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

к повышению параметра жесткости напряженного состояния Yj .

Т

Другие причины вызывают снижение реологической характеристики

стали уотр.

В некоторых случаях проявление хрупкости стали при длитель­ ном действии растягивающих напряжений обусловлено агрессивным действием внешней среды. При этом хрупкое разрушение, называе­ мое коррозионным растрескиванием, происходит по площадкам дей­ ствия растягивающих напряжений. Углеродистые стали растрески­ ваются под действием таких агрессивных сред, как водные растворы щелочей, азотнокислых солей, синильной кислоты, а также в присут­ ствии сероводорода [18], [34]. Коррозионное растрескивание от длительно приложенных растягивающих напряжений наблюдается на изделиях из латуни, испытывающих действие влажной среды, содержащей аммиак. В частности, коррозионное растрескивание от остаточных растягивающих напряжений, возбуждаемых после за­ варки дефектов, происходит на гребных винтах из латуни, содержа­

Предельные состояния напряженных конструк­ ций предупреждаются соответствующими расчетами прочности. По общеизвестной схеме расчета прежде всего надо задаваться наиболь­ шей эксплуатационной нагрузкой. Далее необходимо найти состав­ ляющие главного вектора и главного момента внутренних сил в опас­ ном сечении и рассчитать наибольшие напряжения. Располагая экспериментальным значением предельного напряжения, в заверше­ ние расчета можно найти коэффициент запаса прочности, разделив предельное напряжение на наибольшее расчетное напряжение в опас­ ном сечении. Коэффициент запаса прочности нормируется исходя из практических соображений и не всегда является достоверным. Такая схема расчета даст удовлетворительный результат, если пре­ дельное состояние будет определяться пластическим повреждением, когда в качестве экспериментальной характеристики прочности, т. е. предельного напряжения, можно будет рассматривать предел текучести материала. Но представленная схема не удовлетворяет идее расчета, предупреждающего хрупкое разрушение, прежде всего из-за того, что такое разрушение не объясняется внешней перегрузкой, во многом наступает из-за местных напряжений, кото­ рые невозможно определить при современном уровне теоретических знаний. К тому же еще не определились условия для нормирования экспериментальной характеристики хрупкой прочности. Поэтому в существующих инженерных решениях хрупкие разрушения сталь­ ных конструкций предупреждаются продуманным конструированием узлов и тщательно разработанной технологией, при которых исклю­ чаются чрезмерные местные напряжения объемного характера. Вместе с тем экспериментально контролируется способность стали

126

деформироваться пластически в неблагоприятных условиях объем­

производятся значительно легче других. Для упрощения опыта прибегают к усилению действия легковоспроизводимых причин хрупкости, оставляя в стороне трудновоспроизводимые причины. Например, при стандартных испытаниях образцов по ГОСТ 9454—60 материал подвергается местному объемному растяжению в области, непосредственно расположенной у надреза. Вследствие ударного воздействия и охлаждения развитие пластической деформации в над­ резанных образцах сдерживается и создаются особенно жесткие условия для проверки пластичности стали. Предполагается, что при подобном испытании в некоторой степени возмещается действие такой невоспроизводимой в лабораторных условиях причины хрупкости, как масштабный эффект. Ударная вязкость сталей, определяемая при испытаниях надрезанных образцов, нормируется техническими условиями. При проверке качества стали для жестко напряженных и крупных деталей, часто испытывают охлажденные до определенной температуры образцы. Температуру охлаждения практически под­ бирают так, чтобы образцы из неудовлетворительной стали раз­ рушались хрупко, а из удовлетворительной стали деформировались пластически.

Устранение хрупкого разрушения путем создания условий, при которых сталь в перенапряженном состоянии будет работать как пластичный материал, является важнейшей обязанностью инженера. Эта работа часто очень трудна, но разрешима при вдумчивом отно­ шении к проектированию стальных деталей и конструкций. При проектировании можно исходить из предельного пластического со­ стояния материала деталей. Для создания условий, при которых материал будет деформироваться пластически без хрупкого разру­ шения, стремятся к совершенным конструктивным формам деталей, способствующим уменьшению концентрации напряжений. Большое внимание уделяется поискам удовлетворительных типов соединений деталей. Наряду с этим выбирается сталь подходящей марки, удо­ влетворяющая техническим требованиям по характеристикам проч­ ности и пластичности. Исходя из значений прочностных характери­ стик стали, и в первую очередь предела текучести, путем расчета добиваются умеренной напряженности деталей под нагрузкой.

Для того чтобы фактическая предельная нагрузка построенной конструкции соответствовала расчетной, применяется только такая сталь, которая, согласно испытаниям, удовлетворяет требованиям, положенным в основу проектирования и расчета. Фактическая проч­ ность и пластичность стали проверяется при приемочных испыта­ ниях, которые выбираются применительно к условиям работы ма­ териала конструкции. В случае жестких условий работы, материал проверяется на ударную вязкость. При необходимости повысить эффективность испытаний образцы охлаждаются.

