книги из ГПНТБ / Хрупкие разрушения сварных конструкций

ния пика, находится в пределах 100—10 900 % /с. Наибольшая скорость деформации была отмечена датчиками, ближайшими к траектории разрушения. Дальнейшее исследование этих же дан­ ных показало, что скорость деформации на кромке трещины (эта скорость была получена экстраполяцией имевшихся данных) мо~ жет быть на порядок выше указанной величины.

Рис. 15. Экспериментальные и расчетные кривые развития деформации во времени [30]: / — розетка 5, 28 мм ниже излома; 2 — розетка 3, 104 мм ниже излома; 3 — розетка 11, 178 мм ниже излома

Чтобы получить картину распределения деформации на по­ верхности пластины во время прохождения трещины, были ком­ плексно проанализированы данные испытаний, проведенных при идентичных условиях; это позволило построить эпюру главных максимальных деформаций для трещины различной длины. Бы­ ло установлено, что для пластин шириной 1830 мм величина и протяженность поля деформаций, связанные с вершиной распро­ страняющейся трещины, увеличиваются от исходной величины вблизи источника разрушения до установившегося состояния пос­

31

ле прохождения приблизительно четверти ширины пластины. Для большинства розеток при приближении разрушения к розетке направление максимальной главной деформации немного изме­ няется, следуя за фронтом распространяющейся трещины в тече­ ние короткого промежутка времени прохождения трещины около розетки. Серия типичных эпюр максимальных главных деформа­ ций для трещин длиной 560—1270 мм в пластинах шириной 1830 мм показана на рис. 16.

В следующей серии испытаний широких пластин исследова­ лось развитие разрушения в пластинах при наличии остаточных

стали, тогда как в средней части пластины наблюдалась доволь­ но равномерная деформация сжатия (как это показано на рис. 17).

Во всех предварительно напряженных образцах хрупкое раз­ рушение легко инициировалось ударом клина по образцу даже в тех случаях, когда внешняя нагрузка отсутствовала. Во время трех опытов, в которых к образцу была приложена внешняя на­ грузка около 2 кгс/мм2, необходимая для правильной установки его в захваты машины, происходило полное хрупкое разруше­ ние; в четырех других с остаточными напряжениями в образцах разрушение задерживалось в зоне сжимающих остаточных нап­ ряжений. Из этих образцов, в которых разрушение не происхо­ дило до конца, три были испытаны без приложения нагрузки. Очевидно, сжимающие остаточные напряжения, нормальные к траектории трещины, и небольшая величина запасенной энергии в системе образец — машина явились фактором, вызывающим остановку хрупкого разрушения. В любом случае результаты этих экспериментов показывают, что уровень приложенных

32

(внешних) напряжений, достаточный для непрерывного полного развития разрушения, весьма низок.

Врассмотренных выше испытаниях пластин шириной 1830 мм,

вкоторых отсутствовали остаточные сварочные напряжения, для возникновения разрушения в аналогичных условиях испытаний требовалось приложить напряжение выше 10,5 кгс/мм2. Тот факт,

Расстояние от края пластинами

Ю

Рис. 17. Пластина с остаточными напряжениями [28]: а — конструкция образца и траектория разрушения;

ренная прорезь; 4 —датчик деформации

что хрупкое разрушение образцов с остаточными напряжениями происходит при небольшой внешней нагрузке или без нее (даже в лабораторных условиях), указывает, что поле растягивающих остаточных напряжений значительной величины и протяженно­ сти существенным образом способствует возникновению и разви­ тию процессов хрупкого разрушения.

В то время как растягивающие остаточные напряжения спо­ собствуют хрупкому разрушению, поле сжимающих остаточных

напряжений в центральной части образца оказывает противопо­ ложное влияние. Наиболее примечательными эффектами, связан­ ными с остаточными напряжениями сжатия, являются задержка разрушения и влияние на скорость распространения трещины. Высокие скорости развития разрушения отмечались вблизи края пластины, от которого начиналось разрушение, где имелись вы­

сокие растягивающие остаточные напряжения, тогда как в центральной части пластины, в области сжима­ ющих остаточных напряже­ ний, скорости были гораздо меньшими; они были значи­ тельно ниже скоростей, из­ меренных раньше при испы­ таниях пластин шириной 1830 мм без остаточных нап­ ряжений. Для пластин с за­ варенными прорезями, в ко­

центральным надрезом и сварных образцов, которые будут рассмотрены ниже. На этом графике го оси абсцисс отложено время разрыва датчиков скорости или время, соответствующее пику по­ казаний тензодатчика, а по оси ординат — расстояние вдоль тра­ ектории трещины наклон кривых характеризует скорость разви­ тия разрушения. Для удобства сравнения на графике указаны значения скоростей.

