книги / Низкотемпературная хрупкость стали и деталей машин

Другой крупной деталью экскаватора СЭ-3, часто раз­ рушающейся в результате хладноломкости стали, является напорная ось. Эту деталь обычно изготовляют из стали 40ХНМА, иногда из стали 40ХНА. Среди исследованных аварийных напорных осей также преобладали поковки, не проходившие термической обработки.

Напорные оси разрушаются в эксплуатации гораздо чаще, чем натяжные. Причиной высокой хладноломкости этой детали, кроме неудовлетворительного структурного состояния стали, являет­ ся наличие в ее средней Г части радиально распо- "

ложенного смазочного отверстия — эффектив­ ного концентратора на­ пряжений. По его оси, как правило, и проходит трещина хрупкого низ­ котемпературного раз­ рушения.

Очень часто на гор­ ных предприятиях Си­ бири и Крайнего Севера из-за хладноломкости происходят поломки

балки рукояти ковша экскаваторов. Для экскаватора СЭ-3 эта балка представляет собой сварную коробчатую кон­ струкцию длиной около 8 м и поперечным сечением 550 X Х180 мм (рис. 6). Вертикальные стенки балки изготов­ лены из листа толщиной 20 мм, горизонтальные — из листа толщиной 40 мм. К одной из горизонтальных стенок приварены кремальерные рейки. Между первой кремаль­ ерной рейкой и концевым упором имеется зазор глуби­ ной 40 мм и шириной около 7 мм. Подавляющее большин­ ство разрушений зимой начинается с трещины, возни­ кающей на этом концентраторе напряжений. Наличие этого конструктивного дефекта является главной причи­ ной хладноломкости балки рукояти ковша экскаватора СЭ-3.

Особенно часто разрушались балки рукояти ковша экскаватора СЭ-3, изготовленные из кипящей стали Ст.Зкп. Замена кипящей углеродистой низколегированной сталью 10ХСНД и введение термической обработки после выпол-

11

нения всех сварочных операции снизило частоту поломок почти в 4 раза 1142].

Сталь 10ХСНД обладает повышенной хладостой костью только после термической обработки. На рис. 7 показаны результаты определения хладостойкости металла от двух балок рукояти экскаватора СЭ-3. Хрупкие разрушения

Этот лист, в соответствии с техническими условиями метал­ лургической промышленности, был поставлен в горячека­ таном состоянии. Металлургические заводы производят термическую обработку листов стали 10ХСНД при тол­ щине листа более 20 мм. Поэтому горизонтальный 40-мил­ лиметровый лист имел ударную вязкость 12 кГм/см2даже при —50° С.

Часто возникают трещины в корпусе стрелы экскава­ тора СЭ-3. Разрушение всегда начинается от угловых швов. Очагами зарождения трещин служат подрезы и не­ провары в сварных швах. Исследованные после разруше­ ния при низких температурах стрелы были изготовлены из стали Ст.З спокойной или кипящей плавки.

На рис. 8 приведены температурные зависимости удель­ ной среднесуточной аварийности деталей на 100 экскава-

12

торов [58]. Для всех трех деталей зависимость числа по­ ломок от температуры в интервале от 0 до —15° С незна­ чительна. При охлаждении ниже —15° С начинает быстро возрастать число поломок напорных осей и стрел. Для балок рукояти этот рост начинается при температуре на 5° С ниже. Точки перелома кривых на рис. 8 являются своего рода критическими температурами хладостойкости стали в изделиях.

Характерный случай разрушения стрелы экскаватора Э-302 при низких температурах — распространение тре-

А |-*-

I I I

Рис. 9. Металлоконструкция стрелы экскава­ тора Э-302:

I — существующий вариант сварного соединения;

I I — хладостойкий вариант

щин от нижнего пояса стрелы. На рис. 9 стрелкой пока­ зано вероятное место зарождения трещин — концентратор в корне шва в соединении открытого типа. Можно предпо­ лагать, что хладостойкость стрелы этого экскаватора су­ щественно повысится, если рассматриваемое соединение выполнить закрытым (вариант II).

