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

тации конструкции испытывают действие ударных нагрузок (узлы ковочных молотов, несущие узлы подвижного состава, землеройные машины), испы­ тания, лабораторных образцов проводят при удар­ ном (или статическом) инициировании хрупких трещин.

Конструируя лабораторные образцы (соотноше­ ние, размеров поперечного сечения, уровень кон­ центрации), необходимо учитывать геометрические формы деталей машин и элементов конструкции. Применительно к тонкостенным конструкциям (ре­ зервуары, трубопроводы, элементы строительных конструкций) образцы имеют сравнительно неболь­ шую толщину, отнесенную к ширине поперечного сечения (0,2—0,1 и менее). Для оценки критических температур толстостенных элементов конструкций (корпуса ядерных и химических реакторов, стани­ ны, цилиндры и колонны технологических прессов) используют образцы с отношением толщины к ши­ рине сечения 0,3—0,4 и более.

Переход от критических температур для лабора­ торных образцов к критическим температурам для элементов конструкций требует предварительного определения смещений критических температур. Экспериментально трудно оценить смещения приме­ нительно к данной марке стали, конструктивным формам деталей и условиям нагружения. В первом приближении можно считать, что влияние основ­ ных факторов на смещение критических темпера­ тур является независимым. Обширные лаборатор­ ные исследования хрупкого разрушения позволяют

нологическими и эксплуатационными. Ниже по дан­

150

скнх температур от концентрации напряжений, на­ прягаемых объемов, характера и условии нагру­ жения, деформационного старения, остаточных напряжений от сварки.

Рис. 37. Приращение критических температур для малоугле­

ределяемые по 50% -ной доле вязкого излома от всей поверхности излома, существенно увеличива­ ются с повышением концентрации напряжений. На

концентрации напряжений ао- для ударного изгиба,

( « о - = 1 ) к образцам с повышенной концентрацией

6* 151

критической температуры, что, по-видимому, свя­ зано с образованием зоны устойчивости пластиче­

увеличении ао оказывается примерно одинаковым. Абсолютные значения Д/к р , при ударном нагружении больше (на 40—60°С), чем при статическом. Увеличение вторых критических температур с повы­ шением ас т при статическом нагружении оказы­ вается большим, чем увеличение первых.

Коэффициентам концентрации напряжений, на­ чиная с которых дальнейшее приращение первых критических температур становится небольшим (не более 10—15°С), соответствуют радиусы кривизны в вершине надреза порядка 0,2—0,4 мм и менее при поперечном сечении образцов 100—400 мм2 и более. Результаты испытаний как малых стандарт­ ных образцов, так и крупногабаритных (толщиной до 20 мм и шириной до 600 мм) показывают, что у образцов с указанными радиусами закругления в вершине надреза и с предельно острыми надрезами типа усталостных трещин первые критические тем­ пературы примерно одинаковы. В связи с этим при экспериментальном определении верхних значений первых критических температур достаточно сделать радиусы закругления в надрезанных лабораторных образцах не более 0,2 мм. Для определения вторых критических температур необходимо использовать образцы с меньшими радиусами закругления в вершине надреза или образцы с трещинами. Вопрос выбора радиуса закругления в вершине надреза

152

более подробно рассмотрен в §2 гл. 2 (см. рис. 23). Критические температуры существенно повы­ шаются с увеличением напрягаемых объемов. Эф­ фект абсолютных размеров, как показано в § 2

гл. 1, может рассматриваться иа основе энергетиче­ ских и силовых критериев хрупкого разрушения. На критические температуры хрупкости наиболее сильно влияет увеличение толщины поперечного сечения. На рис. 38 представлена зависимость сме­ щений первых и вторых критических температур от толщины Н образцов из малоуглеродистых и низ­ колегированных сталей при растяжении. Испыты­ вали образцы, ширина сечения которых в 4—5 раз и более превышала их толщину. Кривые 1 характе-

153

ризуют увеличение первых и вторых критических температур с увеличением толщины сечения ста­ тически растягиваемых образцов. Важным являет­ ся то обстоятельство, что вторые критические температуры повышаются с увеличением Я в боль­ шей степени, чем первые. Это указывает на боль­ шую опасность возникновения хрупких разрушений у толстостенных крупногабаритных элементов кон­ струкций. Зависимость AtKp от Я при толщинах до 200—300 мм существенно отличается от линей­ ной. Увеличение разницы между приращениями вторых и первых критических температур с увели­ чением толщины сечений показывает, что темпера­ турная область квазихрупких состояний при этом уменьшается.

Изменение вторых критических температур при увеличении толщины образцов, нагруженных ста­ тической растягивающей силой, может быть оха­ рактеризовано по данным о критических значениях коэффициентов интенсивности напряжений Kic-

и ат от температуры испытаний. Приращение вто­ рых критических (кривая 2) температур при тол­ щинах до 100 мм по критерию (1.119) оказывается меньше (до 20°С), чем по экспериментальным дан­ ным при статическом растяжении (кривая / ) .

