книги / Низкотемпературная хрупкость стали и деталей машин

с явлением усталости. Низкотемпературное хрупкое раз­ рушение в этом случае следует рассматривать как разру­ шение от хладноломкости, которое облегчается наличием усталостной трещины, играющей роль весьма эффектив­ ного концентратора напряжений. Облегчение хрупкого разрушения, выражающееся в повышении температуры перехода в хрупкое состояние, может наступать и тогда, когда предварительное циклическое нагружение еще не привело к образованию усталостной трещины, но уже изменило структуру металла.

Обстоятельства одного из разрушений башенных кра­ нов при низкой температуре, при котором существенную роль сыграли появившиеся при длительной эксплуатации усталостные трещины, проанализированы в работе [131]. Авария произошла с башенным краном СБК-Ю, прора­ ботавшим 9 лет. Хрупкому разрушению при температуре —19° С и нагрузке, составляющей 97% от максимальной нагрузки по паспорту крана, подверглись четыре уголка, составляющие основу несущей конструкции башни.

В трех уголках низкотемпературные хрупкие трещины являлись продолжением образовавшихся ранее усталост­ ных трещин. Все разрушившиеся элементы конструкции были изготовлены из стали Ст.Зкп.

Металл трех уголков при температуре до —20° С со­ хранял ударную вязкость на уровне от 6 до 9 кГм/см2 и переходил в хрупкое состояние с падением ударной вязкости при —30° С до значений меньше 1 кГм/см2. Для одного уголка признаки хрупкости, выражающиеся

этой конструкции к хладноломкости, вызванная приме­ нением кипящей стали, была усилена возникшим в экс­ плуатации весьма острым концентратором напряжений — усталостной трещиной. Аналогичные зимние хрупкие раз­ рушения, начинавшиеся от образовавшихся ранее уста­ лостных трещин, наблюдались у хребтовых балок железно­ дорожных вагонов.

РАЗРУШЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ТРАКТОРОВ, БУЛЬДОЗЕРОВ И АВТОМОБИЛЕЙ

Поломки промышленных тракторов наблюдаются при работе в любых климатических условиях, но при низких температурах их бывает значительно больше. Так, на

21

тракторах С-80 при работе с бульдозерным оборудованием в средней полосе СССР поломки раскоса гусеничной рамы обнаруживаются на 50—60% машин, а на машинах, рабо­ тающих в районах городов Воркута, Якутск, Красноярск и Ачинск, — на 92% [79]. Число поломок раскоса те­ лежки этой машины в зимние месяцы в 6,5—8 раз превы­ шает число поломок в наиболее благоприятные месяцы летней эксплуатации. Наиболее характерные места поло­ мок рамы тележки трактора С-80 при работе с бульдо­ зерным оборудованием показаны на рис. 13.

I

Рис. 13. Места поломок рамы тележки трактора С-80 [79]

Рама тележки представляет собой отливку из стали 35Л. На рис. 14 показаны результаты исследования металла рамы по данным [131 ] и [79]. В обоих случаях сталь при­ менялась без улучшающей термообработки и при —20° С имела ударную вязкость около 2 кГм1см2 и ниже. Поломки этой детали при низкой температуре происходят потому, что склонность стали к хладноломкости, высокая уже сама по себе, усиливается наличием концентраторов напряже­ ний.

На тракторе С-80 из-за хладноломкости часто наблю­ даются повреждения коробки балансирной рессоры из стали Ст.2кп, катков из стали 45Л, башмаков гусениц из стали 45. Когда он работает в качестве бульдозера, хладноломкости подвержены отвал и толкающий брус бульдозера из стали Ст.Зкп. Все эти стали, за исключе­ нием стали 45 в башмаке гусеницы, исследованные на образцах из разрушившихся деталей, переходили в хруп­ кое состояние при температурах не ниже —20° С. Такая хладостойкость стали в деталях горных машин, которые

22

должны надежно работать круглый год на предприятиях Сибири и Севера, явно недостаточна.

Отвал бульдозера Д-271 чаще всего бывает сварным из стали Ст.Зкп. На рис. 15 приведены температурные зависимости ударной вязкости этой стали в двух пробах металла от сломавшихся на морозе отвалов. Эти пробы несколько различались по склонности стали к хладнолом­ кости. Проба 2 была хрупкой уже при 20° С, а проба 1

ан, кГм/см2

обнаружила срывы ударной вязкости до значений ниже 2 кГм/см2 при более низкой температуре. Такое различие между разными плавками этой стали является обычным. Обе пробы не могут считаться удовлетворительными для такой сложной сварной конструкции, как отвал бульдозера.

