Сопротивление хрупкому разрушению
Требования к свойствам конструкционных материалов
Успех в создании конструкций - возможность их индустриального изготовления, надежность и долговечность в эксплуатации, технико-экономическая эффективность во многом зависит от правильного выбора материала. В последние десятилетия благодаря совместным усилиям металлургов, металловедов и специалистов-сварщиков улучшены существующие и разработаны новые эффективные марки стали и виды проката, значительно расширившие возможности проектирования. При этом были сформулированы определенные требования к стальному прокату (основному конструкционному материалу) для металлоконструкций.
Накопленный опыт проектирования и длительной эксплуатации эффективных по уровню воспринимаемых нагрузок и архитектурному оформлению конструкций позволяет выделить пять основных служебных свойств, которыми в той или иной мере должны обладать конструкционные материалы:
· прочность,
· свариваемость,
· сопротивление хрупкому разрушению,
· сопротивление вязкому разрушению,
· технико-экономическая эффективность.
Прочность
Эффективность повышения прочности стали проявляется в снижении массы металлической конструкции. Если за основу (нижний уровень прочности) принять наименее прочную углеродистую сталь обыкновенного качества с пределом текучести σт=230 МПа и временным сопротивлением σв=380 МПа, то анализируя опыт создания металлоконструкций с пределом текучести до 1000 МПа можно сделать вывод, что особенно интенсивное снижение массы конструкции наблюдается при относительном повышении прочности - до двух, - трехкратного уровня. При этом максимальное снижение массы достигается в сооружениях, в которых значительная часть несущей способности конструкции расходуется на поддержание собственного веса, например, в элементах тяжелого пролетного строения; хорошие результаты дает использование высокопрочной стали в элементах, испытывающих растяжение, несколько худшее в конструкциях, включающих сжато-изогнутые элементы. Не удается получить снижение массы при повышении прочности стали в элементах с малой жесткостью. Не достигается оно и в элементах сварных конструкций, испытывающих интенсивные переменные силовые воздействия с большим числом циклов нагружения и малой асимметрией циклов.
Из этого следует, что наиболее эффективными в части снижения массы (и стоимости) могут оказаться комбинированные конструкции, включающие элементы из сталей разных уровней прочности (бистальные), которые выбираются исходя из условий нагружения и конструктивных особенностей элементов.
На основании приведенных представлений для проката строительных сталей были выбраны семь основных унифицированных уровней прочности, которым соответствует:
σт - предел текучести не менее: 225, 285, 325, 390, 440, 590 и 735 МПа;
σв - временное сопротивление разрыву не менее: 375, 430, 450, 510, 590, 685 и 830 МПа.
Свариваемость
Традиционный способ повышения прочности стали состоит в увеличении содержания углерода и легирующих элементов. Установлено, однако, что при этом возрастает опасность появления в околошовной зоне закалочных микроструктур, хрупких холодных трещин и трещин задержанного хрупкого разрушения. Действие углерода в этом отношении особенно отрицательно. Влияние легирующих элементов и примеси выражают количественно сравнением с влиянием углерода. По формуле Международного института сварки:
Сэ = С + Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Cu + Ni)/15.
По свариваемости стали делят на четыре группы:
хорошая: Сэ <= 0,25
Углеродистые стали: Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, 08,10, 15, 20, 25;
Конструкционные низколегир.:15Г, 20Г, 15Х, 15ХА, 20Х, 15ХМ, 20ХГСА, 10ХСНД, 10ХГСНД, 15ХСНД
Эти стали при обычных способах сварки не дают трещин. Сварка таких сталей выполняется без предварительного и сопутствующего подогрева, без последующей термообработки.
удовлетворительная: Сэ = 0,25 - 0,35
Углеродистые стали: Ст5, 30, 35;
Конструкционные низколегир.: 12ХН2, 12ХН3А, 20ХН3А, 20ХН, 20ХГСА, 30Х, 30ХМ, 25ХГСА;
Такие стали допускают сварку без образования трещин только в нормальных производственных условиях, когда температура окружающей среды выше 0º С и отсутствует ветер или сквозняки.
