книги из ГПНТБ / Быков В.А. Пластичность, прочность и разрушение металлических судостроительных материалов

Развитие трещины может служить причиной крайне тяжелой аварийной ситуации, в которой, например, оказался корабль «Сокрушительный» [21 ]. На этом корабле в начале войны закончился специальный ремонт — подкрепление корпуса. Выполняя свое по­ следнее задание в Баренцевом море, корабль 20 ноября 1942 г. нахо­ дился в условиях действия ветра до 9—10 баллов и особенно силь­ ного волнения. При этом волны били в борт корабля. Кроме того, «Сокрушительный» испытывал действие снежных зарядов и холода. Командир стал изменять курс на ветер и сбавлять скорость хода. Это, однако, не помогло, в корпусе «Сокрушительного» от удара волн образовалась трещина на верхней палубе, в кормовой части. Через 3 мин кормовая часть отвалилась по шпангоуту, а еще через 10 мин затонула с шестью моряками, не успевшими ее покинуть.

Рассмотренная авария объясняется значительным влиянием ударов и холода на сопротивление пластическому деформированию стали, работающей в составе судового корпуса. В таких условиях предел текучести существенно повышается, что способствует пони­ жению реологической характеристики уотр. Описанное разрушение

времени был накоплен положительный опыт эксплуатации в морях кораблей той же серии при более благоприятных условиях темпе­ ратуры и волнения. При обстоятельствах же военного времени специалисты флота не располагали достаточной возможностью про­ анализировать надежность эксплуатации кораблей в зимних усло­ виях.

О пластичности, наряду с хрупкостью, одной и той же стали, но при разных напряженных состояниях убедительно свидетельствуют данные испытаний гладких образцов на осевое растяжение (у = 1) и на загиб широких полос (250 мм) с сохранение^ толщины листа l,13j . Исследуемыми материалами служили два листа

среднемарганцовистой стали в состоянии после проката без после­ дующей термообработки. Толщина листов составляла 46 и 42 мм. Для испытаний брались образцы поперек проката из головной, сред­ ней и нижней частей листа. На растяжение и на изгиб по оправке двойной толщины образцы испытывались при комнатной темпера­ туре, а на ударную вязкость — при комнатной и пониженной темпе­ ратурах. По экспериментальным данным установлены следующие значения механических характеристик.

Для стали из листа толщиной 46 мм ат= 39ч-43 кгс/мм2, ств = 63ч-70 кгс/мм2, бщ = 15ч-19%, ф = 56ч-58%. Предельный угол загиба составлял от 15 до 55°, макроструктура поверхности излома оказалась кристаллической, блестящего вида. Ударная вязкость

QK>o° _ б_л_9 кгс-м/см2, а~ю° — 1,0ч-1,8 кгс-м/см2.

Для стали из листа толщиной 42 мм сгт = 32ч-35 кгс/мм2, 0В= ^ 59ч-63 кгс/мм2, 610 = 18ч-20%, ф = 49 ч-54%, предельный угол загиба составлял от 10 до 25°, макроструктура излома — кристал­

11?

лическая. Представленные данные свидетельствуют о высокой спо­ собности стали деформироваться пластически при осевом растяжении и о высокой ударной вязкости при комнатной температуре. Но при загибе широких полос сталь даже при комнатной температуре не обнаружила пластичности, о чем свидетельствовал мгновенный из­ лом при небольшом остаточном угле загиба и зернисто-кристалли­ ческая поверхность излома.

