Оценка склонности стали к хрупкому разрушению.

Хрупкое разрушение стальной сварной конструкции, ССК, изготовленной из стали, отвечающей требованиям проекта и ГОСТ на ее поставку, случается при статическом нагружении, более того – при постоянной нагрузке в разы меньшеs_т.. Ничто не предвещает его приближения; а экологический и экономический ущерб от него бывает огромен. Для оценки склонности стали к хрупкому разрушению (хладноломкости) разработан ряд методик и критериев. Однако основными остаются испытания образцов Шарпи с острым надрезом и образцов Менаже с тупым надрезом на маятниковом копре Шарпи, стандартизованные еще в 1905 г. С тех пор было предложено множество новых методик, каждая декларировалась как самая, самая, но ни одна из них не выдержала проверки временем. Это подтверждают результаты серии международных испытаний по разным методикам нескольких марок сталей, разосланных в тридцать лабораторий разных стран. При испытаниях одни и те же марки стали выстроились в различные качественные ряды, т.е. заняли разные места. Авторы сделали вывод, что результат испытания - это реакция стали на данный вид испытания, и ничего более. Преимущество рекомендовалось отдавать той марке стали, которая набрала больше очков, как в «танцах со звездами».

Выбор надреза в образце дело случайное и научного обоснования не имеет. С точки зрения оценки склонности стали к хрупкому разрушению ни один из образцов преимуществ не имеет. Испытания позволяют определить косвенным образом (обычно на трех образцах вместо пятнадцати при сериальных испытаниях в интервале снижающихся температур) критическую температуру вязко – хрупкого перехода t_к^°. Выполнение требований стандарта к заданной величине ударной вязкости (обычно 30 Дж) при регламентированной температуре t^° (обычно 20°С или 40°С) гарантирует условия t^°<t_к°.

Существенная проблема возникает, при переходе от оценки склонности к хрупкому разрушению стали к оценке склонности к хрупкому разрушению стальных сварных конструкций. Анализ аварий показал, что при хрупком разрушении ССК, кристаллографически хрупкая трещина, всегда начинается в сварном соединении. И это при том, что сталь, из которой сварена эта конструкция, обычно отвечает всем требованиям стандарта, по которому она была поставлена металлургами, и проекту, по которому ее назначили[2]. Установлено, что хрупкое разрушение стали является достоверным процессом, а хрупкое разрушение стальной сварной конструкции - случайным, т.е., что это различные процессы, хотя и приводят к одному результату. Связь гарантированной величины t°_k (при гарантированном значении а_н)с расчетной температурой района эксплуатации стальной сварной конструкции весьма относительна, и установлена интуитивно.

Подводя итоги краткому обзору, можно утверждать, что чем ниже t_к°, при которой обеспечивается гарантированная стандартом на поставку стали величина а_н, тем более грубый дефект в сварном соединении выдержит ССК при расчетной температуре эксплуатации, и нет оснований утверждать что-либо более определенное.

Настоящие выводы сделаны по результатам лабораторных исследований и анализа хрупких разрушений РВС, сконцентрированных в таблице 1.

