книги / Хладноломкость металлоконструкций и деталей машин

УДК 539. 36

В. Г. САВИЦКИЙ, к . В. ПОПОВ

НАТУРНЫЕ Н МОДЕЛЬНЫЕ ИСПЫТАНИЯ НА ХЛАДНОЛОМКОСТЬ

Определение ударной вязкости образцов с надрезом стандарт­ ного профиля представляет собой искусственный метод сравни­ тельной оценки сталей. Получаемые таким образом критические температуры хрупкости сталей также являются сравнительными характеристиками и относятся только к данной геометрии кон­ центратора напряжений (надреза) и формы образца. Величи­ на изменений критической температуры хрупкости при различ­ ных видах испытаний и формах образцов для одного и того же состояния стали может колебаться в широких пределах (1—2].

В ряде работ [1—31 предлагается при расчетах принимать во внимание температурный «фактор склонности к хрупкости», оп­ ределяемый безразмерным коэффициентом

^ __ Т0 Тк

(1)

где Т0 — рабочая температура; Тк — критическая температура хрупкости;

или запасом вязкости:

(2)

Определение критической температуры хрупкости изделия или конструкции представляет известные трудности. В ряде случаев подобные испытания выполнить практически невоз­ можно. Метод натуральных или модельных испытаний широко применяется при определении характеристик ряда простых и. широко распространенных изделий и металлоконструкций (рель­ сы, сварные балки, прокат различного профиля и т. п.) [4, 51. Известны случаи натурных испытаний более сложных конструк-

Использование системы, состоящей из двух маятников, дви­ жущихся навстречу друг другу, позволило выполнить копер относительно малых размеров и полностью устранить необхо­ димость сооружения мощной опоры. Работа разрушения образ­ цов регистрировалась по углам подъема и вылета обоих маят­ ников. С этой целью в конструкции копра предусмотрено стре­ лочное отсчетиое устройство, позволяющее регистрировать углы с точностью до одного градуса. Вес маятников и длины их под­ веса были одинаковы. Это значительно упростило сисгему одно­ временного сброса маятников. Межопорное расстояние на маят­ нике опоры равно 600 мм.

Термостатироваиие образцов производили в бензине, охлаж­ даемом углекислотой (твердой) или жидким азотом. Использо­ вание легких фракций бензина позволило охлаждать образцы до — 120° С. Для испытаний при — 176 и — 196° С образцы выдер­ живались в сжиженном кислороде и азоте.

Предварительными опытами были определены величины не­ обходимых переохлаждений образцов для компенсации тех из­ менений температуры, которые получались за время установки образцов и их испытаний. При каждой температуре испытывалось не менее двух образцов.

Исследовали трубы высокого давления, изготовленные из стали 20 с внутренним диаметром 24 и 30 мм. Из этих же труб вырезали стандартные ударные образцы. Трубы подвергали раз­ личной термообработке по стандартным для стали 20 режимам. Изучено также влияние деформационного старения на хладостойкость труб.

Как показали результаты испытаний, трубы из стали 20 после отжига переходят в хрупкое состояние при температуре ниже

— 120° С (рис. 1, кривые 1 и 2). Разность между критической температурой хрупкости отожженных труб и стандартных удар­ ных образцов составляет более 80°. Трубы, подвергавшиеся де­ формационному старению (рис. 2), охрупчиваются в районе температур —70 -г- 80° С.

В этом случае разность между критическими температурами хрупкости труб и стандартных образцов значительно меньше, чем для других структурных состояний стали 20, и составляет 40 -г- 50°. Испытание отожженных труб, ослабленных выточкой профиля резьбы и резьбой по всей их поверхности, показало (рис. 3), что в этих случаях охрупчивание происходит при темпе­ ратурах —50° и —80° соответственно.

Нами исследовано влияние конструктивного исполнения де­ талей торных машин на их склонность к хладноломкости. Из многих вопросов, относящихся к этой проблеме, был выбран

один, на наш взгляд, наиболее важный и относительно простой, — это влияние способа приварки кремальерных реек на склонность балки рукояти ковша экскаватора к хрупкости при низких тем­ пературах. Выбирая способы приварки реек, преследовали цель— определить температуры охрупчивания моделей, изготовленных: а) по принятой на заводах-изготовителях технологии; б) со сплош­ ной рейкой, без концентратора напряжений; в) с ослабленным влиянием концентратора напряжений.

Размеры сечения модельных образцов были близки полови­ не нормального сечения балки рукояти. Модели были изготов­ лены из стали марки Ст. Зкп в листовом прокате толщиной 10 и 20 мм.

Модели с открытым стыком реек (существующая на заводах технология) разрушались совершенно хрупко уже в районе тем­ ператур —20 -4— 30° С. При испытании модельных образцов с ослабленным концентратором, у которых боковой сварной шов не доведен до стыка реек на 50 мм с каждой стороны, установ­ лено, что в этом случае модели охрупчивались в районе —50° С (рис. 4). Разрушение моделей этого типа происходило не в плоскости удара и стыка реек, а распространялось из мест, куда был перенесен концентратор напряжений (концы боковых швов). Отсутствие концентратора напряжений на моделях со сплошной рейкой сильно повлияло на их критическую температуру хруп­ кости. В этом случае модели переходили в хрупкое состояние при температурах —80 ---- 90° С (рис. 4, кривая 2). Нормали­ зация моделей со сплошной рейкой переместила их порог хлад­ ноломкости еще на 20 Ч- 30° в сторону более низких температур (рис. 4, кривая в).

