книги из ГПНТБ / Хрупкие разрушения сварных конструкций

тать, что эффект разрушения при низких напряжениях в данном случае такой же или, возможно, несколько более резкий, чем при испытаниях крупных пластин на одноосное растяжение; в связи с этим был сделан вывод о необходимости уделить осо­ бое внимание уменьшению, насколько это возможно, количества сварочных дефектов в сосудах и других подобных конструкциях, работающих в условиях двуосного напряженного состояния.

ж ж ж

Разрушение от волосовидных трещин или непровара

Рассмотренные выше искусственные надрезы лишь прибли­ женно соответствуют технологическим или усталостным трещи­ нам, возникающим от сварочных дефектов, таких, как газовые пузыри или шлаковые включения. Конечно, каждый из видов сварочных дефектов имеет различное происхождение и по-раз­ ному влияет на несущую способность конструкций; анализ литературных данных с точки зрения интерпретации результа­ тов испытаний образцов с различными видами дефектов пока­ зывает, что характер результатов в значительной мере опреде­ ляется расположением, геометрией и происхождением дефекта. Особый интерес при изучении разрушения представляют скры­ тые трещины, не видимые на поверхности образцов.

Хрупкое разрушение от волосовидных трещин исследовал Иида [11]. Два образца толщиной 25 мм, шириной 180 мм и дли­ ной 510 мм были приварены по контуру с трех сторон прерыви­ стым швом с промежутками 3—5 мм к защемленной с четырех

61

сторон квадратной пластине шириной 1000 мм и толщиной 50 мм. Четвертую сторону в каждом случае приваривали вруч­ ную за 12 проходов непросушенными электродами. Предел теку­ чести материала испытанных пластин составлял 85 кгс/мм2.

С помощью рентгенографирования было обнаружено не­ сколько поперечных трещин в последнем сварном шве. Образцы, вырезанные из пластины и имевшие поперечные трещины, под­ вергали растяжению при низких температурах. Оба образца разрушались хрупко при температурах на 8 и 19° С ниже пере­ ходной температуры, определенной по Шарли и составлявшей —

что у образца, разрушившегося при напряжении около 21% пре­ дела текучести, начальная точка развития разрушения соответ­ ствовала исходной поперечной трещине, зафиксированной при рентгенографировании. Однако в образце, разрушившемся при напряжении 10% предела текучести, трещина возникла в участ­ ке, где при просвечивании никаких поперечных трещин обна­ ружено не было. На этой стадии исследования на продольном разрезе стыкового сварного шва с помощью красящего вещества было обнаружено множество волосовидных трещин, которые не были видны на рентгеновских снимках. Отсюда был сделан вывод, что поперечные трещины, обнаруживаемые рентгеновской дефектоскопией, и микроскопические дефекты, такие как воло­ совидные трещины, не фиксируемые рентгеновским методом, одинаково опасны как источники возникновения хрупкого раз­ рушения при низких напряжениях.

Из приведенных выше результатов следует важный вывод. Даже если сварочный дефект не выявлен с помощью неразру­ шающих методов, например рентгеновским просвечиванием, то все равно остается опасность возникновения хрупкого разру­ шения при температурах, лежащих ниже переходной темпе­ ратуры. Если имеется концентрация напряжений (например, если не сняты остаточные напряжения) и существует вероят­ ность наличия сварочных дефектов вследствие неблагоприятных условий сварки, как, например, в случае очень жесткой кон­ струкции или важных электродов, то опасность такого разру­ шения при низких температурах или неблагоприятных условиях нагружения является реальной.

Это было убедительно показано в последних работах Иллинойсского университета. В некоторых случаях (пластины толщиной 41,4 мм с надрезом типа 6) во время пропиливания надрезов были слышны громкие «щелчки» — звук, свидетель­ ствующий о растрескивании, однако поверхностных трещин видно не было.

Рентгеновский анализ показал, что трещины образовались приблизительно на глубине, равной четверти толщины поверх­

62

Исследованиями, проведенными Иидой [11], было также установлено, что разрушение при низких напряжениях может

.быть вызвано непроваром.

