Файл: Хрупкие разрушения сварных конструкций..pdf

начинает развиваться, остаточные напряжения релексируют, и

ческую температуру Г,- возникновения трещины или температу­ ру Гр, при которой трещина не будет развиваться. Считается, что для обычных рабочих условий следует ориентироваться на температуру Г,-. Если же преследуется цель предупредить ката­ строфическое разрушение в результате непредвиденного случая (например, наличия исходного опасного дефекта), то следует ориентироваться на температуру Гр. Во всяком случае жела­

(технологического) надреза (дефекта) хрупкое разрушение при низком уровне напряжений не возникает. Однако трудно гаран­ тировать, что на протяжении всего срока службы в сварной конструкции не возникнет подобного «надреза». Если надрез существует, то вязкость около надреза понизится за счет теп­ лового и механического воздействия процесса сварки, и возмож­ ность повышения температуры Г,- увеличивается. В этом случае, если Ті неизвестна, то в целях безопасности следует устранить концентратор напряжений или каким-либо способом снять остаточные напряжения.

В небольших конструкциях напряжения можно снять посредством нагрева (термообработки), в крупных сосудах давления снятие напряжения часто легко осуществить механи­ ческим способом, путем приложения внутреннего давления выше расчетного при температуре выше Гр. Однако очень важно, что­ бы во время такой операции не было слишком высокой локаль­ ной концентрации напряжений; иными словами, в каждом отдельном случае необходимо проверить надежность механи­ ческого снятия напряжений, так как даже при достаточной прочности конструкции возможно дополнительное охрупчивание материала вследствие локальной пластической деформации при механическом снятии напряжений (в зонах конструктивных или технологических концентраторов), что впоследствии может оказаться опасным, например при некоторой эксплуатационной перегрузке конструкции.

84

По возможности следует определить температуры Г* и Тѵ путем испытаний крупных пластин из материала с той же «предысторией», что и материал штатной конструкции. Однако при оценке температуры Г,- надо учесть, что очень трудно сде­ лать в образце надрез, эквивалентный возможным концентра­ торам напряжений в реальной конструкции. Поэтому рекомен­ дуемый инженерный подход состоит в тщательности выбора материала, изготовления конструкции, учета условий работы и требуемой степени безопасности; это следует сделать на осно­ ве имеющихся данных крупномасштабных испытаний с макси­ мально жесткими условиями концентрации напряжений и, во всяком случае, с максимально высоким контролем качества, используя при этом данные корреляции между различными видами испытаний, как это описано в гл. 8.

В Л И Я Н И Е О С Т А Т О Ч Н Ы Х Н А П Р Я Ж Е Н И Й И К О Н Ц Е Н Т Р А Ц И И Н А П Р Я Ж Е Н И Й

Н А В О З Н И К Н О В Е Н И Е Х Р У П К О Г О Р А З Р У Ш Е Н И Я

Вообще говоря, в реальной металлической конструкции невозможно полностью устранить все технологические и кон­ структивные концентраторы напряжений. Возникающие при нагружении рабочие напряжения в зонах концентрации накла­ дываются на остаточные сварочные напряжения, причем те и другие напряжения могут суммироваться (как тензоры), если результирующее максимальное напряжение оказывается ниже предела текучести.

Распределение результирующих напряжений зависит от

с надрезами, сделанными после сварки.

Наблюдения [38—40] . показывают, что на практике боль-' шинство хрупких разрушений стальных конструкций возникает от сварочных дефектов, таких как подрез или непровар, или трещин малоцикловой усталости, возникающих вблизи кон­ структивных концентраторов напряжений (углы рамных кон­ струкций, пересечения ребер, переборок и т. д.). В большинстве:

85

7

этих случаев хрупкое разрушение возникает под действием поля

двум третям сечения приваренных полок, составило 8,35 кгс/мм2, т. е. всего 32% предела текучести.