Низкотемпературные поломки этой детали, как пра­ вило, проходят вдоль близко расположенных продольных сварных швов по зонам повышенных остаточных напря­ жений от сварки (рис. 16). Трещины возникают также в местах крепления уширителей и промежуточных стенок. Нередко началом хрупкой трещины являются открытые сварные соединения, подобные рассмотренному выше со­ единению в стреле экскаватора Э-302 (см. рис. 9).

При температурах от —35° С и ниже часто разрушаются башмаки гусениц промышленных тракторов. Эти детали

23

на тракторе С-80 изготовлялись из стали 45. По данным [79] металл башмаков этого трактора переходит в хруп­ кое состояние при испытании на ударную вязкость при

А -А

А

Узел Б

Рис. 16. Одно из характер­ ных мест возникновения тре­ щин в отвале бульдозера Д-271

—35° С. По-видимому, исследованные башмаки не про­ ходили термического улучшения, так как после такой тер­ мической обработки на стали 45

получить ударную вязкость не ниже 10кГм!см2при —70° С. Пренебрежение к термическому режиму при изготовле­ нии детали было, по-видимому, одной из причин разруше-

24

ния при температуре —20° С резьбового винта отвала бульдозера Д-259А [131 ]. Исследованная деталь была из­ готовлена из стали 35 с содержанием марганца на нижнем пределе. Ударная вязкость этого металла при —20° С находилась в пределах 0,5—3 кГм/см2. Заготовка, из которой сделан винт, была сильно перегрета при ковке или прокатке и улучшающей термической обработке не под­ вергалась.

Рис. 18, Температурные за­ висимости относительного чи­ сла поломок деталей автомо­ биля ЗИЛ-164 по данным [87] и ударной вязкости:

о)

Хрупким разрушениям при низкой температуре под­ вержены и некоторые детали автомобилей. Автомобили ЗИЛ-164, работающие на территории Якутской АССР и Магаданской области, простаивали из-за поломок лон­ жеронов рамы, полуоси, трубьП полуоси и поворотного кулака при температурах от —50 до —60° С в 5 раз больше, чем в интервале температур от 10 до 0° С [87]. Подавляю­ щее большинство поломок этих деталей происходит при температурах от —20 до —50° С (рис. 17) в местах рас­ положения концентраторов напряжений. Для лонжеронов

.рамы таким концентратором является место крепления кронштейна запасного колеса на левом лонжероне, кото­ рый и разрушается чаще правого. Реже встречаются по­

2 5

ломки у переднего кронштейна передней рессоры. Полуоси чаще всего ломаются по месту перехода сечения у фланца или у шлицевого конца, трубы полуосей — по месту при­ варки кронштейна рессоры на‘ЗИЛ-157 и у шейки внутрен­ него подшипника на ЗИЛ-164.

Несмотря на очевидную связь разрушений с концен­ траторами напряжений, основная причина недостаточной эксплуатационной хладостойкости перечисленных деталей автомобиля — высокая склонность к хрупкому разруше­ нию используемых в них сталей. Из рис. 18 видно, что эксплуатационная хладостой кость деталей автомобиля падает с понижением температуры в соответствии с умень­ шением ударной вязкости так же, как это происходит для рукояти ковша экскаватора (см. рис. 4).

РАЗРУШЕНИЯ ПРОЧИХ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Хрупкие разрушения при низких температурах и их предупреждение составляют серьезную техническую про­ блему для железнодорожного транспорта. Согласно из­ вестным данным зимой количество снятых с пути рельсов в месяц в 20 раз больше, чем в летние месяцы.

Зимой наблюдаются также разрушения деталей желез­ нодорожного подвижного состава, например, разрушения сварных швов боковины рамы электровоза ВЛ60 [82]. Хрупкая трещина проходила в этой конструкции по свар­ ному стыковому шву, имевшему трещинообразный дефект, возникший в результате непровара. Такие разрушения наблюдались на железных дорогах Сибири при темпера­ турах воздуха от —30 до —40° С. Хрупкие трещины рас­ пространялись мгновенно, проходя по наплавленному металлу. Анализ напряженного состояния в разрушав­ шемся узле показал, что при применявшейся последова­ тельности сварки в районе шва должны были возникать остаточные напряжения.

В 1954—1956 гг. проведено массовое обследование со­ стояния сварных рам четырехосных грузовых вагонов [13]. Было установлено, что основным видом разрушения рам являются трещины, возникающие преимущественно зимой. Поломки чаще всего начинаются от усталостных трещин, появляющихся на конструктивных или технологических, чаще всего сварочных, концентраторах напряжений. Иногда концентратором напряжений является геометрии

26

ческий дефект, возникший в результате износа. Коли­ чество трещин в рамах вагонов возрастает с увеличением продолжительности эксплуатации (табл. 2).