Сварной образец в исходном состоянии с непроваром в месте пересечения двух швов (рис. 13) разрушился частично (тре­ щина прошла 89 мм по основному металлу) при температуре на 50° С ниже переходной температуры, определенной на образцах

Рис. 13. Образец с непроваром [11]; Св — сварочный шов (ручная дуговая сварка)

с Ѵ-образным надрезом по Шарпи («переходная» ударная вяз­ кость 2,1 кгс-м/см2) при напряжении около 15% предела проч­ ности основного металла при комнатной температуре.

Разрушающее напряжение сварных пластин с частично снятыми напряжениями

Острый надрез, остаточные напряжения в зоне надреза и низкая температура — вот три необходимых фактора для воз­ никновения хрупкого разрушения при низких напряжениях. Роль состояния материала вблизи вершины надреза пока не ясна, но, возможно, имеется еще и дополнительный фактор для возникновения повреждения материала (см. гл. 4). Хотя точное соотношение между названными факторами практически трудно установить, хрупкое разрушение при низких напряжениях и низ­ кой температуре можно в значительной степени предупредить, устранив или «смягчив» по крайней мере один из этих факторов.

Для образцов, надрезанных после сварки, разрушающее на­ пряжение, как правило, возрастает за счет уменьшения растя-

• 64

гивающих остаточных напряжений в зоне надреза. Кихара, Масубучи, Инда и Оба [10] изучали влияние снятия остаточных напряжений на разрушающее напряжение.

Образцы, надрезанные после сварки (см. рис. 4), перед рас­ тяжением при низкой температуре были подвергнуты операции снятия напряжений либо механическим путем-— предваритель­ ным нагружением при температуре выше переходной темпера­ туры, либо посредством термической обработки. В случае меха­ нического снятия напряжений были испытаны две серии образ­ цов: с надрезами, сделанными до снятия напряжений (серия М) и после этого (серия М '). В случае теплового снятия напряжений надрезы во всех случаях наносили после снятия напряжений.

На рис. 14 показаны результаты испытаний пластин, под­ вергнутых операции частичного снятия напряжений механиче­ ским способом. Цифры у серий, обозначенных М и М', указы­ вают величину напряжения при предварительном нагружении для снятия остаточных напряжений. Значения критического напряжения и критической температуры были определены по данным, приведенным на рис. 4. На этом рисунке видно, что разрушающие напряжения при низких температурах почти рав­ ны или немного выше напряжений, приложенных при предва­ рительном нагружении. Этот факт подтверждает предположение, что хрупкое разрушение в общем случае может возникнуть только при напряжениях, по крайней мере равных напряжени­ ям предварительной «теплой» перегрузки, так как при этой операции за счет пластической деформации снимаются небла­ гоприятные остаточные напряжения в зонах подрезов (или дефектов).

В случае термического снятия напряжений (данные не при-' водятся) было установлено, что образцы, отпущенные после сварки в течение 1 ч при 620° С или даже 520° С, разрушались при напряжениях, близких к пределу текучести, тогда как от­ пуск при 420 и 320° С приводил к значительному снижении^ разрушающего напряжения.

Описанные результаты весьма интересны, так как указывают пути предупреждения хрупкого разрушения при низких напря­ жениях в сварных конструкциях. Кихара, Масубучи, Кусуда и Иида [19] обсуждали этот вопрос с энергетической точки зрения. Два сварных и затем надрезанных образца в виде широких пластин были подвергнуты механическому снятию напряжений путем предварительной нагрузки, увеличивающейся ступенеоб­ разно (через 5 кгс/мм2) от 5 до 25 кгс/мм2 (рис. 15). Затем было исследовано распределение продольных остаточных напряжений в поперечном сечении одного из этих двух образцов и еще одно­

к сварному соединению (на втором образце с надрезом). При­ меры распределения остаточных напряжений и упругого увели­ чения надреза показаны на рис. 15 и 16. Была подсчитана удель-

6. кгс/пп2

Рис. 14. Результаты испытаний на растяжение образцов

снадрезом после механического снятия напряжений [10]:

Т—температура по Типперу: 1 — критическое напряже­

ние для образцов в исходном после сварки состоянии; 2 — критическая температура; 3 — разрушающее напря­ жение при отсутствии остаточных напряжений

ная упругая энергия (на единицу площади излома), связанная

66

снятия остаточных напряжений, различие между образцом серии М' и сварным образцом, в котором надрез был сделан после сварки, заключается лишь в наличии остаточных напряжений около надреза. Вообще можно предположить, что хрупкое раз­ рушение происходит тогда, когда скорость освобождения упру­ гой энергии (или вязкость разрушения) при продвижении трещины от надреза достигает некоторой критической величины.