Пример высокого сопротивления широкой стальной полосы осевому растяжению и низкого сопротивления изгибу из-за хруп­ кости приведен автором в публикации [8]. Полосы из стали марки Ст.4 шириной 450 мм, толщиной 16 мм работали при напряжении до 1700 кгс/см2 как подвески для подъема при сборке тяжелых металло­ конструкций. Полосы имели приваренные продольно-прерывистые ленты жесткости. Поверхность полос была неровной из-за царапин и вмятин. Однажды при переносе полос краном при температуре —3° С к месту очередной сборки случайно был допущен их изгиб в плоскости наименьшей жесткости под действием собственного веса. При большой ширине по сравнению с толщиной, полосы изгибались как пластины — по цилиндрической поверхности и на их выпуклой стороне возбуждалось плоское растяжение. В результате изгиба, полосы сломались хрупко, обнаружив зернисто-кристаллический излом. Излому, по-видимому, способствовали остаточные напряже­ ния и неблагоприятная структура стали вблизи приваренных лент жесткости. Однако в условиях осевого растяжения полосы выдержи­ вали без разрушения очень высокие напряжения, а при изгибе, из-за возбуждения плоского растяжения, оказались хрупкими. Рассмотренные данные имеют большое практическое значение, по­ скольку холодная гибка листов до заданной остаточной деформации является одним из видов пластической обработки корпусной стали. Холодной гибке листов иногда препятствует образование трещин. Обрабатываемые листы в отдельных случаях повреждаются трещи­ нами настолько, что изготовление изделий из них становится не­ возможным.

Возникающие вследствие гибки листов трещины, раскрываясь, обнажают поверхность. Осмотр поверхности такой раскрытой тре­ щины показывает, что лишь некоторая часть ее является волокни­ стой, а другая, иногда преимущественная, имеет кристаллический блестящий вид. Такой вид поверхности излома свидетельствует о недостаточной пластичности листовой стали после предшествующей обработки, если даже механические характеристики при осевом растя­ жении и химический состав ее находятся в норме.

Недостаточную вязкость при холодной гибке имеют судострои­ тельные стали, которые после проката подвергались несовершенной термообработке или совсем не обрабатывались термически. Повышен­ ная склонность к хрупким трещинам, вследствие отрицательного действия масштабного эффекта, характерна для толстолистовых сталей. Но образование трещин возможно и при гибке сравнительно тонких листов. Так, в заводской практике на листовой низколегиро­ ванной стали, не обработанной термически, наблюдались трещины

при толщине листа всего 5 мм; трещины возникали в результате из­ гиба до остаточного угла не более 45° при радиусе кривизны около четырехкратной толщины листа. Трещины иногда возникали в киле­ вых коробках, изготовляемых путем холодной гибки листов из низ­ колегированной стали толщиной 16, 20 и 28 мм (рис. 83). Угол изгиба достигал 70° при радиусе кривизны, равном двойной толщине листа. Листы изгибались подобно пластинам, испытывая на выпуклой стороне плоское растяжение. В некоторых случаях излом имел сме­

плоское растяжение, как пластины. Узкие же образцы испытывали осе­ вое растяжение (на выпуклой стороне). Устранение склонности стали к хрупкому разрушению было достигнуто благодаря совер­ шенствованию термической обработки ее. Таким образом удалось предотвратить образование трещин как при изгибе широких образ­ цов, так и при изготовлении килевых коробок.

Хрупкому разрушению способствует также разгибание кривых участков стальных деталей, так как при этом на растянутой вогнутой стороне, кроме продольных, действуют и поперечные растягивающие напряжения. Из практики известны случаи хрупкого разрушения перегруженных стальных крюков по опасному сечению т— п (рис. 84), несмотря на удовлетворительные механические характери­ стики гладких образцов из той же стали. На рисунке показано воз­ никновение поперечной растягивающей силы R и возбуждение пло­ ского растяжения на вогнутой стороне крюка.

