Файл: Быков В.А. Пластичность, прочность и разрушение металлических судостроительных материалов.pdf

рациям, требующим больших пластических деформаций. В других случаях хрупкие разрушения появляются без заметной пластиче­ ской деформации и, следовательно, при напряжениях, меньших предела текучести. Такие разрушения происходят, например, при параллельном воздействии сварочных или других остаточных напря­ жений. Хрупкие разрушения могут происходить и из-за снижения пластичности стали после технологических операций, которые сопровождаются местным нагревом до высоких температур и возник-

чувствительнее, чем углеродистые, применяемые после проката стали. Из публикаций результатов исследований можно заключить, что местные нагревы незначительно влияют на такие характеристики сопротивления стали пластическим деформациям, как предел теку­ чести и временное сопротивление, определяемые при растяжении гладких образцов. Однако испытания, с помощью которых опреде­ ляется переход от пластического состояния к хрупкому, в частности испытания надрезанных образцов с применением холода, выявляют хрупкость в стали, которая предварительно испытала влияние

местного нагрева*.

§ 2

Эксплуатационные повреждения

Эксплуатируемые конструкции испытывают действие нагрузок, которые переменны и нестационарны во времени. Эксплуатационные нагрузки случайны и аналитически могут пред­

* К а н ф о р С. С. Судокорпусная сталь Л ., Судпромгиз, 1960.

10

ставляться вероятностным распределением. Из этого распределения выделяются неизбежные для условий эксплуатации кратковременные перегрузки, которые могут вызывать местные пластические дефор­ мации, а также местные напряжения, равные пределу текучести, при умеренной общей напряженности. К перегрузкам оказываются чувствительными места конструкций с дефектами оформления или изготовления. Например, на многих транспортных судах после 3 лет «притирочного» периода эксплуатации осмотром были обна­ ружены повреждения корпуса. Повреждения представляли собой трещины, берущие начало от дефектов.

В условиях эксплуатации не уделяется особого внимания зарож­ дению трещин и темпам их распространения. Согласно имеющемуся ограниченному опыту, эти трещины могут оказаться нераспространяющимися или же распространяющимися настолько медленно, что повреждение поддается своевременному исправлению. Образование трещин объясняется малоцикловой усталостью, которая является результатом повторения местных пластических деформаций. Для малоцикловой усталости характерно постепенное распространение трещины по мере возрастания числа циклов. Малоцикловая уста­ лость может вызвать хрупкость стали, в результате чего появившаяся трещина сразу же будет распространяться на заметное расстояние. Таким образом, пока не находится убедительных признаков для категорического утверждения малоцикловой усталости как един­ ственной причины хрупкого разрушения корпусов судов в эксплуа­ тационных условиях. Возможно, что такое разрушение происходит из-за случайных, особенно неблагоприятных условий эксплуатации, независимо от усталостного повреждения. Другой причиной эксплуа­ тационного хрупкого разрушения может служить недостаточная эффективность лабораторного контроля, вследствие чего не обнару­ живаются необходимые признаки сравнительной оценки сталей. Отсутствие таких признаков затрудняет отделять стали удовлетво­ рительной пластичности и прочности и пригодные для практических целей от сталей непригодных.

Сталь, недостаточно проверенная на способность к пластической деформации, в случае ее использования может обнаруживать склон­ ность к хрупкости при технологических и других воздействиях, пред­ шествующих эксплуатации металлоконструкции. Хрупкие разру­ шения, возникающие при постройке металлоконструкций, служат своевременным предупреждением о возможности образования тре­ щин от перегрузки при неблагоприятных условиях эксплуатации. Однако на практике, в процессе постройки, иногда не обращают внимания на образование трещин, исправляют повреждения и создают кажущееся благополучие. Построенная таким образом металло­ конструкция может эксплуатироваться в благоприятных условиях. Но при изменении условий эксплуатации в худшую сторону хрупкое разрушение становится возможным со всеми вытекающими из этого тяжелыми последствиями.

Характерными в этом отношении оказались разрушения при эксплуатации судов типа «Либерти» американской постройки. Для

11

указанных транспортных судов была применена углеродистая сталь, оправдавшая себя ранее на судах клепаной постройки, но не иссле­ дованная на пригодность ее в сварном судостроении. В процессе по­ стройки корпусов обнаруживались хрупкие трещины от техноло­ гических воздействий. Однако эти сигналы, свидетельствующие о не­ обходимости применять для постройки сварных судов более пластич­ ную сталь, чем для клепаных, остались без внимания. Согласно публикациям [3], [29], [35], [65], многие из этих судов при экс­ плуатации получили значительные повреждения из-за образования хрупких трещин, а некоторые переломились и затонули.

