книги из ГПНТБ / Хрупкие разрушения сварных конструкций

(отпуск при 593° С) после сварки повышает пластичность; поло-' жительное влияние отпуска, вероятно, в большей степени связа­ но с улучшением свойств материала, чем со снятием остаточных напряжений. В двух случаях было показано, что мелкие дефек­ ты могут являться очагами возникновения трещин, особенно при низких температурах.

ИССЛЕДОВАНИЯ В ИНСТИТУТЕ ТЕЙЛОРА, СУОРТМОРСКОМ КОЛЛЕДЖЕ

И ИЛЛИНОЙССКОМ УНИВЕРСИТЕТЕ

Одновременно с описанными выше исследованиями были про­ ведены испытания пластин меньшего размера шириной 150— 200 мм: Томасом и Уинденбергом [12] и Маккатченом, Питтильо

Рис. 5. Образец типа DTMB длиной 610 мм [12]:

и Рэрингом [13] в институте Тейлора (David Taylor Model Ba­ sin DTMB); Карпентером и Рупом [14, 15] в Суортморском кол­ ледже. Результаты этих испытаний в основном совпадают с толь­ ко что описанными результатами для широких пластин. На рис. 5 показан надрез, применявшийся в исследованиях DTMB, ко­ торые показали, что образцы малого размера позволяют распо­ ложить сталь в ряд по маркам в зависимости от склонности к хрупкому разрушению. Более того, этими работами было уста­ новлено, что различие в результатах может быть связано с гео­ метрией надреза, особенно с величиной радиусов закругления в его вершинах. Типичные результаты для случая надреза с глу­ биной, составляющей четверть ширины пластины, приведены на рис. 6, где также указаны радиусы вершин надрезов. Можно ви­ деть, что на пластинах, имеющих внутренний надрез, сделанный ювелирной пилкой, переходная температура определяется более отчетливо, чем в случае надрезов с просверленными по концам отверстиями.

21-

Было установлено, что пластины с надрезом, равным У4 ши­ рины пластины или более, пригодны для определения переход­ ной температуры с целью расположения стали в ряд по маркам в зависимости от склонности к хрупкому разрушению. В этих ис­ следованиях было также показано влияние ориентации (непер­ пендикулярности) надреза по отношению к направлению дейст­ вия нагрузки: при косом расположении надреза работа разру­ шения увеличивалась, а переходная температура значительно

объяснить влияние остроты и размера надрезов и площади попе­ речного сечения пластин на хрупкую прочность и переходную температуру. Они пришли к выводу, что полученные в вышеупо­ мянутых работах значения прочности в тех случаях, когда обра­ зец разрушался хрупко, могли бы быть представлены в более на­ глядном виде путем введения коэффициента, включающего ра­ диус вершины надреза и номинальную площадь поперечного сечения пластин. Результаты их исследований показали, что'име­ ет место соотношение вида

где о — хрупкая прочность (максимальная нагрузка, отнесенная к площади первоначального поперечного сечения нетто); К — по­ стоянная, зависящая главным образом от материала, и р = R/A (отношение радиуса вершины надреза R к площади нетто попе­ речного сечения пластины типа А). Типичный график зависимо­ сти между р и о для стали типа Е показан на рис. 7. Обозначе­

22

ния характеризуют тип образца: А — пластина с внутренним над­ резом, засверленным по концам или с пропилом, сделанным юве­ лирной пилкой на концах; В — цилиндр с кольцевым надрезом; С — пластина с краевым надрезом. Авторы отмечают, что эта за­ висимость может быть справедливой только в некотором интер­ вале значений р, вне которого изменение р не должно заметно влиять на прочность. Эти же

выбора геометрии небольших образцов так, чтобы можно было получить те же значения переходной температуры, что и на круп­ ных образцах.

ИССЛЕДОВАНИЯ ПО РОБЕРТСОНУ

В 1953 г. Робертсон и Хант [17—19] сообщили о новом методе испытаний, разработанном для оценки склонности стали к хруп­ кому разрушению. В противоположность испытаниям пластин, которые обсуждались в предыдущих разделах, испытания по Ро­ бертсону и испытания по методике «Esso», описанной в следую­ щем разделе, позволяют вызвать разрушение под действием низ­ ких напряжений благодаря использованию искусственного быст­ рого инициирования трещины. Образец, показанный на рис. 8, имеет в рабочей части выступ, в котором просверлено отверстие и сделан небольшой острый надрез. Сторона образца с высту-

23

пом, по которому производится удар с помощью специальной «пушки», обычно охлаждается жидким азотом, а противополож­ ный край подогревается газовой горелкой, что создает градиент

Результаты испытаний

температуры по ширине образца. К образцу прикладывается рас­ тягивающая нагрузка, затем производят выстрел (удар) и отме­ чают границу остановившейся трещины и соответствующую тем­ пературу.

