книги из ГПНТБ / Хрупкие разрушения сварных конструкций
..pdfбудут приведены ниже, чтобы показать связь между различны ми методами. Применение названных выше методов в большин стве случаев имело целью установить температурную зависи мость или температурную зону перехода от хрупкого разрушения к вязкому, подобно тому, как это показано на рис. 2; по оси абцисс отложена температура (или скорость деформации), а по оси ординат — поглощенная энергия, доля вязкой части излома или какая-либо другая величина, принимаемая как мера пласти ческой деформации. Для данного материала и вида испытания переход изображается кривой, подоонои показанной на рис. 2.
Однако для каждого способа |
|
|
||||
оценки степени вязкого раз |
|
|
||||
рушения и |
вида испытания |
|
|
|||
построенные кривые |
могут |
|
|
|||
заметно отличаться от кри |
|
|
||||
вых, полученных другим ме |
|
|
||||
тодом на том же самом ма |
|
|
||||
териале, будучи смещенны |
|
|
||||
ми влево или вправо, и мо |
|
|
||||
гут давать более узкий или |
|
|
||||
широкий температурный ин |
|
|
||||
тервал |
переходной зоны. |
В |
|
|
||
некоторых |
случаях |
кривые |
|
|
||
могут |
характеризоваться |
не |
Рнс. 2. Схема хрупко-вязкого |
перехода |
||
таким |
плавным ходом, |
как |
(по осп ординат: деформация |
— утяж- |
||
показано |
на рис. 2, |
а |
не |
ка или процент вязкой части излома, или |
||
работа разрушения): |
|
|||||
сколькими |
перегибами |
и |
I — хрупкое состояние; 2 — переходный |
|||
площадками. |
|
|
интервал или зона перехода; 3 — вязкое |
|||
Тем не менее было найде |
состояние |
|
||||
но, что по результатам испы |
|
|
||||
таний |
методами, названны |
|
|
|||
ми выше, мягкую сталь различных марок одного класса можно расположить в одной и той же последовательности по склонно сти к хрупкому разрушению. Однако значительные колебания переходной температуры в зависимости от метода испытания для стали одной и той же марки свидетельствуют о трудности кор реляции этих переходных температур с конкретными условиями эксплуатации. На основании исследований листовой и корабель ной стали в течение ряда лет казалось, что температура, соот ветствующая уровню работы разрушения 2,1 кгс-м при испыта ниях по Шарли с Ѵ-образным надрезом, дает хорошую корреля цию с условиями эксплуатации для конструкционной стали. Дальнейшие работы в последние 10 лет показали, что эта корре ляция в общем случае не является стабильной, особенно для ста ли новых марок, находящих все большее распространение, и по этому критерий определенного уровня работы разрушения без учета других факторов может вызвать большие затруднения, на что неоднократно указывали исследователи [11].
И
В добавление к названным факторам можно указать и дру гие факторы, играющие роль в проектировании конструкций, та кие, как размер и толщина листового материала, свойства листо вого материала в различных направлениях, влияние сварки, ос таточные напряжения и тип напряженного состояния. При изу чении технической литературы по хрупкому разрушению стано вится очевидным, что часто при обсуждении результатов иссле дований имеют место недоразумения, возникающие из-за труд ностей раздельной оценки указанных факторов, особенно приме нительно к сварным конструкциям.
По-видимому, в ближайшем будущем едва ли будет найден единый метод испытания, который дал бы полную информацию, необходимую конструкторам. Кроме того, новые методы испы таний и их интерпретации непрерывно развиваются и усовершен ствуются, например с позиций линейной механики разрушения. В последние годы было установлено, что совместные данные ис пытаний по Шарли (с Ѵ-образным надрезом), взрывных проб, испытаний падающим грузом, испытаний широких пластин в со четании с изучением специфических условий эксплуатации, веро ятно, позволят воссоздать общую картину поведения материала при эксплуатации, которая может быть использована при про ектировании различных конструкций. Комплекс названных испы таний является дорогостоящим, хотя некоторые из этих методов сравнительно просты и дешевы. Самыми дешевыми являются испытания на копрах с падающим грузом, а наиболее дорогими и сложными — испытания широких пластин и натурные испыта ния. Для выполнения этого желательно стандартизировать, на сколько это возможно, методы испытаний, которые не слишком дороги и могут быть легко осуществлены поставщиком или по требителем и которые гарантируют сопоставимость результатов. Конечно, наилучшую окончательную оценку надежности конст рукции (хотелось бы надеяться, неразрушающим методом) мо жет дать только опыт эксплуатации.
