книги из ГПНТБ / Хрупкие разрушения сварных конструкций

она имеет размерность работы и связана с поглощенной энерги­ ей при разрушении. Вторая зависит от разрушающего напряже­ ния при данной длине трещины и аддитивна, когда разрушение вызывается приложением ряда систем нагрузки, но единицы из­ мерения (напряжение х корень квадратный из длины) более сложные. Третья характеризует локальную пластическую дефор­ мацию в вершине трещины и имеет простую размерноть длины. Ни одна из них не является предпочтительной и каждая имеет вполне определенное назначение.

После того, как определены размер и конфигурация трещино­ подобного дефекта, предел текучести и вязкость разрушения ма­ териала в области, находящейся вблизи дефекта, в первую оче­ редь следует решить, в каких условиях будет протекать разру­ шение— в плоско-напряженном или плоско-деформированном со­ стоянии.

Если есть основания ожидать разрушения при малых напря­ жениях, применяют методы линейного анализа, уравнения (9) и (15) для определения значений К. При достижении материалом состояния общей текучести точность определения коэффициента интенсивности напряжений К становится неудовлетворительной даже при введении поправки на пластическую зону. В этом слу­ чае важную роль играет раскрытие трещины б, которое можно оценить по способу, показанному на рис. 11. Применительно к конструкциям, изготовленным из пластин, многие проблемы их прочности можно полностью решить, если величина 6 Сили удар­ ная вязкость по Шарли для соответствующей части конструкции превышает критическое значение по рис. 15 для данной толщины и предела текучести, причем это превышение достаточно для то­ го, чтобы ожидаемое или возможное разрушение происходило в плоско-напряженном состоянии. Вдобавок указывается допуск для сквозных трещин, длина которых не должна превышать две толщины пластины, при деформации, соответствующей пределу текучести (аѵ/Е), а для мелких несквозных трещин — при еще более значительных деформациях в пластической области. Та­ кие детали могут выдерживать напряжения, превышающие пре­ дел текучести даже в присутствии дефектов, и в последующем эксплуатационные трещины могут «подрастать», развиваясь по толщине пластины, что должно тщательно контролироваться с целью предупреждения нестабильной стадии разрушения.

Пр и м е р ы , и л л ю с т р и р у ю щ и е п р и м е н е н и е м е т о д о в л и н е й н о й м е х а н и к и р а з р у ш е н и я

Пример 1.

Обычный ультразвуковой контроль колонн экструзионного пресса диаметром 254 мм из кованой малоуглеродистой стали выявил в одной из них поперечную внутреннюю трещину типа флокена диаметром около 50 мм. Можно ли запускать пресс16

в эксплуатацию при рабочем напряжении в колонне 7 кгс/мм2 и необходим ли при этом подогрев колонны? Данные о химиче­ ском составе и свойствах материала отсутствуют.

В вершинах дисковидной трещины, перпендикулярной к рас­ тягивающему напряжению, почти определенно имеет место со­ стояние плоской деформации. Таким образом, достаточно при­ нять, что предел текучести материала составляет 24,6 кгс/мм2, а величина К\с при комнатной температуре порядка 212 кгс/мм3/: (см. табл. 1). Согласно уравнению (13) разрушающее напряже­ ние должно быть __

Г~

а= ^ іс |// —— = 37,3 кгс/мм2.

Полученный результат указывает на то, что надежность рабо­ ты колонны обеспечена, если отсутствуют остаточные растяги­ вающие напряжения, которые могут возникнуть при охлаждении поковки. Эти напряжения, как известно, могут достигать преде­ ла текучести материала при растяжении. При дальнейшем ана­ лизе обнаружено, что колонны первоначально испытывали при напряжении 14,1 кгс/мм2. Таким образом, максимальное напря­ жение в колоннах при работе пресса не может превышать вели­ чины 24,6— 14,1 + 7,0 = 17,5 кгс/мм2. Можно считать дефектную колонну надежной при условии наблюдения за трещиной. На­ грев в данном случае не дает преимуществ, поскольку сущест­ вуют условия плоско-деформированного состояния.

Пример 2.

