книги / Хладноломкость металлоконструкций и деталей машин

Однако предлагаемой схемой расчета в настоящее время вое-, пользоваться нельзя, так как нет установившихся методов оп­ ределения ряда требующихся данных и прежде всего нет методики определения переходной температуры для металла с определен­ ными свойствами (при нормальной температуре), находящегося в заданном напряженном состоянии (для краткости будем обоз­ начать эту переходную температуру через Гпер.к).

Следовательно, основной задачей, решение которой облегчило бы разработку расчетных методов оценки сопротивляемости сварных конструкций хрупким разрушениям, является установ­ ление методики определения переходной температуры Гпср>к для металла, находящегося в сварной конструкции. В настоящее время имеется несколько методов определения переходной тем­ пературы металла на образцах, в той или иной мере имитирую­ щих конструкцию. Однако для того чтобы по переходной тем­ пературе, определенной на образцах, можно было судить о пе­ реходной температуре целой конструкции, необходимо, чтобы в испытываемом образце было то же напряженное состояние и те же свойства металла, что и в конструкции, а испытание произ­ водилось нагрузкой, по характеру совпадающей с действующей на конструкцию нагрузкой.

Так как при таком подходе нельзя стандартизировать форм) и метод испытания образцов (которые должны быть так же раз­ нообразны, как и сами конструкции), то приходится остановить­ ся на каком-то образце, который позволял бы определять пере­ ходную температуру Гпер.0 для металла, находящегося во вполне определенных условиях. Тогда для получения переходной темпера­ туры 7 пер.к конструкции необходимо переходную температуру, по­ лученную на образце, помножить на некоторые поправочные коэф­ фициенты кк, кн, кси др., которые учитывали бы влияние, оказы­ ваемое на переходную температуру различием в остроте концен­ траторов в конструкции и на образце (кк), в напряженном состо­

Т’п е р .к С Т ’э.

При этом температуру удобнее выражать в градусах Кельвина. Для установления влияния на переходную температуру раз­ личных факторов в настоящее время есть некоторые данные. Например, известно П), что надрез типа Менаже понижает пе­ реходную температуру на 80—100°. Известно также влияние ско­ рости приложения нагрузки. Таким образом, уже возможно ус­ тановить некоторые поправочные коэффициенты — кы, и

а — вязкого материала; 6 т- свар­ ного соединения двух сталей, из ко^ торых у одной образуется хрупкая прослойка в зоне термического влия­ ния; в — сварного соединения с двумя следами от зажигания дуги; г — того же соединения, но при чистом основном

металле.

другие — и тем приблизиться к действительному значению пе­ реходной температуры металла в конструкции. Однако при этом необходимо считаться с неоднородностью свойств основного ма­ териала, которая создает значительный разброс в эксперимен­ тальных данных. Так, поданным проф. К. Рюля [2], значения переходной температуры, полученные на образцах, вырезанных из одного листа (квадратная заготовка, длина стороны 1 м), коле­ бались в пределах от —28 до —43° С.

В то же время некоторые методы испытания позволяют доста­ точно хорошо выявлять те изменения свойств основного мате­ риала, которые вызываются процессом сварки. Так, например, испытания подрывом очень четко выявляют места с понижен­ ными свойствами. Так, например, по данным Пиллини, в тех случаях, когда сварка приводит к существенному понижению пластичности металла околошовной зоны, трещина при подрыве распространяется не в направлении надреза, как это имеет мес­ то при однородном металле (рис. 1, а)>а резко поворачивается и распространяется по околошовной зоне (рис. 1, б). Еще более резко выявляются пониженные свойства тех мест основного ме­ талла, где оставались следы от зажигания дуги или от брызг жидкого металла (рис. 1, в). В этом случае обычный надрез над швом оказывался меньшим концентратором и не вызывал раз­

рушения (рис. 1, г), тогда как места, охрупченные ожогом дуги (рис. 1, в), приводили к трещине, проходившей вдали от специаль­ ного концентратора — надреза над швом*.

