Файл: Хрупкие разрушения сварных конструкций..pdf

трудно инициировать хрупкую трещину. Поэтому можно ожи­ дать эффективного использования вставок — полос из указан­ ной стали в качестве стопперов хрупких трещин в пластинах из малоуглеродистой стали и сварных конструкциях.

1

М Е Т О Д Ы И С П Ы Т А Н И Й С И С П О Л Ь З О В А Н И Е М С Ж И М А Ю Щ И Х О С Т А Т О Ч Н Ы Х Н А П Р Я Ж Е Н И Й

В упоминавшихся ранее работах по развитию разрушения указывалось, что с уменьшением приложенного напряжения име­ ет место тенденция к уменьшению скорости распространения тре­ щины и что в поле сжимающих остаточных напряжений скорость распространения хрупкой трещины становится нестабильной и трещина часто останавливается.

И сп ы т а н и е п л а сти н с о ст аточ н ы м и н а п р я ж е н и я м и

Рольф, Холл и Ньюмарк [12] создавали поле сжимающих ос­ таточных напряжений в центральной части пластин шириной 610 мм путем заварки длинных прорезей, как это показано на рис. 18 гл. 1. Первоначально в поле высоких растягивающих на­ пряжений у кромки пластины скорость распространения трещи­ ны увеличивается, а затем уменьшается в поле сжимающих ос­ таточных напряжений; испытания с пластинами шириной 1830 мм дали те же результаты, как уже отмечалось в главах 1 и 2.

251

Кихара, Кусуда, Иида и др. [13J создавали поле сжимающих остаточных напряжений между двумя валиками, которые напла­ вляли на пластину параллельно друг другу. Распространение хрупкой трещины в после сжимающих напряжений также стано­ вилось нестабильным и трещина останавливалась.

И сп ы т ан и е о б р а з ц о в при д в у х о с н о м р а с т я ж е н и и

В работах по хрупкому, разрушению часто возникает вопрос о температуре остановки трещины в образцах, нагружаемых в двух направлениях, как это имеет место в сосудах давления. В классическом испытании по Робертсону образец нагружа­ ется в одном направлении; ве­ роятно, температура останов­ ки, определенная в этом ис­ пытании, должна измениться, если создается двухосное рас­ тяжение. Для исследования

этого вопроса большие крестообразные образцы [14] испытывали на специальной машине для двухосного растяжения мощностью 200 тс. В одном из углов креста наносили такой же надрез, как и в испытаниях по Робертсону, и охлаждали зону надреза жид­ ким воздухом, тогда как три других угла нагревали (рис. 10). При ударе по надрезу инициировалась хрупкая трещина, кото­ рая распространялась в образце до точки остановки, темпера­ туру которой определяли с помощью системы термопар. Не­ сколько испытаний, проведенных при различных нагрузках, по­ казали, что температура остановки трещины при двухосном

252

растяжении практически не отличается от температуры останов­ ки трещины при обычных испытаниях по Робертсону. Проведен­ ная работа подтвердила, что температуру остановки трещины применительно к сосудам давления можно определить при ис­ пытаниях по Робертсону.

Как указывалось в вышеприведенных главах, чабто возникает также вопрос о значении испытаний пластин, содержащих оста­ точные напряжения, без приложения внешней нагрузки. Для вы­ яснения этого вопроса были проведены две серии специальных испытаний [14]. В первой се­ рии (рис. И) в стыковом сварном соединении созда­ вали искусственный надрез, который охлаждали жид­ ким воздухом. Возникающие при этом термические на­ пряжения вместе с остаточ­ ными напряжениями в свар­ ном шве были достаточно высоки для инициирования хрупкой трещины, которая распространялась в обоих направлениях перпендику­ лярно сварному шву. Опре­ деление температур концов обеих трещин дало те же значения, что и при испыта­ нии по Робертсону.

Аналогичное испытание было проведено с образцом, в котором создавали высо­

кие двухосные остаточные напряжения (рис. 12). Образец пред­ ставлял собой кольцо с наружным диаметром 1,2 м, в которое вваривали диск диаметром 50 см, при этом в образце возникали весьма значительные (двухосные) остаточные напряжения. В сварном шве создавали искусственный сварочный дефект, ко­ торый охлаждали жидким воздухом. Происходило самопроиз­ вольное возникновение трещин, причем температуры обоих кон­ цов трещин при их остановке соответствовали температуре ос­ тановки трещины при испытании по Робертсону.

Влияние распределения внешних напряжений на условия ос­ тановки трещины исследовали на машине мощностью 600 тс стремя автономными нагружающими устройствами, каждое с уси­ лием до 200 тс. Были проведены испытания по Робертсону, при­ чем две внешние зоны образца подвергали растяжению при на-'' пряжении 15,5 кгс/мм2, а средняя зона оставалась ненагружен­ ной. Хрупкая трещина останавливалась в средней ненагружен­ ной зоне. Такой же результат получали, если в напряженном со-.

