ХРУПКОЕ РАЗРУШЕНИЕ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Проблема хрупких разрушений возникла в тридцатые годы ХХ века. Опасность такого разрушения связана с внезапностью, отсутствием заметных пластических деформаций стали перед разрушением элементов. Из 52 сварных мостов, построенных в Бельгии в 1934–1938 гг., пятая часть разрушилась хрупко к 1940 году. На построенных в годы Второй мировой войны 722 сварных корпусах судов типа “Либерти” было выявлено более 1000 случаев хрупких разрушений, начиная с ходовых испытаний. В США в 1945 году хрупко разрушился сферический резервуар диаметром 11,34 м, который был предназначен для хранения жидкого водорода. В августе 1964 года разрушилась 400-метровая мачта на станции «Лоран» в Гренландии. Число хрупких разрушений вплоть до 1962 года продолжало увеличиваться. Обычно разрушение происходило при напряжениях порядка 50¸70 МПа, для мостов – 100¸120 МПа, что значительно меньше предела текучести стали.

Главной причиной хрупких разрушений, как показали исследования, являлась низкая температура. При понижении температуры пластичность некоторых сталей существенно снижается, это создает предпосылки для хрупкого разрушения.

В большинстве случаев хрупкоразрушающиеся конструкции были изготовлены из кипящей стали Ст3 со значительным количеством посторонних включений, часто – выплавленной в томасовских конверторах. Это приводит к повышенному содержанию фосфора и, как следствие, к хладноломкости. Повышение содержания углерода, наклеп и старение стали также приводят к повышению прочности, снижению пластичности и увеличивают опасность хрупкого разрушения.

Установлено, что сплошные конструкции менее склонны к хрупкому разрушению, чем решетчатые, меньшие размеры сечений менее склонны к хрупкому разрушению, чем большие («масштабный фактор»).

Трещина при хрупком разрушении обычно начинается около какого-либо дефекта (надреза, инородного включения, концентратора напряжений) и развивается с очень большой скоростью; этим хрупкое разрушение отличается от усталостного.

Динамические (ударные) нагрузки и сложное напряженное состояние (плоское или объемное, особенно растяжение в нескольких направлениях) повышают склонность стали к хрупкому разрушению, это связано со снижением ее пластичности в вышеперечисленных условиях.

Борьба с хрупким разрушением ведется устранением причин, сопутствующих ему. Применяют спокойные стали, раскисленные марганцем, кремнием, алюминием. До проката удаляют верхнюю, наиболее загрязненную неметаллическими включениями, часть слитка. Ограничивают содержание в строительных сталях углерода (не более 0,22 %) и фосфора (не более 0,03¸0,05 %, кроме случаев, когда он используется как легирующий элемент).

Легирующими элементами, повышающими стойкость стали против хрупких разрушений, являются никель, хром, медь и особенно ванадий в сочетании с алюминием и азотом. Последняя комбинация используется для самых ответственных конструкций, включая конструкции «северного исполнения».

Благоприятно влияет на стойкость стали против хрупкого разрушения термоупрочнение (закалка плюс высокотемпературный отпуск), что связано с измельчением ее структуры.

Необходимо помнить, что усталостная трещина всегда начинается с концентратора напряжений, поэтому следует конструктивными мероприятиями снижать их влияние. Источником концентрации напряжений является электросварка, создающая пиковые напряжения из-за быстрого и неравномерного остывания соединения, вследствие чего появляются остаточные температурные напряжения. Для уменьшения этого недостатка сварки следует строго соблюдать технологию процесса, в частности исключить швы больших размеров (не более, чем это требуется), замедлить остывание соединения, применять швы встык с подваркой корня шва и зачисткой поверхности, избегать соединений внахлестку и т. п.

Вместе с тем следует отметить, что стандартные испытания стальных образцов статической нагрузкой не могут полностью отразить условия хрупкого разрушения – влияние низкой температуры, концентраторов напряжений, динамической нагрузки. Поэтому и расчеты, основанные на результатах этих испытаний, не могут обеспечить надежность конструкций при хрупких разрушениях.

4.4 УДАРНАЯ ВЯЗКОСТЬ

Первым шагом – экспериментально воспроизвести и оценить работу стали под динамическими нагрузками – были испытания по Шарпи (1904 год). Испытываемые образцы имели форму призмы, V-образный надрез на средине длины и испытывались на изгиб ударной нагрузкой. Долгое время они не находили признания, так как не укладывались в рамки традиционных представлений о работе стали, полученных на основе испытаний статической нагрузкой. Недостатком этих образцов было плохое моделирование трещины на начальном этапе хрупкого разрушения. Показателем ударной вязкости считалась работа, затраченная на хрупкое разрушение, отнесенная к единице площади сечения нетто. Было отмечено, что по ударной вязкости стали располагаются не так, как по пределу текучести при статических испытаниях.

