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

Листов значительно превышали диаметры лабораторных шлифован­ ных образцов. Наряду с этим следует считаться и с действием в ши­ роких полосах меньших или больших внутренне уравновешенных сил, обусловливающих остаточные напряжения, например, после сосре­ доточенных нагревов и по другим причинам. Для остаточных напря­ жений характерна объемность. Не оказывая влияния на сопротив­ ление пластической деформации, растягивающие остаточные напря­ жения могут снижать сопротивление хрупкому разрушению. Следо-

вательно, в инженерных решениях по прочности целесообразно ру­ ководствоваться сопротивлениями хрупкому разрушению стали, ра­ ботающей в составе деталей со свойственными им большими разме­ рами и шероховатостью. Однако из-за большого рассеяния значений сопротивления хрупкому разрушению в зависимости от размеров образца и состояния его поверхности, нормирование такой характе­ ристики пока не представляется возможным.

Экспериментальные данные о сопротивлении некоторых листовых судостроительных сталей разрушению получены из испытаний на внецентренное растяжение образцов в виде сравнительно больших плит с надрезом на растянутой стороне (рис. 80, а). Образцы испыты­ вались при комнатной температуре и при охлаждении до глубокого холода. Действие внецентренной растягивающей силы можно пред­ ставить действием осевой силы, приложенной в середине надрезан­ ного сечения, и моментом в том же сечении, что рассмотрено автором в отдельной работе [7 ]. В случае упругой деформации номинальные нормальные напряжения, без учета их концентрации у основания надреза, распределяются линейно и расчет их общеизвестен. При

107

развитии пластической деформации напряжения перераспределяются и выравниваются. В другой работе [8 ] автор дает приближенный рас­ чет этих напряжений на основе схемы Прандтля. Интересно отме­

сечения в месте надреза, на которой действуют напряжения от осевой составляющей, найдем предельные напряжения, близкие к значе­ ниям предела текучести и временного сопротивления, полученным при растяжении гладких образцов.

Для примера рассмотрим напряжения внецентренного растяже­ ния от максимальной нагрузки для образцов из' стали 10ХСНД (СХЛ-4) при различных реологических состояниях, которые наблю­ дались при комнатной температуре и в условиях охлаждения. В со­ стоянии высокой пластичности предельное напряжение, соответ­ ствующее понятию временного сопротивления сгв, составляло 55 кгс/мм2 при комнатной температуре и 62 кгс/мм2 — при —20° С.

хрупкого разрушения, при температуре от — 160 до — 196° С в наи­ более напряженной точке по формуле упругого состояния номиналь­ ное напряжение сгв = 60 кгс/мм2. Последнее значение близко к ука­ занному выше временному сопротивлению в состоянии высокой пла­

стичности.

В публикации [61 ] излагаются соображения относительно неко­ торых признаков хрупкого и ограниченно пластичного состояний,

атакже о номинальных предельных напряжениях, соответствующих этим состояниям. Указывается, что при хрупком состоянии пласти­ ческая деформация охватывает небольшую область материала впе­ реди трещины — на расстоянии 0,4—0,5 мм, что дает основание руко­ водствоваться в этом случае законами линейной механики разруше­ ния. Согласно наблюдениям за конструкциями, номинальные разру­ шающие напряжения оказались ниже предела текучести на 30 50%. В случае состояния ограниченной пластичности пластическая деформация охватывает всю область будущего мгновенного излома,

аразрушающее напряжение по значению оказывается между преде­ лом текучести и временным сопротивлением конструкционной стали.

§ 32

Хрупкое разрушение стальных конструкций

Отличительным признаком хрупкого разруше­ ния служит мгновенное распространение трещины при номинальном напряжении детали, которое ниже предела текучести. В изломе обнаруживается характерная кристаллическая поверхность блестя­ щего вида. В случае хрупкого разрушения почти весь материал на­ пряженной детали находится в упругом состоянии; пластическая деформация оказывается возможной лишь вблизи концентраторов, где возбуждаются местные напряжения. В рассмотренных условиях напряжения по сечению детали распределяются соответственно

108

упругому состоянию, а деформационное упрочнение материала не проявляется. Поэтому предельные нагрузки при хрупком разруше­ нии оказываются сравнительно небольшими.