ЛООпп

Расстояние от сварного шва

Рис. 15. Распределение продольныхостаточных на­ пряжений по ширине сварного образца после механи­ ческого снятия напряжений [19]. По оси ординат — продольные остаточные напряжения (среднее значе­ ние по толщине), по оси абсцисс — расстояние

от сварного шва

в вершине 0,1 мм для этой группы образцов серии А, составляет 2,5 кгс/мм2. Поэтому скорость высвобождения энергии деформа­ ции для трещины длиной 36 мм в образце, в исходном состоянии после сварки, при условии равномерно приложенного напряже­ ния 2,5 кгс/мм2 принята за критическую величину для возникно­ вения разрушения. Исходя из этого было подсчитано внешнее напряжение, необходимое для увеличения скорости высвобожде­ ния энергии деформации в образцах серин М' до критического значения; кривая зависимости прочности от напряжения предва­ рительного нагружения на рис. 17 показана цепной линией, ко­ торая хорошо согласуется с экспериментальными значениями,

67

особенно в области низких напряжений предварительного нагру­ жения. Аналогичную концепцию позднее предложили Канадзава, Оба и Сусе [21].

Эти исследования показали, что повышение разрушающего напряжения благодаря предварительному нагружению при

нкм

Рис. 16. Распределение упругого увеличения ши­ рины надреза в образцах после механического сня­ тия напряжений при нагрузке 5 кгс/мм2 [19]. Циф­ ры у кривых обозначают полудлину надреза, при­ нятую за параметр. Образец А-5 (см. рис. 15). По оси ординат— упругое увеличение ширины надре­ за, по оси абсцисс— расстояние от сварного шва

температуре выше критической может быть использовано для обеспечения гарантии безопасности разрушения при низких на­ пряжениях и температурах в таких областях техники, как кон­ струирование сосудов давления. К сожалению, если при очень низких температурах может происходить повторное нагружение с медленным раскрытием трещины, то такой гарантии от хруп­ ко го разрушения нет и в этом направлении необходимы допол­ нительные исследования.

68

Практически такие же результаты были получены и в ряде других работ. В 1957 г. Кеннеди [22] провел большую серию испытаний образцов, сваренных после нанесения надрезов. Он показал, что отпуск при 343° С перед испытанием предотвращает хрупкие разрушения при низких напряжениях, которые обычно имели место в пластинах, испытывавшихся непосредственно после сварки.

Уэллс и Бердкин [23] также проводили испытания с термиче­

продольной оси сварного шва. Ос­ таточные напряжения определяли методом трепанации.

Изменение остаточных напряжений в шве является особенно примечательным. На значительном расстоянии от шва их рас­ пределение по толщине пластины почти равномерно. Подобное исследование для пластин, подвергнутых отпуску после сварки перед нанесением надрезов (при 204° С) или перед испытанием (при 621° С в течение 1 ч) или механическому снятию напря­ жений, показано на рис. 20—23. Снижение уровня остаточных напряжений благодаря отпуску непосредственно перед испыта­ нием очевидно (46 кгс/мм2) для образца в исходном состоянии без надрезов (против 7 кгс/мм2 в зоне сварки для образца, от­ пущенного после нанесения надрезов). Механическое снятие напряжений приводит к существенному их падению в зоне сварки до 21 кгс/мм2. Аналогичные измерения, выполненные на

69

пластинах толщиной 41,3 мм, дали такие же результаты, как на рис. 18 и 19; при этом было подтверждено, что причина появ­ ления трещин (до приложения внешней нагрузки) на глубине около !/4 толщины пластины, как и предполагалось, заключается в особенностях распределения остаточных напряжений. Данные, полученные на образцах с V-

образным надрезом по Шарли, взятых из зоны термического влияния в указанных выше

с исходным состоянием после сварки). Отпуск после сварки не­ сколько повышает ударную вязкость, а отпуск после сварки и

надрезов), а также механическое снятие напряжений, как пра­ вило, повышали низкотемпературную прочность испытанных образцов. Более поздние исследования в Иллинойсском универ-

70