Прочность сварных соединений

тичного зацікавлення. Тобто, у класичній механіці міцність матеріалу оцінюється його здатністю протистояти появі пластичних деформацій (при руйнуванні з пластичними деформаціями) або зародженню тріщини (в умовах крихкого руйнування).

Однак аналіз причин, характеру і наслідків аварійних руйнувань конструкцій показує, що, по-перше, аварійне руйнування навіть конструкцій із пластичних матеріалів найчастіше відбувається крихко або, принаймні за невеликих пластичних деформацій, і, по-друге, наслідки аварій істотно залежать від поводження матеріалу саме після початку руйнування, тобто в процесі поширення тріщини. Крім того, з удосконаленням методів діагностики матеріалів з одного боку, і ускладненням самих матеріалів і методів їх з'єднання та обробки з іншої, постало питання щодо оцінки допустимих розмірів дефектів і оцінці міцності (працездатності) матеріалу за наявності тріщини.

Характеристика здатності матеріалу протистояти зародженню тріщини погано відображає працездатність конструкції в тих випадках, коли тріщини з'являються ще на стадії виготовлення. Як ми вже бачили раніше (див. п. 3.2), умова міцності за максимальними напруженнями не виконується в тріщині будь-якої довжини за будь-яких, навіть дуже малих напружень, тому що теоретичний коефіцієнт концентрації в районі кінця тріщини не залежить від довжини тріщини і завжди сягає нескінченності. Тому з позицій класичної механіки будь-яка, навіть мікроскопічна тріщина, завжди, за будь-якого навантаження, повинна призвести до руйнування. У зв'язку з цим, як доповнення і подальший розвиток класичної механіки в 20-х роках минулого сторіччя з'явилася і в останні кілька десятиліть інтенсивно розвивається "механіка руйнування", тобто наука про поведінку матеріалу в процесі поширення тріщини. Вона вивчає закономірності розвитку руйнування, розробляє розрахункові методи визначення умов поширення тріщин.

Засновником механіки руйнування вважається англійський учений Гріффітс, у роботах якого ще в 20-х роках ХХ ст. була сформульована умова крихкого руйнування не за максимальними напруженнями, а у вигляді порівняння енергій, що виділяються в процесі поширення (збільшення) тріщини на нескінченно малу величину за рахунок пружного розвантаження матеріалу і, що поглинається матеріалом під час утворення нової вільної поверхні. Тріщина, як установив Гріффітс, поширюється тільки в тому випадку, якщо збільшення енергії, яка поглинається, менше тієї, що виділяється. Ним же ці залежності були докладно описані математично. Правда роботи Гріффітса відносилися до абсолютно крихких матеріалів (типу скла) і представляли в основному чисто теоретичний інтерес. Подальший розвиток механіка руйнування одержала в працях Орована та Ірвіна.

Орован у 40-х роках ввів поняття квазікрихкого руйнування, зміст якого полягає в тому, що відмінність абсолютно крихкого та матеріалу, що володіє деяким запасом пластичності в процесі поширення тріщини зосереджено в деякій, порівняно невеликій зоні (зоні пластичних деформацій) поблизу кінця тріщини

191

них деформацій поблизу фронту тріщини

3.4.2. Коефіцієнт інтенсивності напружень, його визначення для дефектів зварних з'єднань

Напружений стан у районі кінця тріщини в механіці руйнувань описується виразом виду

σx,y,z (r,ϕ) = Ki f (ϕ) ,

2πr

де Ki – коефіцієнт інтенсивності напружень, залежить від напружень при відсутності тріщини, форми вузла і довжини тріщини; r – відстань від вершини тріщини (початок координат) до розглянутої точки; f (ϕ) – тригонометрична функція кутової координати точки поблизу тріщини.

Зокрема, компоненти напружень перед фронтом тріщини нормального відриву в нескінченній пластині (рис. 3.4.2) описуються наступними залежностями:

σz = µ(σx + σy ).

Коефіцієнт інтенсивності напружень для тріщини нормального відриву довжиною 2а в даному випадку (нескінченна розтягнута пластина з поперечною трі-

192

щиною) (див. рис. 3.4.2) дорівнює K1 = σ πa , де σ – напруження вдалині від тріщини; 2а – довжина тріщини.

y

y

r

21

Рис. 3.4.2. Напружений стан поблизу фронту тріщини в розтягнутій пластині (а), система координат (б) і характер розподілу напружень (в):

1 – фронт тріщини; 2 – береги тріщини

Вимірюється коефіцієнт інтенсивності напружень у МПа·мм1/2 або в Н/мм3/2. В залежності від характеру навантаження тріщини (рис. 3.4.3.) розрізняють коефіцієнти K1 – за нормального відриву, K2 – за подовжнього зсуву і K3 – за по-

перечного зсуву–зрізу.

Рис. 3.4.3. Типи тріщин:

а – нормального відриву; б – подовжнього зсуву; в – поперечного зсуву

Коефіцієнт інтенсивності напружень є своєрідною характеристикою зварного з'єднання з тріщиною, у зв'язку з чим відпадає необхідність аналізувати розподіл напружень навколо тріщини.