253

•стоянии находились две смежные зоны, а крайняя оставалась не­ нагруженной. Эти результаты свидетельствуют о том, что для распространения хрупкого разрушения необходимо наличие поля „растягивающих напряжений.

Хрупкое разрушение может распространяться и на области, -в которых имелись сжимающие остаточные напряжения, как было доказано в ранее цитированных данных по испытаниям Иллинойсского университета, а также в испытаниях сварных дисков,

т. е. в зону сжимающих остаточных напряжений. Из результа­ тов этих испытаний был сделан вывод, что остаточные напряже­ ния, несомненно, влияют на инициирование и развитие хрупкого разрушения.

' На рис. 13 показаны разрушенные крестообразные образцы. Вообще в этих образцах хрупкое разрушение развивается по диагонали, а вязкое разрушение — поперек одного из четырех выступов креста. Испытанный образец В4 (внизу справа на рис. 13) предварительно нагревали в центре кислородно-ацетилено­ вой горелкой. Хрупкое разрушение, которое инциировалось в уг­ лах креста, останавливалось в предварительно нагретой зоне, в которой после охлаждения создавались растягивающие оста­ точные напряжения. Полученные результаты свидетельствуют о том, что хотя остаточные напряжения влияют на развитие хруп­ кого разрушения, но их роль не является главной во всех слу­ чаях.

В целом данные испытаний при двухосном напряженном со­ стоянии показывают, насколько сложной может быть оценка кар­ тины разрушения в различных образцах. При этом необходимо

'254

рассматривать как внешние нагрузки, так и системы внутренних (остаточных) напряжений, кинетику их изменения во время раз­ рушения, геометрию образца и одновременно свойства мате­ риала.

ИСПЫТАНИЯ КЛЕПАНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Клепаные соединения издавна считались эффективным сред-“ ством остановки трещин, и их применяли в судостроении, напри­ мер, для соединения трюмных перегородок с бортами и днищем.^

Рис. 14. Внешний вид разрушенных образцов с приклепанными наклад­ ками [11]: а — опыт 1; 6 — опыт 2; в — опыт 3; г — опыт 3

Были проведены многочисленные исследования эффективно­ сти клепаного соединения при остановке распространяющейся хрупкой трещины. Мосборг [11] проводил испытания образцов шириной 1830 мм с применением клепаных вставок для останов­ ки трещины. Останавливающая трещину пластина шириной 406 мм, толщиной 19 мм была приклепана к одной стороне ос­ новной пластины с четырьмя вертикальными рядами заклепок диаметром 25 мм. В опыте 1 трещина была инциирована из над­ реза, расположенного на одной линии с горизонтальным рядом заклепок. При напряжении 18,8 кгс/мм2 и температуре — 25° С трещина распространялась в основной пластине до заклепочного отверстия в первом вертикальном ряду заклепок, как показано на рис. 14, а. В опыте 2 трещина инициировалась из надреза, рас­ положенного на средней линии между двумя горизонтальными рядами заклепок. В этом случае при том же напряжении и не-

255 '

сколько пониженной температуре трещина распространялась между двумя горизонтальными рядами заклепок и отклонялась немного вверх к отверстию в третьем вертикальном ряду, как по­ казано на рис. 14,6. В опыте 3 надрез был расположен немного выше горизонтального ряда заклепок, так что создавалась наи­ лучшая возможность для непрерывного распространения трещи­ ны. В этом опыте при том же напряжении и примерно той же температуре хрупкая трещина распространялась приблизительно

к

Рнс. 15. Схема остановки трешнны при двух отверстиях [14]: а —геометрия; б — зависимость К от длины трещины

посередине между двумя горизонтальными рядами заклепок, при­ чем приклепанная накладка была разрушена от кромки до вто­ рого вертикального ряда заклепок, как показано на рис. 14, в и г.

Канадзава, Машида и Матоба [17] рассмотрели роль заклепоч­ ных отверстий, которые влияют на распределение напряжений и коэффициент интенсивности напряжений вдоль траектории рас­ пространения трещины посередине между двумя отверстиями. Для модели пластины с двумя отверстиями изменение коэффи­ циента интенсивности напряжений К показано на рис. 15. При испытаниях на двойное растяжение найдено, что трещина рас­ пространяется через весь образец, когда минимальная величина К (расчетная) больше, чем величина К\с для данного материала, определенная экспериментально; наоборот, трещина останавли­ вается, когда минимальное значение К меньше, чем /Сю-

256