Хрупкие разрушения наблюдались и при разгибании кривых труб. Так, в одном случае два лирообразных складчатых компенса­ тора, изготовленных из трубы с толщиной стенки 9 мм, имели мень­

1 14

шую длину между фланцами, чем полагалось по чертежу. Материалов компенсаторов служила мягкая углеродистая сталь 10, химический состав и механические свойства которой находились в норме. При сборке трубопровода между фланцами прямых участков и фланцами компенсаторов оказались чрезмерные зазоры. Сборщики, вопреки существующим правилам, пытались несколько увеличить длину компенсаторов путем пластического разгибания их без нагрева (рис. 85), в результате чего во впадинах волнистых складок компен­

саторов образовались трещины глубиной до 1,5 мм. Эти трещины свидетельство­ вали о жестком напряженном состоянии и о значительной упругой перегрузке на

Неблагоприятные условия создают опасность образования хруп­ ких трещин в крупных металлоконструкциях из листовой и профиль­ ной стали, обладающей недостаточным для таких условий запасом пластичности. Об этом свидетельствует, например, растрескивание обшивки корпуса крупного судна из толстолистовой стали. Корпус предполагалось построить из низколегированной свариваемой стали, поставленной без термообработки после проката. Качество сваривае­ мой стали проверялось по значениям механических характеристик гладких образцов, испытанных на растяжение, и узких полос — на загиб согласно требованиям, предъявляемым к стали для клепа­ ных конструкций. Вначале были сварены листы днищевой обшивки толщиной 28 мм при температуре наружного воздуха около 0° С. Вследствие усадки металла шва и последующего неравномерного остывания монолитной сварной конструкции примерно до темпе­ ратуры —10° С в сварных швах возникало объемное растяжение, а в самих листах — плоское растяжение. В некоторых местах сва­ ренных листов напряженное состояние оказалось настолько интен­ сивным и жестким, что перенапряженный материал не деформиро­ вался пластически, а оставался упругодеформированным. Наряду с этим охлаждение до температуры — 10° С приводило к повышению предела текучести стали. При таких условиях нормальные напряже­

По-видимому, термообработка заметно повысила ее хрупкую проч­ ность и изменила в благоприятную сторону соотношение между сопротивлением отрыву и пределом текучести, представляемое рео­

логической характеристикой уотр = . Об этом убедительно сви­

детельствовало прекращение растрескивания строящегося объекта после того как вместо стали, поставляемой непосредственно после проката, начали применять сталь, улучшенную термообработкой. В качестве нормативной величины, определяющей надлежащую способность стали деформироваться пластически, была взята ударная вязкость, имеющая значение не менее 5 кгс.м/см2 при охлаждении до —40° С.

Г. В. Ужик [65] приводит примеры хрупких разрушений сварных газгольдеров, резервуаров для хранения нефти и газопроводов. Разрушения наступали без предшествующей пластической деформа­ ции, вследствие образования трещин во время эксплуатации при по­ ниженных температурах. Эксплуатационные нагрузки не превышали нормы. При этом хрупкие разрушения объяснялись снижением пла­ стичности стали и повышением ее чувствительности к концентрации напряжений под влиянием холода, а также возбуждением дополни­ тельных температурных напряжений в связи с неравномерным охла­ ждением конструкций. Сравнительно со сталями спокойной плавки повышенную склонность к хрупкому разрушению проявляют стали кипящей плавки и даже полуспокойные. При благоприятных усло­ виях применение кипящих сталей оказывается выгодным, из-за облегчения их выплавки и вследствие меньшего отхода, поскольку при остывании слитка отрезаемая усадочная часть у них оказывается меньше, чем у спокойной стали. Существующими техническими усло­ виями и нормами кипящие стали не допускаются для использования на корпусах судов. Однако стали кипящей плавки проникают в судо­ строение, главным образом в зарубежных странах. В теплое время года и при отсутствии сильного волнения суда из сталей кипящей плавки оказываются достаточно надежными. Но в зимние месяцы при сильном волнении такие суда иногда ломались. Во время второй ми­ ровой войны в США было построено с применением углеродистой стали кипящей плавки 5000 цельносварных грузовых судов [29]. Пятая часть этих судов хрупко разрушилась в 1943—1946 гг. Корпуса более чем десяти судов внезапно раскололись надвое. Хрупкое раз­ рушение судов рассматриваемой серии наблюдалось иногда, каза­ лось бы, от незначительной причины. Так, однажды на судне, находившемся в порту, было обнаружено разрушение корпуса из-за действия напряжений, возникших при изменении суточной темпе­ ратуры от +20° С днем до +5° С ночью. По высказыванию Д. П. Ско­ кова, на одном из судов «Либерти» произошло хрупкое разрушение в районе ширстрека от удара ломом при очистке обледеневшей па­ лубы во время стоянки судна в порту. Один из случаев хрупкого раз­ рушения крупнотоннажного судна представлен на рис. 87.

