Файл: Хрупкие разрушения сварных конструкций..pdf

6, K iC /nn1

262

Глава 8

КОРРЕЛЯЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИИ РАЗЛИЧНЫМИ МЕТОДАМИ

О Б Щ И Е З А М Е Ч А Н И Я

Исследование сопротивления материалов или конструктивных элементов хрупкому разрушению преследует несколько целей: установить общие закономерности, сопоставить различные мате­ риалы и технологические методы и получить исходные данные для оценки эксплуатационных характеристик конструкции с точ­ ки зрения опасности хрупкого разрушения. Понятно, что корре­ ляция результатов испытаний различными методами играет важ­ ную роль при проектировании конструкции, гарантированной от хрупкого разрушения. Поэтому в последние годы исследованию вопроса корреляции уделяется большое внимание, и значитель­ ная часть материала, помещенного в предыдущих главах, прямо или косвенно была связана с этим вопросом.

Как следует из предыдущих глав, переходную температуру стали можно установить различными способами. Например, при испытании на ударную вязкость по Шарпи переходную темпера­ туру можно определять по величине работы разрушения, по де­ формации (утяжке сечения) в зоне надреза и по виду излома. Как следует ожидать, а на практике так и происходит вследст­ вие различных методов испытания и критериев определения для одного и того же материала могут быть получены различные зна­ чения переходной температуры.

В широком смысле методы оценки склонности стали к хруп­ кому разрушению можно разделить на методы, в которых ис­ пользуются образцы небольшого размера (применяемые, как правило, в промышленности), и методы, рассчитанные на испы­ тание крупных образцов (применяемые при исследованиях в ла­ бораторных условиях). Испытания небольших образцов приме­ няются в промышленности ввиду их экономичности, так как не требуют значительного количества материала, больших затрат времени для испытания и сложных методов испытаний. Испыта­ ния крупных образцов, естественно, более дороги, но к ним часто прибегают при необходимости более надежной оценки работо­ способности реальной конструкции, а также для установления

264

корреляции между результатами испытаний крупных и малых об­ разцов. Таким образом, не существует какого-то одного вида ис­ пытания, с помощью которого можно было бы установить пере­ ходную температуру для целой конструкции, так как она зави­ сит от целого ряда факторов: технологии сварки, особенностей конструкции и др. Требуется большой инженерный опыт, чтобы оценить запас вязкости проектируемой конструкции, предназна­ ченной для работы в широком диапазоне температур.

В предыдущих главах основное внимание было уделено ис­ пытаниям относительно крупных образцов, которые возможны главным образом в лабораторных условиях и обычно неприем­ лемы в заводской практике. В настоящей главе будут рассмот­ рены методика и результаты испытаний небольших образцов, а также корреляция между данными испытаний образцов различ­ ного размера.

Одним из наиболее крупных исследований структуры и свойств металла, критерия Шарли и эксплуатационных характе­ ристик корабельной стали различных марок является работа? Уильямса [3] (см. введение) с сотрудниками. Образцы были взя­ ты от более чем 100 разрушившихся корпусов кораблей. Исследо-. вания показали, что разрушение, как правило, начиналось от ме­ ханического или металлургического концентратора напряжений, возникающего в результате сварки или какого-то случайного по­ вреждения. Большое число разрушений возникало в элементах, которые обычно не считались несущими, а затем развивалось, проходя сварное соединение, в основную часть корпуса. Наибо­ лее интересным в этом исследовании было то, что значения удар­ ной вязкости, определенной на образцах с Ѵ-образным надрезом по Шарпи, коррелировали со значениями ударной вязкости раз­ рушенных элементов (т. е. пластин, в которых началось разру­ шение, через которые оно проходило и в которых оно закончи­ лось). Переходная температура (при уровне ударной вязкости 2,1 кгс-м) материала пластин, в которых начиналось разруше­

чиналось разрушение, более высокая переходная температура была связана с отклонениями от химического состава стали и за­ данного размера зерна. В большинстве случаев источником хруп­ кого разрушения являлись усталостные трещины.