Попутно следует отметить, что при испытании тонких листов вместо подрыва в той же лаборатории применялось испытание с использованием ударной нагрузки по схеме (рис. 2).

По переходной температуре для основного металла (опреде­ ленной на каких-то образцах) нельзя судить о переходной тем­

шениям. Так как в большинстве случаев поправочные коэффи­ циенты меньше единицы, то многие конструкции могут работать без повреждений и при температурах ниже переходной темпе­ ратуры основного метллла.

В то же время при проектировании сварных конструкций, предназначенных для работы при низких температуоах. необхо­ димо принимать сог тв^тствующие конструктивные меры дтя сни­ жения отрицательного влияния факторов, способствующих хруп­ ким разрушениям. Такими факторами являются: концентра­ ция напряжений, характер напряженного состояния, скорость приложения нагрузки, пониженная пластичность материала и ограничение свободы деформирования, а также некоторые дру­ гие. В связи с перечисленными факторами при проектировании необходимо следующее:

а) избегать как конструктивных, так и технологических кон­ центраторов напряжений; обеспечивать возможно большую плав­ ность сопряжений; в местах обрыва элементов, приваренных уг­ ловыми швами, применять скос кромок и обеспечивать полный провар обрываемого элемента; предусматривать тщательную про­ верку качества сварных швов во избежание оставления в них трещин, непроваров, шлаковых включений и других дефектов; не применять соединений с накладками и избегать нахлестки;

б) избегать конструктивных форм, приводящих к жестким напряженным состояниям конструкций;

в) не применять гнутых профилей в высоконапряженных частях конструкции; не накладывать сварные швы на места пе­ регибов гнутых профилей, где пластичность в значительной мере исчерпана еще при их изготовлении; не допускать сближенных швов и особенно малых расстояний между элементами, прива-

* Для создания надреза без уменьшения толщины испытываемой плиты или сварного соединения на плиту или на сварной шов наплавлялся валик, в котором делался поперечный надрез, доходивший до поверхности ыспытываемой плиты.

Рис. 3. Характер распределения напряжении

вэлементе с двумя надрезами:

а— от внешней нагрузки и от наплавкн вллнка посередине ширины элемента (штрихи): б — суммарная эпюра напряжений

при острых надрезах; в и <* —то же. что а и б, но при малой остроте надрезов.

риваемыми к одной фасонке или к другому элементу; не приме­ нять повышенных катетов угловых швов, ограничиваясь мини­ мальными сечениями, допустимыми по условиям прочности; не допускать в стыковых соединениях металла шва с понижен­ ным против основного металла пределом текучести; не при-

менять методы и режимы сварки, приводящие к образованию хрупких прослоек в зоне термического влияния.

В тех случаях, когда с помощью конструктивных мер не удается избежать достаточно острых концентраторов напряже­ ний или общего жесткого напряженного состояния, можно при­ бегнуть к регулированию напряженного состояния и величины максимальных напряжений с помощью дополнительного поля остаточных напряжений.

Наложение поля дополнительных остаточных напряжений может быть осуществлено путем наплавки валика, местного то­ чечного нагрева или пластического обжатия некоторых точек сварного соединения или сварного элемента. Расположение нап­ лавленного валика или точек нагрева и обжатия должно быть таким, чтобы в местах концентрации напряжений от внешней нагрузки создавались остаточные напряжения сжатия, а оста­ точные напряжения растяжения располагались в зонах с наи­ меньшими напряжениями от внешней нагрузки.

Представим себе элемент с резкими концентраторами напря­ жений, работающий в условиях низких температур. Напряже­ ния от полезной нагрузки в сечении по надрезам распределены, как показано на рис. 3, а (сплошные линии). Если наибольшие напряжения а тах при этом достигнут сопротивления отрыву 5 0Т,„ то дальнейшего повышения нагрузки произойти не может и элемент разрушится при нагрузке, величина которой опреде­ лится величиной, средних напряжений ог.р. Если посередине ширины элемента наплавить валик (при обычных температурах), распределение напряжений от которого представить пунктир­ ной линией, то эпюра суммарных напряжений будет иметь вид, изображенный на рис. 3, б (сплошные линии). При тех же сред­ них напряжениях оср максимальные напряжения огаах окажут­ ся сниженными, что позволит повышать нагрузку против той, которая явилась предельной для элемента без наплавленного валика. При достижении максимальными напряжениями соп­

но повышению величины средних напряжений повысится и раз­ рушающая нагрузка. Таким образом, наплавка валика, выз­ вавшая поле дополнительных напряжений, позволила снизить пики напряжений и повысить работоспособность конструкции.