Глава 1
ИССЛЕДОВАНИЯ КРУПНЫХ ПЛАСТИН
ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ
Настоящая глава посвящена главным образом исследовани ям разрушений крупных пластин из основного металла. Хотя в ней для полноты картины рассматривается несколько случаев разрушений сварных пластин, исследования, в которых изуча лось влияние сварки, подробно будут обсуждены в последующих главах.
При изучении хрупкого разрушения обычно рассматривают раздельно три фазы: возникновение разрушения (трещины), его развитие и остановку. Однако эти фазы тесно связаны друг с другом, и поэтому в данной главе мы не будем пытаться в каж дом случае классифицировать исследования в связи с указанны ми фазами разрушения, а будем рассматривать отдельные ра боты в целом, по возможности в хронологическом порядке. Та кой способ анализа дает основу для дальнейшего развития ис следований крупных пластин и позволит получить всестороннее представление о проделанной работе.
Из-за большего размера образцов, а также больших мате риальных затрат и затрат времени таких исследований прове дено немного и имеющиеся данные ограничены. С появлением новых испытательных машин большой мощности: 4000 тс в Анг
лии [1, |
2], Японии [3], 6000 тс в Университете в Генте и 8000— |
10 000 |
тс в Чехословакии можно надеяться, что в будущем мы |
увидим результаты испытания материалов с более высокой проч ностью и большей толщины.
ИССЛЕДОВАНИЯ КРУПНЫХ ПЛАСТИН В ИЛЛИНОЙССКОМ И КАЛИФОРНИЙСКОМ
УНИВЕРСИТЕТАХ
Во время второй мировой войны проблема разрушения судов в США привела к широким исследованиям чрезвычайно круп ных пластин. В различных лабораториях США было поставлено много исследований для выяснения вероятных причин хрупких
13
разрушении, происшедших на многих сварных судах. Результа ты этих исследований были опубликованы в докладах Общества научных исследований и разработок (OSRD) и Комитета кора бельных конструкций (SSC) в статьях, помещенных в журнале
«Welding Journal» и в других изданиях.
Исследования Уильсона, Гехтмана и Брукнера [5, 6] из Иллинойсского университета и Будберга, Дэвиса, Паркера, Троксела и О’Брайена [7, 8] из Калифорнийского университета были пос вящены изучению хрупкого разрушения в пластинах шириной W = 76 -т- 2750 мм и были проведены по методу Института Тэй лора (David Taylor Model Basin) на образцах малого размера,
Рис. I. Форма и размеры концентратора напряжений в широких пласти нах [6]: / — пропил ювелирной пилкой; 2 — пропил ножовкрн; 12,7 мм— ширина щели
описанному в следующем разделе. В этих испытаниях опреде лялись предел прочности и пластичность пластин при разных температурах, величина поглощенной энергии, вид разрушения, распределение деформаций на поверхности пластин и уменьше ние сечения (поперечное сужение) вблизи места разрушения.