ограниченная: Сэ = 0,35 - 0,45
Углеродистые стали: Ст6, 40, 45, 50;
Конструкционные низколегир. : 35Г, 40Г, 45Г, 40Г2, 35Х, 40Х, 45Х, 40ХМФА, 40ХН, 30ХГС, 30ХГСА, 35ХМ, 20Х2Н4А, 18Х2Н4МА, 4ХС:
Эти стали в обычных условиях сварки склонны к образованию трещин. Как правило, сварка таких сталей производится по специальной технологии, регламентирующей режимы предварительной термообработки, подогрева и тепловой обработки после сварки.
плохая: Сэ > 0,45
Углеродистые стали: 65, 70, 80, 85, У7, У8, У9, У10, У11, У12;
Конструкционные низколегир.: 50Г, 50Г2, 50Х, 50ХН, 45ХН3МФА, ХГС, 6ХС, 7Х3.
Эти стали склонны к образованию трещин. Сварка их выполняется с обязательной предварительной термообработкой подогревом в процессе сварки и с последующей термообработкой.
Кроме эквивалента углерода, образование закалочных микроструктур и связанных с ними трещин зависит от скорости охлаждения металла шва и околошовной зоны, на которую влияют тепловые параметры сварки (тепловложение, начальная температура) и конструктивные особенности соединения (форма, толщина). При сварке стали с одним и тем же углеродным эквивалентом с возрастанием скорости охлаждения вероятность образования закалочных микроструктур увеличивается, что находит отражение в монотонном росте максимальной твердости в околошовной зоне. Поэтому ограничение максимальной твердости некоторой критической величиной может служить хорошим критерием для выбора стали и условий ее применения. Так, в японских стандартах на сталь для сварных конструкций, помимо ограничений по эквиваленту углерода с 70-х годов введено ограничение по максимальной твердости в околошовной зоне: не свыше 350 HV.
Предложено много способов экспериментальной оценки свариваемости, включая механизированные способы испытаний в условиях имитированных термодеформационных циклов сварки. Однако их применение необходимо только при разработке новых сталей или при использовании существующей стали в той области, в которой она ранее не применялась. Для проката традиционных свариваемых сталей при их обычном использовании достаточной гарантией свариваемости является соответствие химического состава и механических свойств нормам технических условий и стандартов.
Склонность к образованию горячих трещин для класса хромоникелевых сталей может быть оценена по хромоникелевому эквиваленту (Crэкв/Ni экв):
Cr экв =Сr + 1,5 Si + Mo +0,8 V + 0,5 Nb + W + 3,5 Al + 4 Ti;
Ni экв = Ni + 0,5 Mn + 0,5 Cu + 30 C +30 N;
К = (Cr экв)/(Ni экв) =1,6 - 1,3 сваривается без ограничений;
К = (Cr экв)/(Ni экв) = 1,3 - 1,0 ограниченно свариваемая;
К = (Cr экв)/(Ni экв) <1 трудно свариваемая.
Сопротивление хрупкому разрушению
Существенным фактором, ограничивающим выбор стали для сварных конструкций и, в частности, препятствующим дальнейшему повышению ее прочности обычным легированием (например, кремнием), является требование хладостойкости. Для строительной стали с ним ассоциируется сопротивление хрупкому разрушению микросколом. При этом виде разрушения зерна металла раскалываются по определенным кристаллографическим плоскостям с образованием в изломе характерных «кристаллических» фасеток и «ручьевого узора».
Разрушения этого вида особенно опасны, так как происходят внезапно, распространяясь с высокой скоростью без заметной макропластической деформации, часто даже при весьма низких напряжениях от рабочей нагрузки. Сварные конструкции подвержены хрупкому разрушению микросколом более других. Этому способствует концентрация напряжений, структурная и механическая неоднородность, неразъемность и высокий уровень сварочных напряжений.
Хладостойкость элемента конструкции определяется температурой хрупкости, при которой возможен переход от вязкого разрушения к хрупкому разрушению микросколом. На изменение этой температуры влияют как физические свойства стали (предел текучести, микроструктура), так и «внешние» условия нагружения (напряжение, жесткость напряженно-деформированного состояния, величина и скорость деформации).