Рисунок 4.4.1 – Схема испытаний на ударную вязкость: а – схема испытаний и размеры образцов; б – типы надрезов: «U» – Менаже; «V» – Шарпи; «Т» – с трещиной

Позже было установлено, что ударная вязкость зависит от температуры, скорости приложения нагрузки и других факторов. Она может давать только сравнительную характеристику разных марок стали, но не является бесспорным показателем склонности стали к хрупкому разрушению. Сейчас требования испытаний стали на ударную вязкость вошли в стандарты всех развитых стран.

Испытания на ударную вязкость выполняются на маятниковых копрах или с помощью падающего груза. Схема образца и типы концентраторов напряжений приведены на рисунке 4.4.1, где типы надрезов: Менаже «U», Шарпи «V» и с трещиной «T». При испытании падающим грузом образцы такие же, но больших размеров и больше соответствуют реальным конструкциям. Трещина в остром надрезе выращивается специальным вибратором. Условия работы моделируются понижением температуры испытываемых образцов до –70 ^оС, а также механическим старением. Ускорение протекания старения достигается пластическим деформированием образцов или нагреванием до 150¸200 ^оС.

В соответствии с использованными образцами ударная вязкость обозначается: KCU, KCV, KCT, определяется как и выражается в МДж/м². В этой формуле а – работа, затраченная на разрушение образца в МДж, а – площадь сечения образца по надрезу в м².

Выбор образцов для испытаний на ударную вязкость делается в зависимости от условий, в которых будет эксплуатироваться конструкция. Для обычных условий испытания проводят на образцах Менаже. Для ответственных конструкций, эксплуатируемых в условиях низких (отрицательных) температур и динамических нагрузок, для испытаний используют образцы Шарпи и с трещиной.

У нас для конструкций из малоуглеродистых сталей считается достаточной ударная вязкость 0,3 МДж/м², а для низколегированных 0,30¸0,35 МДж/м². Температура, при которой ударная вязкость опускается ниже допустимой величины, называется пределом хладноломкости. Для малоуглеродистой стали С235 (кипящей) порог хладноломкости составляет 0 ^оС, для С255 (спокойной) –22^оС, для низколегированной 10Г2С1 – 40 ^оС. У высокопрочных сталей, легированных ванадием и азотом, порог хладноломкости составляет –70^оС.

В зависимости от требований по условиям испытаний на ударную вязкость малоуглеродистые стали для строительства подразделяются на 4 категории (таблица 4.4.1), легированные – на 4 категории (таблица 4.4.2).

Категории стали учитываются при выборе строительных сталей, при этом принимается во внимание климатический район строительства и условия работы элементов конструкций.

4.5 ВЫБОР СТРОИТЕЛЬНОЙ СТАЛИ

В соответствии с нормами [1, табл. 50] по условиям работы стальные конструкции делятся на 4 группы.

К группе 1 относятся сварные конструкции либо их элементы, работающие в особо тяжелых условиях или подвергающиеся непосредственному воздействию динамических, вибрационных или подвижных нагрузок (подкрановые балки, элементы, непосредственно воспринимающие нагрузку от подвижных составов, фасонки ферм, пролетные строения транспортных галлерей и т.п.).

К группе 2 относятся сварные конструкции либо их элементы, работающие при статической нагрузке (фермы, балки перекрытий и покрытий, трубопроводы, опоры транспортных галлерей и т. п.), а также конструкции и их элементы группы 1 – при отсутствии в них сварных соединений.

К группе 3 относятся колонны, настилы перекрытий, прогоны покрытий и другие сжатые и сжато-изгибаемые элементы, а также конструкции и их элементы группы 2 – при отсутствии в них сварных соединений.

К группе 4 относятся вспомогательные конструкции зданий и сооружений (элементы фахверка, лестницы, трапы, площадки, а также конструкции и их элементы группы 3 – при отсутствии в них сварных соединений).

Нормы предусматривают три группы климатических районов строительства по климатическим (температурным) условиям. Для каждых условий дается рекомендованный для применения набор сталей (обычной, повышенной и высокой прочности). В примечаниях [1, табл. 50*] сформулированы дополнительные требования по толщине проката, ударной вязкости, химическому составу и другим условиям.

При выборе сталей нужно учитывать, что более эффективным будет применение сталей повышенной и высокой прочности в растянутых элементах и наиболее растянутых зонах составных изгибаемых элементов. Препятствием для их применения могут быть повышенные деформации, не позволяющие использовать высокую прочность. Эффективность применения сталей повышенной и высокой прочности в сжатых и изгибаемых элементах снижается в связи с уменьшением размеров сечений и снижением коэффициентов j, моментов сопротивления и инерции.

В связях, сечение которых подбирается по гибкости, следует применять стали обычной прочности.

Часто в конструкциях (фермы, составные балки) встречаются элементы, к которым требования по прочности материалов различны. В этом случае можно при их проектировании использовать набор из двух- трех сталей.

Решающее значение могут иметь:

1. Возможность применения типовых (стандартных) элементов.

2. Наличие проката стали необходимой марки (на складе).

3. Экономические факторы (стоимость элементов с учетом стоимости монтажа и эксплуатации). Этот вопрос решается вариантным проектированием до смет включительно, с учетом всех расходов.