В практике встретился случай массового образования хрупких трещин в большой партии такелажных скоб, изготовленных из ки­

117

смещение приводило к внецентренному растяжению отростка, а рас­ тяжение с перекосом при наличии надрезов, как указывалось в § 27, усиливает опасность хрупкого разрушения.

Весьма серьезные повреждения возникли при постройке больших рыбопромысловых судов на зарубежных верфях. От хрупкого раз­ рушения пострадали твиндечные палубы рыбоперерабатывающих баз «Рыбацкая слава» постройки Кильской верфи в ФРГ и «Спасск» — постройки японской верфи, а также рыбопромысловые суда «Остров Русский» и «Остров Шмидта» постройки шведской верфи. Рассмотрим подробнее повреждение, имевшее место на рыбопромысловой базе «Спасск» дедвейтом 10 000 т, которая строилась в Иокогаме на верфи фирмы «Мицубиси» при соблюдении Правил английского Ллойда Г11 ]. Разрушение произошло в завершающей стадии постройки, при пробном охлаждении твиндеков и трюмов потоками воздуха, посту­ павшего из холодильной установки. Проект разрабатывался зарубеж­ ными специалистами. Строительным материалом служила углероди­ стая сталь полуспокойной плавки. Согласно испытаниям гладких образцов, ат = 29ч-30 кгс/мм2, ав = 44-к49 кгс/мм2, б = 22н-29%.

База «Спасск» испытывалась на охлаждение в августе 1965 г. при температуре наружного воздуха +31° С. Холодный воздух с t = = —33° С поступал в твиндеки и трюмы в течение 45 ч, омывая по­ верхности второй и третьей твиндечных палуб, не защищенных тепло­ изоляцией. Согласно наблюдениям, температура палуб снижалась до—31° С. Температура ближайших поперечных и продольных пере­ борок, защищенных теплоизоляцией, была +25° С. Охлаждение твиндечных палуб, соединенных по контуру с жестким корпусом, явилось причиной перенапряжения палуб. При температуре пре­ дельного охлаждения спустя 4 ч произошло сильное сотрясение корпуса из-за мгновенного образования разветвленных трещин хрупкого разрушения 2-й палубы в верхнем носовом твиндеке, сваренной из листов толщиной 10 мм (рис. 88, а, б). Очаги трещин находились на некотором удалении от комингса грузового люка. Трещины распространялись к бортам, останавливаясь у границы охлаждения палубы, а также к люку, с разрывом комингса. Общая длина трещин составляла около 8 м при просвете до 12 мм. По исте­ чении последующих 3 ч образовалась еще одна трещина на 3-й па­ лубе, сваренной из листов толщиной 8 мм, в твиндеке 4-го трюма (см. рис. 88, а, в). Трещина возникла в 600 мм от комингса люка и распространилась к правому борту на расстояние до 5 м, с просветом 7—8 мм (рис. 88, в). В последнем случае комингс люка не был разо­ рван. Трещина появилась неожиданно, без признаков предшеству­ ющей пластической деформации. Поверхность излома имела зер­ нисто-кристаллическую макроструктуру блестящего вида с ха­ рактерным для хрупкого разрушения рисунком «ёлочки». Про­ исшедшая авария палуб вызвала большие дополнительные расходы в связи с переделкой конструкции и улучшением технологии.

Из предыдущего изложения можно заключить, что способность деформироваться пластически в неблагоприятных условиях холода, удара и концентрации напряжений наиболее ограниченна у сталей

119