книги из ГПНТБ / Хрупкие разрушения сварных конструкций

выполнен вручную. Испытательное приспособление, сконструиро­ ванное Уэллсом [8] специально для этого исследования, явилось прототипом многих устройств, таких как 4000-тс машины, уста­ новленные в Англии и Японии, 6000-тс машина в Бельгии и 8000тс машина в Чехословакии. Во всех таких испытаниях образец приваривали к захватам машины и подвергали растяжению.

В данном исследовании образцы, предварительно нагружен­ ные до 20,5—21,2 кгс/м2, при температурах на 15—25° С выше переходной температуры разрушались при напряжениях от 21,1 до 22,5 кгс/мм2, т. е. близких к пределу текучести Оо,2- Образцы

70-

Рис. 2. Сварные широкие пластины для испытания на растяжение [7, 9):

а —образец; б — надрез

правление прокатки; 2 — надрез; 3 — пропилы

шириной 0,15 мм

в исходном после сварки состояния (термически необработанные)

из образцов, в котором после сварки не появилось самопро­ извольных трещин, при 4° С полное хрупкое разрушение произо­ шло при напряжении 13,1 кгс/мм2. В образцах с короткими пер­ вичными трещинами при той же температуре для инициирова­ ния вторичной трещины (приведшей к полному разрушению) понадобилось напряжение 22,5 кгс/мм2.

Одним из главных предметов исследования Уэллса было изу­ чение распределения остаточных напряжений в продольном на­ правлении и рассмотрение механизма возникновения хрупкой трещины с учетом энергии пластической деформации и скорости высвобождения упругой энергии.

Полученные Уэллсом результаты впервые позволили устано­ вить с помощью испытания на растяжение, что существует тем­ пература хрупкого перехода (оцениваемая по величине среднего приложенного напряжения или общего остаточного удлинения),

52

выше которой хрупкое разрушение при низких напряжениях не может возникнуть, даже если в надрезанном образце имеются остаточные напряжения.

Кихара и Масубучи [9] провели испытания на растяжение при низких температурах на образцах с продольным сварным швом; надрезы были сделаны до сварки и несколько отличались от на­ дрезов, которые применял Уэллс, как это показано на рис. 2, б. Чтобы свести к минимуму различие в величине остаточных нап­ ряжений, для получения продольного шва использовалась авто­ матическая сварка. Была исследована сталь трех марок:

Толщина пластин во всех случаях была 25 мм.

При этих испытаниях были получены следующие результаты. При температурах ниже критической (при которой хрупкое разрушение, как правило, происходит при напряжениях, мень­ ших предела текучести) в образцах, у которых остаточные на­ пряжения в зоне вершины надреза отсутствовали до испытания (в результате возникновения самопроизвольных трещин в про­ цессе сварки или охлаждения), значения хрупкой прочности обычно равнялись пределу текучести основного материала. Если же до испытания самопроизвольные трещины не возника­

к пределу текучести. При температурах несколько выше крити­ ческой полное (одностадийное) разрушение наблюдалось при напряжениях, равных 80—100% предела текучести.

Вообще говоря, критическую температуру возникновения хрупкого разрушения при низких напряжениях можно опреде­ лить как наибольшую температуру, ниже которой частичное или полное разрушение происходит при напряжениях ниже предела текучести. Поэтому, если имеют место одновременно резкий над­ рез и остаточные напряжения, по величине близкие к пределу текучести, то хрупкое разрушение при низких напряжениях при температуре выше критической теоретически не должно про­ изойти. Некоторые, более поздние исследования Холла и других, которые будут рассмотрены ниже, показывают, что даже в слу­ чаях, если сняты остаточные напряжения, критическая темпе­ ратура в значительной мере определяется геометрией образца и надреза, предысторией образца, а также толщиной пластин.

53

При температурах ниже критической возникновение хруп­ кого разрушения от острого надреза, располагающегося в свар­ ном соединении, может быть рассмотрено с позиций концепции суммирования остаточных и рабочих напряжений при возник­ новении (и развитии) разрушения, как это было показано

вгл. 1.

