книги / Хладноломкость металлоконструкций и деталей машин

Указанные испытания, как отмечают Фридман и Дроздовский 17], считаются наиболее полно отражающими условия работы стали в натурной листовой конструкции.

Исследования показали (1—3, 51, что наличие гак называе­ мого силового барьера характеризует разницу в уровнях сред­ них напряжений, отвечающих началу разрушения и распро­ странению хрупкой трещины в сталях. Его величина является весьма неустойчивой ввиду того, что в начальной стадии нагру­ жения хрупкому излому всегда предшествует образование плас­ тической зоны, которая снижает концентрацию напряжений и повышает средние напряжения, необходимые для появленйя тре­ щины.

Чтобы «исключить» образование вязкой зоны и оценивать таким образом напряжения, при которых хрупкая трещина рас­ пространяется в лабораторных испытаниях, для инициирова­ ния трещин применяют глубокое охлаждение в сочетании с удар­ ной нагрузкой Ц, 3] или хрупкие наплавки [8].

Все эти методы приводят либо к увеличению локальных нап­ ряжений в вершине надреза, либо к уменьшению предельной деформации, что, в конечном счете, способствует появлению и распространению очага хрупкого разрушения при малых номи­ нальных напряжениях. Величина этих напряжений при за­ данной упругой энергии системы неодинакова для разных марок сталей и зависит от температуры. Знание таких напряжений наряду с качественной оценкой металла путем стандартных ме­ тодов испытаний дает возможность подойти к оценке силового запаса конструкции при температуре эксплуатации.

В настоящей работе исследовалось влияние температуры на уровень напряжений, отвечающих появлению и распространению

* Б связи с тем, что сталь марки СХЛ-4 в листы толщиной 6 мм не прокатывается, для исследования были выбраны листы из стали марки МС-1, которая по своему химическому составу и механическим свойствам близка к стали СХЛ*4.

длины надреза номинальная прочность пластин, как известно, перестает снижаться [9] Испытанию подвергались пластины как без внутренних напряжений, которые снимались высоким отпуском при температуре 650° С в течении 4 ч с последующим охлаждением пластин с печью, так и с внутренними напряже­ ниями.

Пластины испытывались на горизонтальной машине МУГ500 с гидравлическим приводом. Одной из особенностей этой машины является ее высокая жесткость и большая массивность подвижной и неподвижной плит, к которым на шарнирных зах ­ ватах крепился образец.

Пластины испытывались в интервале температур от + 2 0 до —50° С. Пластины охлаждали твердой углекислотой, которая помещалась в ящиках на боковых плоскостях пластин на рас­ стоянии 60—80 мм от осевой надреза. Температура измерялась термопарами, расположенными на линии надреза. Чтобы ис­ следовать условия как возникновения, так и распространения трещин, пластины испытывали двумя способами: путем стати­ ческого нагружения вплоть до полного разрушения и путем статического нагружения до заданной величины напряжений с пос­

них напряжениях, равных или выше предела текучести (табл. 3), во всем интервале температур от + 2 0 до —50° С. Разру­ шение пластин при всех температурах наступало после возник­

61 / А 10 / / 20(

/й23

по

Рис. 2. Влияние температуры на разрушающее напряжение для пластин из стали марки СХЛ-4, различной толщины.

Рис. 3. Влияние температуры на разрушающее напряжение для пластин из стали марки Ст. 4.

прочность пластины, как это видно из таблицы, не связана с волок­ нистостью излома: при 100% кристаллического и 100% волок­ нистого она примерно одинакова. Это вполне закономерно, по­ скольку прочность пластин, когда изучается развитие трещины

Температура, °0

Рис. 4. Влияние температуры на разрушающее напряжение пластин из стали марки СХЛ-4 с внутренним надрезом длиной 60 мм.

«с места», определяется условиями образования пластической зоны около надреза, а не сопротивляемостью стали распростра­ нению трещин. К моменту начала хрупкого разрушения локаль­ ная пластическая деформация на поверхности пластин у надре­ за для стали марки СХЛ-4 достигала примерно 30%, а вязкая трещина, как показали наблюдения, распространялась на всю толщину пластины. При выходе на поверхность скорость тре­

реза типа трещины еще не обеспечивает высокой локализации деформаций для получения хрупкого излома непосредственно на начальной стадии нагружения даже при пониженных тем­ пературах.

Иная картина разрушения имела место, если при статичес­ ком нагружении пластин после охлаждения наносился попереч­ ный удар в районе, прилегающем к надрезу.

В этом случае исключалось образование пластической зоны около надреза и могла таким образом оцениваться величина напряжений, вызывающих распространение хрупкой трещины.

стали марки Ст. 4—око­ ло 0,3<тг, где ат —предел текучести стали. Среднее напряжение, вызывающее рост хрупкой

трещины, возрастает с повышением температуры, а увеличение толщины листов смещает кривые о/сгг —[ (Т) в область более высоких температур.

Количество волокна в изломе для стали марки СХЛ-4 толщи­ ной 10 и 20 мм резко возрастает, только Начиная с температур, при которых разрушающие напряжения превышают 0,8аг. Поэтому можно считать, что возрастание разрушающего напря­ жения с повышением температуры связано не с изменением ко­ личества волокна в изломе, а с величиной деформации, пред­ шествующей излому (рис. 5).

Увеличение упругой энергии системы, которое достигалось изменением длины пластин с 1000 до 4400 мм, смещает всю кривую зависимости а/от = / (7) в область более высоких тем­ ператур.