Капитан танкера докладывает об остановившейся трещине, распространившейся на расстояние 483 мм от люка цистерны во время шторма. Рекомендации: обогревать паром конец трещи­ ны; перераспределить груз с целью уменьшения растягивающе­ го напряжения в зоне трещины; сообщить примерное раскрытие трещины у ее начала и амплитуду колебаний ширины трещины от качки. Из технической документации известно, что толщина пластины с трещиной составляет 31,8 мм, а диаметр люка 1216 мм. Результаты испытаний стали на ударную вязкость по Шарли дают следующие нижние пределы:

Средний предел текучести равен 24,6 кгс/мм2. Gc и К\с были рассчитаны по значениям ударной вязкости. На рис. 15 показа­ но, что для данной толщины пластины и предела текучести кри­ тическая ударная вязкость составляет 1,1 кгс-м. При темпера­ туре на палубе 5° С, для которой ударная вязкость составляет

242

1,38 кгс-м, таким образом практически нет гарантии консерва­ ции трещины в условиях плоской деформации, если не будет обогрева паром. Далее, расчетная длина трещины должна быть равна ширине люка плюс фактическая длина трещины, т. е. 1220 + 483 = 1703 мм, а начало фактической трещины находится

1703

на расстоянии —------482 = 370 мм от воображаемого центра.

Положив Кіс Для остановки трещины равным 212 кгс/мм2, приблизительное значение растягивающего напряжения можно найти по формуле

Это напряжение должно привести к приращению раскрытия трещины в ее начале согласно уравнению (1) на

С корабля вновь поступает сообщение, что можно поддержи­ вать температуру конца трещины около 35° С и что трещина пер­ воначально раскрылась на величину около 0,75 мм; индикатор показывал, что колебания раскрытия трещины от качки состав­ ляли ±0,5 мм, но что перераспределение груза почти устранило эти колебания, которые составляют теперь не более ±0,25 мм.

Таким образом, предпринятые действия обеспечили достаточ­ ный временный запас надежности.

Следует отметить, что если бы толщина пластины была 38 мм,

16

Глава 7

ОСТАНОВКА ХРУПКОЙ ТРЕЩИНЫ

В В Е Д Е Н И Е

Предотвращение хрупкого разрушения в стальных конструк­ циях вообще состоит в том, чтобы избежать инициирования хрупких трещин или остановить их развитие, которое может при­ вести к катастрофическому разрушению.

Такие разрушения характеризуются высокой скоростью рас­ пространения трещины. Исследования по распространению хруп­

.уменьшением напряжения. Поэтому естественно, что исследова­ ния механизма остановки хрупкой трещины включают рассмот­ рение температурного градиента, качества основного металла и сварки, влияния остаточных напряжений и т. д.

В данной главе представлены различные методики оценки ха­ рактеристик остановки хрупких трещин в стальных пластинах и типичные результаты испытаний. Испытания на остановку тре­ щины подразделяются в основном на пять этапов, особенности которых описаны ниже.

МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ ПРИ ПОСТОЯННОЙ И ПЕРЕМЕННОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ

ПО ШИРИНЕ ОБРАЗЦОВ

Известна общая закономерность, что с повышением темпера­ туры скорость распространения трещин уменьшается. Поэтому в одном из методов испытаний на остановку трещины использует­ ся температурный градиент в широком образце (пластине). для остановки хрупкой трещины и для оценки качества стали или ее чувствительности к надрезу.

Методы испытаний при постоянной и переменной температу­ ре классифицируются как изотермические и неизотермические с крутым или пологим градиентом температуры по ширине образ­ ца, как показано на рис. 1. В первом случае значительный гра­

J 244

диент температуры создается только в небольшой области вбли­ зи вершины надреза, в остальной же части пластины поддержи­ вается постоянная температура. Результат испытания (как и при однородном поле напряжений) состоит в определении условий, когда трещина проходит (или не проходит) через всю ширину пластины. При испытаниях с градиентом температуры находят обычно температуру участка образца, где трещина останавли­ вается при заданном внешнем напряжении.

Имеются различные мнения относительно значимости резуль­ татов, полученных при этих испытаниях. Чаще всего полагают,

•с

кал ьн ы м гр а д и ен то м ; 2 — гр ад и ен тн о е ; 3 — о д н о р о д н о е

что при изотермических испытаниях результаты по температуре остановки (нераспространения) трещины ближе всего соответст­ вуют условиям работы реальных конструкций.