За последние годы внимание специалистов к хрупким разруше­ ниям конструкций усилилось в связи с тенденцией использования металлических материалов повышенной прочности. Эти материалы обладают высокой способностью деформироваться пластически в слу­ чае их надлежащей технологической подготовки. Например, низко­ легированные судокорпусные стали повышенной прочности для пре­ дупреждения склонности к хрупкому разрушению обрабатываются термически после проката. В состоянии после проката, за исключе­ нием тонкостенных листов и профилей, эти стали не получили при­ менения из-за недостаточной способности деформироваться пласти­ чески в неблагоприятных условиях.

Для материалов, обладающих пластичностью в условиях осевого растяжения, хрупкое разрушение наиболее хорошо изучено на кон­ струкционных сталях, к которым применима схема А. Ф. Иоффе [33]. Хрупкость этих сталей обычно обусловливается их хладноломко­ стью при работе в составе конструкций. Анализ и обобщение причин хрупких разрушений конструкционных сталей представляется весь­ ма важным для судостроителей, поскольку сталь служит преиму­

благоприятные для пластичности стали условия складываются при возрастании у г и снижении у , поскольку при этом может удо-

т

влетворяться условие хрупкого разрушения по формуле (18). Рассмотрим практические примеры хрупких изломов вследствие

высоких значений параметра у х вблизи трещин технологического

'4

или эксплуатационного происхождения, служащих причиной осо­ бенно больших местных напряжений объемного характера.

Однажды в начале постройки крупного корабля один из листов корпусной низколегированной стали, не проходивший термической обработки после проката, будучи застропленным и поднятым кра­ ном, мгновенно разломился на две части от изгиба, вызванного дей­ ствием собственного веса. Толщина этого листа составляла 28 мм, ширина 1,7 м и длина 7 м. Исследование показало, что механические свойства стали были в норме, за исключением пониженной ударной вязкости, что было обнаружено на надрезанных образцах (см. рис. 71, а), охлажденных до температуры —40° С. Хрупкое разру­ шение произошло по поперечному сечению от небольшой трещины, без заметной предшествующей пластической деформации, обнаружив характерный зернисто-кристаллический излом (рис. 81). След тре­ щины в изломе имел окисленную поверхность, из чего можно заклю­ чить, что она образовалась при изготовлении листа на металлурги­ ческом заводе. От первоначальной трещины хрупкий излом распро­ странился почти по всему поперечному сечению, за исключением

109

Развитие трещины может служить причиной крайне тяжелой аварийной ситуации, в которой, например, оказался корабль «Сокрушительный» [21 ]. На этом корабле в начале войны закончился специальный ремонт — подкрепление корпуса. Выполняя свое по­ следнее задание в Баренцевом море, корабль 20 ноября 1942 г. нахо­ дился в условиях действия ветра до 9—10 баллов и особенно силь­ ного волнения. При этом волны били в борт корабля. Кроме того, «Сокрушительный» испытывал действие снежных зарядов и холода. Командир стал изменять курс на ветер и сбавлять скорость хода. Это, однако, не помогло, в корпусе «Сокрушительного» от удара волн образовалась трещина на верхней палубе, в кормовой части. Через 3 мин кормовая часть отвалилась по шпангоуту, а еще через 10 мин затонула с шестью моряками, не успевшими ее покинуть.

Рассмотренная авария объясняется значительным влиянием ударов и холода на сопротивление пластическому деформированию стали, работающей в составе судового корпуса. В таких условиях предел текучести существенно повышается, что способствует пони­ жению реологической характеристики уотр. Описанное разрушение

времени был накоплен положительный опыт эксплуатации в морях кораблей той же серии при более благоприятных условиях темпе­ ратуры и волнения. При обстоятельствах же военного времени специалисты флота не располагали достаточной возможностью про­ анализировать надежность эксплуатации кораблей в зимних усло­ виях.