Влияние поля остаточных напряжений на кривые динамичес­ ких деформаций, полученное на основании испытаний пластин с заваренными прорезями, показано на рис. 19. Кривые получены с помошыо вертикально ориентированных датчиков деформации,

34

расположенных, как это показано на рис. 17. Датчик (кривая 5), расположенный в растянутой зоне, дает обычную картину: ост­ рый пик упругой деформации растяжения во время прохожде­ ния трещины мимо датчика с последующим возвращением к ну­ левому уровню деформации (напряжения). При развитии разру­ шения через сжатую зону величина пика деформации заметно уменьшается. Уменьшение деформации часто наблюдалось до появления пика растяжения на датчике. Длительность импульса деформации заметно увеличивается, составляя в среднем приб­

внешней нагрузки, а также остаточных напряжений. Траектория разрушения (см. рис. 17) отклонялась от прямой линии, но в об­ щем проходила в направлении, практически нормальном направ­ лению максимальных главных напряжений.

Строение поверхности излома в зонах растягивающих и сжи­ мающих остаточных напряжений заметно отличалось. Возле края, где начиналось разрушение и имелись растягивающие ос­ таточные напряжения, строение излома было достаточно грубым с легким шевронным рисунком. В зоне с сжимающими остаточ­ ными напряжениями, где измеренные скорости развития разру­ шения были значительно ниже, излом был менее грубым, хотя и имел хрупкий характер; исследование показывает, что поверх­ ность излома состоит главным образом из транскристаллитных сколов. В области с относительно гладкой поверхностью излома не было заметно шевронного рисунка.

Во введении к книге на рис. 1, в показаны фотографии типич­ ных изломов в областях с исходными растягивающими и С Ж И ­

мающими остаточными напряжениями. Поверхность разрушения ближе к дальнему краю пластины (в зоне с остаточными растя­ гивающими напряжениями) была гладкой, тогда как у края, где начиналось разрушение, поверхность излома была грубой. Такое различие не неожиданно, так как является следствием перерас­ пределения напряжений, сопровождающего разрушение.

На основании этих испытаний, а также испытаний пластин с продольным сварным швом и центральным надрезом становится ясно, что вид излома, по крайней мере отчасти, является функци­ ей уровня напряжений во время разрушения.

В общем случае у стали исследованных марок разрушения, происходящие при низком уровне приложенного напряжения и малом запасе упругой энергии, характеризуются более гладкой поверхностью излома; при увеличении разрушающих напряже­ ний и упругой энергии излом становится более грубым. Темпе­ ратура, безусловно, также играет значительную роль в характе­ ре возникающего излома.

Дополнительное объяснение описанных выше результатов, в частности только что рассмотренных исследований широких пла­ стин с остаточными напряжениями, было дано с помощью ли­ нейного анализа механики разрушения. Эти исследования пред­ ставляют особый интерес, так как здесь имели место сравнитель­ но низкая скорость распространения трещины и другие призна­ ки, показывающие что, трещины в пластинах были бпизки к рав­ новесному состоянию (остановке разрушения). Эфтис и Краффт [53] по данным испытаний пластин с остаточными напряжения­ ми и некоторых дополнительных опытов на образцах из матери­ ала этих пластин подсчитали коэффициент к интенсивности на­ пряжений для трещины и пытались связать полученные резуль­ таты испытаний пластин, приняв экспоненциальную форму закона упрочнения для материала пластин со скоростью нагружения и скоростью распространения трещины. Холл и др. [54] выполнили подобные расчеты несколько позже и дали также расчет для сварных надрезанных пластин по испытаниям на остановку тре­ щин (см. гл. 2). Наиболее удачная и полная интерпретация упо­ мянутых расчетов дана, по-видимому, в работе Ирвина и Уэллса [55], которые рассмотрели связь между различными методами расчета и толщиной пластин и показали, что в общем случае ско­ рость распространения трещины, степень шероховатости поверх­ ности излома и величина коэффициента к интенсивности напря­ жений изменяются качественно одинаково.