24

На рис. 9 [20] показаны результаты испытаний, типичные для работы Робертсона с сотрудниками и многих других работ, про­ веденных этим методом позднее. На приведенных графиках по­ казана зависимость приложенного напряжения от температуры остановки трещины для пластин трех разных толщин; более тон­ кие пластины изготовляли из толстых путем механической обра­ ботки. Такой же образец был использован для изотермических испытаний. Во время этих испытаний поддерживалась постоян­ ная температура по ширине образца, зона удара охлаждалась с целью инициирования хрупкого разрушения и отмечалось, прои­ зошло полное разрушение образца или же остановка трещины. Результаты испытаний показаны на рис. 9. Было найдено, что температура остановки трещины, полученная при изотермичес­ ких испытаниях, лежит несколько выше, чем определенная при опытах с градиентом температуры.

Другая работа Робертсона с сотрудниками в Отделе иссле­ дования судостроительных конструкций будет рассмотрена ни­ же в данной главе.

ИСПЫТАНИЯ ПО МЕТОДИКЕ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОГО ЦЕНТРА СТАНДАРТ ОЙЛ («Esso»)

После разрушения двух крупных нефтехранилищ в Англии весной 1952 г. исследовательский центр Стандарт Ойл предпри­ нял серию исследований с целью разработать метод оценки ма­ териалов при конструировании емкостей и других подобных кон­ струкций. Результаты этих работ описаны Фили, Гртко, Клеппе, Нортапом и Дженсеймером [21, 22], которые разработали обра­ зец (рис. 10) для испытаний по «Esso». При первых испытаниях хрупкую трещину инициировали путем переохлаждения локаль­ ного участка вокруг надреза и удара клином, дающего короткую трещину в образце. При такой операции образец изгибался, как балка, и возникали растягивающие напряжения на противопо­ ложном краю пластины, вызывающие образование короткой по­ перечной трещины. В дальнейшем такой метод образования ис­ ходной трещины был признан непригодным. Было установлено, что клин с малым углом является эффективным для искусствен­ ного образования трещины, если надрез сделать ювелирной пил­ кой. В результате было дано определение, что температурой пе­ рехода в хрупкое состояние по «Esso» считается самая низкая температура, при которой трещина не проходит целиком поперек пластины при напряжении (приложенном в нетто-сечении) 12 кгсімм2. Стандартный образец имел размеры: длина 1830, ши­ рина 406, толщина 25,4 мм. Энергия удара клина была выбрана такой, чтобы вызвать разрушение в пластине шириной 406 мм (при напряжении 12,7 кгс/мм2) при той же температуре, которая необходима для пластин шириной 1830 мм (см. следующий раз­ дел).

25

В связи с разработкой методики испытаний для определения температуры перехода по «Esso» группа специалистов исследо­ вательского центра Стандарт Ойл провела серию испытаний на

6, кгс/пп2

ний по определению величины энергии удара, необходимой для обеспечения возникновения разрушения и его последующего рас­ пространения, показаны на рис. 12. Эти исследования показали, что возникновение разрушения при напряжениях порядка 7 кгс/

26

/мм2 (или более) возможно, если энергия удара будет не менее 14 кгс- м при применении клина с углом 15° при вершине.

Поскольку испытания по «Esso» стандартизированы, они были широко использованы для оценки стали. Результаты этих испытаний даны в работе [22]. Конструктивный подход, раз­ работанный и примененный компанией «Esso», описан Кларком и Ли [23].

ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ КОМИТЕТА ПО СУДОСТРОИТЕЛЬНЫМ КОНСТРУКЦИЯМ

В октябре 1953 г. Комитет по судостроительным конструкци­ ям Национального исследовательского Совета (США) органи­ зовал в Массачузетском технологическом институте конферен­ цию, на которой было представлено большое количество докла­ дов о работах в области хрупкого разрушения, выполненных в предшествующие годы; Дракер (Брауновский университет) дал оценку состояния достижений в области механики хрупкого раз­ рушения [24]. На основании этого обзора в США были приняты три новые программы исследования хрупкого разрушения. Про­ грамма в Брауновском университете (см. гл. 4) была направлена на изучение механизма возникновения разрушения. Две прог­ раммы были начаты в Иллинойсском университете: одна была посвящена исследованию развития разрушения в широких сталь­ ных пластинах, вторая была связана с вопросами остановки раз­ рушения (см. гл. 7).

ИССЛЕДОВАНИЯ КИНЕТИКИ РАЗВИТИЯ ХРУПКОГО РАЗРУШЕНИЯ В ИЛЛИНОЙССКОМ

УНИВЕРСИТЕТЕ

Целью этого исследования было изучение развития хрупкого разрушения в широких стальных пластинах. Исследование вклю­ чало большое количество различных типов образцов и методов инициирования разрушения; результаты изложены в ряде публи­ каций, из которых мы приводим лишь главные работы [25—30].

