книги / Хладноломкость металлоконструкций и деталей машин

же рекомендовано предварительное нагружение деталей и кон­ струкций при температурах более высоких, чем рабочие, при ко­ торых проявляется их хладноломкость.

к выводу, что причиной сдвига порога хладноломкости является более низкий уровень сопротивления отрыву у хрупкой разно­ видности. При этом следует заметить, что для вязкой разновид­ ности хрупкая прочность не была определена при статическом растяжении на гладких образцах.

Заключение о различных уровнях сопротивления отрыву непосредственно не следует из результатов упомянутых работ, так как образцы вязкой разновидности во всех случаях разру­ шались с заметной, иногда весьма значительной, остаточной деформацией, в то время как у хрупкой разновидности—всегда бездеформационно. По более высокой разрушающей нагрузке у вязкой разновидности трудно сделать какие-либо выводы об относительном положении уровней хрупкой прочности. У вяз­ кой разновидности он может быть таким же, но достигается при более низких температурах.

Для проверки этого положения статическим растяжением при температурах от + 2 0 до —196° были испытаны образцы хруп­ кой и вязкой разновидностей сталей ЗОХГСА (промышленная плавка) и ЗОХНЗА (лабораторная плавка). Предварительно ста­ ли подвергались закалке от 900° в масле и отпуску при 640° Вязкая разновидность получалась путем охлаждения заготовок после отпуска в воде, а хрупкая — в печи со скоростью охлаж­ дения 20 град! час.

Прочностные и пластические свойства обеих разновидностей были практически одинаковы, за исключением меньшего истин­ ного сопротивления разрыву ($к ) и поперечного сужения (за счет сосредоточенной составляющей) у хрупкой разновидности.

ти стали марки ЗОХГСА полностью хрупкого разрушения не удалось достичь даже при температуре —196°. Однако путем экстраполяции кривых от = [(Т) и $к — /ЧЛ и определе­ ния точки их пересечения было найдено сопротивление отрыву, значение которого составляло — 120 кгс1мм2 [7].

В стали ЗОХНЗА, которая характеризуется несколько более крупным зерном аустенита (5—6 балл) удалось непосредствен­ но определить хрупкую прочность у обеих разновидностей при температуре жидкого азота (рис. 1). И в этом случае она одина­ кова и составляет — 125 кгс!ммй.

Как видно из приведенных результатов, практически одина­ ковый уровень сопротивления отрыву у обеих разновидностей, а также одинаковые значения пределов текучести не дают возмож­ ности, исходя из схемы А. Ф. Иоффе, выяснить механическую природу отпускной хрупкости.

полнительным вдавливанием острого закаленного ножа. Над­ рез-трещина получался повторными ударами на копре ДСВО150.

Все четыре типа образцов имели размеры 55 х 10 х 10 мм,

ав ослабленном сечении 10 X 8 мм.

Входе испытания велось наблюдение за надрезом о помощью бинокулярного микроскопа при увеличении 25 -т* 50. (Методика описана в работе [81.) При этом фиксировалась нагрузка появления трещины (при ее длине 0,2 мм). На образцах IV типа отмечалась нагрузка начала распространения трещины, что сов­ падало с началом утяжки у устья усталостной трещины на бо­ ковой грани образца. Фиксировалась также максимальная на­ грузка и пластичность у надреза. Последняя определялась по

тижения максимума нагрузки (Д 6макс) и после разрушения (Д6К). Диаграммы изгиба хрупкой разновидности при всех типах надрезов (в том числе и при самом мягком—надрезе Менаже) пос­ ле максимума нагрузки характеризуются резким срывом до ну­ л я . Вязкая разновидность дает плавное снижение нагрузки с

сильно вытянутыми хвостами при всех видах надрезов.

а

Рис. 2. Зависимость напряжений в момент образования трещины и достиже­ ния максимума нагрузки от остроты надреза:

а —сталь ЗОХНЗЛ; б—сталь ЗОХГСА; —О-----вязкая разновидность;----------X------

хрупкая разновидность.

На рис. 2, а, б в полулогарифмических координатах приве­ дены значения номинальных напряжений в момент появления трещины и в момент достижения максимального значения на­ грузки в зависимости от остроты надреза. Из графиков видно, что напряжения трещинообразования у хрупкой и вязкой разновид­ ностей совершенно одинаковы и существенно зависят от радиуса надреза. При надрезе Менаже трещина возникает вблизи максиму­ ма нагрузки, при надрезе с радиусом 0,025 мм — в момент от­ клонения диаграммы от прямолинейности.

