книги из ГПНТБ / Хрупкие разрушения сварных конструкций

его температура была ниже температуры основной пласти­ ны, после чего трещину инициировали посредством статического растяжения выступа. Хотя на рисунке показана пластина шири­ ной 300 мм, этим методом испытывали пластины различной ши­ рины. На образцах такой специальной формы проводили испы­ тания двух типов: испытание при постоянной температуре и испы­ тания с градиентом температуры. В первом случае определяли, проходит или не проходит разрушение через всю пластину при данной температуре и данном уровне напряжений в основной

Рис. 22. Образец (а) и устройство (б) для испытания на двойное растяжение [44]: 1 — проушина для присоединения к захвату машины; 2 — траверса; 3 — давление масла; 4 — участок, в котором инициируется трещина;

5 — участок, в котором распространяется трещина

пластине. В случае испытаний с градиентом определяли темпе­ ратуру (при данном уровне напряжений) в той точке, где трещи­ на останавливалась; однако при этом исследование ограничива­ лось случаями, когда трещина не распространялась в пластину слишком глубоко. Типичные результаты двух указанных методов испытаний показаны на рис. 23. Большинство испытаний други­ ми методами, проведенные в Японии, в частности по методу «Esso», описаны выше.

Другим видом применявшихся образцов была пластина с вы­ давленным («штампованным») надрезом и инициированием тре­ щины методом удара клином, как показано на рис. 24. После выдавливания надреза образец равномерно нагревали до 250° С (для деформационного старения), затем пластину испытывали; энергия удара, необходимая для возникновения трещины, была

41

гораздо меньше, чем обычно в испытаниях по методу «Esso». Бы­ ли проведены также исследования образцов меньшего размера для применения в заводских условиях без продольного нагру­ жения. Описания большинства испытаний, осуществленных в Японии, даны в работах Кихары [46]. Обсуждение результатов испытаний крупных пластин на остановку трещины, аналогич­ ных только что рассмотренным, дано в гл. 7, а сопоставление ре­

пытания. В общем случае, когда трещина достигала достаточно широкой зоны сжимающих остаточных напряжений, разрушение останавливали. В случае косого расположения сварного шва тре­ щина обычно проходит в направлении поля главных напряже­ ний, т. е. поперек пластины. Интересно отметить, что ни разу не было обнаружено тенденции трещины пройти по зоне термичес­ кого влияния косого шва. Более подробное изложение этих ис­ следований приведено в гл. 2.

Акита и Икеда [37] опубликовали результаты измерений нап­ ряжений и скорости распространения трещины в образцах, в ко­ торых разрушение прошло через весь образец. Эти испытания проводились на малоуглеродистой стали (0,13—0,16% С; 1,13—• 1,30% Mn; Os = 30-н32 кгс/мм2; сгв = 45-ь48 кгс/мм2). Толщину образцов изменяли в пределах 30—50 мм, ширина была постоян­ ной— 400 мм. Метод инициирования трещины был таким же, как и в испытаниях в Иллинойсском университете,— с помощью клина и надреза; наблюдалась тенденция к увеличению скорости

42

распространения трещины с понижением температуры и увели­ чением уровня приложенных напряжений. Было показано (рис. 25), что распределение напряжений на поверхности пластин в зоне, удаленной от кромки излома на 7—20 мм, имеет одинако­ вый характер для различных образцов. Сплошные линии на рис. 25 получены теоретическим расчетом, приведенным авторами в другой их работе [48].

Акида и Икеда [49] дали теоретический анализ испытаний по методу «Esso» с точки зрения динамики процессов и влияния

ленный надрез; 5 — направление прокатки

энергии удара, температуры, величины предела текучести и ра­ боты пластической деформации на возникновение и распростра­ нение хрупкой трещины. Они установили, что при изотермичес­ ких испытаниях по методу «Esso» имеет место следующее соот­ ношение:

эффициент, равный отношению скорости распространения тре­ щины к скорости движения упругой волны в материале; S — ра­ бота пластической деформации в окрестности вершины трещи­ ны; т — константа, зависящая от скорости высвобождения энергии деформации при распространении трещины и кинетиче­ ской энергии системы.

Напряжения при ударе и соответствующая кривая / — а для испытания по методу «Esso» показаны на рис. 26. Хрупкая тре­ щина может возникнуть, если только энергия удара достаточна

43

Gt/P

йог

Рис. 25. Результаты измерения скорости ѵ распростране­ ния трещин (37]: о — внешнее напряжение; а — коэффи­ циент скорости распространения трещины

44

45

46

Глава 2

ВЛИЯНИЕ СВАРОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

ИКОНСТРУКТИВНЫХ КОНЦЕНТРАТОВ НАПРЯЖЕНИЙ НА ВОЗНИКНОВЕНИЕ

ИРАЗВИТИЕ ХРУПКОГО РАЗРУШЕНИЯ

В В Е Д Е Н И Е

Исследования показывают, что в сварных швах, соединяющих детали конструкций, и вблизи швов, как правило, имеются вы­ сокие растягивающие остаточные напряжения. В сварных пла­ стинах такие напряжения могут иметь место и в основном метал­ ле вдали от места сварки, если края пластины жестко закрепле­ ны. Остаточные напряжения, как и напряжения от внешних нагрузок, распространяются в пределах значительного объема ма­ териала, и если не происходит пластического течения, их резуль­ тирующее действие аддитивно (линейная суперпозиция). В та­ ком случае резонно предположить, что остаточные напряжения могут влиять на возникновение и развитие хрупкого разрушения во многом точно так же, как и приложенное внешнее напря-

. жение.