Таблица 1

Характерные особенности хрупкого разрушения
Стальные сварные конструкции	Стальные лабораторные образцы
1. Хрупкое разрушение возникает в сварном соединении при постоянной внешней нагрузке.	1. Хрупкое разрушение возникает при возрастающей внешней нагрузке в вершине искусственного концентратора напряжения
2. Хрупкое разрушение происходит в одну стадию: имеет место только нестабильное распространение хрупкой трещины, сопровождаемое микропластической деформацией- стадия 2; стабильное возникновение и стабильное распространение трещины, сопровождаемое макропластической деформацией, стадия 1, отсутствует.	2. Хрупкое разрушение происходит в две стадии: 1-я, стадия стабильное возникновение хрупкой трещины и ее стабильное распространение, сопровождаемое макропластической деформацией, всегда присутствует, сменяется 2-й стадией – нестабильного распространения хрупкой трещины, сопровождаемого микропластической деформацией.
3. Хрупкое разрушение возникает при внешнем напряжении ниже σт. Наблюдались возникновения и распространения хрупких трещин при напряжении порядка 0,1sТ,и при отсутствии внешнего усилия.	3. Хрупкое разрушение возникает при внешнем напряжении не менееsТ, а распространение трещин, 2-стадия, возможно при внешнем напряжении порядка 0,1 σт.
4. Хрупкое разрушение низкоуглеродистой стали возникает при климатической t^oиногда близкой к t^o=0^oC	4. Хрупкое разрушение низкоуглеродистой стали возникает только при глубоком охлаждении до t^oзначительно ниже климатической.
5. Возникновению хрупкой трещины никогда не предшествует стабильное подрастание вязкой трещины и «утяжка»	5. Возгникновению хрупкой трещины обычно предшествует ее стабильное подрастание и «утяжка».
6. Хрупкая трещина возникает в сварном соединении, в месте ее возникновения всегда обнаруживается случайный дефект сварного соединения, зачастую геометрически не самый грубый из имеющихся в стальной сварной конструкции.	6. Хрупкая трещина возникает в вершине искусственного концентратора напряжения в основном металле или в сварном соединении, т.е. в заранее определенном месте.
7. Причиной хрупкого разрушения стальной сварной конструкции никогда не бывает накопление повреждений, т.к. случается оно при предпусковом испытании, в начале эксплуатации или в первую зиму эксплуатации как напоминание, что хрупкое разрушение - синоним хладноломкости.	7. Кристаллографически хрупкое разрушение стального образца, видимо, не возможно вызвать накоплением повреждений в лабораторных условиях: не удается его смоделировать.
8. Значение фактической переходной температуры в месте возникновения хрупкой трещины около дефекта, t°кф -неизвестная случайная величина.	8. Значение переходной температуры в вершине искусственного концентратора напряжения, tk - известная стандартная величина.
9. Возникновение хрупкого разрушения при номинальном внешнем напряжении ниже sт и климатической t^o- исключительноеслучайноесобытие, оно не может быть смоделировано.	9. Возникновение хрупкой трещины в лабораторном глубоко охлажденном образце с искусственным концентратором напряжения – достоверноесобытие., т.е. может быть смоделировано.

Из анализа приведенной таблицы можно заключить, что опасность хрупкого разрушения ССК не может быть выражена в терминах внешнего напряжения. Вспомним энциклопедическое определение прочности: способность материала сопротивляться разрушению под действием внешних напряжений, или конструкций деформироваться необратимо. В возникновении хрупкого разрушения ССК внешние напряжения не играют существенной роли [3]. Относительную оценку опасности хрупкого разрушения стальной сварной конструкции можно представить в терминах переходной температуры стали, не являющейся константой стали. Можно лишь утверждать, что чем ниже t^°_к стали, из которой сварена ССК, определенная по стандартной или не стандартной методике, тем менее вероятно ее хрупкое разрушение при одинаковых условиях эксплуатации.

Методы расчета:

1) Температурный подход:

При расчете данным методом используются диаграммы предельной пластичности металлов. Зависят от показателя жесткости напряженного состояния.

Т₁>Т₂>Т₃>Т₄>Т₅;

П^э_мах4>П^э_мах>П^э_мах3;

П- показатель жесткости;

Ɛ_с – деформация.

Показатель жесткости вычислим по формуле: П=

Показатель вида напряженного состояния: μ= – 1

Первая критическая температура стали (верхняя граница температурного перехода от вязкого к квазихрупкому состоянию):

Т_к1 = ,

где Т₀ = 293⁰К; S_k = сопротивление отрыву; σ_т – предел текучести;

- относительное сужение гладкого образца;

; - характеристики материала, принимаемые по справочнику машиностроения;

- приведенный критерий первой критической температуры хрупкости металла;

Ɛ = ,

α – коэффициент, учитывающий вид напряженного состояния;

Δ – универсальная пластического разрушения;

П_кр – критический показатель жесткости напряженного состояния;

П₁ – жесткость, соответствующая первой кривой пластичности;

Ɛ_с – критическая деформация материала.

Окончательная формула: , где - влияние разрушающих факторов.