Максимально достигаемая нагрузка в меньшей мере зависит от остроты надреза, хотя в хрупкой разновидности стали ЗОХНЗА при острых надрезах имеется заметная тенденция к снижению.

На рис. 3, а, б соответственно для сталей ЗОХГСА и ЗОХНЗА приведено изменение сужения у надреза в образцах вязкой и хрупкой разновидностей в зависимости от остроты концентра­ тора на разных этапах деформирования (в момент появления трещины, при максимальной нагрузке и после разрушения).

Можно видеть, чхо с уменьшением радиуса надреза падают все составляющие пластичности. Следует подчеркнуть, что до появления трещины обе разновидности деформируются

а

Рис^ 3. Зависимость сужения у надреза в момент образования трещины от

одинаково. Дальнейшее нагружение приводит к резкому разли­ чию в их деформационной способности. К моменту достижения максимума нагрузки обнаруживается существенная разница в пластичности (Л бмакс), которая увеличивается с ростом ост­ роты надреза. Только при надрезе Менаже сужение у надреза практически одинаково у обеих разновидностей, что объ­ ясняется образованием трещины вблизи максимума нагрузки.

Поскольку, образцы хрупкой разновидности разрушаются в момент достижения максимума нагрузки, а вязкой— имеют плав­ ный спад, то естественно, что различие в сужениях после разру­ шения становится еще больше (см. А Ьк на рис. 3).

Для более детального изучения деформационной’ способности обеих разновидностей на боковых гранях образцов с надрезом г = 0,2 мм из стали ЗОХГСА изготовлялись металлографичес­ кие шлифы, протравленные на аустенитное зерно. При деформа­ ции на таком шлифе явственно выступают линии скольжения. Образцы нагружались до Рмакс, после чего измерялась пло­ щадь у надрезов, охваченная линиями сдвигов. Оказалось, что если сужения у надреза хрупкой и вязкой разновидности отно­ сятся соответственно как 0,4 : 0,6 (см. рис. 3, а), то указанные

площади имеют отношение примерно 1 : 10. При этом плотность линий сдвига у самого надреза в вязкой разновидности заме1 но больше, чем в хрупкой.

Ниже приведены номинальные разрушающие напряжения (в кгс!мм2), полученные в результате испытания образцов стали ЗОХГСА с надрезом г = 0,2 мм и усталостной трещиной при тем­

Отсюда видно, что при макрохрупком разрушении разрушаю­ щее напряжение у хрупкой разновидности существенно ниже, чем у вязкой.

Анализируя свойства обеих разновидностей с позиций Я. Б. Фридмана, Г. К. Зиловой, Б. А. Дроздовского и Н. И. Петрухи­ ной 19 \ о докритическом и закритическом периодах деформи­ рования и разрушения, можно видеть, что резкое различие появ­ ляется только в закритических характеристиках, т. е. в тех, которые связаны с развитием трещины. Сильно различаются между собой истинные сопротивления разрыву (5К ), сосредо­

Критические характеристики, полученные в условиях од­ нородного напряженного состояния (ов , равномерное сужение), практически одинаковы. При статическом изгибе (особенно при жестких концентраторах напряжений, когда трещина появляет­

Однако в докритическом периоде даже в условиях резко неод­ нородного напряженного состояния обе разновидности ведут себя одинаково. При всех видах надрезов нагрузка появления трещины и сужение у надреза в момент трещинообразования оди­ наковы.

Таким образом, различие в деформационной способности на­ чинает появляться только в условиях начавшегося разрушения, т. е. после появления трещины. При мягких надрезах, когда первый надрыв возникает вблизи максимума нагрузки, в хруп­ кой разновидности трещина развивается лавинно. При острых надрезах надрыв появляется значительно раньше и вначале он развивается только при повышении нагрузки. Но даже такое замедленное развитие трещины сопровождается различной сте­ пенью деформации вязкой и хрупкой разновидности.