В Иллинойсском университете были испытаны пластины но минальной толщиной t = 19 мм и шириной W = 305, 610, 1220 и 1830 мм при одноосном растяжении и различных температурах с поперечным концентратором напряжений с весьма острыми пропилами по концам (рис. 1). Общая длина надреза составля ла 0,25 W. Была изучена сталь следующих марок: кипящая сталь
Е |
в |
состоянии |
после |
прокатки |
(0,20% С, 0,33% Mn, |
as = |
|
= 21 |
кгс/мм2, Он = 40 кгс/мм2) |
и после нормализации EN |
(as = |
||||
= |
25 |
кгс/мм2, съ = |
41 кгс/мм2); |
спокойная сталь в состоянии пос |
|||
ле прокатки D(0,22% С, |
0,55% |
Мп, |
0,21% Si; as = 27 кгс/мм2, |
||||
On — 46 кгс/мм2) и после нормализации DN(0,19% С, 0,54% Мп,
0,19% Si, os = 25 кгс/мм2, oD= 42 кгс/мм2); |
спокойная сталь F в |
состоянии после прокатки (0,18% С, 0,82% |
Мп, 0,15% Si, cs = |
= 24 кгс/мм2, сг„ = 43 кгс/мм2); спокойная сталь G в состоянии |
|
после прокатки (0,20% С, 0,86% Мп, 0,19% |
Si; as = 29 кгс/мм2, |
ст» = 49 кгс/мм2) .
Образцы с W = 1830 и 1220 мм испытывали на машине с уси лием 1360 тс, а образцы с W = 610 и 305 мм — на менее мощных
14
машинах. Пластины имели значительную длину, и для вычисле ния поглощенной энергии расчетную длину (на которой измеря ли общее удлинение) принимали равной 0,75 W.
На графиках рис. 2 показаны данные испытаний стали раз ных марок при различных температурах. Следует обратить вни-
Рис. 2. Температурная зависимость разрушающего напряжения для широких пластин [6]. Цифры у точек показывают долю вязкого разрушения в изломах. По оси ординат номинальное напряжение при максимальной нагрузке, кгс/ммг, по оси абсцисс— температура испытания, °С: / — толщина 1830 мм;
2 — толщина 1220 мм; 3 — толщина 610 мм; 4 — толщина 305 мм; 5 — сталь D — прокат; 6 — сталь D нормализованная; 7 — сталь Е —
прокат; 8 — сталь Е — нормализованная; У— сталь Е — прокат, испытание поперек направления прокатки; 10 —сталь F — прокат; II — сталь G — прокат
мание, что предел прочности пластины W = 1830 мм из стали Е при 23° С составляет 22,4 кгс/мм2, т. е. почти равен пределу те кучести. Интересно, что в этих испытаниях ни разу не удалось до стичь того, чтобы величина разрушающего напряжения для се чения нетто была намного ниже предела текучести.
Изменения температуры, не сопровождавшиеся изменениями вида разрушения (долей вязкого или хрупкого излома), не со
15
провождались и сколько-нибудь заметным изменением прочно сти. Средние значения предела прочности, полученные при ис пытаниях пластин в Иллинойсском университете, приведены в табл. 1.
1. Предел прочности пластин с внутренним надрезом [9]
(средние значения нз табл. 1 и рис. 24 в работе [6])
|
|
|
Предел прочности, кгс/мм2 |
|
|
|
|
при ширине пластины, мм |
|
Сталь |
|
Вид разрушения |
|
|
|
|
|
305 |
1830 |
Кипящая (прокат) |
Е |
Вязкий.............................. |
34,6 |
29,0 |
Спокойная (прокат) |
D |
Хрупкий ........................... |
27,2 |
23,1 |
Вязкий............................... |
37,7 |
32,1 |
||
Спокойная (нормалнзо- |
Хрупкий ............................ |
34,8 |
29,7 |
|
Вязкий.............................. |
35,5 |
30,1 |
||
ванная) DN |
|
Хрупкий ............................ |
33,8 |
6,9 |
Эти данные свидетельствуют о небольшом масштабном эф фекте, проявляющемся в некотором снижении прочности при из менении ширины пластин от 305 до 1830 мм. По прочности дан ные этих испытаний можно поставить в следующий ряд (в нисхо дящем порядке): G, F, D, DN, Е. Более наглядно это видно на рис. 3, где показана зависимость величины работы разрушения для пластин шириной 305 и 1830 мм от температуры испытания. Для каждой точки показана доля вязкой части излома; причем, как и ожидалось, при вязком разрушении работа разрушения оказывается намного больше.
