Файл: Хрупкие разрушения сварных конструкций..pdf

И наоборот, хрупкое разрушение, происходящее обычно при средних (номинальных) напряжениях, меньших предела текуче­ сти, характеризуется изломом кристаллического типа (во мно­ гих случаях смешанного типа) и сопровождается относительно небольшой общей деформацией, предшествовавшей разрушению. В мягкой стали при таком разрушении излом имеет шевронный рисунок в центральной зоне с малозаметными областями плас­ тического сдвига (иногда эти области отсутствуют вовсе) на кра­ ях. Участок излома, где разрушение затормозилось, обычно име­ ет серповидную (или «ногтевидную») границу, обращенную вы­ пуклостью в направлении распространения трещины. Эта грани­ ца, по-видимому, представляет собой область интенсивной пла­ стической деформации, связанной с процессами остановки раз­ рушения.

Примеры указанных видов разрушения показаны на рис. 1. Для высокопрочной стали морфология разрушения не так яс­ на главным образом вследствие ограниченного числа исследова­ ний. Пеллини и Пьюзак [11], а также Вессел и Хэйз [15] показа­ ли, что в этой стали можно наблюдать широкий набор видов из­

лома: от обычного вязкого излома до хрупкого излома, образую­ щегося при разрушении с низким уровнем поглощенной энергии. Первые два автора приводят данные недавних исследований Во­ енно-морской исследовательской лаборатории, показывающие, что разрушения при низком уровне энергии могут происходить за счет развития дефектов (несплошностей) или разрушения по границам зерен.

Обычно в месте возникновения разрушения имеет место ло­ кальная пластическая деформация (довольно часто заметная не­ вооруженным глазом) независимо от того, хрупкое или вязкое было разрушение. Это наблюдение привело Дракера и Майлонаса [16—18] к теории потери пластичности, объясняющей воз­ никновение хрупкого разрушения. В течение ряда лет классичес­ кой теорией считалась теория максимальных критических нап­ ряжений Менаже—Людвика, изложенная Орованом [19]. В бо­ лее поздние годы широким вниманием и признанием пользова­ лась так называемая видоизмененная энергетическая теория Гриффитса, предложенная Ирвином [20] и Орованом [21].

Для оценки склонности материалов к хрупкому разрушению известно более 50 видов или вариантов испытаний. Типичными примерами таких испытаний являются: испытание на ударную вязкость по Изоду, Шарли (образцы с Ѵ-образным или ключе­ видным надрезом), испытание по Шнадту, испытание на стати­ ческий изгиб по Кинцелю, Ли, Ван-дер-Веену, взрывные пробы, испытание на возникновение трещины по Пеллини, испытание па­ дающим грузом, испытание на разрыв по Кану, испытание на растяжение надрезанного образца по Типперу и многие другие. Подробное описание многих из этих методов можно найти в ли­ тературе [1—6]. Некоторые из этих испытаний и их результаты

10

будут приведены ниже, чтобы показать связь между различны­ ми методами. Применение названных выше методов в большин­ стве случаев имело целью установить температурную зависи­ мость или температурную зону перехода от хрупкого разрушения к вязкому, подобно тому, как это показано на рис. 2; по оси абцисс отложена температура (или скорость деформации), а по оси ординат — поглощенная энергия, доля вязкой части излома или какая-либо другая величина, принимаемая как мера пласти­ ческой деформации. Для данного материала и вида испытания переход изображается кривой, подоонои показанной на рис. 2.

ми выше, мягкую сталь различных марок одного класса можно расположить в одной и той же последовательности по склонно­ сти к хрупкому разрушению. Однако значительные колебания переходной температуры в зависимости от метода испытания для стали одной и той же марки свидетельствуют о трудности кор­ реляции этих переходных температур с конкретными условиями эксплуатации. На основании исследований листовой и корабель­ ной стали в течение ряда лет казалось, что температура, соот­ ветствующая уровню работы разрушения 2,1 кгс-м при испыта­ ниях по Шарли с Ѵ-образным надрезом, дает хорошую корреля­ цию с условиями эксплуатации для конструкционной стали. Дальнейшие работы в последние 10 лет показали, что эта корре­ ляция в общем случае не является стабильной, особенно для ста­ ли новых марок, находящих все большее распространение, и по­ этому критерий определенного уровня работы разрушения без учета других факторов может вызвать большие затруднения, на что неоднократно указывали исследователи [11].

