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

при толщине листа всего 5 мм; трещины возникали в результате из­ гиба до остаточного угла не более 45° при радиусе кривизны около четырехкратной толщины листа. Трещины иногда возникали в киле­ вых коробках, изготовляемых путем холодной гибки листов из низ­ колегированной стали толщиной 16, 20 и 28 мм (рис. 83). Угол изгиба достигал 70° при радиусе кривизны, равном двойной толщине листа. Листы изгибались подобно пластинам, испытывая на выпуклой стороне плоское растяжение. В некоторых случаях излом имел сме­

плоское растяжение, как пластины. Узкие же образцы испытывали осе­ вое растяжение (на выпуклой стороне). Устранение склонности стали к хрупкому разрушению было достигнуто благодаря совер­ шенствованию термической обработки ее. Таким образом удалось предотвратить образование трещин как при изгибе широких образ­ цов, так и при изготовлении килевых коробок.

Хрупкому разрушению способствует также разгибание кривых участков стальных деталей, так как при этом на растянутой вогнутой стороне, кроме продольных, действуют и поперечные растягивающие напряжения. Из практики известны случаи хрупкого разрушения перегруженных стальных крюков по опасному сечению т— п (рис. 84), несмотря на удовлетворительные механические характери­ стики гладких образцов из той же стали. На рисунке показано воз­ никновение поперечной растягивающей силы R и возбуждение пло­ ского растяжения на вогнутой стороне крюка.

Хрупкие разрушения наблюдались и при разгибании кривых труб. Так, в одном случае два лирообразных складчатых компенса­ тора, изготовленных из трубы с толщиной стенки 9 мм, имели мень­

1 14

шую длину между фланцами, чем полагалось по чертежу. Материалов компенсаторов служила мягкая углеродистая сталь 10, химический состав и механические свойства которой находились в норме. При сборке трубопровода между фланцами прямых участков и фланцами компенсаторов оказались чрезмерные зазоры. Сборщики, вопреки существующим правилам, пытались несколько увеличить длину компенсаторов путем пластического разгибания их без нагрева (рис. 85), в результате чего во впадинах волнистых складок компен­

саторов образовались трещины глубиной до 1,5 мм. Эти трещины свидетельство­ вали о жестком напряженном состоянии и о значительной упругой перегрузке на

Неблагоприятные условия создают опасность образования хруп­ ких трещин в крупных металлоконструкциях из листовой и профиль­ ной стали, обладающей недостаточным для таких условий запасом пластичности. Об этом свидетельствует, например, растрескивание обшивки корпуса крупного судна из толстолистовой стали. Корпус предполагалось построить из низколегированной свариваемой стали, поставленной без термообработки после проката. Качество сваривае­ мой стали проверялось по значениям механических характеристик гладких образцов, испытанных на растяжение, и узких полос — на загиб согласно требованиям, предъявляемым к стали для клепа­ ных конструкций. Вначале были сварены листы днищевой обшивки толщиной 28 мм при температуре наружного воздуха около 0° С. Вследствие усадки металла шва и последующего неравномерного остывания монолитной сварной конструкции примерно до темпе­ ратуры —10° С в сварных швах возникало объемное растяжение, а в самих листах — плоское растяжение. В некоторых местах сва­ ренных листов напряженное состояние оказалось настолько интен­ сивным и жестким, что перенапряженный материал не деформиро­ вался пластически, а оставался упругодеформированным. Наряду с этим охлаждение до температуры — 10° С приводило к повышению предела текучести стали. При таких условиях нормальные напряже­

По-видимому, термообработка заметно повысила ее хрупкую проч­ ность и изменила в благоприятную сторону соотношение между сопротивлением отрыву и пределом текучести, представляемое рео­

логической характеристикой уотр = . Об этом убедительно сви­

детельствовало прекращение растрескивания строящегося объекта после того как вместо стали, поставляемой непосредственно после проката, начали применять сталь, улучшенную термообработкой. В качестве нормативной величины, определяющей надлежащую способность стали деформироваться пластически, была взята ударная вязкость, имеющая значение не менее 5 кгс.м/см2 при охлаждении до —40° С.