Критерий «работа разрушения — температура перехода» (где «переход» означает температурный интервал, в котором работа разрушения резко падает) ставит сталь в указанных состояниях в такой же ряд, если не считать, что стали D и DN поменялись местами.
Несколько опытов на стали Е, взятой в состоянии после про катки, проведено так, что направление приложения нагрузки бы ло перпендикулярно направлению прокатки; как видно из рис. 2 и 3, полученные результаты не обнаружили существенного раз личия свойств в направлениях вдоль и поперек прокатки листа.
Было обнаружено резкое влияние степени концентрации на пряжений в вершинах надрезов. Концентрация напряжений в вершинах надреза в пластинах шириной 1830 мм была значи тельно выше, чем в пластинах шириной 305 мм, что согласуется с более низкими напряжениями при разрушении для широких пластин. Возникновение хрупкого разрушения после пластичес кой деформации различной величины отчетливо показывает, что
16
начальная пластическая деформация не всегда предотвращает последующее хрупкое разрушение.
В участках, где имело место хрупкое разрушение, остаточное уменьшение толщины пластин было небольшим: порядка 1—2%, тогда как в зонах вязкого разрушения уменьшение толщины до стигало 10% и более. В одной из пластин шириной 1830 мм мак-
Рис. |
3. Температурная |
зависимость работы разрушения пластин шириной |
1830 |
мм (а) и 305 (б) |
[6]. У каждой точки показана доля вязкой части изло |
ма. Измерения производились на длине, равной 3Д толщины. Кривые обозна
чены: Dп, Еп, Рп и Gп сталь после прокатки; |
£>н |
и Ен — сталь после норма |
лизации; Е п — сталь после прокатки, образец |
с |
разрезом поперек направле |
ния прокатки |
|
|
симальное уменьшение толщины было обнаружено на расстоя нии около 50 мм от вершины надреза.
В некоторых случаях разрушение происходило скачкообраз но, причем на концах участков временных остановок трещины излом имел характерный вид «ногтя».
Исследования в Калифорнийском университете представляли часть общей программы и включали испытания стали других ма рок; в частности, были изучены три плавки (серии) полуспокой ной корпусной стали; одна серия образцов из легированной ни келем стали, одна плавка спокойной стали и одна плавка зака ленной и отпущенной стали.2
|
Го; |
Сг:.?ч.чч ■? |
2 Зак. 1394 |
НД' |
..;■ |
|
0.10ЛИО |
ѵ-ЫІ |
ЭКЗЕМПЛЯР ЧИТАЛЬНОГО ЗАЛА
Ширина пластин изменялась от 76 до 2740 мм. Изменение ми нимального напряжения в зависимости от температуры пластин шириной 305 и 1830 мм с таким же концентратором, как и в ис следованиях Иллинойсского университета, показано на рис. 4. Бы ли испытаны две пластины шириной 2740 мм из полуспокойной
стали В (0,6° С, |
25,7 кгс/м2, около 75% вязкого излома) и полу- |
спокойной стали |
С(— 3°С, 27,0 кгс/мм2, 100%-ный хрупкий из |
лом) . |
|
Точно так же, как и при испытаниях в Иллинойсском универ ситете, была замечена большая разница в переходной темпера туре у пластин шириной 305 и 1830 мм. Сталь с более высоким содержанием азота (сталь С) обладала более высокой темпера турой хрупкого перехода. Как отмечает Паркер [10], сталь с по вышенным содержанием азота имеет больший размер ферритно го зерна, чем, вероятно, и объясняется повышение переходной температуры.