В работе [131] исследовался сломавшийся в зимнее время вертикальный вал поворотной колонки экскава­ тора Э-153, проработавший около 1700 ч. По данным меха­ нических служб предприятий, поломки этого вала наблю­ даются при любых температурах. Вероятность таких раз­ рушений подтверждается определением ударной вязкости при различных температурах, показавшим, что металл вала переходит в хрупкое состояние при температуре выше комнатной. По химическому составу металл сломав­ шегося вала мог быть отнесен к стали 40 или 45 с не­

13

сколько повышенным содержанием серы. Исследованный вал не проходил термической обработки по режиму улуч­ шения, которая обеспечивает получение в сталях 45 или 40 ударной вязкости в пределах 4—6 кГм!см2 при темпера­ турах до —40 или —45° G.

Зубчатый венец реверса главной лебедки экскаватора Э-651, сломавшийся при температуре воздуха —38° С, должен изготовляться из стали ЗОГЛ. Фактически он был отлит из стали, близкой к марке 45ГЛ с повышенным содержанием марганца [131]. Каких-либо конструктив­ ных дефектов разрушившаяся деталь не имела. Xладостойкость стали в исследованной отливке была очень низ­ кой. Падение ударной вязкости до значений меньше 1 кГм1см2 наблюдалось уже при —20° С. Отливка подвер­ галась термической обработке, возможно, даже по режиму улучшения, однако этой обработки оказалось недоста­ точно для того, чтобы обеспечить необходимую хладостойкость детали/

При температурах около —35° С нередко наблюдаются поломки литых деталей крупных экскаваторов — пяты стрелы и концевой отливки балки рукояти ковша. Иссле­ дование металла разрушившихся деталей показало, что их изготовляют из стали 25Л или 35Л и улучшающей термической обработки не проводят. Эти стали перехо­ дили в хрупкое состояние при испытании на ударную вязкость при температурах не ниже —20° С.

в результате совместного действия низкой хладостойкости металла и концентратора напряжений, который возник в процессе эксплуатации, является поломка вала главной лебедки экскаватора ОМ-202 [131]. Этот вал (рис. 10) сломался по сечению 1—1. При разборке лебедки вал упал с высоты около 1 м и разрушился по сечению 2—2, проходящему по краю радиального сверления в теле вала.

14

Оба излома явились продолжением усталостных трещин. Вал был изготовлен из стали 40Х и термической обра­ ботки не проходил. Ударная вязкость в интервале от 20 до —20° С не превышала 1 кГм/см2 и при дальнейшем охлаждении уменьшалась до 0,3—0,5 кГм/см2. В улуч­ шенном состоянии, в котором она должна применяться для подобных деталей, ударная вязкость стали 40Х обычно снижается до 4 кГм1см2 только в интервале от —60 до

—100° С.

РАЗРУШЕНИЯ ДРАГ

В условиях Сибири и Северо-Востока драги эксплуати­ руются сезонно от 6 до 9 месяцев в году. В начале, и в осо­ бенности в конце сезона, они работают при температурах до —30° С. На эти периоды и приходится большая часть разрушений их узлов и деталей.

Монтаж драг на приисках и ремонтные работы на драгах производятся в условиях Восточной Сибири в ос­ новном в зимнее время при температурах до —40° С. В это время также наблюдается большое количество хрупких разрушений.

В табл. 1 дана сводка хрупких разрушений дражных конструкций, расследовавшихся с участием авторов или известных по отчетным данным предприятий.

Разрушение понтонов драг происходило главным обра­ зом в процессе перевозки секций к месту монтажа и при выполнении монтажных работ. Трещины в понтонах воз­ никали, как правило, при температуре на 10—20° С ниже

Таблица 1

Случаи хрупких разрушений металлоконструкций драг

15

критической температуры хладноломкости металла, уста­ новленной в лаборатории при испытании на ударную вяз­ кость. Только в отдельных случаях, при наиболее небла­ гоприятном сочетании внешних воздействий, трещины возникали при температурах более высоких, чем нижний порог хладноломкости стали.

Разрушения понтонов в большинстве случаев начина­ лись от краев сварных швов, в особенности от швов, имев­ ших дефекты в виде подрезов и непроваров. Главными причинами разрушений понтонов и черпаковых рам сле­ дует считать недостаточную хладостойкость металла (пон­ тоны были изготовлены из сталей Ст.З и Ст.Зкп), а также наличие сварочных дефектов. Проявлению склонности стали к низкотемпературным хрупким разрушениям могли способствовать остаточные напряжения от сварки.

Разрушение других металлоконструкций драг также нередко начиналось от сварных швов, имевших техноло­ гические дефекты. Известны случаи поломок, когда оча­ гом возникновения хрупкой трещины, распространение которой приводило к очень серьезным разрушениям, был ожог металла сварочным электродом.

