книги из ГПНТБ / Хрупкие разрушения сварных конструкций

ситете пластин с надрезами типа 1 показали, что отпуск после сварки до нанесения надреза может оказаться даже более бла­ гоприятным с точки зрения повышения прочности и пластичности,

6, кес/пп2

5)

чем это предполагалось ранее; в настоящее время этот вопрос дополнительно исследуется. Наиболее высокие значения пла­ стичности для надрезанных до сварки образцов наблюдались в некоторых случаях, когда сварку производили с подогревом.

71

В той же работе у нескольких образцов толщиной 41 мм, сваренных с подогревом, вторичное (полное) разрушение про­ исходило при напряжении (в сечении нетто), меньшем предела текучести (см. рис. 6). Вообще же почти во всех испытаниях образцов, сваренных с подогревом, вторичное напряжение было равно пределу текучести или несколько превышало его. Таким образом, вопреки предыдущей точке зрения оказывается, что при определенных, пока недостаточно изученных условиях, остано-

Рис. 23. Распределение продольных (/) и поперечных (2) остаточных напря­ жений в образце толщиной 25,4 мм после механического снятия напряжений [14]: а — по ширине пластины; б — по толщине пластины и плоскости свар­ ного шва

вившиеся (первичные) трещины, по-видимому, могут вновь начать развиваться и привести к полному разрушению при номи­ нальных напряжениях, меньших предела текучести.

Хрупкое разрушение сосудов давления при низких напряжениях

Кихара, Масубучи и Ишии [24] провели испытания сфериче­ ских сосудов давления, размер которых был достаточно велик, чтобы в них можно было получить распределение остаточных напряжений, сопоставимое с их распределением в реальных сосудах. Они показали, что результаты испытаний плоских сварных пластин с надрезом могут быть использованы для оценки хрупкой прочности крупных сварных конструкций. Сфе­ рические сосуды с надрезом, показанным на рис. 24, изготов­ ленные из листов кипящей котельной стали (0,22% С, 0,39 % Мп, предел текучести 50—60 кгс/мм2) толщиной 25 мм, были охла­ ждены и разрушены внутренним давлением. Для предотвраще­ ния течи через сквозной надрез с внутренней стороны сосудов надрезы были закрыты алюминиевыми накладками. Результаты испытаний показаны на рис. 25.

В случае, когда остаточные напряжения в сосудах были сняты механически посредством нагружения внутренним дав­ лением при температуре выше критической, внутреннее давление

72

при разрушении было равно или даже немного выше давления, создававшегося при предварительном нагружении. Сосуды,

Исследовались различные типы дефектов полостей (трещин дли­ ной до 102 мм); предметом изучения были также множествен-

73

ные мелкие трещины, трещины в поле высоких остаточных нап­

Р

1525 мм с толщиной стенки 25,4 мм из стали (0,36% С, 0,45% Мп, 0,11% Si; Ts = 25,5 кгс/мм2). В этих цилиндрах были пропилены продольные надрезы длиной от 76 до 610 мм, после чего они нагружались внутренним давлением до разрушения при раз­ личных температурах. Напряжения при разрушении в случае пневматического нагружения были не меньше, чем при гидрав­ лическом, однако «катастрофичность» разрушения в первом случае была гораздо большей. Разрушающее напряжение, как правило, уменьшалось с увеличением длины трещины и пони­ жением температуры и во всех случаях было ниже предела текучести независимо от вида разрушения: хрупкого или вязкого

74

(рис. 26). Примечательной особенностью этих испытаний было то, что величина разрушающего давления в зависимости от характера излома изменялась очень мало, хотя вязкому излому (под углом к поверхности) предшествовало значительное пла­ стическое выпучивание стенки вблизи надреза.

В л и я н и е д л и н ы и р а д и у с а н а д р е з а

Кихара и Оба [28] изучали влияние длины надрезов на тем­ пературную зависимость разрушающего напряжения путем испытаний образцов основного металла и образцов, надрезан-

Рнс. 27. Влияние длины I надреза на хрупкую прочность ос­

Была испытана полуспокойная сталь двух марок': А-1 (0,16%

С, 0,45% Мп, 0,10% Si, os = 24,4 кгс/мм2); А-2 (0,25% С, 0,50% М п , 0,05% Si, Os = 27,0 кгс/мм2, ов = 48,0 кгс/мм2).