Кривая 3 на рис. 38 относится к случаю испы­ таний с инициированием трещин по методам Робертсона и Иошикн (см. § 1 гл. 2). Влияние тол­ щины на вторую критическую температуру про­ является меньше, чем при статическом нагружении. Однако при разрушениях с предварительным удар­ ным или статическим инициированием трещин аб­ солютные значения вторых критических температур оказываются существенно выше, чем при стати-

154

ческом растяжении образцов с трещинами. В со­ ответствии с этим характеристики условий образования (статическое растяжение) и развития (предварительное инициирование) трещин, как указывалось выше, должны определяться путем проведения специальных экспериментов.

Рис. 39. Влияние толщины образцов и но­ минальных напряжений на критическую температуру при ударном инициировании трещин

При ударном инициировании трещин критиче­ ские температуры существенно зависят от уровня растягивающих напряжений о . Увеличение тол­ щины Н образцов и номинальных растягивающих напряжений ак приводит к увеличению критиче­ ских температур. На рис. 39 показано влияние ак и И на приращение критических температур, полу­ ченных при неизотермических испытаниях по Робертсону, для низкоуглеродистой низколегирован­ ной стали.

Изменение ширины В сравнительно тонких

155

ния первой критической температуры от шириш

Рис. 40. Повышение первых критических температур

сувеличением ширины сечппя растягиваемых об­

разцов:

/ — малоуглеродистые стали-. 2 — низколегированные стали

20—30 раз первые критические температуры повы­ шаются только на Ю—20° С, в то время как при таком же увеличении толщины образцов они по­ вышаются на 70—80° С. Изменение ширины сече­ ния в большей степени влияет иа b.t,.p в низкоугле­ родистых, чем в низколегированных сталях.

Для толстостенных элементов машин и конст­ рукций с отношением толщины к ширине 0,4—0,5 и более важное значение имеет то обстоятельство, что с увеличением относительной толщины сопро­ тивление хрупкому разрушению уменьшается. В связи с этим для правильной интерпретации эф­ фекта абсолютных размеров испытывают геометри­ чески подобные образцы. Первые и вторые крити­ ческие температуры при этом можно характеризо­ вать в зависимости от площади F поперечного, се-

156

чения образцов. На рис. 41 показаны смещения критических температур для статически растяги­ ваемых и изгибаемых образцов из низкоуглероди- г ; стых и низколегированных сталей. Приращения '"вторых критических температур при растяжении

Fmmz

Рис. 41. Увеличение критических температур при увеличении

и изгибе больше, чем приращения первых критиче­

гает 20—40° С. Абсолютные значения приращений критических температур для низкоуглеродистых и низколегированных сталей с увеличением размеров поперечных сечений составляют 100—180° С.

Как известно, сопротивление хрупкому разру­ шению может существенно снизиться под дейст­ вием остаточных напряжений, пластических дефор­ маций и дефектов, возникающих при сварке. На рис. 42 представлена зависимость смещений первых критических температур от толщины образцов, из-

157

готовленных из низкоуглеродистых сталей. Значе­ ния А^р, у сварных (электродуговая сварка) об­ разцов выше, чем у несварных. При этом разница в смещениях критических температур увеличи­ вается по мере повышения толщины образцов, что

AtK„ °С

+

X

80

60

40

20

\ 6 7 8 9 Ш 20 Ими

Рис. 42. Приращение первых критических темпратур у

имеет известное значение при оценке критических температур крупногабаритных сварных конструк­ ций. Испытания с инициированием трещин ударом

показывают, что вторые критические температуры для металла швов больше, чем для основного ме­ талла, примерно на 20° С.

Наличие высоких растягивающих напряжений, пластических деформаций и дефектов в зонах сварных швов является причиной значительного уменьшения интервала температур (между первой

158

и второй критической температурами), при которых происходят квазихрупкие разрушения. При стати­ ческом растяжении плоских сварных образцов из малоуглеродистых и низколегированных хладно­ ломких сталей (толщина 20—25 мм) этот интервал уменьшается на 20—40° С.

Увеличение размеров дефектов типа непроваров в зонах сварных швов приводит к дополнительному повышению вторых критических температур. Оно обусловлено концентрацией термопластических де­ формаций и деформационным старением в процессе сварки в вершинах дефектов. Увеличение площади непровара, отнесенной к площади сечения плоского

дистых и низколегированных сталей существенно влияют на условия образования квазихрупких и хрупких состояний. Пластические деформации в элементах машин и конструкций возникают при их изготовлеонии, монтаже и эксплуатации в различ­ ных температурных условиях. При статическом растяжении влияние деформационного старения на первые критические температуры незначительно. Они повышаются не более, чем на 5—10° С. Однако вторые критические температуры при этом значи­ тельно увеличиваются. На рис. 43 показано смеще­ ние вторых критических температур в зависимости

159