1.Если разрушающее напряжение ниже критического, что зависит от распределения сжимающих остаточных напряжений

сварки. Кихара, Масубучи, Иида и Оба [10] подвергли статическому растяжению при различных темпе­ ратурах образцы из листовой стали толщиной 25 мм (0,15% С, 1,00% Мп, 0,06% Si, os = 31,7 кгс/мм2; а„ = 45,0 кгс/мм2), в ко­ торых надрезы были сделаны после сварки (рис. 3). В этих ис­ пытаниях было установлено, что для образцов с надрезами, сде­ ланными после сварки, существует критическая температура, точно так же, как и в случае, если надрезы сделаны до сварки. Ряд типичных результатов показан на рис. 4, здесь же нанесены кривые, определяющие критическое напряжение возникновения и распространения трещины в основном металле. При темпера­ турах ниже критической происходит частичное разрушение; эти результаты показаны на данном графике вместе с результатами

54

испытаний по методике «Esso»; разрушение по всей ширине на­ блюдалось при напряжениях выше критического. Уровень крити­ ческого напряжения для возникновения разрушения от низких напряжений, который можно рассматривать как верхнее предель­ ное значение разрушающего напряжения для частичного разру­ шения или как нижний предел для полного разрушения, в зна­ чительной мере определяется величиной и распределением оста­ точных напряжений около надреза. Критическое напряжение для возникновения разрушения при низких напряжениях, которое

рушение образцов основного металла с центральным над­ резом при растяжении; # — полное разрушение при ис­ пытании образцов

по «Esso»; X — трещина не возникла при испытании образцов по «Esso»

можно рассматривать как верхнее предельное значение разру­ шающего напряжения для частичного разрушения или как ниж­ ний предел для полного разрушения, в значительной мере опре­ деляется величиной и распределением остаточных напряжений около надреза. Критическое напряжение, иллюстрируемое такой диаграммой, как на рис. 4, должно обычно увеличиваться с уменьшением концентрации напряжений около надреза или ка­ кой-либо технологической несплошности.

Иида [11] проводил испытания широких пластин на сварных и надрезанных образцах шириной 300—400 мм, в которых над­ резы были сделаны после сварки. По сравнению с испытанными

55

ранее образцами шириной 1 м в этих испытаниях вследствие меньшей ширины максимальные растягивающие остаточные напряжения были меньшими и градиент напряжений был мене» резким. В результате напряжение полного разрушения (в одну стадию) при самой низкой температуре испытаний оказалось на 29% выше предела текучести основного металла при комнатной температуре, а наклон кривой критической температуры для воз­ никновения одностадийного полного разрушения был почти таким же, как на рис. 4.

Наклон кривой критической температуры начала разрушения и ее положение по отношению к оси температуры зависит от различных факторов, таких как форма надреза, марка стали и концентрация напряжений. В таких случаях критическую температуру хрупкого разрушения определяют как критическую температуру при данном уровне напряжений, например расчет­ ном напряжении или его доле по отношению к пределу текуче­ сти. На рис. 4 критическая температура Тс определена как тем­ пература, соответствующая половине предела, текучести ат основного материала при комнатной температуре.

Эксперименты Холла, Норделла, Мунза и Иоши [12—14] так­ же дают интересные сведения о том, как влияет выполнение надреза до или после сварки. В этих работах испытывались пластины из стали ASTM А-212В (0,30% С, 0,90% Мп, 0,28% Si, <Ts = 21,1 кгс/мм2, Ов = 53,5 кгс/мм2) длиной 915 мм, шириной 610 или 915 мм и трех разных толщин. Хотя было исследовано много различных видов надрезов, основное внимание было уде­ лено надрезам трех типов, указанных на рис. 5. Надрез типа 1 делали после снятия фасок (разделка под сварку) на половинах образца, до того как они были соединены сваркой. Надрез типа 2 отличался от первого лишь тем, что после сварки был сделан надрез в самом шве. Надрез типа 6 был полностью сделан после сварки. Положение надреза по отношению к сварному шву и его форма, как будет показано ниже в этой главе, могут заметно влиять на результаты испытаний.

Однако результаты этого исследования показывают, что хрупкое разрушение от низких напряжений может быть получе­ но в равной мере на образцах с надрезами, сделанными до и после сварки, хотя вообще говоря, как отмечали ранее другие исследователи, наименьшие разрушающие напряжения наблю­ даются, если надрезы были сделаны до сварки. Кроме того, было установлено, что для возникновения хрупкого разрушения от низких напряжений необязательно, чтобы сам сварной шов имел дефекты (или надрез).

Результаты испытаний образцов с надрезом типа 1 анало­ гичны только что рассмотренным результатам других исследо­ вателей. Надрез типа 1 в непрерывном сварном шве обладает определенными преимуществами перед надрезами в прерыви­ стом сварном шве, применявшимися в исследовании, где

56

оценивалось влияние предварительного нагрева, отпуска после сварки и механического снятия напряжений; в этих исследова­ ниях сварка являлась важным фактором, который следовало бы учитывать при оценке результатов.