В результате исследования металла и детального изу­ чения мест разрушения для повышения работоспособности рам было рекомендовано применять более хладостойкую сталь и устранить возможность появления технологиче­ ских концентраторов напряжений, в особенности непро­

с эксплуатации на ВосточноСибирской железной дороге. Тяговые хомуты должны от­

ливаться из углеродистой стали поГОСТу 88—55. Из десяти исследованных хомутов два не удовлетворяли требованиям стандарта по пределу прочности, а остальные восемь имели недостаточное относительное удлинение. При испытании на ударную вязкость температура перехода в хрупкое состояние по критерию ан — 2 кГм/см2 колебалась от —10 до —40° С. Для большинства образцов и в среднем для исследованной партии она равнялась —30° С.

Из 12 корпусов фрикционного аппарата только один был изготовлен из стали 27ГЛ, предусмотренной техническими условиями. Остальные корпусы отливались из стали, кото­ рую по химическому составу можно отнести к марке 30Г2Л. Переход в хрупкое состояние металла корпусов (ан =

=2 кГм/сма) наблюдался при температурах от 0 до—20°С. Каких-либо связей между трассами хрупких трещин

иконструктивными особенностями деталей замечено не

27

было. Это дает основание считать главной причиной зим­ них поломок рассмотренных деталей недостаточную хладостойкость стали. Термической обработки по режиму улуч­ шения эти детали не проходили. Сравнение возможных эксплуатационных температур с температурами хрупкого разрушения при испытании на ударную вязкость убеж­ дает в том, что эти детали работают на железных дорогах Сибири без температурного запаса вязкости металла. Металл от ряда исследованных проб был подвергнут тер­ мическому улучшению по обычным режимам. Такая тер­ мическая обработка привела к снижению температуры хрупкости не менее чем на 20° С.

Металлические конструкции строительных сооружений, мостов, судов и других технических устройств, работаю­ щих на открытом воздухе в районах с низкими темпера­ турами, подвержены хрупким разрушениям вследствие хладноломкости стали. Методы обеспечения хладостойкости конструкции в целом, требования к сталям и гаран­ тиям надежности этих конструкций не могут быть непо­ средственно перенесены на конструкции массовых машин, но изучение случаев их хрупкого разрушения представ­ ляет для машиностроения значительный интерес, так как в судовых и строительных конструкциях действуют те же факторы, которые способствуют хладноломкости деталей и узлов машин.

Во время второй мировой войны и в первые послевоен­ ные годы хрупкие разрушения сварных морских судов, происходившие большей частью при низких температурах, были серьезным бедствием американского судостроения. По данным Национального бюро стандартов США, эти раз­ рушения только за 9 лет причинили ущерб в 50 млн. долл. [67].

Одной из причин появления трещин в корпусах кораб­ лей, как правило, является низкая хладостойкость стали. Наибольшее число повреждений приходится на сталь с работой разрушения при комнатной температуре образ­ цов Шарли с V-образным надрезом не более 1,4 кГм. Это значит, что сталь уже при комнатной температуре находится в хрупком состоянии. Поэтому много поломок происходило при температуре выше 15° G, а при пониже­ нии температуры до значений от 10 до —1° G частота раз­ рушений возрастала в 4 раза. Склонность стали к хладно­ ломкости усиливалась конструктивными и технологиче­

28

Приведенные в табл. 4 данные дают основание считать, что концентраторы, имевшиеся в рассматриваемых кон­ струкциях, действовали значительно слабее, чем действуют концентраторы в динамически нагружаемых деталях ма­ шин.

Внедрение сварки в мостостроение сопровождалось рядом серьезных разрушений мостовых конструкций [23, 169]. Основные причины разрушений мостовых коиструк-

ствовало ухудшение свойств металла в процессе эксплуа­ тации за счет явления усталости.

Анализируя причины одной из самых крупных аварий со сварными мостами, имевшей место в Квебеке (Канада)

вянваре 1951 г. при температуре —35° G, автор работы

[23]считает, что в верхнем поясе разрушившихся балок, которые были сопряжены с бетонными плитами, могли возникнуть дополнительные термические напряжения из-за неодинакового охлаждения металла и бетона при быстром понижении температуры воздуха.

ВМельбурне (Австралия) в середине зимы, в июле 1962 г. произошло разрушение многоярусного моста. Мост разрушился при температуре 2—5° G. Напряжения

вэлементах конструкции при этом не превышали расчет­ ных. Мост был сварен из стали повышенной прочности, которая переходила в хрупкое состояние при температуре

30