Ударная вязкость является сложной характеристикой, которая еще недостаточно изучена. Поэтому соответствующие нормативы

127

й температура испытаний должны назначаться с осторожность^ во избежание как излишней, так и недостаточной требовательности к пластичности материала. Испытание надрезанных образцов по ГОСТ 9454—60 не является единственным средством проверки пла­ стичности стали. Создавая жесткие условия деформирования, испы­ тывают образцы и других типов в целях получения характеристик, свидетельствующих о способности стали деформироваться пласти­ чески и дополняющих результаты испытания на осевое растяжение. Например, для исследования пластичности применяют образцы в форме пластинок или оболочек, испытывающие при деформирова­ нии плоское напряженное состояние. Эффективную проверку пла­ стичности обеспечивают образцы в виде плоской планки с боковым надрезом, испытываемые на загиб или на внецентренное растяжение при надрезе на растянутой стороне (последним образцам будет уде­

лено внимание в дальнейшем).

Однако в конструкциях иногда распространяются на большое расстояние хрупкие трещины, несмотря на положительные резуль­ таты стандартных испытаний надрезанных образцов. Например^, в корпусе крупнотоннажного рыбопромыслового судна сварной конструкции «Остров Русский» образовалась значительная трещина на завершающей стадии постройки. Для исследования свойств стали, из листа, поврежденного трещиной, была взята проба. Отсутствие кремния в химическом составе свидетельствовало о стали кипящей плавки. Механические характеристики, установленные испытанием на растяжение, удовлетворяли техническим требованиям. Значение ударной вязкости при охлаждении до —40° С, а также критическая температура статического излома образцов с .заостренным надрезом Ткр с также оказались удовлетворительными. Как видим, ком­ прометирующим признаком оказалось только применение стали ки­ пящей плавки. Рассмотренный аварийный случай показывает, что контролирование пластичности стали применительно к условиям ее работы в составе судового корпуса представляет сложную задачу. Пока этот вопрос не имеет основания считаться полностью изученным.

В последние годы расширилось применение металлических ма­ териалов с повышенной статической прочностью, например легиро­ ванных сталей, сплавов на основе титана, специальных бронз и ла­ туней. С целью их упрочнения нашли применение методы механико­ термической обработки [48]. Указанные материалы иногда оказы­ ваются чувствительнее традиционных материалов к действию фак­ торов, отрицательно влияющих на пластичность. При контролиро­ вании пластичности высокопрочных металлических материалов ока­ зывается целесообразным испытывать образцы с заостренными

надрезами (см. ГОСТ 9454—60).

В настоящее время стало находить применение испытание до разрушения образцов с заранее выращенными трещинами, которое служит основанием для определения коэффициента вязкости раз­

рушения k lc.

В действующих металлоконструкциях перенапряженная сталь или другие конструкционные сплавы должны работать как пластич­

128

ный, а не как хрупкий материал. Это возможно только в том случае, если сохраняется первоначальное качество материала эксплуатируе­ мой конструкции и ее деталей. Поэтому необходимо предупреждать воздействия, приводящие к изменению свойств материала и к по­ верхностным повреждениям деталей. Прежде всего следует прояв­ лять осторожность при сборке и разборке, при ремонтных работах и транспортировке деталей, не допускать остаточных деформаций, вмятин, царапин и рисок. Нельзя также допускать хранения деталей навалом и на открытом воздухе, во избежание изменения их формы, поверхностных повреждений и коррозии. В случае же повреждений, видимых снаружи, необходимо их по возможности исправлять. Благодаря таким предупредительным мерам будет исключен наклеп материала деталей и появление остаточных напряжений, а также будут устранены причины дополнительной концентрации напряже­ ний. В результате этого будут сохраняться первоначальные пласти­ ческие свойства материала конструкций и деталей, что положительно скажется на их работе.

Г Л А В А V • ЦИКЛИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ И НАКОПЛЕНИЕ УСТАЛОСТНОГО ПОВРЕЖДЕНИЯ

§ 35

Изменение эксплуатационных напряжений. Стационарная и нестационарная циклическая напряженность.

Кривые усталости

При эксплуатации судна его корпус, судовое оборудование и машины подвергаются многократному действию по­ вторно-переменных сил. При перемещении судна относительно волн и под влиянием сил инерции, вызываемых качкой, основные связи корпуса испытывают переменный изгиб со сравнительно небольшой частотой (5"—10 цикл./мин). Значительно медленнее изменяются силы, появляющиеся в результате изменения расположения грузов по длине судна. Один цикл изменения таких сил может занимать боль­ шой промежуток времени. Переменные силы вызывают переменные напряжения.

Наряду с низкочастотными переменными напряжениями корпус судна может испытывать переменные напряжения более высоких частот, например при действии на корпус ударов волн. Удары при­ водят к колебаниям корпуса. Так, удары волн в районе носовой оконечности судна вызывают свободные колебания корпуса, среди которых основное место занимают колебания с частотой первого тона. Эта частота для судов небольшого водоизмещения равна 70—120 кол./мин, а для крупнотоннажных судов 40—60 кол./мин.