Первоначальные испытания были проведены на пластинах ши­ риной 610 мм с целью разработки надежных методов иницииро­ вания разрушения. Исследовались два метода инициирования трещины; с помощью бойка, приводимого в действие взрывом по­ рохового заряда (этот метод не привел к успеху, и от него впо­ следствии отказались), и система с использованием удара клина по надрезанному образцу, аналогичная использованной в мето­ дике «Esso». Было найдено, что удар с энергией 138 кгс-м до­ статочен для возникновения разрушения при испытаниях пластин шириной 610 мм. Были изучены несколько различных методов измерения скорости распространения трещины. В первых иссле­

27

дованиях в качестве датчиков использовали проводники из висму­ та, смонтированные на бумаге, покрытой угольным порошком, с печатной схемой серебряных контактов, с помощью которых дат­ чики соединялись с измерительным устройством. Этот способ ис­ пользовался ранее Робертсоном. В дальнейшем были применены однопроволочные датчики сопротивления с базой 153 мм из дру­ гих материалов. Зная время разрушения и расстояние между датчиками, можно было вычислить скорость распространения трещины. Для измерения деформаций использовали датчики с базой 6,3 мм (одиночные или наклеиваемые в виде розетки). Дат­ чики деформации, расположенные вблизи места начала разруше­ ния, позволяли также получить дополнительные данные для оп­ ределения скорости развития разрушения.

Основные исследования проводили путем испытания на ма­ шине мощностью 1350 тс пластин шириной 1830 мм из кипящей

(0,18% С, 0,42% Мп) или полуспокойной (0,17—0,21% С, 0,71 — 0,82% Мп) стали с пределом текучести 22—27 кгс/мм2 и преде­ лом прочности 42—47 кгс/мм2; пластины испытывали при среднем напряжении 10,5—14 кгс/мм2 при — 18° С с применением надреза

иклина для инициирования разрушения. Общий вид образца шириной 1830 мм в испытательной машине мощностью 1350 тс показан на рис. 13, а, где видны также охлаждающие емкости и устройство для инициирования трещины.

На рис. 13, б показаны типичная траектория излома образца

играфик изменения деформаций D во времени t для одного из первых испытаний пластин шириной 1830 мм; можно видеть кри­ вые «деформация — время» для нескольких датчиков, ориентиро­ ванных в направлении приложения нагрузки.

Вдали от центра пластины с увеличением длины трещины ве­ личина максимальной деформации не повышается. Начальное значение деформации около 0,06%, показанное на графике, со­ ответствует общему упругому удлинению нагруженного образ­ ца. Исследования показали, что непосредственно вблизи зоны инициирования разрушения удар, вызывающий начало разруше­ ния, практически не влияет на величину деформации.

Зафиксированные скорости развития разрушения достигли 2300 м/с, однако более чем в 75% опытов вычисленные скорости находились в пределах 600—1200 м/с. Пиковые значения дефор­ мации 0,08—0,30% были зафиксированы на поверхности пласти­ ны вблизи трещины с незначительной остаточной деформацией, т. е. материал претерпевал в основном упругую деформацию, о чем свидетельствовали показания датчиков, расположенных на расстоянии всего лишь 6,4 мм от кромки излома.

Путем анализа результатов тщательно проведенных опытов удалось более детально исследовать поле деформаций, связанное

сразвитием хрупкого разрушения. Типичная картина разруше­ ния образца при этих испытаниях показана на рис. 14. В общем случае траектория трещины от начальной точки, искривляясь,

28

Id JO мм

Рис. 13. Развитие деформации во времени [30]

29

уходит слегка вверх, а затем, проходя остальную часть пласти­ ны, остается приблизительно прямолинейной; в редких случаях трещина уходила выше линии надреза (горизонтальной линии, соединяющей надрезы на противоположных краях пластины) дальше, чем это показано на рис. 14. В этих испытаниях пластин поверхность разрушения характеризовалась грубым строением с шевронным рисунком; в некоторых случаях возле края, где на­ чалось разрушение, поверхность излома была вполне гладкой.

Изменение деформации D во времени t, установленное с по­ мощью трехкомпонентных розеток на только что описанном об-

Рис. 14. Схема расположения тензорозеток на широкой пластине [30]:

I —детекторы; 2 — розетки тензодатчиков; 3 — траектория трещины; 4 — вторичная трещина; 5 — ось надрезов

разце, показано на рис. 15. На этом графике нулевая абсцисса приблизительно соответствует моменту начала разрушения.

Вертикальная и.наклонная составляющие деформации, отме­ ченные каждой розеткой, по мере прохождения трещины в зоне розетки уменьшаются, затем монотонно и быстро возрастают до максимального значения. За максимумом наблюдается падение деформаций до уровня, обусловленного релаксацией напряжения в образце при распространении трещины. Для датчиков, распо­ ложенных ближе к излому, пик деформации более острый, чем для относительно удаленных,— в этом случае максимальная сред­ няя ордината имеет меньшую величину, а максимум более ра­ стянут во времени.

Кривые показаний горизонтальных датчиков (ориентирован­ ных параллельно распространению трещины) характеризуются тремя основными изменениями. Вначале происходит некоторое уменьшение начальной поперечной деформации, после чего наб­ людается импульс сжатия, соответствующий пику деформации растяжения в вертикальном направлении.

Максимальная скорость деформации, определенная по накло­ ну кривых показаний вертикальных датчиков в области появле­

30