Во всех приведенных испытаниях применялся метод иниции­ рования разрушения с помощью надреза и удара клином. На последней стадии описываемой программы было проведено не­ сколько исследований на образцах пластин с центральным над­ резом и сварных пластин из той же полуспокойной стали, кото­ рая использовалась для широких пластин. Целью этих испыта­ ний было изучение характеристик развития разрушения (скоро­

36

сти и поля напряжений) в образцах, в которых разрушение ини­ циировалось статическим, а не динамическим методом. Образцы показаны на рис. 20. Все испытания проводились при — 40° С, так как предварительно было показано, что эта температура яв­ ляется достаточной для инициирования разрушения.

В семи испытанных образцах типа А с продольным Х-образ- ным сварным швом разрушение всегда начиналось при среднем напряжении 6,4—8,3 кгс/мм2.

Заваренная

прорезь

Рис. 20. Типы образцов и геометрия надреза [30]: А — сплошной сварной шов в 2 прохода с каждой стороны; В —сварной шов с разрывом; С — без сварки; D — образец с заваренными прорезями; Е ■*- образец с надрезом

На сварных образцах типа В с перерывом длиной 76 мм в продольном шве в зоне надреза разрушение происходило как при низких, так и при высоких напряжениях, а в нескольких случаях наблюдалось разрушение в две стадии. Во всех этих случаях бла­ годаря наличию перерывов в сварном шве температура вблизи надреза во время сварки не превышала 93° С. Оказалось, что по­ ле остаточных напряжений вблизи надреза было таким же, что и в образцах типа А. Разрушение при низких напряжениях и раз­ рушение в две стадии наблюдалось у образцов типа В во всех случаях, кроме двух. В одном из этих двух образцов, разрушив-

37

шихся при высоком напряжении, перерыв в сварном шве был длиннее 76 мм; другой образец имел менее острый (прямоуголь­ ный) надрез.

В образцах типа D на расстоянии 127 мм выше и ниже над­ реза были прорезаны два поперечных паза, заварка которых соз­ давала очень высокие растягивающие напряжения в вершинах надреза, несмотря на то, что температура в зоне надреза при сварке оставалась низкой и циклические термические напряже­ ния практически не возникали. Такие образцы разрушались при низких напряжениях.

Образец типа С состоял из двух сложенных половин пласти­ ны (без сварки), каждая из которых имела Ѵ-образный надрез; образец типа Е представлял собой простую пластину с Ѵ-образ- ным надрезом в центре.

В пластинах этих двух типов влияние сварки (вызывающей остаточные напряжения, термическое влияние и циклические тер­ мические напряжения в зоне надреза) отсутствовало. Эти пла­ стины разрушались при высоких напряжениях после значитель­ ной пластической деформации.

Изучение результатов этих ограниченных по объему испыта­ ний привело к заключению, что поле растягивающих остаточных напряжений само по себе недостаточно для возникновения хруп­ кого разрушения при низком уровне напряжений. По-видимому, для образцов данного типа значительную роль играют также, как будет показано более детально в гл. 2, геометрия надреза, исходное поле остаточных напряжений и изменение свойств ма­ териала вблизи сварных швов.

Скорости разрушения, зафиксированные в этих испытаниях, составляли от 1500 м/с в центральной части образцов, где растя­ гивающие остаточные напряжения были высоки, до 550 м/с в дру­ гих участках пластин. Динамические измерения проводились на образцах пластин типа А, разрушившихся при низком уровне напряжений (5,6—8,4 кгс/мм2). Уменьшение скорости разруше­ ния по мере распространения трещины в область с остаточными сжимающими напряжениями было таким же, как и при разру­ шении пластин шириной 1830 мм; типичные результаты динами­ ческих измерений показаны на рис. 18. Интересным результа­ том является то, что в этих испытаниях высокие скорости раз­ рушения порядка 1500 м/с были зафиксированы на расстоянии всего 38 мм от источника возникновения разрушения.

Данные о высокой скорости распространения трещины вбли­ зи источника разрушения были впервые получены в этом иссле­ довании.

Кривые напряжений, построенные по показаниям датчиков, были аналогичны полученным при испытаниях простых и пред­ варительно напряженных пластин с инициированием разруше­ ния методом клина и надреза.