Всталях марок Ст. 4 и СХЛ-4 при увеличении длины пластин

в2 раза с 2000 до 4400 мм Тк повышается примерно на 10° С. Можно ожидать, что дальнейшее увеличение упругой энер-

Т а б л и ц а 4

гии вызовет дополнительное смещение кривой разрушающих напряжений в сторону положительных температур. Однако при этом следует подчеркнуть, что уже при отношении длины к ши­ рине пластин Ы В = 10 (В = 300 мм), согласно данным работы [31, имеет место хорошее совпадение минимального значения прочности стали на лабораторном образце и напряжений при хрупком разрушении танкера.

В табл. 4 приведены критические температуры хрупкости для исследованных сталей, полученные на образцах Менаже по различным критериям и на пластинах. Из таблицы видно, что критическая температура хрупкости для пластин (температу­ ра, при которой в изломе имеется 70% волокна) на 5—2 ;°С выше, чем критическая температура, определенная при стати­ ческом изгибе образцов Менаже с острым надрезом по тому же критерию (7"к.д.с)- При этом критическая температура хруп­ кости ТКш6, определенная при испытании гнбовых проб на излом (70% волокна в изломе), соответствует Тк для пластин по тому

же критерию.

Если температура эксплуатации конструкции 7'ш. равна или выше ТК'6, то, как видно из рис. 2, 3, 4, напряжения, вызыва­

ющие распространение трещины для листов из сталей марок СХЛ-4 и Ст. 4 составляют около 0,9 ат . Следовательно, эксплу­ атация конструкций при температурах выше Тк,б с учетом того, что допустимые напряжения обычно принимаются ниже 0,9оу безопасна с точки зрения возможности хрупких разрушений.

Критическая температура хрупкости Тк,л.с для сталей марок Ст. 4 и СХЛ-4 или примерно совпадает с началом выхода кри­

(о/от 0,25—0,30) или лежит несколько выше его (на 5— 15°). Это

наименьшую сопротивляемость распространению трещин и поэтому при этих температурах возможны хрупкие разрушения конструкций из указанных сталей.

При температуре ниже Гк.д.с для сталей марок Ст. 4 и СХЛ-4 напряжения, соответствующие распространению хрупких тре­ щин, как уже отмечалось выше, равны 0,25—О.Зстт-. В величину этих напряжений входят как напряжения от внешней нагрузки, так и реактивные напряжения. Поэтому для повышения работо­ способности конструкций при пониженных температурах особое внимание следует обращать на соблюдение технологии сварки, обеспечивающей наименьший уровень реактивных напря­ жений.

Используя результаты настоящей работы, легко понять при­

трещины, был очень низким.

Таким образом, имея графики зависимости о/от или значе­ ния критических температур хрупкости Г к.д.с и Т к,б и вели­ чины разрушающих напряжений для этих температур, опреде­ ленные на крупногабаритных образцах, можно оценить безопас­ ный уровень напряжений для той или иной температуры эксплуатации.

Использование удара для инициирования хрупкой трещины при испытании пластин на растяжение призвано воспроизво­ дить влияние различных случайных факторов, которые могут Бездействовать на натурную конструкцию.

В настоящее время еще не принята определенная дозировка

дальнейшем статическом нагружении наступало при напряже­ ниях около предела текучести независимо от температуры ис­ пытания; около вершины трещины на начальной стадии нагруже­ ния снова образовывалась вязкая зона.

Наименьшая номинальная прочность пластин с остаточны­ ми напряжениями была в том случае, когда трещина в вершине надреза возникла при средних растягивающих напряжениях, необходимых для распространения хрупкой трещины при дан­ ной температуре. Например, на пластинах 4 и 5 из сталей марок Ст. 4 и СХЛ-4 полное разрушение произошло в результате воз­ никновения хрупких трещин в зоне остаточных напряжений при средних напряжениях от внешней нагрузки, соответствен­ но равных 0,34стг и 0,25ог, что соответствует уровню разру­ шающих напряжений для этих сталей при температурах —35— 50° С, т. е. при Т < Тк,я.с.

На основании этих испытаний можно сделать вывод, что хруп­ кие трещины в конструкциях из исследованных марок сталей при пониженных температурах (Т < Тк.д.с) могут появляться в местах концентраций напряжений под действием только ос­ таточных напряжений или небольшой, полностью статической нагрузки, например от действия реактивных напряжений, а распространяться трещина может при средних напряжениях в конструкции не ниже уровня, приведенного на рис 2, 3, 4 для каждой температуры.

Возникновение трещин в поперечном надрезе как под дей­ ствием только остаточных сварочных напряжений при охлажде­ нии, так и при небольшом нагружении наблюдал также Веллс [21. В этой работе поперечные надрезы на кромках двух плас­ тин, стыкуемых продольным швом, выполнялись ранее сварного шва, поэтому при его продольной усадке на дне надрезов воз­ никали пластические деформации. После прохождения через зону остаточных растягивающих напряжений эти трещины, ко­ торые Веллс назвал первичными, останавливались. Однако на одной пластине трещина в зоне остаточных напряжений у над­

Температуру, при которой наблюдалось полное разрушение пластины, Веллс назвал критической. Как видно из полученных нами данных, такое утверждение нельзя назвать достаточно точным. Совпадение момента возникновения трещин около над­ реза с моментом достижения средних напряжений в сечении с надрезом критической величины можно ожидать при темпера­ турах как ниже, так и несколько выше критической темпера­