При испытаниях с градиентом температуры условия (или спо­ собы) инициирования трещины не так сильно влияют на ее рас­ пространение, и поэтому многие полагают, что этим методом можно более точно оценить сопротивление стальной пластины распространению хрупкой трещины. Однако, как будет показано в следующем разделе, оба типа испытаний дают аналогичную температурную зависимость напряжения остановки трещины, и, таким образом, оба метода испытаний на остановку трещины яв­ ляются по существу идентичными.

Испытание по Робертсону

Испытание, предложенное Робертсоном [I], было первым ос­ новным методом оценки качества стали в смысле остановки хруп­ кой трещины. Этот метод широко применяли в Англии и других европейских странах.

Образец типа Робертсона показан на рис. 2. Для экономии

245

материала применяли образцы сравнительно малой длины. Для инициирования трещины охлаждаемый жидким азотом надрез подвергали удару. Из-за малой длины рабочей части образца можно ожидать, что остаточные сварочные напряжения должны

оказывать некоторое воздействие на распространение трещины. Для нейтрализации этого эффекта между захватной и рабочей

Имеется два метода опреде­ ления этой температуры. Как показано на рис. 2, одно опреде­ ление температуры остановки соответствует температуре на контуре остановившейся трещины в середине толщины пласти­ ны и обозначается Тае . Другое определение температуры ос­ тановки связано с областью, в которой начинают заметно рас­ ширяться губы среза, как показано на рис. 2, и обозначается T'ag . Если принять оценку по T'ag , кривая температурной за-

висимости напряжения остановки трещины изображается ком­ бинацией двух прямых, как показано на рис. 3. Температура остановки (нераспространения) для изотермического испыта­ ния, представляя случаи «трещина идет — трещина не идет» для различных температур и уровней напряжений, обозначается через Тар.

246

Соотношение между Т аг при изотермическом испытании и напряжении, равном половине предела текучести, и Tag при ис­ пытании с температурным градиентом и напряжении, также рав­ ном половине предела текучести, показано на рис. 4 [2]. Соотно­

Испытание на двойное

по Робертсону, а статическим растяжением специального высту­ па на основной пластине, как показано на рис. 24 гл. 1. Распре-

б. кгс/пп?

Рис. 6. Корреляция меж­ ду о и температурой при испытании на двойное растяжение [5]

деление температуры в инициирующем выступе может быть ли­ бо равномерным, либо градиентным. Температурные кривые на­ пряжения остановки трещин, полученные для обоих типов рас­ пределения температур, идентичны с результатами испытаний по Робертсону.

247

Йошики, Каназава и Машида [5] выявили зависимость меж­ ду результатами испытаний на двойное растяжение при равно­ мерном и градиентном распределении температур и показали, что оба типа испытаний пригодны для оценки характеристик ос­ тановки трещин как длинных, так и коротких. Если вместо при­ ложенного напряжения ст применять модифицированное напря­

жение а, выражаемое уравнением (2), и допустить применимость теории механики разрушения для явления остановки трещины, то температурные кривые напряжения остановки трещины при изотермическом и градиентном испытаниях на двойное растяже­ ние примут вид, показанный на рис. 6:

о = У 2ES/nb0;

ние только в ограниченной области, близкой к надрезу. Поэто­ му они [9] применили образец «Esso» с температурным градиен­ том, как показано на рис. 7, для изучения качества стали и па-

248

раметров остановки хрупких трещин. Отмечается, что локальная закалка вершины надреза эффективно уменьшает энергию удара для инициирования трещины.

Примеры температурной зависимости напряжения остановки трещины при испытаниях на двойное растяжение и по методу «Esso» с температурным градиентом приведены на рис. 31 гл. 1. Теоретические кривые, показанные там же, можно получить из данных измерения скорости развития трещины, показанных на рис. 30 гл. 1.

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

И З В Ы С О К О К А Ч Е С Т В Е Н Н О Й С Т А Л И

Хорошо известно, что высококачественная сталь, или иначе сталь, сравнительно малочувствительная к концентраторам напряжений, имеет низкую температуру хладноломкости и что скорость развития трещин в ней при обычных температурах до­ вольно низка по сравнению со сталью менее высокого качества. Поэтому вварка полос из высококачественной стали в стальные

249

на широких образцах, как, например, для испытаний по Роберт­ сону, на двойное растяжение или по «Esso», поскольку в них

250