Файл: Хрупкие разрушения сварных конструкций..pdf

мающими остаточными напряжениями. Поверхность разрушения ближе к дальнему краю пластины (в зоне с остаточными растя­ гивающими напряжениями) была гладкой, тогда как у края, где начиналось разрушение, поверхность излома была грубой. Такое различие не неожиданно, так как является следствием перерас­ пределения напряжений, сопровождающего разрушение.

На основании этих испытаний, а также испытаний пластин с продольным сварным швом и центральным надрезом становится ясно, что вид излома, по крайней мере отчасти, является функци­ ей уровня напряжений во время разрушения.

В общем случае у стали исследованных марок разрушения, происходящие при низком уровне приложенного напряжения и малом запасе упругой энергии, характеризуются более гладкой поверхностью излома; при увеличении разрушающих напряже­ ний и упругой энергии излом становится более грубым. Темпе­ ратура, безусловно, также играет значительную роль в характе­ ре возникающего излома.

Дополнительное объяснение описанных выше результатов, в частности только что рассмотренных исследований широких пла­ стин с остаточными напряжениями, было дано с помощью ли­ нейного анализа механики разрушения. Эти исследования пред­ ставляют особый интерес, так как здесь имели место сравнитель­ но низкая скорость распространения трещины и другие призна­ ки, показывающие что, трещины в пластинах были бпизки к рав­ новесному состоянию (остановке разрушения). Эфтис и Краффт [53] по данным испытаний пластин с остаточными напряжения­ ми и некоторых дополнительных опытов на образцах из матери­ ала этих пластин подсчитали коэффициент к интенсивности на­ пряжений для трещины и пытались связать полученные резуль­ таты испытаний пластин, приняв экспоненциальную форму закона упрочнения для материала пластин со скоростью нагружения и скоростью распространения трещины. Холл и др. [54] выполнили подобные расчеты несколько позже и дали также расчет для сварных надрезанных пластин по испытаниям на остановку тре­ щин (см. гл. 2). Наиболее удачная и полная интерпретация упо­ мянутых расчетов дана, по-видимому, в работе Ирвина и Уэллса [55], которые рассмотрели связь между различными методами расчета и толщиной пластин и показали, что в общем случае ско­ рость распространения трещины, степень шероховатости поверх­ ности излома и величина коэффициента к интенсивности напря­ жений изменяются качественно одинаково.

Во всех приведенных испытаниях применялся метод иниции­ рования разрушения с помощью надреза и удара клином. На последней стадии описываемой программы было проведено не­ сколько исследований на образцах пластин с центральным над­ резом и сварных пластин из той же полуспокойной стали, кото­ рая использовалась для широких пластин. Целью этих испыта­ ний было изучение характеристик развития разрушения (скоро­

36

сти и поля напряжений) в образцах, в которых разрушение ини­ циировалось статическим, а не динамическим методом. Образцы показаны на рис. 20. Все испытания проводились при — 40° С, так как предварительно было показано, что эта температура яв­ ляется достаточной для инициирования разрушения.

В семи испытанных образцах типа А с продольным Х-образ- ным сварным швом разрушение всегда начиналось при среднем напряжении 6,4—8,3 кгс/мм2.

Заваренная

прорезь

Рис. 20. Типы образцов и геометрия надреза [30]: А — сплошной сварной шов в 2 прохода с каждой стороны; В —сварной шов с разрывом; С — без сварки; D — образец с заваренными прорезями; Е ■*- образец с надрезом

На сварных образцах типа В с перерывом длиной 76 мм в продольном шве в зоне надреза разрушение происходило как при низких, так и при высоких напряжениях, а в нескольких случаях наблюдалось разрушение в две стадии. Во всех этих случаях бла­ годаря наличию перерывов в сварном шве температура вблизи надреза во время сварки не превышала 93° С. Оказалось, что по­ ле остаточных напряжений вблизи надреза было таким же, что и в образцах типа А. Разрушение при низких напряжениях и раз­ рушение в две стадии наблюдалось у образцов типа В во всех случаях, кроме двух. В одном из этих двух образцов, разрушив-

37

шихся при высоком напряжении, перерыв в сварном шве был длиннее 76 мм; другой образец имел менее острый (прямоуголь­ ный) надрез.

В образцах типа D на расстоянии 127 мм выше и ниже над­ реза были прорезаны два поперечных паза, заварка которых соз­ давала очень высокие растягивающие напряжения в вершинах надреза, несмотря на то, что температура в зоне надреза при сварке оставалась низкой и циклические термические напряже­ ния практически не возникали. Такие образцы разрушались при низких напряжениях.

Образец типа С состоял из двух сложенных половин пласти­ ны (без сварки), каждая из которых имела Ѵ-образный надрез; образец типа Е представлял собой простую пластину с Ѵ-образ- ным надрезом в центре.