Аварии сварных судов типа «Либерти» привлекали внимание технических кругов. Тщательно обследовались разрушения корпусов с целью установления мест возникновения трещин, направления их распространения, вида излома. Вместе с тем выяснились неблаго­ приятные условия эксплуатации, способствующие авариям. Согласно анализу накопленных по этим судам данных, аварии произошли отчасти из-за конструктивно-технологических дефектов, вызвавших чрезмерную концентрацию и объемность напряжений. Концентра­ торами оказались нескругленные углы люков, неподкрепленные вырезы, обрывы связей, необнаруженные трещины. Из-за монолит­ ности сварных конструкций распространение хрупких трещин не ограничивалось одним листом. Другой причиной аварий оказалось применение для постройки судов корпусной стали кипящей плавки. О пониженном качестве такой стали свидетельствует ее хладнолом­ кость в неблагоприятных условиях.

Хрупкое разрушение судов типа «Либерти» наблюдалось иногда, казалось бы, от незначительной причины. Так, однажды на судне, находящемся в порту, произошло разрушение корпуса из-за дей­ ствия напряжений, возбуждаемых изменением суточной температуры от 20° С днем до 5° С ночью. На одном из судов произошло хрупкое разрушение корпуса в районе ширстрека от удара ломом при очистке обледеневшей палубы во время стоянки судна в порту зимой.

Хрупкие разрушения в условиях холода характерны для сталь­ ных конструкций, поскольку некоторые стали хладноломки вслед­ ствие двойственной природы прочности.

В странах умеренного климата случаи хрупких разрушений резко учащаются в неожиданные суровые зимы. В публикациях [65], [68] рассмотрены аварийные случаи хрупких разрушений стальных мостов, больших резервуаров для газов и нефти, маги­ стральных трубчатых газопроводов. Согласно опыту эксплуатации транспортных и дорожных машин, а также горного оборудования серийного производства, эти машины и оборудование оказываются неприспособленными для работы в условиях Крайнего Севера. От­ казы становятся бедствием, несмотря на надежность того же обору­ дования при эксплуатации в обжитых районах с относительно

умеренным климатом.

Следовательно, практика эксплуатации стальных конструкций и механического оборудования, накопленная в благоприятных усло­ виях, не применима к менее благоприятным условиям. Рассмотрен­

12

ные эксплуатационные хрупкие разрушения произошли неожиданно, без предупредительных признаков пластической деформации. Раз­ рушение предопределялось действием местных напряжений в зоне концентраторов. Возбуждаемые напряжения распределялись в соот­ ветствии с упругим состоянием, и сопротивление разрушению ока­ залось сравнительно низким. Но если бы под действием перегрузки развивалась пластическая деформация, тогда реализовались бы огромные резервы сопротивления конструкции деформированию и разрушению. Эти резервы возникли бы, во-первых, за счет более выгодного перераспределения напряжений, а во-вторых, вследствие упрочнения материала в зонах развития пластической деформации.

Из изложенного следует, что важнейшей задачей специалиста является тщательная разработка конструктивных форм, их опти­ мизация и обоснованный выбор материала, при которых конструк­ ция в случае перегрузки не разрушалась бы хрупко, а деформиро­ валась бы пластически.

Разрушение от усталости при макроскопически упругом состоя­ нии под действием местных напряжений, близких к пределу теку­ чести, происходит после нескольких тысяч нагружений. Примером может служить разрушение транспортных реактивных самолетов «Комета» английской постройки. Самолеты разрушались в 1954 г. при полетах на авиалинии Англия—Австралия. При авариях по­ гибло много пассажиров и членов экипажа. Обследование условий аварий и натурные эксперименты показали, что разрушению само­ летов предшествовало образование трещин усталости в нескругленных углах прямоугольных световых люков.

В отличие от самолетов, большинство конструкций и машинного оборудования предназначается для значительно большего эксплуа­ тационного ресурса. В этих случаях число нагружений практически можно считать неограниченным. Но вследствие повторно-переменного действия напряжений возникает угроза разрушения от усталости. Для предупреждения такого разрушения необходимо эксплуатиро­ вать детали под напряжениями значительно ниже предела текучести. Для деталей эксплуатируемого машинного оборудования неограни­ ченно повторяющиеся переменные напряжения возникают, например, вследствие изменения давления в цилиндрах двигателей, компрес­ соров, при вращении изогнутых валов и осей, а в технологическом оборудовании — под влиянием усилий, возбуждаемых при обра­ ботке заготовок. Иногда повторно-переменные напряжения имеют динамическое происхождение. Например, динамические напряжения возникают при ударах корпуса о встречные волны, о льдины, из-за неплотности соединений деталей работающих машин. Каждый удар возбуждает затухающие свободные колебания и соответствующие повторно-переменные напряжения.

Динамические нагрузки, действующие периодически, в частности давление воды на корпус судна в районе гребных винтов, инерцион­ ные силы при вращении неуравновешенных элементов, вызывают вынужденные колебания (вибрацию). При неблагоприятных частотах возмущающих сил амплитуды напряжений, вызываемых вибрацией,

13