И

Глава 1

ИССЛЕДОВАНИЯ КРУПНЫХ ПЛАСТИН

ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Настоящая глава посвящена главным образом исследовани­ ям разрушений крупных пластин из основного металла. Хотя в ней для полноты картины рассматривается несколько случаев разрушений сварных пластин, исследования, в которых изуча­ лось влияние сварки, подробно будут обсуждены в последующих главах.

При изучении хрупкого разрушения обычно рассматривают раздельно три фазы: возникновение разрушения (трещины), его развитие и остановку. Однако эти фазы тесно связаны друг с другом, и поэтому в данной главе мы не будем пытаться в каж­ дом случае классифицировать исследования в связи с указанны­ ми фазами разрушения, а будем рассматривать отдельные ра­ боты в целом, по возможности в хронологическом порядке. Та­ кой способ анализа дает основу для дальнейшего развития ис­ следований крупных пластин и позволит получить всестороннее представление о проделанной работе.

Из-за большего размера образцов, а также больших мате­ риальных затрат и затрат времени таких исследований прове­ дено немного и имеющиеся данные ограничены. С появлением новых испытательных машин большой мощности: 4000 тс в Анг­

увидим результаты испытания материалов с более высокой проч­ ностью и большей толщины.

ИССЛЕДОВАНИЯ КРУПНЫХ ПЛАСТИН В ИЛЛИНОЙССКОМ И КАЛИФОРНИЙСКОМ

УНИВЕРСИТЕТАХ

Во время второй мировой войны проблема разрушения судов в США привела к широким исследованиям чрезвычайно круп­ ных пластин. В различных лабораториях США было поставлено много исследований для выяснения вероятных причин хрупких

13

разрушении, происшедших на многих сварных судах. Результа­ ты этих исследований были опубликованы в докладах Общества научных исследований и разработок (OSRD) и Комитета кора­ бельных конструкций (SSC) в статьях, помещенных в журнале

«Welding Journal» и в других изданиях.

Исследования Уильсона, Гехтмана и Брукнера [5, 6] из Иллинойсского университета и Будберга, Дэвиса, Паркера, Троксела и О’Брайена [7, 8] из Калифорнийского университета были пос­ вящены изучению хрупкого разрушения в пластинах шириной W = 76 -т- 2750 мм и были проведены по методу Института Тэй­ лора (David Taylor Model Basin) на образцах малого размера,

Рис. I. Форма и размеры концентратора напряжений в широких пласти­ нах [6]: / — пропил ювелирной пилкой; 2 — пропил ножовкрн; 12,7 мм— ширина щели

описанному в следующем разделе. В этих испытаниях опреде­ лялись предел прочности и пластичность пластин при разных температурах, величина поглощенной энергии, вид разрушения, распределение деформаций на поверхности пластин и уменьше­ ние сечения (поперечное сужение) вблизи места разрушения.

В Иллинойсском университете были испытаны пластины но­ минальной толщиной t = 19 мм и шириной W = 305, 610, 1220 и 1830 мм при одноосном растяжении и различных температурах с поперечным концентратором напряжений с весьма острыми пропилами по концам (рис. 1). Общая длина надреза составля­ ла 0,25 W. Была изучена сталь следующих марок: кипящая сталь

On — 46 кгс/мм2) и после нормализации DN(0,19% С, 0,54% Мп,

ст» = 49 кгс/мм2) .

Образцы с W = 1830 и 1220 мм испытывали на машине с уси­ лием 1360 тс, а образцы с W = 610 и 305 мм — на менее мощных

14