38

ИСПЫТАНИЯ, ПРОВЕДЕННЫЕ В ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОМ ЦЕНТРЕ

МОРСКИХ КОНСТРУКЦИЙ

Исследования развития разрушения в широких пластинах, проводившиеся Робертсоном [31] и Карджиллом [32] с сотрудни­ ками в исследовательском центре морских конструкций (NCRE) в Шотландии, подтвердили результаты, полученные в Иллинойсском университете, и дали дополнительную информацию. Ро­ бертсон продемонстрировал фотоснимки картин пластического течения около трещин на образцах, покрытых специальной син­ тетической смолой. Можно было видеть, что зона пластической

Рис. 21. Изменение напряжении во времени при разрушении пластины тол­ щиной 19 мм при номинальном напряжении 15,7 кгс/мм2 и температуре —16° С [31]. Стрелкой показан момент входа пули в пластину (центр отверстия)

деформации имеет ширину, примерно равную толщине пластины (деформация на этом расстоянии от кромки излома составляла 2%), причем размер зоны пластической деформации меняется по мере развития разрушения. По этим данным, в зоне разрушения происходит гораздо большая пластическая деформация, чем это обычно наблюдалось во всех других исследованиях; по-видимо­ му, это связано, по крайней мере частично, с соотношением гео­ метрических размеров пластин и жесткостью испытательной ус­ тановки. Робертсон сделал вывод, что стационарные условия для распространения трещины создаются после того, как она прой­ дет некоторое расстояние в пластине. В работе приводятся также некоторые результаты измерений напряжений (рис. 21), полу­ ченные в процессе развития разрушения по показаниям датчи­ ков, расположенных очень близко к кромке изломов. Пики нап­ ряжений следовали за трещиной со скоростью около 1750 м/с,

39

что согласуется с результатами наблюдения за фронтом зоны пластической деформации путем скоростной киносъемки, однако продвижение пика пластической зоны, фиксируемое по прохож­ дению «провала» деформации перед пиком вдоль контрольного участка, где расположены датчики, происходило со скоростью 4300 м/с. Такой характер продвижения зоны пластической де­ формации наблюдался во многих испытаниях, проведенных в Иллинойсском университете, но скорости не были такими боль­ шими, как при испытаниях в NCRE. Система образец — машина в .NCRE была значительно жестче, чем в Иллинойсском универ­ ситете; если провал перед пиком деформации (напряжения) свя­ зан с релаксацией, то не вполне ясно, почему релаксация напря­ жений в иллинойсских испытаниях не была еще больше, чем при испытаниях в NCRE с более жесткой системой. Вполне возмож­ но, что имели место также какие-то другие явления, связанные, в частности, с различной геометрией надрезов.

Карджилл [32] опубликовал более поздние результаты испы­ таний пластин шириной 1830 мм на 1200-тс машине. Разрушение начиналось от надреза, сделанного ювелирной пилкой, который проходил церез центр отверстия диаметром 4,75 мм, просверлен­ ного в 25 мм от края пластины.

Надрез охлаждался локально до — 70° С, после чего в отвер­ стие производился выстрел пулей диаметром 6,35 мм. Карджилл получил кривые напряжение — время, аналогичные кривым Ро­ бертсона (см. рис. 23), и подтвердил, что скорость разрушения, определенная по пикам датчиков деформации, составляет 600— 1500 м/с, во всех случаях скорость продвижения фронта дефор­ мации была 4200 м/с. Карджилл представил крайне интересные данные о деформации, отмечавшиеся горизонтальными датчика­ ми (т. е. параллельными траекториями трещины).

Скорость разрушения в стальных пластинах изучали также и другие исследователи: Хадсон и Гринфилд [33], Кеннеди [34], Карлссон [35], Уэллс [36], Акита и Икеда [37], Андо [38] и Ван Элст и Фербраак [39, 40], а также в работах [41—43].

ИССЛЕДОВАНИЯ КРУПНЫХ ПЛАСТИН В ЯПОНИИ

В Японии для испытаний пластин на хрупкую прочность было использовано несколько методов. Один из них — метод двойного растяжения был описан в работе Иошика, Каназава и Итадака [44] и Кошига [45]. Основные особенности образца и нагру­ жающего устройства показаны на рис. 24. Для облегчения воз­ никновения трещины надрез выдавливали пуансоном, а не пропи­ ливали; для получения более высокой концентрации напряжений и обеспечения распространения трещины в нужном направлении с обеих сторон пластины на поверхностях надреза были сделаны специальные фаски, как это показано на рис. 22. Весь выступ, служащий для инициирования трещин, охлаждали так, чтобы

40