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

кипящей плавки и у полуспокойных; стали спокойной плавки, не обработанные термически после проката, также имеют некоторую склонность к хрупкому разрушению до развития пластической де­ формации, особенно при больших толщинах проката. Во избежание проявления хрупкости, низколегированные судокорпусные стали при толщине проката более 12 мм рекомендуется обрабатывать тер-

Рис. 88. Хрупкое разрушение палуб базы «Спасск».

1 — верхняя палуба; 2 — верхний носовой твиндек; «? —2-я па­ луба; 4—3-я палуба; 5 — твиндеки; 6 —трюмы; 7, 8,10— трещи­ ны; 9 — грузовой люк.

мически путем закалки или нормализации с последующим высоким отпуском. Такая термическая обработка улучшает структуру сталей и вместе с высокой прочностью обеспечивает необходимую способ­ ность деформироваться пластически при самых неблагоприятных

стойкости против хрупкого разрушения термообработанной низко­ легированной судокорпусной стали.

В предпусковой период постройка крупнотоннажного танкера «Р. Зорге» из стали марки 10ХСНД (СХЛ-4) завершалась сварочными работами во время морозов до —33° С. Из-за сварочных и темпе­

120

ратурных напряжений в обшивке носовой части корпуса, в листе толщиной 14 мм, возникла трещина, распространение которой, однако, ограничилось длиной менее 1 м. Это повреждение было ис­ правлено подваркой при продолжающемся морозе. Повторно тре­ щина не возникала, что свидетельствовало о достаточно высокой пластичности стали в сложившихся неблагоприятных условиях по­

ренные элементы жесткости смялись от потери устойчивости в пласти­ ческой области и отделились от обшивки вследствие разрушения сварных соединений (рис. 89). Разрушения наблюдались лишь в зоне действия на корпус больших давлений. Поверхность излома ока­ залась волокнистой, свидетельствуя о высокой пластичности стали в условиях несомненно сложного и жесткого напряженного состоя­ ния. Большая пластическая деформация, предшествовавшая разру­ шению листа обшивки и элементов жесткости, являлась признаком надежности конструкции, поскольку соответствовала результату весьма жесткой технологической пробы. Ввиду ограниченного рас­ пространения рассмотренных повреждений их исправление не вы­ звало затруднений.

§ 33

Анализ и обобщение причин хрупких разрушений

Предельные состояния материалов, в том числе состояние, для которого характерно хрупкое разрушение, изучаются по-разному, в соответствии с принятой моделью материала. Напри-

121

Мер, в сопротивлении материалов рассматривается сплошная одно­ родная среда, что ограничивает теоретический анализ предельных состояний и обобщение их критериев. Некоторые исследователи находят больше возможностей объяснения предельных состояний, учитывая статистическую неоднородность конструкционных материа­ лов либо руководствуясь линейной механикой хрупкого разрушения. Упомянутые теоретические разработки иногда недостаточны для уверенного применения экспериментальных характеристик, полу­ ченных на образцах, к инженерным решениям, предупреждающим предельные состояния деталей. В таких случаях оказываются полез­ ными непосредственные данные о сопротивлении повреждению и разрушению материала натурных узлов конструкций или моделей. Однако натурные испытания не всегда возможны. Поэтому решения на аналитической основе при неизбежных произвольных допуще­ ниях имеют важнейшее значение.

Проанализируем предпосылки ранее рассмотренных хрупких разрушений стальных конструкций согласно представлениям, осно­ ванным на положениях, принятых в сопротивлении материалов, т. е. исходя из сплошной и однородной среды. При отсутствии види­ мой макропластической деформации, тщательное исследование пока­ зывает, что в зонах излома имелись микропластические деформации, развитие которых предшествовало хрупкому разрушению.

Процесс хрупкого разрушения можно представить следующим образом. Микропластические деформации, достигающие предельного значения, вызывают неглубокие заостренные надрывы. Надрывы располагаются перпендикулярно растягивающим напряжениям. Из-за остроты краев надрыва возбуждается местное объемное растя­

7

единицы. Если для стали у 1 становится больше YOTp> т0 сопротивле-

Т

ние распространению излома оказывается меньше сопротивления возникновению первичного микропластического надрыва. Изложен­ ные соображения позволяют принять следующую схему работы стали в составе конструкции при хрупком разрушении без заметного при­ знака предшествующей пластической деформации:

1. В зоне будущего начала излома возбуждается наибольшее растягивающее напряжение. При гладкой поверхности и плавных контурах Y] незначительно отличается от единицы, однако вблизи

7

концентраторов, поверхностных повреждений, трещин технологи­ ческого и эксплуатационного происхождения Yi может существенно

7

превышать единицу.

2. Перенапряжение, вызываемое предельной нагрузкой, возбу­ ждает местную пластическую деформацию и приводит к образованию первичного неглубокого надрыва.

122

3. В связи с заостренными краями образующегося надрыва и усилением объемности растяжения параметр жесткости напряжен­ ного состояния Yj сильно возрастает по сравнению с исходным зна-

7

чением.

4. Если новое, возросшее значение Yi становится больше

7

реологической характеристики у 0тР > то сопротивление разрушению резко падает по сравнению с сопротивлением первичному надрыву и наступает хрупкий излом со значительно большей скоростью рас­ пространения его, чем скорость образования первичного надрыва. Кроме того, из-за сопутствующего увеличения стт значение уотр ==

Потр

=—-— существенно снижается, что приводит к мгновенному рас­

пространению хрупкой трещины.