В пластинах этих двух типов влияние сварки (вызывающей остаточные напряжения, термическое влияние и циклические тер­ мические напряжения в зоне надреза) отсутствовало. Эти пла­ стины разрушались при высоких напряжениях после значитель­ ной пластической деформации.

Изучение результатов этих ограниченных по объему испыта­ ний привело к заключению, что поле растягивающих остаточных напряжений само по себе недостаточно для возникновения хруп­ кого разрушения при низком уровне напряжений. По-видимому, для образцов данного типа значительную роль играют также, как будет показано более детально в гл. 2, геометрия надреза, исходное поле остаточных напряжений и изменение свойств ма­ териала вблизи сварных швов.

Скорости разрушения, зафиксированные в этих испытаниях, составляли от 1500 м/с в центральной части образцов, где растя­ гивающие остаточные напряжения были высоки, до 550 м/с в дру­ гих участках пластин. Динамические измерения проводились на образцах пластин типа А, разрушившихся при низком уровне напряжений (5,6—8,4 кгс/мм2). Уменьшение скорости разруше­ ния по мере распространения трещины в область с остаточными сжимающими напряжениями было таким же, как и при разру­ шении пластин шириной 1830 мм; типичные результаты динами­ ческих измерений показаны на рис. 18. Интересным результа­ том является то, что в этих испытаниях высокие скорости раз­ рушения порядка 1500 м/с были зафиксированы на расстоянии всего 38 мм от источника возникновения разрушения.

Данные о высокой скорости распространения трещины вбли­ зи источника разрушения были впервые получены в этом иссле­ довании.

Кривые напряжений, построенные по показаниям датчиков, были аналогичны полученным при испытаниях простых и пред­ варительно напряженных пластин с инициированием разруше­ ния методом клина и надреза.

38

ИСПЫТАНИЯ, ПРОВЕДЕННЫЕ В ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОМ ЦЕНТРЕ

МОРСКИХ КОНСТРУКЦИЙ

Исследования развития разрушения в широких пластинах, проводившиеся Робертсоном [31] и Карджиллом [32] с сотрудни­ ками в исследовательском центре морских конструкций (NCRE) в Шотландии, подтвердили результаты, полученные в Иллинойсском университете, и дали дополнительную информацию. Ро­ бертсон продемонстрировал фотоснимки картин пластического течения около трещин на образцах, покрытых специальной син­ тетической смолой. Можно было видеть, что зона пластической

Рис. 21. Изменение напряжении во времени при разрушении пластины тол­ щиной 19 мм при номинальном напряжении 15,7 кгс/мм2 и температуре —16° С [31]. Стрелкой показан момент входа пули в пластину (центр отверстия)

деформации имеет ширину, примерно равную толщине пластины (деформация на этом расстоянии от кромки излома составляла 2%), причем размер зоны пластической деформации меняется по мере развития разрушения. По этим данным, в зоне разрушения происходит гораздо большая пластическая деформация, чем это обычно наблюдалось во всех других исследованиях; по-видимо­ му, это связано, по крайней мере частично, с соотношением гео­ метрических размеров пластин и жесткостью испытательной ус­ тановки. Робертсон сделал вывод, что стационарные условия для распространения трещины создаются после того, как она прой­ дет некоторое расстояние в пластине. В работе приводятся также некоторые результаты измерений напряжений (рис. 21), полу­ ченные в процессе развития разрушения по показаниям датчи­ ков, расположенных очень близко к кромке изломов. Пики нап­ ряжений следовали за трещиной со скоростью около 1750 м/с,

39

что согласуется с результатами наблюдения за фронтом зоны пластической деформации путем скоростной киносъемки, однако продвижение пика пластической зоны, фиксируемое по прохож­ дению «провала» деформации перед пиком вдоль контрольного участка, где расположены датчики, происходило со скоростью 4300 м/с. Такой характер продвижения зоны пластической де­ формации наблюдался во многих испытаниях, проведенных в Иллинойсском университете, но скорости не были такими боль­ шими, как при испытаниях в NCRE. Система образец — машина в .NCRE была значительно жестче, чем в Иллинойсском универ­ ситете; если провал перед пиком деформации (напряжения) свя­ зан с релаксацией, то не вполне ясно, почему релаксация напря­ жений в иллинойсских испытаниях не была еще больше, чем при испытаниях в NCRE с более жесткой системой. Вполне возмож­ но, что имели место также какие-то другие явления, связанные, в частности, с различной геометрией надрезов.

Карджилл [32] опубликовал более поздние результаты испы­ таний пластин шириной 1830 мм на 1200-тс машине. Разрушение начиналось от надреза, сделанного ювелирной пилкой, который проходил церез центр отверстия диаметром 4,75 мм, просверлен­ ного в 25 мм от края пластины.