Очевидно, повышенную хрупкость конструкционных сталей в состоянии после замедленного охлаждения при высоком от­ пуске следует связывать не с пониженным уровнем сопротивле­ ния отрыву, а с низким значением энергии образования новых поверхностей раздела (межзеренного) при развитии трещины. Можно предполагать, что последнее связано со значительной локальной микронеоднородностыо деформации у границ зерен,

9. Я. Б. Ф р и д м а н , Т. К. 3 и л о в а, Б. А. Д р о з д о в с к и й, Н. И. П е т р у х и н а . Заводская лаборатория, 1961, № II. стр. 1267.

10.Ю. С. Т о м е н к о , И. Н. Д р ю к о в а. Флзика металлов и металло­ ведение, 17, вып. 5, 1964, стр. 750.

|Н. О. О КЕРБЛО М 1

ВОПРОСЫ СОПРОТИВЛЯЕМОСТИ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ХРУПКИМ РАЗРУШЕНИЯМ

Проектирование надежных и рациональных сварных кон­ струкций, работающих при низких температурах, затруднено отсутствием расчетных методов оценки их сопротивляемости хрупким разрушениям. В свою очередь, отсутствие расчетных методов вызвано тем, что нет установившихся методов испыта­ ния металлов на хладностойкость и не уточнены способы исполь­ зования этих характеристик металла при расчетах прочности сварных конструкций. В результате не единичны случаи хруп­ ких разрушений конструкций, эксплуатируемых при низких температурах. Поэтому очень важно выявить основные вопросы, от решения которых зависит разработка расчетных методов оцен­ ки сопротивляемости конструкций хрупким разрушениям и ус тановление основных принципов проектирования сварных кон­ струкций, предназначенных для работы в условиях низких тем­ ператур.

Сложность решения всех этих вопросов заключается в том, что прочность сварных конструкций зависит не только от напря­ женного состояния, создаваемого внешней нагрузкой и техно­ логией изготовления, но и от того, в каком состоянии (вязком или хрупком) находится основной металл в конструкции. При одном и том же напряженном состоянии, но при разных состояниях основного металла конструкция в условиях эксплуатации будет вести себя по-разному.

Известно, например, что концентраторы напряжений повы­ шают разрушающую нагрузку элемента, если он выполнен из вязкого металла, и понижают ее, если металл элемента находит­ ся в хрупком состоянии. Поэтому, кроме расчетов прочности,

необходимы еще расчеты для определения того состояния, в ко­ тором находится основной металл в сварной конструкции.

Однако переход металла из вязкого состояния в хрупкое зависит не только от его химического состава и свойств при обыч­ ных положительных температурах, не только от температуры эксплуатации, но и от напряженного состояния металла в от­ дельных частях конструкции, от характера действующей нагрузки, от изменений в свойствах металла, внесенных технологи­ ческим процессом изготовления сварной конструкции. Следо-, вательно, для того чтобы выбрать рациональные конструктив­ ные формы, надо знать сопротивляемость металла и его состояние в конструкции, а для установления его состояния надо знать конструктивные формы и определяемое ими напряженное сос­ тояние конструкции. Поэтому выбор наиболее рациональной сварной конструкции, предназначающейся для работы в усло­ виях низких температур, может быть произведен только методом последовательных приближений.

Общая схема расчета, таким образом, должна включать не только расчет прочности, но и расчет температуры перехода ме­ талла из вязкого состояния в хрупкое (Тпср). При этом последо­ вательность расчетов должна быть следующей:

а) для намеченных конструктивных форм и размеров отдель­ ных элементов конструкции производится обычный расчет прочности с учетом свойств основного металла принятой марки;

б) для наиболее напряженных зон и для зон с наибольшей сте­ пенью неоднородности1 устанавливается действительный харак­ тер напряженного состояния и величина наибольших напря­ жений с учетом их концентрации у надрезов;

в) для тех же зон определяются изменения в свойствах ос­ новного металла, вызванные технологическим процессом изго­ товления конструкции и действующей нагрузкой;

г) для установленного напряженного состояния металла вы­ бранных зон конструкции, учитывая характер действующей нагрузки и измененные свойства металла этих зон, определяет­ ся переходная температура Тяер.

Если полученная температура Таср ниже температуры экс­ плуатации Т3 сварной конструкции, то с достаточной уверен­ ностью можно считать надежность работы сварной конструкции обеспеченной. Если Гпер выше температуры эксплуатации (Тпср> > Тэ), то необходимо изменить конструктивные формы или марку стали и повторить весь расчет вновь. Это необходимо дедать до тех пор, пока не будет найдено такое рещение, при ко­ тором Тпер < Тв.