Предпосылки хрупкого разрушения оказываются более сложными, если учитывать неизбежную структурную неоднородность конструк­ ционной стали, а также имеющиеся в ней дефекты. Например, по на­ блюдениям Н. П. Щапова [73], деформация на поверхности образцов крайне неравномерна и напряжение первого рода, рассчитанное для сплошной и однородной среды, представляет собой достоверно со­ противление лишь большим пластическим деформациям, поскольку развитие этих деформаций способствует выравниванию напряжений. С приближением характера разрушения к хрупкому, по мнению Н. П. Щапова, напряжения первого рода оказываются полезными только для формального расчета прочности. Отставание деформации в одних микрообъемах и усиление ее в других объемах наблюдал П. О. Пашков [56]. По его данным, такая неравномерность стано­ вится заметнее с возрастанием пластической деформации.

По представлениям С. И. Губкина [22], неоднородность и лока­ лизация деформации в отдельных местах рассматриваемого объема являются основными особенностями пластической деформации. Раз­ витие пластической деформации происходит в условиях неравно­ весного состояния, и потенциальная энергия, накапливаемая в де­ формированном объеме, стремится к минимуму, что, по соображениям С. И. Губкина, вызывает появление дополнительных напряжений. Эти напряжения являются результатом возбуждения внутренних сил и не зависят от внешней нагрузки. Они могут охватывать как большие, так и малые части деформированного объема.

Неоднородность деформации можно иногда отчетливо наблюдать при растяжении гладких образцов из литой стали [8]. О неоднород­ ности еще на ранней стадии пластического растяжения свидетель­ ствует возникновение небольших поперечных надрывов. Вблизи над­ рывов даже невооруженным глазом видна сосредоточенная значи­ тельная пластическая деформация. Явная неоднородность этой де­ формации дает основание полагать, что одни объемы или зерна де­ формируются интенсивнее других. Более подвижные из них обтекают менее подвижные, причем связь между структурными составляющими сохраняется, за исключением мест разрывов. Следовательно, прини­

123

маемому в расчете равномерному и линейному напряженному состоя­ нию всего объема растягиваемого образца сопутствует неравномер­ ное и объемное микронапряженное состояние. Другими словами, наряду с напряжениями первого рода для сплошной однородной среды можно рассматривать напряжения второго рода отдельных микрообъемов. С увеличением деформации отдельные частицы, в результате исчерпания пластичности, разрушаются, обнажая

родностью деформирования, рассматривать объемное напряженное состояние микрообластей и соответствующие главные напряжения

Т

деформацией, имеют место меньшие значения у г, чем в областях,

~ 4

где материал остается упругим. Одновременно надо рассматривать поле значений реологической характеристики материала уотр. При образовании пластических надрывов, поблизости от них возбу­ ждаются напряжения с еще более выраженной объемностью и повы­ шенными значениями у, . Кроме того, с развитием деформации ма-

Т

териала происходит изменение сопротивления отрыву и предела те­ кучести, вследствие чего изменяется поле уотр. Микрообласти, где

124

у j достигает значения реологической характеристики уотр> оказы-

~4

ваются неблагоприятными, поскольку, в случае перенапряжения, в этих областях образуются хрупкие трещины. Если для материала свойственно преобладание микрообъемов с высокими значениями у0тр, то трещины останавливаются и оказываются нераспространяющимися. Если же в материале для значительной части микрообъемов величина уотр меньше Yj, то происходит быстрое распространение

Т

хрупких трещин, приводящее к излому.

Изложенные соображения качественно представляют собой про­ цесс первоначальной пластической деформации избирательного' ха­ рактера, приводящей сначала к образованию пластических заострен­ ных надрывов, а затем к хрупким трещинам, не распространяю­ щимся — в лучшем случае и распространяющимся — в худшем случае.

Рассмотренные выше этапы деформирования перед хрупким раз­ рушением образца применимы к материалу, работающему на растя­ жение в составе напряженной конструкции. Что же касается напря­ жений второго рода, то методы аналитического расчета таких напря­ жений не разработаны. Отсутствует также возможность эксперимен­ тального определения значений сгт и стотр для микрообъемов и по­

лей 7 о т р - Следовательно, сопротивление хрупкому разрушению конструк­

ций целесообразно устанавливать на инженерно-практической основе, считая среду сплошной и однородной и используя эксперименталь­ ные характеристики материала.

Обобщая примеры хрупкого разрушения, можно заметить ряд одинаковых причин, обусловливающих хрупкость стали. Этими при­ чинами оказываются:

1)плоское растяжение, возбуждаемое в листовых элементах; объемное местное растяжение, сопутствующее концентрации напря­ жений от конструктивных или технологических факторов;

2)остаточные объемные растягивающие сварочные и другие напряжения;

3)не обнаруженные ине исправленные своевременно пороки в виде трещин, надрывов, поверхностных повреждений;

4)ударные внешние воздействия;

5)проявление хладноломкости, обусловленное понижением тем­ пературы и действием плоского или объемного растяжения;

6)масштабный эффект, поскольку хрупкость стали более всего проявляется на крупных деталях.

Эти причины хрупкости проявляются сильнее или слабее в за­ висимости от качества стали, обусловленного ее составом и техноло­ гической подготовкой. Наиболее склонны к переходу в хрупкое состояние стали кипящей и полуспокойной плавки, а также толсто­ стенный прокат и массивные поковки, не обработанные термически. Практически стальные детали хрупко разрушаются при совокупном действии рассмотренных причин. Одни из этих причин приводят

125