Известны случаи хрупкого разрушения дражных свай, происходившие, как было косвенно установлено в ра­ боте [76], в основном из-за наличия в конструкции боль­ ших остаточных напряжений от сварки. Свая драги пред­ ставляет собой стальную сварную колонну коробчатой конструкции. Поперечные габаритные размеры сваи 970 X Х1550 мм, длина 26 м, вес 58 т. Две стенки этой кон­ струкции выполнены из листов толщиной 35 мм, две другие — из двух листов толщиной по 50 мм. Наблюдав­ шиеся случаи низкотемпературного хрупкого разрушения не были связаны с какими-либо очевидными конструктив­ ными или технологическими недостатками.

В первую же осень эксплуатации вновь построенной драги с емкостью черпака 380 л на обеих сваях появились трещины в местах действия максимальных напряжений. Чтобы подготовить сваю к ремонту, нужно было разъеди­ нить ее верхнюю и нижнюю части, соединенные с помощью заклепок. При срубании заклепок свая лопнула на две части.

Температура воздуха в момент разрушения была —35° С. Свая была изготовлена из стали Ст.З с хорошей для этой марки хладостойкостью: при комнатной темпе-

16.

ратуре ее ударная вязкость находилась в пределах 8,7— 10,2 кГм1см2 и не снижалась при охлаждении до —35° С. Обстоятельства поломки дали основание предположить, что главной причиной подобных разрушений, наблюдав­ шихся на сваях и раньше, являются остаточные напря­ жения от сварки.

Отремонтированные сваи были подвергнуты низкотем­ пературному отжигу при 670° С для снятия остаточных напряжений. В дальнейшем такая обработка была вве­ дена для всех поступающих на прииски в районе Бодайбо дражных свай. Хрупкие разрушения этой конструкции после введения такой обработки полностью прекрати­ лись.

Для массивных металлоконструкций драг довольно характерно разрушение в нерабочем состоянии. Например, в понтонах большинство трещин появилось во время мон­ тажа. Иногда они возникали без видимых причин, в дру­ гих случаях — в результате удара кувалдой при сбивании монтажных прихваток, в третьих — при подъеме секции краном для подачи на стапель.

Поучительным случаем, связанным в основном с не­ достаточной хладостойкостыо стали, является поломка черпаковой рамы, происшедшая при —19° С. Разрушение началось с разрыва тяги подвески рамы. Эта тяга пред­ ставляет собой кованую штангу диаметром в месте из­ лома 250 мм. Тяга лопнула в результате случайного удара кувалдой. При разрыве тяги возник динамический рывок с перекосом черпаковой рамы. Рама разрушилась на не­ сколько частей. Тяга подвески была изготовлена из стали 40 и термической обработки не проходила. Какихлибо дефектов в месте обрыва тяги не обнаружено. Удар­ ная вязкость металла тяги при температуре —20° С была не выше 1 кГм/см2. Хладостойкость металла рамы, изго­ товленной из спокойной стали Ст.З, оказалась несколько более высокой. Первые хрупкие изломы стандартных об­ разцов при испытании на ударную вязкость наблюда­ лись только при —30° С. Если тяга подвески в момент разрушения не имела температурного запаса вязкости, то для черпаковой рамы такой запас еще был, но его оказалось мало для предотвращения хрупкого разру­ шения при возникновении случайной динамической нагрузки.

1Т

РАЗРУШЕНИЯ МОСТОВЫХ, КОЗЛОВЫХ И БАШЕННЫХ КРАНОВ

При температуре несколько ниже —30° С произошло разрушение 50-тонного мостового крана. Балка моста переломилась в момент остановки крана, передвигавшегося без груза. Указанная температура была замерена в месте аварии на уровне подкрановых путей.

Мгновенное хрупкое разрушение при низкой темпера­ туре явилось продолжением имевшейся в конструкции старой трещины, начавшейся от кромки нижней полки балки моста. Кромка была выполнена огневым резом и строганию не подвергалась. В зоне начала трещины обна­ ружена структура перегрева. Эта трещина была замечена при очередной ревизии крана в летнее время. За ее пове­ дением установили систематическое наблюдение, показав­ шее, что при положительных температурах трещина не имеет тенденции к увеличению. Трещина возникла в зоне повышенной хрупкости, по-видимому, еще предыдущей зимой и лишь случайно не захватила тогда всего сечения балки. В теплое время года ее продвижение полностью прекратилось. Новое охлаждение вызвало распростране­ ние трещины под действием нагрузки, которую при более высоких температурах конструкция выдерживала без осложнений. Разрушившаяся балка была сварена из ли­ стов стали Ст.Зкп разных плавок. При температуре раз­ рушения все три листа, по которым прошла трещина, имели ударную вязкость в пределах 0,8—1,3 кГм!смг.