У технічній літературі наводяться вирази для визначення коефіцієнтів інтенсивності напружень практично всіх тріщиноподібних дефектів, у тому числі і у зварних з'єднаннях. Деякі з них наведені в табл. 3.4.1.

При наявності зони пластичних деформацій (див. рис. 3.4.1) довжина тріщини збільшується на радіус цієї зони, що розраховується за такими формулами: для

193

Із порівняння цих виразів видно, що в умовах плоскої деформації зона пруж- но-пластичної деформації значно менше (при ν = 0,3 rp2 = 0,16 rp1), що говорить про те, що пластичні деформації при цьому ускладнені. До умов плоскої деформації напружений стан наближається зі збільшенням довжини тріщини і товщини металу.

3.4.3. Критичний коефіцієнт інтенсивності (в'язкість руйнування), методи його визначення

Важливою особливістю коефіцієнта інтенсивності напружень є те, що для кожного матеріалу за даної температури є цілком визначене його значення, за якого тріщина починає поширюватися (рости), це значення називають критичним коефіцієнтом інтенсивності напружень, іноді, не дуже точно, в'язкістю руйнування, границею тріщиностійкості. Його можна розглядати як одну з важливих характеристик механічних властивостей матеріалу, а саме, його здатність протистояти крихкому руйнуванню, тріщиностійкості (табл. 3.4.2).

Як і багато інших фізичних характеристик матеріалу, критичне значення коефіцієнта інтенсивності напружень K1с залежить від багатьох факторів, зокрема, від температури. Як правило, зі зниженням температури значення K1с багатьох

194

конструкційних матеріалів зменшується. Найбільше інтенсивно знижується K1с за кімнатної і більш низької температури та в цілому відповідає зменшенню за цієї температури ударної в'язкості матеріалу. Існує ряд аналітичних залежностей, що пов'язують величину K1с з температурою, одна з яких має вигляд

K1с (T ) = K1с (T0 )exp[−β(T −T0 )], де K1с(Т0) – значення для температури Т0 (значення K1с для температури 20 °С); β – параметр (див. табл. 3.4.2).

Таблиця 3.4.2. Характеристики руйнування деяких матеріалів

Коефіцієнт інтенсивності напружень K1с можна використовувати як розрахункову характеристику порівняльної небезпеки різних тріщиноподібних дефектів, минаючи досить складний аналіз напружено-деформованого стану в прилеглій зоні до тріщин. З використанням цього критерію умова росту тріщини (умова початку крихкого руйнування, поширення тріщини) у механіці руйнування записується у вигляді K1 ≥ K1с, тобто розрахункове значення коефіцієнта інтенсивності напружень повинне бути не менше його критичного значення. Очевидно, чим вище K1с, тим надійніше матеріал працює в конструкції, тобто тим менше небезпека крихкого руйнування, тим, як правило, менше наслідки аварійного руйнування.

Відповідно, умова міцності в механіці руйнування має вигляд

K1 ≤ K1c , n

де п – коефіцієнт запасу міцності, прийнятий звичайно в межах 1,75–2,5. Основний недолік цього критерію – труднощі його визначення. Визначається

він експериментально, навантаженням спеціальних зразків із тріщинами, розтягом або вигином із записом діаграми навантаження і фіксуванням моменту початку поширення тріщини (рис. 3.4.4).

Значення критичного коефіцієнта інтенсивності напружень розраховується за

195

формулами для зразків типу а, випробовуваних на вигин

для зразків типу б, випробовуваних на позацентровий розтяг

де λ = a ,a = (0,45 − 0,55) b ; Р* – навантаження в момент початку руху фронту трі- b

щини.

2

a,s 2,5 K1c .

≥ σT

Не важко побачити, що для низьковуглецевої конструкційної сталі типу стали Ст3 цей розмір складає не менше 40 мм. За менших розмірів не створюється необхідний напружений стан і значення K виходить завищеним.

3.4.4. Інші критерії крихкого руйнування

Крім критичного коефіцієнта інтенсивності напружень, що є силовим критерієм руйнування, у механіці руйнування використовують й інші, пов'язані з ним критерії, зокрема, деформаційні й енергетичні.

Деформаційний критерій – критична величина розкриття тріщини δс – характеризує ступінь розкриття тріщини в момент початку її руху. Цей критерій частіше використовується для матеріалів з високою в'язкістю. З коефіцієнтом інтен-

196

3.4.5. Контрольні питання

1.Чим займається механіка руйнування?

2.Чим механіка руйнування відрізняється від інших розділів механіки?

3.Що важливіше для підвищення працездатності з'єднань і вузлів – опір розповсюдженню чи появі тріщин у матеріалі (поясніть з позицій класичної механіки

імеханіки руйнування)?

197

4.Хто вважається засновником механіки руйнування?

5.Поясніть поняття квазікрихкого руйнування. Хто є автором цього поняття?

6.Поясніть поняття "коефіцієнт інтенсивності напружень". Як прийнято позначати цей коефіцієнт? Хто запропонував його використовувати?

7.Від яких факторів залежить коефіцієнт інтенсивності напружень?