Результаты для образцов толщиной 25,4 мм с надрезами ти­ па 2 и 6 приведены на рис. 6 и 7. Отмечено, что при надрезе типа 2 разрушение происходит обычно в две стадии, тогда как при надрезе типа 6 оно, как правило, имеет лишь одну стадию.

/

Рис. 5. Форма и размеры (мм) надрезов разных типов [13]

первичного и вторичного напряжений, т. е. необходимых для частичного и полного разрушения, становятся близкими) для об­ разцов с надрезом типа 2 составляет около 15° С, тогда как переходная температура для образцов с надрезом типа 6, даю­ щим разрушение в одну стадию, составляет приблизительно

—12° С, т. е. на 27° С ниже. Переходная температура, опреде­ ленная по методу NRL (испытание на удар падающим грузом), для стальной пластины толщиной 25,4 мм была около —12° С.

57

На основании результатов исследований Уэллса [7], Кихары [10] и Холла с сотрудниками [12, 13] некоторое время считалось, что разрушение в две стадии происходит очень редко в том слу­ чае, если надрез делать после сварки, но оно является довольно обычным при надрезе, сделанном до сварки. Последующие исследования показали, что двухстадийное разрушение свой­ ственно обоим типам надрезов. К примеру, на рис. 8 и 9 можно

видеть результаты испытаний пластин из одной и той же стали ASTM А-212В с надрезом типа 6, но разной толщины: 19 мм и 41,3 мм. Если при толщине пластины 25,4 мм обычно наблюда­ лось разрушение в одну стадию (см. рис. 7), то при двух указан­ ных значениях толщины пластины чаще всего разрушались в две стадии, причем критическая температура в обоих случаях

составляла примерно 15° С.

Другие закономерности, которые можно заметить на при­ веденных рисунках, будут рассмотрены ниже в этой главе.

Кроме среднего напряжения, отнесенного к поперечному сечению нетто, представляет также интерес и другой показатель поведения надрезанного сварного образца— общее удлинение

58

при разрыве. Типичные кривые растяжения для образцов с над­ резом типа 6 (сделанным после сварки) показаны на рис. 10. Цифры у кривых означают номер образца; диаграммы сгруппи­ рованы по толщинам образцов и их состояниям.

Шкала по оси абсцисс имеет шаг, составляющий 0,13% об­ щего относительного удлинения на базе 990 мм; специальные измерения показали, что образцы деформировались практически равномерно по всей ширине. Кривые деформации образцов со

всеми типами надрезов, показанные на рис. 10, свидетельствуют о небольшой величине полной деформации перед разрушением. При этом общая деформация при разрушении с увеличением толщины пластины, как правило, уменьшается, и отчетливо проявляется роль технологии обработки пластины в связи со сваркой.

Что касается вида поверхности разрушения, то установлено, что мелкокристаллический излом обычно наблюдается при разрушении при низких напряжениях, тогда как изломы при высоких напряжениях характеризуются грубым шевронным рисунком. Из всех образцов, результаты испытания которых показаны на рис. 6—9, у одного образца разрушение носило чисто вязкий характер (поверхность излома расположена под

59

углом к плоскости образца при значительном остаточном уто­ нении пластины); все остальные образцы при температурах от —62° С до +27° С разрушались хрупко, причем изломы были нормальными к поверхности пластины.

Кихара, Иида и Фуджии [15] провели подобные испытания на высокопрочной стали с пределом прочности 60 и 70 кгс/мм2. Переходная температура для возникновения трещин в случае, когда надрезы делали перед сваркой, была приблизительно на 40° С выше, чем при выполнении надрезов после сварки.

В. тс

Опасаясь хрупких разрушений от низких напряжений, которые, как показал Уэллс, могут происходить при испытаниях крупных пластин, европейские строители сферических газголь­ деров хотели выяснить, не будет ли конструкция подвержена еще большей опасности в условиях двухосного напряженного состояния (типичного для сферических оболочек). Вместо про­ ведения дорогостоящих испытаний на сферических моделях, как это делали в Японии, они испытали крестообразные образцы, показанные на рис. 11. В этих испытаниях существенным было то, что разрушение начиналось от надреза, сделанного ювелирной пилкой в центре образца, а не в одном из внутренних углов креста. Концентрация напряжений в углах крестовидных образ­ цов была уменьшена за счет переходов с большим радиусом. Так как в этих опытах принималось во внимание только появ­ ление трещины, то было достаточно создать двухосное напря­ женное состояние в центральной части образца, т. е. в зоне около вершины надреза. На рис. 12 показан разрушившийся образец. Характер разрушения ясно показывает, что оно развивалось от обеих вершин надреза. Результаты испытаний позволяют счи-

60