'Недавно Акита и Яда [43] сумели инициировать хрупкое

разрушение в образцах двутаврового и таврового сечений (рис. 35). Полки приваривали к пластине угловыми швами, имевшими непровары. Хрупкое разрушение происходило при напряжении всего 30% предела текучести. Авторы предположи­ ли, что хрупкое разрушение явилось результатом совместного действия сварочных остаточных напряжений в продольном на­ правлении в зонах, где располагались дефекты (непровары).

■86

нялось в зависимости от ширины полки, как это видно из гра­ фика; это показывает, что распределение напряжений в зави­ симости от ширины полок влияло на возникновение хрупкого разрушения.

В 1948 г. Де Гармо [44] испытывал образцы, отличавшиеся тринадцатью конструктивными особенностями, выбранными по

• (зо о )

15 -

Рис. 35. Корреляция между шириной полки и напряже­ нием возникновения трещины [43] образцов из стали, раскисленной алюминием, закаленной и отпущенной (электрод с низководородистой обмазкой; температура испытания —43° С): 1 —трещины (цифры в скобках показывают длину трещины); 2 — образец не разрушил­

ся; 3 — непровар; ф — тип I, Д — тип Т

аналогии с особенностями угловых соединений корпусов судов «Либерти». Поскольку исследования имели целью сравнение влияния различной концентрации напряжений и установление прочности различных типов конструкций при комнатной тем­ пературе, все испытания проводились при 21° С. Тем не менее разрушение в некоторых образцах происходило при напряже­ ниях 70—80% предела текучести исследованных материалов.

87

В 1951 г. Кэмпбелл [45] с той же целью, что и Де Гармо, определял распределение упругих напряжений и деформаций при комнатной температуре и измерял работу разрушения при

—18° С на четырех сложных разрывных образцах. Каждый из образцов моделировал пересечение продольных и поперечных переборок корпусов танкеров. В одном образце среднее раз­ рушающее напряжение в продольном элементе вне области пересечения элементов было на 2,8 кгс/мм2 меньше предела те­ кучести данного материала. Разрушающее напряжение в трех других образцах было на 2,1—4,2 кгс/мм2 выше предела текучести.

В 1952 г. Кэмпбелл, Ирвин и Дункан [46] осуществили экспе­ римент с использованием образцов, моделировавших узлы пересечения продольной и поперечной переборок, в основном таких же, как в предыдущем исследовании. Испытания про­ водились при —18° С. Среднее разрушающее напряжение в про­ дольной переборке было меньше предела текучести материала (76% предела текучести при частичном разрушении и 62—92% при полном разрыве). Из этого вытекает, что остаточные напря­ жения, возникшие при сварке элементов жестких конструкций, а также поле напряжений у конструктивных концентраторов

ственный пример у Кеннеди) до 70% и более предела текучести в результате наложения полей сварочных остаточных напря­ жений и напряжений от внешней нагрузки в зонах конструктив­ ных концентраторов. Однако интересно отметить, что разру­ шающее напряжение в образцах с конструктивными концентра­ торами напряжений не было таким низким, как в рассмотрен­ ных выше образцах крупных пластин с надрезами, сделанными до сварки, или в образцах с повреждениями, созданными предварительной деформацией (гл. 5), в которых разрушающее напряжение было порядка 10% предела текучести.

Следующие работы, которые будут рассмотрены, показыва­ ют, что образцы сложной конструкции, даже без остаточных напряжений, могут быть использованы для получения разру- -шения при низких напряжениях. Возможность возникновения хрупкого разрушения от низких напряжений вследствие кон­ структивной концентрации напряжений была впервые проведена в работе японских исследователей Кихара, Иида и Нарита [41]. Они нашли, что хрупкое разрушение может возникать при сред­ нем напряжении, равном всего одной трети предела текучести, если пики напряжений от конструктивных концентраторов до­ статочно высоки (даже если отсутствуют сварочные остаточные

.напряжения).

■ 88