Однако следует иметь в виду, что при мягких надрезах, когда эпюра напряжений от полезной нагрузки менее неравно­ мерная, наплавка валика может не только не повысить разру­ шающую нагрузку, но даже снизить ее. На рис. 3, в и а приведен

лавленном валике оказалась намного меньше, чем оср.т при отсутствии-валика. Таким образом, наплавка валика в рассмат­ риваемом случае привела к понижению разрушающей нагрузки.

Возможность использования поля дополнительных напря­ жений для повышения работоспособности сварных конструкций при низких температурах подтверждена опытами, проведенны­ ми в Чехословакии Вацлавом Гораком [3]. Для повышения ра­ ботоспособности элемента с приваренной фасонкой был применен точечный нагрев. Форма подвергавшегося испытаниям элемен­ та и расположение точек нагрева видны на рис. 4, а. На рис. 4, б приведены результаты испытания растяжением при температуре —40° С двух типов образцов. В одном образце была приварена прямоугольная фасонка, во втором — фасонка плавно сопряга­ лась с основным элементом. На диаграмме приведено отношение разрушающей нагрузки при низкой температуре к разрушающей нагрузке при нормальной температуре. Назаштрихованные стол­ бики показывают несущую способность образцов в их исходном

дили под углом в 45° на основной металл и распространялись по основному металлу до полного разрушения пояса. Характер­ но, что по стыковым швам трещины нигде не распространялись.

Причина появления трещин заключается в следующем. Нижние пояса уложенной на землю балочной конструкции

вмерзли в грунт, тогда как верхние пояса оставались на откры­ том воздухе. При резких понижениях температуры верхние поя­ са укорачиваться не могли, так как их удерживали заделанные в мерзлое основание нижние пояса. В результате в верхних поя­ сах возникли напряжения растяжения. Эти напряжения уси­ ливались вследствие резкого изменения ширины пояса в местах сопряжения продольных и поперечных балок, а также из-за наличия на незащищенных торцах стыковых швов, незаделанных катетов и подрезов. В итоге при низких температурах возника­ ли хрупкие трещины, разрушавшие мощные поясные листы ба­ лок. Эго происходило по той причине, что не соблюдались тре­ бования правильного хранения-металлоконструкций. Металло­ конструкции при хранении следовало укладывать на стеллажи из бревен так, чтобы окружающий воздух мог омывать их со всех сторон, чем обеспечивалось бы равномерное укорочение и удлинение конструкции при изменениях температуры.

Рассмотрев схему расчетной оценки сопротивляемости свар­ ных конструкций хрупким разрушениям и проанализировав не­ которые возможности повышения работоспособности сварных конструкций при низких температурах, можно наметить сле­ дующие основные направления в решении рассматриваемой проблемы:

1. Разработка наиболее совершенного метода оценки хладностойкости стали и выбор оптимальной формы образца для опре­

факторов на сопротивляемость конструкций хрупким разруше­ ниям с целью ее повышения.

Однако уже в настоящее время имеется достаточно материалов для того, чтобы можно было составить новые технические условия на проектирование, изготовление и монтаж сварных конструк­ ций, предназначенных для работы при низких температурах, и уточнить в действующих технических условиях и правилах требования к условиям транспортировки и хранения сварных

конструкций, особенно в зимнее время. Это позволит избежать многочисленных ошибок, вызванных незнанием конструкторами и технологами уже известных зависимостей. Причем технические условия и правила могут непрерывно совершенствоваться по мере получения новых результатов исследований, проводимых в трех направлениях, отмеченных выше.