Некоторые результаты этих испытаний приведены на рис. 27. В пластине без сварки разрушающее напряжение, как и следо­ вало ожидать, уменьшается с длиной надреза. Если вершина надреза находилась в основном металле сварного образца, то разрушающее напряжение увеличивалось с длиной надреза,

75

асимптотически приближаясь к его значению для образцов основного металла (с надрезом такой же длины), так как оста­ точные растягивающие напряжения у вершины надреза умень­ шаются с увеличением его длины. Однако при длине надреза меньше 36 мм разрушающее напряжение возрастало, несмотря на наличие высоких растягивающих остаточных напряжений.

Кривая критической температуры для надреза длиной 36 мм приблизительно на 10° С выше, чем для надреза длиной 144 мм. Следовательно, можно сделать вывод, что с увеличением кон­ центрации остаточных напряжений у вершины надреза крити­ ческая температура смещается в область более высоких темпе­ ратур, а уровень критических напряжений снижается.

Как отмечалось выше, в работе иллпнойсской группы иссле­

сколько изменить геометрию надреза у образцов толщиной 19,0 и 41,3 мм, чтобы выяснить, возможно ли получить разрушение этих образцов в одну стадию.

Изменение формы надреза заключалось в варьировании глубины надреза шириной 0,175 мм. На образцах толщиной

на рис. 8, образец с надрезом типа 6В при —18° С разрушился в две стадии. Были испытаны три образца с надрезом типа 6А; один, испытывавшийся при —18° С, разрушился за одну стадию при 13,4 кгс/мм2, два других, испытанных при —6,7° С, разру­ шились в две стадии. Интересно отметить, что напряжение раз­ рушения для образца с надрезом типа 6А, испытанного при

—18° С, лежит на линии перехода, построенной по данным одно­ стадийного разрушения пластин толщиной 25,4 мм со стандарт­ ным надрезом типа 6. Кроме того, уровень первичного и вто­ ричного напряжений для образца с надрезом типа 6В, испытан­ ного при —18° С, и для двух образцов с надрезом типа 6А, испытанных при —6,7° С, приблизительно такой же, что и для образцов толщиной 19,0 мм со стандартным надрезом типа 6,- испытанных в интервале температур —18°---- 1-10° С.

Два образца толщиной 41,3 мм в исходном состоянии после сварки с измененными надрезами типов 6С и 6D были испытаны при —6,7° С. Глубина надрезов была соответственно 6,35 и 9,53 мм, т. е. больше, чем у стандартного надреза. Результаты этих испытаний показаны на рис, 9. Образец с надрезом 6 С разрушился в две стадии при напряжениях возникновения тре­ щины и полного разрушения соответственно 3,2 и 23,8 кгс/мм2. Эти значения соответствуют результатам для образцов толщи­

76

ной 41,3 мм со стандартным надрезом типа 6. Образец с надре­ зом типа 6D разрушился за одну стадию при 15,5 кгс/мм2. Этот результат лежит несколько правее кривой температурной зави­ симости разрушающего напряжения, построенной по данным

Рис. 28. Влияние радиуса закругления в вершине надреза на хруп­ кую прочность сварного соединения и основного металла стали А-2

разрушения пластин толщиной 25,4 мм за одну стадию со стан­ дартным надрезом типа 6.

Эти результаты ясно показывают, что размеры надреза могут оказать решающее влияние на характер разрушения (в одну или две стадии); более того, они позволяют предположить, что при данном виде испытаний для исследованных пластин трех тол­ щин не происходит значительного изменения положения кривой

77

температурной зависимости разрушающего напряжения с изме­ нением толщины.

Влияние радиуса ■вершины надреза на кривую перехода разрушающего напряжения было исследовано Кихарой и Оба [28]. Радиус надреза изменялся от 0,1 до 1 мм, полная длина надреза составляла 36 мм. Кривая температурной зависимости разрушающего напряжения с уменьшением радиуса надреза смещается в сторону более высоких температур, как это показа­ но на рис. 28.