8.Чому дорівнює коефіцієнт інтенсивності для нескінченної рівномірно розтягнутої пластини з поперечною тріщиною?

9.У яких одиницях вимірюється коефіцієнт інтенсивності напружень?

10.Чим відрізняються коефіцієнти інтенсивності напружень K1, K2 і K3?

11.Чим відрізняється тріщина нормального відриву від тріщини поперечного зсуву і подовжнього зсуву?

12.Який з напружених станів є більш жорстким з погляду поширення тріщини – плоский напружений або плоский деформований?

13.Поясніть поняття критичного коефіцієнта інтенсивності напружень. Від яких факторів залежить його величина?

14.Як змінюється критичний коефіцієнт інтенсивності зі зниженням температури?

15.Як записується умова поширення тріщини через коефіцієнти інтенсивності напружень?

16.Як визначається критичний коефіцієнт інтенсивності напружень?

17.У чому полягають основні труднощі визначення критичного коефіцієнта інтенсивності напружень?

18.Які інші критерії крихкого руйнування використовуються в механіці руйнування?

3.5.Вплив температури на механічні властивості основного металу

ізварних з'єднань

3.5.1. Вплив зниженої температури на механічні властивості основного металу і зварних з'єднань. Холодноламкість

З розвитком нової техніки, зокрема криогенної, розширюється обсяг застосування конструкцій, що працюють при знижених і низьких температурах. Деякі з найбільш матеріалоємних сфер нової техніки такі:

холодильні установки й апаратура для отримання зріджених газів; магістральні трубопроводи і трубопроводи для транспортування зріджених

газів; космічні апарати і ракети;

установки для проведення спеціальних фізичних експериментів.

Для розуміння особливостей роботи матеріалу за зниженої та низької температури необхідно згадати деякі зведення з фізики металів.

В атомних масштабах руйнування відбувається в наслідок розриву міжатомних зв'язків. При цьому утворюється нова поверхня. Якщо напруження розтягу,

198

що сконцентровані у вершині тріщини, перевершують напруження когезії, то розрив міжатомних зв'язків відбувається перпендикулярно площині руйнування (руйнування відколом). Якщо розрив тих же міжатомних зв'язків відбувається під дією напружень, прикладених паралельно площині руйнування, то це – руйнування зрушенням. Основними факторами, що визначають характер руйнування, є тип кристалічних ґраток, температура, швидкість деформації, напружений стан, чистота матеріалу.

В результаті порівняно легкого руху дислокацій ковзання в кристалічних тілах відбувається під дією напружень, значно менших за теоретичну зсувну міцність матеріалу. Якщо матеріалу властиві пластична деформація і релаксація напружень, то опір відколу завжди вище опору зсуву і руйнування відколом виявляється неможливим. Ковзання спостерігається в металах із гранецентрованими кубічними (ГЦК) ґратками за будь-яких температур. Їх зсувна міцність завжди нижче опору відколу, тобто вони руйнуються в'язко. На відміну від них у металах з об'ємно центрованими кубічними (ОЦК) і гексагональними щільно упакованими (ГЩУ) ґратками дислокації можуть бути заблоковані і ковзання стає неможливим, а біля вершин мікротріщин утворюються концентрації напружень розтягу, що робить реальним руйнування відколом. Відкол (відрив) і зсув є альтернативними видами руйнування цих металів.

Якщо ковзання цілком виключене, як наприклад, у металів з ОЦК ґратками за низьких температур, то руйнування відколом (відривом) відбувається раніше, ніж настання загальної плинності. Однак, часто зсувна міцність спочатку нижче опору відколу, тому метал плине і деформується пластично доти, поки в результаті деформаційного зміцнення опір зсуву не зросте до значень, що перевищують опір відкола.

У більшості металів характер руйнування, не залежно від того, відбувається воно зсувом або відколом всередині зерен, але за певних умов границі між сусідніми зернами виявляються менш міцними, ніж тіло зерна, і руйнування відбувається за границями зерен. Міжзерновий відкол звичайно пов'язаний з наявністю домішковіх атомів, що розташувалися по границях зерен, і є єдино можливим видом крихкого руйнування металів із ГЦК ґратками. Міжзернове зсувне руйнування малоймовірне в умовах низьких температур, але стає переважаючим при підвищених температурах.

Таким чином, руйнування зсувом, що супроводжується помітними пластичними деформаціями, найчастіше – внутришньозернове. Руйнування відколом – крихке, практично без пластичних деформацій може відбуватися як усередині зерен, так і за міжзерновими границями.

Ті самі матеріали при зміні температури можуть змінювати механізм руйнування. Це пов'язано з тим, що міцність при відколі досить висока і мало змінюється при зміні температури. Міцність під час зсуву істотно залежить від температури і підвищується при її зниженні (рис. 3.5.1). Тому матеріали, що руйнуються

199

інизьколегованої (б) сталей:

1 – границі плинності (Re/Re0); 2 – тимчасового опору (Rm/Rm0); 3 – відносного подовження (A5/A50); 4 – відношення границі плинності до тимчасового опору(Re/Rm);

5 – ударної в'язкості (KCV/KCV0)

200