В работах обоих университетов исследователи обратили вни мание на то, что для стали большинства изучавшихся марок пе реходная температура, соответствующая изменению характера разрушения, охватывает широкую область температур, и во мно гих случаях среднее значение переходной температуры было вы ше комнатной. В исследовании применялись и другие испытания и методы оценки (такие как испытания на ударную вязкость с ключевидным надрезом, испытания широких пластин, оценка внешнего вида излома), которые позволяли, в общем, располо жить марки стали в ряд в одном и том же порядке по склонно сти к хрупкому разрушению. Однако часто оказывалось, что зна чения температуры перехода, полученные при разных испыта-
..ниях и различными методами, заметно отличались друг от друга. В исследованиях Калифорнийского университета было най дено, что номинальная прочность пластин значительно снижа лась при увеличении ширины от 76 до 305—610 мм; при даль нейшем увеличении ширины она падала незначительно. В неко торых работах исследовалось влияние толщины пластин. В од ной из серий были испытаны пластины разной толщины, полу ченные из стали одной плавки. Оказалось, что у пластин, раз личная толщина которых была получена прокаткой, переходная температура менялась сильнее (у более толстых пластин пере ходная температура была выше), чем у пластин, доведенных до разной толщины механической обработкой. Однако трудно ре шить, какой из факторов: толщина пластины, металлургическая
.технология или эффект прокатки — является определяющим.
В другом исследовании Калифорнийского университета про водились испытания простых пластин (шириной 76 мм с боко вым надрезом и 1830 мм с внутренним) и сварных напряженных конструкций из конструкционной легированной стали четырех марок в улучшенном состоянии с пределом текучести от 46 до 59 кгс/мм2 и пределом прочности от 63 до 70 кгс/мм2, а также
б, К&С/мм?
-62 |
-60 |
-18 |
U |
27 |
69 |
7ГС |
б)
Рис. 4. Температурная зависимость разрушающего напряжения для пластин шириной 305 мм (а) и 1830 мм (б) [8]
2* |
19 |
полуспокойной стали одной марки. Было найдено, что переход ная температура, определенная тремя специальными испытания ми, изменяется в широком интервале, однако все три метода по казали одинаковое соотношение марок стали по положению пе реходной температуры. Для сварных напряженных образцов (три пластины, сваренные под прямым углом) переходная темпера тура оказалась на 28° С выше, чем для пластин из основного металла стали всех испытывавшихся марок, и в большинстве случаев, как показали испытания вырезанных образцов, они не разрушались при напряжении ниже предела прочности при ком натной температуре. Был сделан вывод, что испытания образцов шириной 76 мм с краевым надрезом являются дешевым и про стым способом сопоставления сталей, различных по склонности к хрупкому разрушению.
При исследовании широких пластин проводились измерения скорости распространения трещины, осуществлявшиеся с по мощью многоканального искрового хронографа с использовани ем намагниченного образца и индукционных датчиков, цепь кото рых прерывалась при прохождении трещины. Для одного из об разцов шириной 1830 мм, испытанного при 0°С и разрушивше гося хрупко, скорость распространения трещины вблизи надре за оказалась около 1400 м/с и упала при достижении трещиной противоположного края до 915 м/с. В широких пластинах при хрупком разрушении скорость распространения трещины лежала в пределах от 2000 до 60 м/с. Было отмечено, что скорость рас пространения трещины зависит от уровня напряжений: вблизи надреза она очень высока, а на краю образца, где уровень напря жений ниже, она значительно меньше.
Группа исследователей [11] из Калифорнийского университе та провела ряд испытаний крупных трубчатых образцов с раз личным соотношением осевых и окружных напряжений. Образ цы из среднеуглеродистой конструкционной стали длиной 3,05 м имели наружный диаметр 508 мм и толщину стенки 19 мм. Тру бы изготовляли из двух прокатанных полуцилиндров («корыт»), сваренных встык Х-образным швом. Одну из труб испытывали без термообработки, у восьми труб было проведено снятие нап ряжений (отпуск) перед сваркой корыт, а у двух — до и после сварки. В большинстве случаев (кроме дважды термообработан ных образцов) при низкотемпературных испытаниях (около — 40° С) разрушающее напряжение оказалось ниже, чем можно было ожидать на основании механических испытаний образцов материала; разрушение происходило с небольшой долей вязкого участка в изломе (уменьшение толщины стенки вблизи зоны на чала разрушения составляло всего 2%)- В тех случаях, когда разрушение возникало в зоне сварки, трещина зарождалась в сварном шве или околошовной зоне и затем распространялась в основной металл; такие разрушения всегда носили хрупкий ха рактер. Эти испытания также показали, что снятие напряжений