книги из ГПНТБ / Махутов Н.А. Сопротивление элементов конструкций хрупкому разрушению

размеров дефектов для заданного уровня действу­ ющих напряжений. Эти расчеты проводят на осно­ ве приведенных (гл. 1) соотношений с учетом гео­ метрических форм элементов конструкций, разме­ ров и формы дефектов, скорости деформирования, температуры и т. д.

тами экспериментов на моделях или натурных из­ делиях.

§4. ХАРАКТЕРИСТИКИ СОПРОТИВЛЕНИЯ ХРУПКОМУ РАЗРУШЕНИЮ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ

Наблюдения за хрупкими разрушениями пока­ зывают, что наиболее опасными являются те из них, которые происходят при эксплуатации крупногаба­ ритных листовых конструкций, особенно сосудов и трубопроводов, работающих под давлением. В свя­ зи с этим экспериментальному определению харак­ теристик сопротивления хрупкому разрушению со­

деформации в стенках сосудов в зоне трещин зави­ сят от размеров трещин, толщины стенки и диа­ метра сосуда. Зависимость коэффициента интенсив­ ности упругих напряжений от указанных парамет­ ров сосуда, содержащего трещину вдоль образую­ щей, определяется уравнениями (1.33), (1.56),

130

(1.57). В соответствии с этими уравнениями при заданном размере трещины / коэффициент интен­ сивности, напряжений увеличивается с уменьшением

> шинами оказываются меньше, чем для пластин той Ьке толщины при одноосном растяжении.

Согласно формулам (1.33), (1.56), (1.71), (1.115) при возникновении упруго-пластических деформа­ ций в вершине трещины в сосуде давления относи­ тельный размер пластической зоны

- г = ( 5 К ^ Г - ' ) ( , + 1 ' 6 ' ^ ) - ( 2 -4 1 )

По формуле (1.57) с учетом выражения (1.74) раскрытие трещины в стенке под действием коль­ цевых напряжений

При достижении нестабильного состояния тре­ щины в стенках сосуда при напряжениях оок ко­ эффициенты интенсивности напряжений и раскры­ тие трещины принимают критические значения Кш и бок, которые на стадии разрушения, как показы­ вают эксперименты на сосудах, могут быть приняты равными Къ и б к , определяемым при испытаниях плоских образцов на растяжение или изгиб [83].

Критическое значение коэффициента интенсив- -н-ости напряжений Кв ь для сосуда давления с уче­ том местных упруго-пластических деформаций, об­ разующихся в вершине трещины, при наличии упрочнения материала в неупругой области в со-

5* 131

ответствии с работой [83] может быть получено из выражений (1.33), (1.56), (1.71) при замене пре­ дела текучести ат на предел прочности сосуда Ов„.

где на — коэффициент, вычисляемый по формулам (1.24), (1.25) в зависимости от степени объемности напряженного состояния в вершине трещины.

Испытания около 350 сосудов [83], изготовлен­ ных из мягких низкоуглеродистых и низколегиро­ ванных сталей (от =21,2-^48,3 кГ/мм2; сга =48,6-ь- -^59,3 кГ/мм2), показали применимость соотноше­ ния (2.43) для определения разрушающих напря­ жений ООк-

Диаметр сосудов от 324 до 760 мм, толщина стенки от 8,35 до 17 мм. Дефекты типа продольных трещин создавали механическим способом (радиус закругления в вершине 0,075—0,1 мм). Надрезы гидроизолировали с помощью резины типа неопрен (при испытаниях в условиях комнатной температу­ ры и пониженной до —186° С). При повышенных (до +375° С) температурах уплотнение сосудов обеспечивали нержавеющей сталью типа 304 тол­ щиной до 1,6 мм. Если длина трещины в сосудах более 25 мм (до 610 мм), то соответствие между результатами экспериментов и расчета по формулу (2.43) получается удовлетворительным (рис. 32, а) 4

Применительно к сосудам давления ограничения [83] на величины разрушающих напряжений и дли-

132

Применимость уравнения (2.45) для определе­ ния разрушающих напряжений для сосудов давле­ ния в широком диапазоне длин трещин и диамет­ ров (от 65 до 1450 мм) подтверждена обобщением [83] результатов 45 испытаний. При этом напряже­ ния оот Для сталей, используемых в сосудах дав­ ления, можно вычислить по формуле

По уравнениям (2.45) и (2.49) можно опреде­ лить разрушающие напряжения с точностью ± 1 0 % .

Описанные методы определения характеристик сопротивления разрушению относятся к случаю инициирования трещин и, таким образом, величины Keic и бе« характеризуют момент возникновения неустойчивого состояния трещин. Сопротивление распространению трещин в сосудах давления, так же как и в пластинах, оказывается ниже сопротив­

Экспериментальное определение величин /(д1 с для сосудов давления связано со значительными мето­ дическими трудностями. Наиболее простой способ оценки /с|1 ( . заключается в испытаниях сосудов с предварительно созданными несквозными дефекта­ ми и охлаждением зоны дефекта до момента обра­ зования неустойчивого состояния трещины. В рабо­

1 Перед испытаниями сосуды заполняли водой и частично (иа 6—12% по объему) азотом для под­ держивания постояного уровня номинальных напря-

137

жений при развитии трещины. После создания заданных давления и температуры в сосуде интенсив­ но охлаждали зоны острого надреза жидким азо­ том, подаваемым в специальную камеру, укреплен­ ную на сосуде. Напряжения от давления, темпера­ турные напряжения и снижение пластичности в зо­ не надреза приводили к возникновению движущей­ ся трещины. Распространение или остановка тре­ щины за пределами надреза зависели от темпера­ туры стенок и напряжений, создаваемых внутрен­ ним давлением. Проводимые измерения скорости распространения трещим позволяют оценить значе­ ние коэффициента mv в уравнении (1.125). По дан­ ным этих экспериментов величина mv равна при­ мерно 50. Критическое раскрытие в вершине тре­ щин может быть вычислено по формуле (2.39).

Статические испытания дисков при всестороннем растяжении проводили ("77, 87] на сосудах, Нагру­ жаемых внутренним давлением. Диски диаметром до 500 мм вваривали в сосуды сферической формы, диаметр которых около 1500 мм. Однако эти испы­ тания сложные и дорогостоящие. В последнее вре­ мя для оценки сопротивления разрушению метал­ лов, применяемых в турбиностроении, широкое при­ менение находят разгонные испытания дисков, име­ ющих острые надрезы, инициирующие разрушения [18, 66]. Диаметр дисков 500—600 мм, толщина 50—75 мм и более. Критические значения коэффи­ циентов интенсивности напряжений для вращаю­ щихся дисков с центрально расположенной диамет­ ральной трещиной длиной /

где Qi коэффициент формы трещины;

ак — напряжения от центробежных сил, .

138