Естественно, что данные, полученные на моделях, не могут быть непосредственно перенесены на рукояти. Однако можно' ожидать аналогичного влияния изменений в конструкции на­ турной детали.

ЛИ Т Е Р А Т У Р А

1.Н. Н. Д а в и д е н к о в . Проблема удара в металловедении. Изд. АН

СССР, 1938.

2. Г. А. В л а д и м и р с к и й . Хрупкость стали. Машгиз, 1959.'

В.В. М. Ш е в а н д и н. Склонность к хрупкости низколегированных ста­ лей. Металлургиздат, 1953.

С. Е. Б Е Л Я Е В

ВЛИЯНИЕ ТРЕЩИН НА ПРОЧНОСТЬ ЛИСТОВЫХ ВЫСОКОПРОЧНЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Применение высокопрочных листовых материалов в авиаци­ онной технике, а также для сосудов, эксплуатируемых при вы­ соком давлении, и для других целей требует изучения их чувст­ вительности к концентрации напряжений (надрезы, отверстия, трещины и т. п.). Этому вопросу за последние годы уделяется большое внимание в зарубежной литературе. Так, например, в США ряд организаций изучает свойства и чувствительность к надрезу и трещине высокопрочных сталей, применяемых для

(сгп= 1 9 5 — 210 кгс1мм2), обладают повышенной чувствительностью к надрезу. В работах [2, 3] также отмечается, что с повышением прочности стали действие внутренних дефектов становится более эффективным. Поэтому для оценки таких материалов рекомен­ дуется применять образцы на растяжение с надрезом, с высоким коэффициентом концентрации напряжений (ак = 17). На таких образцах может быть выявлена хрупкость материала, подвергну­ того термообработке.

В практике наблюдаются случаи хрупкого разрушения раз личных деталей. Малая трещина или поверхностный дефект (риска, поры, непровар в сварном шве и др.) являются причиной разрушения деталей при пониженной прочности. Однако чувсттельность к надрезу у высокопрочных листовых сталей ВЛ1Д, ЗВК , ЗОХГСА и других с с „ = 160 — 180 кгс/мм2 при осевом растяжении надрезного образца (г„ — 0,1 мм) при комнатной

В настоящей работе трещина на листовом материале получена путем статического растяжения с эксцентриситетом плоского об­ разца с двухсторонним надрезом [51. Форма и размеры образца приведены на рис. 1, а, б. При растяжении нагрузка приклады­ вается через отверстия 1 — 1 до появления трещины в надрезан­ ном сечении. Надрез в данном случае использован как концент­ ратор напряжений, способствующий образованию острой трещи­ ны в заданном сечении. Получив трещину на одной стороне образца, его снимают с машины; а затем растяжение производят с другой стороны через отверстия 2 — 2.

Показано, что трещину можно получить различной длины — от 0,3 до 2,5 мм. Развитие трещины в процессе растяжения можно наблюдать с помощью лупы с 20-кратным увеличением. После получения трещины у образца отрезают концы на голов­ ках и с боков снимают фрезой часть материала до дна надреза (на длине 40 мм); образец становится гладким, но имеет трещины в середине (рис. 1, б).

Длина трещины измеряется с помощью лупы или на инстру­ ментальном микроскопе с точностью 0,2 мм. Затем после разры­ ва образца размеры трещины проверяются в торце также с по­ мощью лупы. Прочность материала определяется делением разрушающей нагрузки на живую площадь образца (площадь трещин вычитается).

Образцы с тремя отверстиями на головках применялись для высокопрочных сталей. Для сталей же средней прочности (ов = •= 100 — 120 кгс/мм2) и легких сплавов можно применять обыч­ ные надрезанные образцы (длиной 140—150 мм) с отверстием на головке. При этом в захватах разрывной машины зажимается только край головки образца (на расстоянии 6—8 мм) для того, чтобы создать растяжение с эксцентриситетом.

На высокопрочных сталях (ВКС-1, ЗОХГСА с отпуском 200° и др.) трещину длиной 1 — 2 мм получить не удается вследствие быстрого ее распространения. Образцы разрушаются после то­ го, как толщина на дне надреза достигнет 80—85% ширины об­ разца.

Поэтому в высокопрочных сталях ВКС-1, ВЛ1Д и ЗОХГСА с отпуском 200° трещины были получены до термической обра­ ботки. Проведенные опыты на стальных образцах с трещинами, полученными до и после термообработки, показали почти одинаковую прочность (в пределах разброса). Исследовались листовые высокопрочные стали, алюминиевые и другие сплавы.

Режим термической обработки и механические свойства ис­ следованных сталей приведены в таблице. В этой же таблице приведены механические свойства исследованных сталей при