В л и я н и е свойств м е т а л л а у в ер ш и н н а д р е з а

Кихара, Йошида и Оба [29] испытывали при низких темпе­ ратурах три серии сварных образцов, в которых острый надрез располагался в зоне сплавления, в зоне термического влияния

Рис. 29. Образец с надрезом и зоне пересечения сварных

шва и в наплавленном металле, как это показано на рис. 29. Расположение надреза оказывало влияние на кривую темпера­ турной зависимости разрушающего напряжения, причем наблю­ далась прямая корреляция между критической температурой хрупкого разрушения крупных пластин при низких напряжениях и переходной температурой, определенной испытанием на удар­ ную вязкость образцов с U-образным надрезом, у которых надрезы располагались аналогичным образом. Следовательно, свойства стали, в данном случае ударная вязкость материала у вершины надреза, являются важным фактором, определяющим положение кривой температурной зависимости разрушающего напряжения при хрупком разрушении крупных пластин, осо­ бенно при наличии острого надреза или концентрации остаточ­ ных напряжений.

78

небольших образцов, например по Шарли, является важным вопросом и самостоятельно рассматривается в гл. 8. Как уже отмечалось, образец, показанный на рис. 29, часто использо­ вался в японских работах [30] для исследования пластичности наплавленного металла в отпущенном состоянии. В гл. 8 также будет показано, что при исследованиях хрупкой прочности надрезанных образцов очень важно выдержать идентичность надрезов в сериях сравниваемых образцов.

Оба [31] предложил образец, на поверхность которого наплавляется хрупкий валик длиной 100 мм в поперечном на­ правлении. Так как температура возникновения хрупкого разрушения у такого образца достаточно высока, он оказался очень удобным для исследования развития разрушения в кон­ струкционной стали, предназначенной для работы при низких температурах.

Уэллс [32] изучал влияние свойств стали у вершины надреза на температурную зависимость разрушающего напряжения на образцах, показанных на рис. 2; было исследовано пять марок основного металла: одна среднеуглеродистой стали, одна мало­ углеродистой полуспокойной стали с высоким содержанием марганца и три марки нормализованной спокойной стали. Образцы, для сварки которых были использованы электроды с обмазкой с низким содержанием водорода, разрушались при более высоких напряжениях, чем образцы, сваренные электро­ дами с обмазкой из двуокиси титана. Когда результаты испы­ таний крупных пластин затем сравнили с данными ударной вязкости по Шарли для деформированного и состаренного основного металла, получили хорошую корреляцию (рис. 30), показывающую, что для получения в стали с высоким пределом текучести надежной гарантии от разрушения при низких на­ пряжениях необходимо обеспечить высокий уровень ударной вязкости.

Норделл и Холл [14] провели исследование ударной вязкости материала зоны, где началось разрушение от Ѵ-образного надреза, путем испытания образцов с Ѵ-образным надрезом по Шарпи, вырезанных из пластины толщиной 25,4 мм так, что вершина надреза при испытаниях на ударную вязкость распола­ галась в той же зоне, что и вершина Ѵ-образного надреза сварной пластины.

Результаты этих испытаний, показанные на рис. 31, показали, что хрупкая зона имелась и в образце в исходном состоянии после сварки, и в образце, отпущенном после сварки, и в образ­ це, подвергнутом механическому снятию напряжений; эта зона находилась на расстоянии около 5 мм от зоны сплавления. Результаты испытаний образцов, отпущенных перед испыта­

79

нием, были такие же, как и для основного металла (не подверженного термическому влиянию сварки); у образцов после механического снятия напряжений по сравнению со

Другие исследователи, а именно Болдуин и Эванс [33] и Дек­ кер [34], получили такие же результаты.

В работе, выполненной в Иллинойсе [14], определялись меха­ нические свойства при комнатной температуре разрывных образцов диаметром 5 мм, вырезанных из зоны шва сварных пластин толщиной 25,4 мм, причем образцы были вырезаны посредине толщины пластины и на расстоянии 3,8 мм от ее поверхности. Как и следовало ожидать, предел текучести и предел прочности материала шва или околошовной зоны сварных, или отпущенных после сварки, или подвергнутых механическому снятию напряжений пластин были выше, чем

80