поперечная предварительная деформа­ ция менее опасна, чем продольная. Данные табл. 9, кроме того, показывают, что мартеновская сталь также склонна к ох­ рупчиванию. Критическая температура в этом случае лежит так­ же в районе 200—400° С. Влияние направления предварительной деформации также очевидно; при поперечной предварительной деформации до 85% минимальное сужение составляет еще 29%. Результаты табл. 10 подтверждают результаты предыдущих ис­ пытаний, так как видно, что поперечная предварительная дефор­ мация слабо влияет на охрупчивание.

159

образцы подвергались старению под напряжением 52,7 кгс/мм2). Хотя, как и ожидалось, пластичность при растяжении снижа­ лась в узком интервале степеней предварительной деформации сжатием, разброс результатов был значительно больше, чем при испытаниях с изменением направления деформации при изгибе, описанных в следующем разделе; кроме того, потеря пластично­ сти была также несколько выше, чем в испытаниях при изгибе. Отмечено, что степень предварительного сжатия в большинстве случаев относительно мало сказывается на истинном удлинении

при разрыве.

Потеря пластичности составила около 59—66% (номинальная

160