2) На стадии развития трещины:

Для определения повреждений на стадии развития трещины пользуются формулой:

, где p и q – коэффициенты аппроксимации;

Аппроксимация — научный метод, состоящий в замене одних объектов другими, в том или ином смысле близкими к исходным, но более простыми. Аппроксимация позволяет исследовать числовые характеристики и качественные свойства объекта, сводя задачу к изучению более простых или более удобных объектов.

σ^н и σ_с – номинальное и критическое напряжения соответственно;

К_I = К_σ • σ_н • ; m= ; К_I = 1,12 • К_σ • σ_н • ;

l₁ = поверхностная трещина; l₂ = сквозная трещина.

l₁ = [ ; - коэффициент влияния коррозионной среды;

l₂ = [ ; К_I = ; m = ;

К_I = ; l_kf1 = ;

l_kf2 = ; К_IC = ,

где a – удельная вязкость на образцах типа Шарпи; ν – коэффициент Пуассона;

k – безразмерный коэффициент, который можно найти по формуле:

k = 0,075 • / .

Дополнительный материал по арматурной стали:

К сталям, применяемым для изготовления арматуры железобетонных конструкций, должны предъявляться требования не только в отношении статической прочности, но и в отношении стойкости их против хрупких разрушений, т. е. к степени их надежности при эксплуатации в конструкциях. В настоящее время эти требования в ГОСТах отсутствуют. Имеющиеся экспериментальные данные позволяют установить нормы по сопротивлению хрупкому разрушению для различных классов арматурной стали. Особенно важным это требование является для конструкций, эксплуатируемых при низких температурах, работающих в условиях повторно-переменных нагружений, а также при наличии динамических нагрузок. При определенной для данной стали критической температуре наступает хрупкое состояние, и при сочетании неблагоприятных условий эксплуатации конструкций могут возникнуть опасные хрупкие разрушения арматуры.

В большинстве случаев склонность к хрупкому разрушению обнаруживается в условиях ударного нагружения и при понижении температуры. Сопротивление стали хрупкому разрушению устанавливается испытанием образцов на удар при переменной температуре, выбираемой в определенных пределах. Этим испытанием определяется зависимость величины ударной вязкости от температуры. Одновременно выявляется критический интервал хрупкости, т. е. интервал температур, имеющий границы: верхнюю (ГК1), соответствующую началу перехода из вязкого состояния в хрупкое, и нижнюю (ТКз) — соответствующую полному переходу в хрупкое состояние.

В ряде случаев разрушение имеет место при зернистом изломе, а волокнистый характер излома может перейти в зернистый по всей поверхности разрушения даже после значительной пластической деформации. Следовательно, по виду излома нельзя точно судить о склонности стали к хрупкому разрушению. Это было подтверждено при анализе изломов большого количества стандартных образцов из арматурной стали при испытании на ударный изгиб в зависимости от температуры. Разработанный метод определения склонности стали к хрупким разрушениям на стандартных образцах с надрезом типа Менаже не позволяет все же точно установить, будет ли полученная критическая температура хрупкости соответствовать условиям разрушения арматурных стержней, так как в применяемых стандартных образцах отсутствует соответствие размерам и условиям работы элемента, находящегося в реальной конструкции. Образцы имеют условный надрез, не отвечающий концентраторам напряжений, имеющимся в конструкциях. С этой целью был предложен нестандартный образец, в котором сохранены профиль арматурного стержня и присущие ему особенности, влияющие на его работу при динамических нагрузках.

Радиус надреза установлен экспериментальным путем, а глубина надреза выбрана такой, чтобы при развиваемой максимальной энергии удара при испытании на копрах мощностью 30 кгм² образец разрушился. Для сохранения поверхностного слоя в образце вместо кругового надреза установлены два симметричных боковых надреза, расположенных при испытании на изгиб в плоскости удара. Следовательно, для определения зависимости величины ударной вязкости арматурной стали от температуры приняты два типа образцов: один — стандартный с надрезом типа Менаже, позволяющий установить сравнительную склонность различных арматурных сталей к хрупкому разрушению, другой типа ЦНИПС, более приближающийся к натурным арматурным стержням.

Дата добавления: 2015-12-08