В настоящее время опубликовано много работ, посвященных корреляции между результатами испытаний различными мето­ дами; многие из них цитируются в настоящей главе. Примером такого исследования является опубликованная в 1960 г. работа Джонсона и Стоута [4], в которой оцениваются испытания на

265 '

ударную вязкость стали для сварных конструкций. Авторы пред­ положили, что установление корреляции облегчится, если рас­ сматривать отдельно «температуру вязкого перехода» и «темпе­ ратуру хрупкого перехода». Температурой вязкого перехода они называли наименьшую температуру, при которой образцы с над­ резом разрушались без заметной пластической деформации, а температурой хрупкого перехода — наименьшую температуру, при которой доля хрупкой части излома превосходила вязкую. Температура вязкого перехода, как правило, была равна или ни­ же температуры хрупкого перехода. Кроме того, авторы заме­ тили, что температура вязкого перехода должна лучше коррели­ ровать с эксплуатационными характеристиками стали; позднее Пеллини и Пыозак [5] подтвердили этот вывод на основании ре­ зультатов испытаний падающим грузом и определения соответ­ ствующих значений переходной температуры. Джонсон и Стоут проанализировали почти все общепринятые методы определения ударной вязкости и установили ряд закономерностей корреля­ ции результатов испытаний. С точки зрения влияния химичес­ кого состава на ударную вязкость корреляция, как правило, бы­ ла очень хорошей с качественной стороны, однако количественно результаты испытаний различными методами согласовать было довольно трудно.

Вероятно, самое обширное исследование корреляции данных, полученных при различных испытаниях, было предпринято япон­ скими исследователями; значительная часть настоящей главы посвящена изложению результатов этой работы. Большой инте­ рес к вопросу корреляции и важность его обусловлены, в частно­ сти, тем, что на ее основе можно оценивать широкий ассорти­ мент стали: от малоуглеродистой до высокопрочной конструкци­ онной стали. Представленные ниже исследования содержат дан­ ные, имеющие большое практическое значение; в них также показаны возможные методы установления корреляции и их оценка.

И С П Ы Т А Н И Я М А Л Ы Х ( С Т А Н Д А Р Т Н Ы Х ) О Б Р А З Ц О В

При испытаниях малых образцов перед началом хрупкого разрушения, как правило, происходит общая текучесть (или, по крайней мере, заметная пластическая деформация). В этом за­ ключается отличие этих испытаний от разрушения конструкций в условиях эксплуатации или лабораторных испытаний более крупных образцов, когда хрупкое разрушение может возникнуть при низком уровне внешних напряжений до начала общей теку­ чести. Ниже приводится описание наиболее распространенных методов испытания малых образцов и некоторые результаты та­ ких испытаний.

266

И сп ы тан и я на у д а р н у ю в я зк ость по Ш ар л и

Образцы для испытаний на ударную вязкость по Шарли по­ казаны на рис. 1. Их обычно вырезают из стального листа вдоль направления прокатки, а надрез наносят так, чтобы его ось была перпендикулярна к плоскости прокатки. Наиболее распростра­ ненным в настоящее время является испытание на ударную вяз­ кость по Шарли на образце с Ѵ-образным надрезом, (рис. 1, а ).

Иногда для исследования закономерностей возникновения хруп­ кого разрушения применяют образцы другого типа с менее ост­ рым надрезом (например, как на рис. 1,6).

При исследованиях закономерностей развития хрупкого раз­ рушения целесообразно применять образцы с выдавленным над­ резом (рис. 1,6), о чем уже было сказано в гл. 1 и 2. Ньюхауз и Вундт [6] предложили недавно образец, в котором вершина над­ реза охрупчивалась путем азотирования, цементации или окис­ ления. Канадзава [7] предложил такой же образец, но с надре­ зом, изготовленным выдавливанием (рис. 1,е). Широко приме­ няют при ударных испытаниях также образец, предложенный Шнадтом [8] (рис. \,ж).

В заводской практике чаще всего используют образец с V- образным надрезом по Шарли. Этот образец принят не только для оценки стали, применяемой при изготовлении сварных кон­ струкций, как установлено Международным институтом сварки, но и унифицирован для конструкционной корабельной стали раз­ личных марок семью судостроительными компаниями.

При этих условиях величины ударной вязкости, полученные стандартным методом на образцах с Ѵ-образным надрезом по

267