С учетом всех обстоятельств этой аварии прежде всего следует признать неправильным изготовление крана из кипящей стали. Хрупкому разрушению этой стали в данной конструкции способствовала неблагоприятная технология изготовления заготовок для сварки балки без строгания кромок. Недооценка опасности хрупкого раз­ рушения конструкции, имевшей концентратор напряже­ ний в виде трещины, не дала возможности предотвратить совместное действие факторов, благоприятствующих появ­ лению склонности стали к хладноломкости.

При температуре —33° С обрушилась конструкция 5-тонного козлового крана. Разрушение произошло из-за того, что при подъеме груза часть его сорвалась и упала на стяжку, связывающую колонны. При изготовлении крана одну из полок швеллера, образующего колонну,

18

надрезали для облегчения гибки и после гибки заваривали. Разрушение прошло в непосредственной близости от места заварки. Кран был изготовлен из кипящей стали Ст.Зкп, не относящейся к худшим образцам стали этой марки. При —40° С полного охрупчивания стали еще не наблю­ далось и только у части образцов ударная вязкость пони­ жалась до 1,6 кГм1см2. Проявлению склонности этой стали к хрупкому разрушению в данном случае способствовала неудачная конструкция ко­ лонн.

ному шву 1, по основному металлу между швами 2 и 4 и по шву 3. Все эти швы были

выполнены крайне плохо, с большим количеством подрезов, непроваров и газовых пор. В наплавленном металле было обнаружено большое количество трещин, происхождение которых связано с неправильным выбором электродов для сварки. На это указывает то, что в наплавленном металле оказалось 0,3% углерода при содержании его в основном металле 0,16%. Твердость наплавленного металла составляла НВ 216 при твердости основного ме­ талла НВ 121.

Сварные швы 1 и 3 были, по-видимому, местами заро­ ждения и первоначального распространения трещин. Даль­ нейшему развитию разрушения способствовало наличие существенного конструктивного дефекта, который заклю­ чался в том, что длинные параллельные швы 2 и 4 находи­ лись на расстоянии всего 40 мм. При таком расположении швов и толщине свариваемых листов 20 мм между швами неизбежно смыкание зон термического влияния и возник­

новение высоких остаточных напряжении от сварки, спо­ собствующих распространению хрупкой трещины. В зоне между швами 2 и 4 имелись ожоги электродом. На этих ожогах обнаружены многочисленные трещины, располо­ женные параллельно магистральной трещине хрупкого разрушения. Наличие трещин подтверждает высокий уро­ вень остаточных растягивающих напряжений в рассматри­

ваемой зоне. Разрушившаяся конст­

рукция была сварена из ли­ стов стали Ст.З спокойной плавки. При испытании образцов, вырезанных вдали от места разрушения, эта сталь переходила в хрупкое состояние при температуре около—40° С. Вблизи от ме­ ста разрушения сталь оказа­ лась ухудшенной нагревом от

8 сварки и, возможно, последу­ ющим старением. При опре­ делении ударной вязкости образцов из зоны разрушения хрупкость наступала уже при —20° С. Основной причиной

вгод) от продолжительности разрушения крана в данном

случае было наличие дефек­ тов конструкции и техноло­ гии изготовления сварного

узла. Малый температурный запас вязкости металла способствовал хрупкому разрушению.

Аварийные разрушения строительных башенных кра­ нов, определенно связанные с явлением хладноломкости стали, сравнительно редки. Это можно объяснить тем, что несущие элементы металлоконструкций башенных кранов работают в основном под действием сжимающих напря­ жений. Трещины в металлоконструкциях этих кранов в периоды зимней эксплуатации возникают довольно часто. Они обнаруживаются при очередных осмотрах и устра­ няются заваркой.

На рис. 12 показана зависимость частоты появления трещин от продолжительности эксплуатации кранов, кото­ рая дает основание предполагать связь этих трещин

2 0