О пластичности, наряду с хрупкостью, одной и той же стали, но при разных напряженных состояниях убедительно свидетельствуют данные испытаний гладких образцов на осевое растяжение (у = 1) и на загиб широких полос (250 мм) с сохранение^ толщины листа l,13j . Исследуемыми материалами служили два листа

среднемарганцовистой стали в состоянии после проката без после­ дующей термообработки. Толщина листов составляла 46 и 42 мм. Для испытаний брались образцы поперек проката из головной, сред­ ней и нижней частей листа. На растяжение и на изгиб по оправке двойной толщины образцы испытывались при комнатной темпера­ туре, а на ударную вязкость — при комнатной и пониженной темпе­ ратурах. По экспериментальным данным установлены следующие значения механических характеристик.

Для стали из листа толщиной 46 мм ат= 39ч-43 кгс/мм2, ств = 63ч-70 кгс/мм2, бщ = 15ч-19%, ф = 56ч-58%. Предельный угол загиба составлял от 15 до 55°, макроструктура поверхности излома оказалась кристаллической, блестящего вида. Ударная вязкость

QK>o° _ б_л_9 кгс-м/см2, а~ю° — 1,0ч-1,8 кгс-м/см2.

Для стали из листа толщиной 42 мм сгт = 32ч-35 кгс/мм2, 0В= ^ 59ч-63 кгс/мм2, 610 = 18ч-20%, ф = 49 ч-54%, предельный угол загиба составлял от 10 до 25°, макроструктура излома — кристал­

11?

лическая. Представленные данные свидетельствуют о высокой спо­ собности стали деформироваться пластически при осевом растяжении и о высокой ударной вязкости при комнатной температуре. Но при загибе широких полос сталь даже при комнатной температуре не обнаружила пластичности, о чем свидетельствовал мгновенный из­ лом при небольшом остаточном угле загиба и зернисто-кристалли­ ческая поверхность излома.

Пример высокого сопротивления широкой стальной полосы осевому растяжению и низкого сопротивления изгибу из-за хруп­ кости приведен автором в публикации [8]. Полосы из стали марки Ст.4 шириной 450 мм, толщиной 16 мм работали при напряжении до 1700 кгс/см2 как подвески для подъема при сборке тяжелых металло­ конструкций. Полосы имели приваренные продольно-прерывистые ленты жесткости. Поверхность полос была неровной из-за царапин и вмятин. Однажды при переносе полос краном при температуре —3° С к месту очередной сборки случайно был допущен их изгиб в плоскости наименьшей жесткости под действием собственного веса. При большой ширине по сравнению с толщиной, полосы изгибались как пластины — по цилиндрической поверхности и на их выпуклой стороне возбуждалось плоское растяжение. В результате изгиба, полосы сломались хрупко, обнаружив зернисто-кристаллический излом. Излому, по-видимому, способствовали остаточные напряже­ ния и неблагоприятная структура стали вблизи приваренных лент жесткости. Однако в условиях осевого растяжения полосы выдержи­ вали без разрушения очень высокие напряжения, а при изгибе, из-за возбуждения плоского растяжения, оказались хрупкими. Рассмотренные данные имеют большое практическое значение, по­ скольку холодная гибка листов до заданной остаточной деформации является одним из видов пластической обработки корпусной стали. Холодной гибке листов иногда препятствует образование трещин. Обрабатываемые листы в отдельных случаях повреждаются трещи­ нами настолько, что изготовление изделий из них становится не­ возможным.

Возникающие вследствие гибки листов трещины, раскрываясь, обнажают поверхность. Осмотр поверхности такой раскрытой тре­ щины показывает, что лишь некоторая часть ее является волокни­ стой, а другая, иногда преимущественная, имеет кристаллический блестящий вид. Такой вид поверхности излома свидетельствует о недостаточной пластичности листовой стали после предшествующей обработки, если даже механические характеристики при осевом растя­ жении и химический состав ее находятся в норме.

Недостаточную вязкость при холодной гибке имеют судострои­ тельные стали, которые после проката подвергались несовершенной термообработке или совсем не обрабатывались термически. Повышен­ ная склонность к хрупким трещинам, вследствие отрицательного действия масштабного эффекта, характерна для толстолистовых сталей. Но образование трещин возможно и при гибке сравнительно тонких листов. Так, в заводской практике на листовой низколегиро­ ванной стали, не обработанной термически, наблюдались трещины