Г. В. Ужик [65] приводит примеры хрупких разрушений сварных газгольдеров, резервуаров для хранения нефти и газопроводов. Разрушения наступали без предшествующей пластической деформа­ ции, вследствие образования трещин во время эксплуатации при по­ ниженных температурах. Эксплуатационные нагрузки не превышали нормы. При этом хрупкие разрушения объяснялись снижением пла­ стичности стали и повышением ее чувствительности к концентрации напряжений под влиянием холода, а также возбуждением дополни­ тельных температурных напряжений в связи с неравномерным охла­ ждением конструкций. Сравнительно со сталями спокойной плавки повышенную склонность к хрупкому разрушению проявляют стали кипящей плавки и даже полуспокойные. При благоприятных усло­ виях применение кипящих сталей оказывается выгодным, из-за облегчения их выплавки и вследствие меньшего отхода, поскольку при остывании слитка отрезаемая усадочная часть у них оказывается меньше, чем у спокойной стали. Существующими техническими усло­ виями и нормами кипящие стали не допускаются для использования на корпусах судов. Однако стали кипящей плавки проникают в судо­ строение, главным образом в зарубежных странах. В теплое время года и при отсутствии сильного волнения суда из сталей кипящей плавки оказываются достаточно надежными. Но в зимние месяцы при сильном волнении такие суда иногда ломались. Во время второй ми­ ровой войны в США было построено с применением углеродистой стали кипящей плавки 5000 цельносварных грузовых судов [29]. Пятая часть этих судов хрупко разрушилась в 1943—1946 гг. Корпуса более чем десяти судов внезапно раскололись надвое. Хрупкое раз­ рушение судов рассматриваемой серии наблюдалось иногда, каза­ лось бы, от незначительной причины. Так, однажды на судне, находившемся в порту, было обнаружено разрушение корпуса из-за действия напряжений, возникших при изменении суточной темпе­ ратуры от +20° С днем до +5° С ночью. По высказыванию Д. П. Ско­ кова, на одном из судов «Либерти» произошло хрупкое разрушение в районе ширстрека от удара ломом при очистке обледеневшей па­ лубы во время стоянки судна в порту. Один из случаев хрупкого раз­ рушения крупнотоннажного судна представлен на рис. 87.

В практике встретился случай массового образования хрупких трещин в большой партии такелажных скоб, изготовленных из ки­

117

смещение приводило к внецентренному растяжению отростка, а рас­ тяжение с перекосом при наличии надрезов, как указывалось в § 27, усиливает опасность хрупкого разрушения.

Весьма серьезные повреждения возникли при постройке больших рыбопромысловых судов на зарубежных верфях. От хрупкого раз­ рушения пострадали твиндечные палубы рыбоперерабатывающих баз «Рыбацкая слава» постройки Кильской верфи в ФРГ и «Спасск» — постройки японской верфи, а также рыбопромысловые суда «Остров Русский» и «Остров Шмидта» постройки шведской верфи. Рассмотрим подробнее повреждение, имевшее место на рыбопромысловой базе «Спасск» дедвейтом 10 000 т, которая строилась в Иокогаме на верфи фирмы «Мицубиси» при соблюдении Правил английского Ллойда Г11 ]. Разрушение произошло в завершающей стадии постройки, при пробном охлаждении твиндеков и трюмов потоками воздуха, посту­ павшего из холодильной установки. Проект разрабатывался зарубеж­ ными специалистами. Строительным материалом служила углероди­ стая сталь полуспокойной плавки. Согласно испытаниям гладких образцов, ат = 29ч-30 кгс/мм2, ав = 44-к49 кгс/мм2, б = 22н-29%.

База «Спасск» испытывалась на охлаждение в августе 1965 г. при температуре наружного воздуха +31° С. Холодный воздух с t = = —33° С поступал в твиндеки и трюмы в течение 45 ч, омывая по­ верхности второй и третьей твиндечных палуб, не защищенных тепло­ изоляцией. Согласно наблюдениям, температура палуб снижалась до—31° С. Температура ближайших поперечных и продольных пере­ борок, защищенных теплоизоляцией, была +25° С. Охлаждение твиндечных палуб, соединенных по контуру с жестким корпусом, явилось причиной перенапряжения палуб. При температуре пре­ дельного охлаждения спустя 4 ч произошло сильное сотрясение корпуса из-за мгновенного образования разветвленных трещин хрупкого разрушения 2-й палубы в верхнем носовом твиндеке, сваренной из листов толщиной 10 мм (рис. 88, а, б). Очаги трещин находились на некотором удалении от комингса грузового люка. Трещины распространялись к бортам, останавливаясь у границы охлаждения палубы, а также к люку, с разрывом комингса. Общая длина трещин составляла около 8 м при просвете до 12 мм. По исте­ чении последующих 3 ч образовалась еще одна трещина на 3-й па­ лубе, сваренной из листов толщиной 8 мм, в твиндеке 4-го трюма (см. рис. 88, а, в). Трещина возникла в 600 мм от комингса люка и распространилась к правому борту на расстояние до 5 м, с просветом 7—8 мм (рис. 88, в). В последнем случае комингс люка не был разо­ рван. Трещина появилась неожиданно, без признаков предшеству­ ющей пластической деформации. Поверхность излома имела зер­ нисто-кристаллическую макроструктуру блестящего вида с ха­ рактерным для хрупкого разрушения рисунком «ёлочки». Про­ исшедшая авария палуб вызвала большие дополнительные расходы в связи с переделкой конструкции и улучшением технологии.

Из предыдущего изложения можно заключить, что способность деформироваться пластически в неблагоприятных условиях холода, удара и концентрации напряжений наиболее ограниченна у сталей

119