Концентрация напряжений (деформаций), возникающая в нагруженных элементах, может также играть существенную роль в возникновении и развитии хрупкого разрушения, особенно при наличии сварочных остаточных напряжений. Кроме того, изме­ нение свойств материала в сварном шве или в околошовной зо­ не, а также повреждения деформационного происхождения и не­ сплошности (дефекты) могут оказывать заметное влияние на воз­ никновение разрушения.

В настоящее время в большинстве стальных конструкций име- 'ются сварные соединения, и далеко не во всех случаях перед их монтажом производят отпуск для снятия сварочных остаточных напряжений. Более того, совершенно невозможно полностью уст­ ранить различные дефекты и несплошности, например, такие, ко­ торые часто возникают в соединениях или участках с высокой концентрацией напряжений, при частичной замене элементов ^конструкций, при небрежном изготовлении, не говоря уже о де­ фектах, имевшихся в исходном материале. Эти причины извест­ ны давно, поэтому роль остаточных напряжений и конструктив­ ных концентраторов является предметом большей части исследо­ ваний, посвященных изучению механизма и методов предупреж-

4 8 -

дения хрупкого разрушения стальных конструкций при низких напряжениях.

Первое крупное исследование в этой области было проведено Кеннеди [1]. Последующие работы, выполненные главным обра­ зом в Англии, США, Бельгии и Японии, позволили достичь того уровня знаний, которым в настоящее время пользуются в инже­ нерной практике (2—4]. Хотя с феноменологической точки зрения работы по хрупкому разрушению обычно делят на три катего­ рии: посвященные возникновению, развитию и задержке (оста­ новке) разрушения, практически такое деление затруднительно, так как эти явления очень тесно переплетаются. Тем не менее в последующих разделах сделана попытка разделить исследова­ ния, посвященные возникновению или развитию разрушения. Ра­ ботам, в которых изучались условия остановки разрушения, в данной главе уделено мало внимания; этому вопросу специаль­ но посвящена гл. 7.

ВОЗНИКНОВЕНИЕ ХРУПКОГО РАЗРУШЕНИЯ ПРИ НИЗКИХ НАПРЯЖЕНИЯХ В УСЛОВИЯХ СТАТИЧЕСКОГО РАСТЯЖЕНИЯ

Кеннеди [1], по-видимому, был первым, кто получил хрупкое разрушение сварного соединения при статическом нагружении в лабораторных условиях. Он исследовал возникновение хруп­ кого разрушения в жестко защемленных сварных образцах (над­ резанных и без надреза) при изгибе и влияние концентрации на­ пряжений, предварительного нагрева и отпуска после сварки на возникновение хрупкого разрушения и скорость распространения трещины в корабельной стали с 0,2% С и полуспокойной стали. На основании этих исследований Кеннеди сделал следующие вы­ воды:

преобладающим фактором, определяющим характер разру-' шения (хрупкое или вязкое), является температура;

влияние остаточных напряжений в случае вязкого разрушения минимально, однако, если пластическая деформация перед раз­ рушением была невелика, оно оказывается значительным;

хрупкое разрушение может возникать под действием только начальных (остаточных) напряжений (т. е. без внешней нагруз­ ки) при наличии сварного шва, если имеют место крайне острый надрез и низкая температура;

предварительный нагрев или нагрев после сварки оказывают' положительное влияние.

Несмотря на то, что изучение явления хрупкого перехода не входило в задачи работы Кеннеди, стоит отметить, что в его широком исследовании сделаны предположения о результатах испытаний, которые подтвердились в последующих работах.

Работа Кеннеди была продолжена Грином [5]. Благодаря цик­ лическому нагружению образца в процессе сварки была получе­ на продольная трещина в сварном шве; затем эта трещина была заварена. Образцы размером 19x760x910 мм с крестовидным швом разрушались при изгибе в исходном после сварки состоя­ нии и после высокого (1 ч при 650° С) и низкого отпуска. Испы­ тание на изгиб проводили при —29° С.

Рис. 1. Прочность сварных пластин с надрезом, сделанным ювелирной пил­

снятие напряжений при 175° С: 8 — наличие трещин в наплавленном валике неизвестно

Образцы (в исходном состоянии) в отличие от отпущенных образцов разрушались при относительно низком изгибающем на­ пряжении.

Грин провел также испытания при различных температурах на изгиб образцов с продольным швом, имеющих надрезы двух видов, показанных на рис. 1; эти испытания позволили устано­ вить корреляцию между температурой и номинальным изгибаю­ щим напряжением аі!3, вызывающим возникновение трещины. Полностью разрушились три образца, испытанных при мини­ мальной температуре; в остальных образцах трещина прошла расстояние 63—610 мм и остановилась.

50