Надрез охлаждался локально до — 70° С, после чего в отвер­ стие производился выстрел пулей диаметром 6,35 мм. Карджилл получил кривые напряжение — время, аналогичные кривым Ро­ бертсона (см. рис. 23), и подтвердил, что скорость разрушения, определенная по пикам датчиков деформации, составляет 600— 1500 м/с, во всех случаях скорость продвижения фронта дефор­ мации была 4200 м/с. Карджилл представил крайне интересные данные о деформации, отмечавшиеся горизонтальными датчика­ ми (т. е. параллельными траекториями трещины).

Скорость разрушения в стальных пластинах изучали также и другие исследователи: Хадсон и Гринфилд [33], Кеннеди [34], Карлссон [35], Уэллс [36], Акита и Икеда [37], Андо [38] и Ван Элст и Фербраак [39, 40], а также в работах [41—43].

ИССЛЕДОВАНИЯ КРУПНЫХ ПЛАСТИН В ЯПОНИИ

В Японии для испытаний пластин на хрупкую прочность было использовано несколько методов. Один из них — метод двойного растяжения был описан в работе Иошика, Каназава и Итадака [44] и Кошига [45]. Основные особенности образца и нагру­ жающего устройства показаны на рис. 24. Для облегчения воз­ никновения трещины надрез выдавливали пуансоном, а не пропи­ ливали; для получения более высокой концентрации напряжений и обеспечения распространения трещины в нужном направлении с обеих сторон пластины на поверхностях надреза были сделаны специальные фаски, как это показано на рис. 22. Весь выступ, служащий для инициирования трещин, охлаждали так, чтобы

40

его температура была ниже температуры основной пласти­ ны, после чего трещину инициировали посредством статического растяжения выступа. Хотя на рисунке показана пластина шири­ ной 300 мм, этим методом испытывали пластины различной ши­ рины. На образцах такой специальной формы проводили испы­ тания двух типов: испытание при постоянной температуре и испы­ тания с градиентом температуры. В первом случае определяли, проходит или не проходит разрушение через всю пластину при данной температуре и данном уровне напряжений в основной

Рис. 22. Образец (а) и устройство (б) для испытания на двойное растяжение [44]: 1 — проушина для присоединения к захвату машины; 2 — траверса; 3 — давление масла; 4 — участок, в котором инициируется трещина;

5 — участок, в котором распространяется трещина

пластине. В случае испытаний с градиентом определяли темпе­ ратуру (при данном уровне напряжений) в той точке, где трещи­ на останавливалась; однако при этом исследование ограничива­ лось случаями, когда трещина не распространялась в пластину слишком глубоко. Типичные результаты двух указанных методов испытаний показаны на рис. 23. Большинство испытаний други­ ми методами, проведенные в Японии, в частности по методу «Esso», описаны выше.

Другим видом применявшихся образцов была пластина с вы­ давленным («штампованным») надрезом и инициированием тре­ щины методом удара клином, как показано на рис. 24. После выдавливания надреза образец равномерно нагревали до 250° С (для деформационного старения), затем пластину испытывали; энергия удара, необходимая для возникновения трещины, была

41

гораздо меньше, чем обычно в испытаниях по методу «Esso». Бы­ ли проведены также исследования образцов меньшего размера для применения в заводских условиях без продольного нагру­ жения. Описания большинства испытаний, осуществленных в Японии, даны в работах Кихары [46]. Обсуждение результатов испытаний крупных пластин на остановку трещины, аналогич­ ных только что рассмотренным, дано в гл. 7, а сопоставление ре­

пытания. В общем случае, когда трещина достигала достаточно широкой зоны сжимающих остаточных напряжений, разрушение останавливали. В случае косого расположения сварного шва тре­ щина обычно проходит в направлении поля главных напряже­ ний, т. е. поперек пластины. Интересно отметить, что ни разу не было обнаружено тенденции трещины пройти по зоне термичес­ кого влияния косого шва. Более подробное изложение этих ис­ следований приведено в гл. 2.

Акита и Икеда [37] опубликовали результаты измерений нап­ ряжений и скорости распространения трещины в образцах, в ко­ торых разрушение прошло через весь образец. Эти испытания проводились на малоуглеродистой стали (0,13—0,16% С; 1,13—• 1,30% Mn; Os = 30-н32 кгс/мм2; сгв = 45-ь48 кгс/мм2). Толщину образцов изменяли в пределах 30—50 мм, ширина была постоян­ ной— 400 мм. Метод инициирования трещины был таким же, как и в испытаниях в Иллинойсском университете,— с помощью клина и надреза; наблюдалась тенденция к увеличению скорости

42