Велика роль особенностей внешнего нагружения. Так, переход от условий растяжения гладкого образца к растяжению элемента с острым концентратором напряжений повышает критическую температуру перехода в хрупкое состояние Tk для строительной стали на 170-200 ºС.
Также любой из факторов, упрочняющих сталь и вызывающих повышение предела текучести (наклеп, старение, радиационное упрочнение и др.), повышает Tk, т.е. охрупчивает материал, а измельчение зерна микроструктуры, напротив, снижает Tk, т.е. повышает хладостойкость. Следовательно, непременным условием сохранения хладостойкости при повышении прочности является измельчение микроструктуры.
На основании исследований особенностей хрупкого разрушения микросколом предложено много способов экспериментальной оценки хладостойкости сварных соединений. Почти все они предусматривают многократные (сериальные) испытания одинаковых (для данного способа) по размерам и форме образцов, но при разных температурах. Показателем качества металла служит температура, при которой контролируемый признак (поглощенная при разрушении образца работа, доля волокна в изломе образца, сужение под надрезом в разрушенном образце, разрушающее напряжение и т.п.) по мере проявления хрупкости с понижением температуры достигает некоторой нормируемой величины.
Приведем некоторые основные методы, получившие наибольшее распространение:
·испытание на динамический изгиб стандартных (призматических) образцов по ГОСТ 6996-66 на ударную вязкость с полукруглым (r=1 мм) или треугольным (r=0,25 мм) надрезами, а также с концентратором в виде трещины усталости;
·испытание на растяжение или изгиб крупных плоских (листовых) образцов натурной толщины с глубокими надрезами или трещинами усталости на кромках;
·определение температуры остановки инициированной трещины на крупных листовых образцах натурной толщины по Робертсону.
Наряду с концепцией переходной (критической) температуры, широко используемой в механике хрупкого разрушения, разработаны и получили значительное развитие аналитические методы, основанные на рассмотрении поля упругих напряжений в вершине трещины. При этом для оценки сопротивления сталей хрупкому разрушению применяются энергетические, силовые и деформационные критерии механики разрушения. С использованием указанных критериев представляется возможным установить связь между разрушающим (или допустимым) напряжением и размером трещины, которая гипотетически может присутствовать в конструкции.
Основным критерием механики разрушения служит коэффициент интенсивности напряжений К, предложенный Ирвином (США), как параметр, определяющий поле упругих напряжений перед фронтом трещины, и является функцией приложенного напряжения и формы трещины. При переходе в хрупкое состояние трещина развивается при средних напряжениях в нетто сечении ниже предела упругости. В упругой области напряжений для трещины в бесконечно широкой пластине, нагруженной нормальными напряжениями, направленными перпендикулярно трещине, выражение для коэффициента интенсивности напряжений К имеет вид:
К = σ √ (3,14∙L),
где σ - номинальное напряжение; L - половина длины центральной сквозной трещины.
При других формах тел и расположении трещин, а также при переходе к телам ограниченных размеров и изменении характера распределения номинальных напряжений в формулу вводится соответствующая поправочная функция:
К = f ∙ σ √ (3,14∙L).
При достижении напряжениями критических значений σкр (момент начала настабильного разрушения) коэффициент интенсивности напряжений также достигает критического для данного материала значения:
Кс = σкр √ (3,14∙L).
При наиболее жестком напряженном состоянии, известном как «плоская деформация», критическое значение коэффициента интенсивности напряжений обозначается К1с .
К1с являются, таким образом, характеристиками материала, которые определяются его способностью сопротивляться распространению трещины. Ниже представлены значения К1с МПа√м для некоторых марок сталей:
Ст3сп………………… 60 - 80 МПа√м
09Г2С…………………65 - 90
10Г2С1………………..75 - 90
10ХСНД…………..…100 - 120
16Г2АФ…………… 110 - 130
Зная значение К1с для выбранной марки стали, проектировщик может рассчитать значение напряжения, вызывающее нестабильное разрушение при наличии трещиноподобного дефекта определенного размера и формы при наиболее жестком напряженном состоянии.
Дата добавления: 2018-03-02; просмотров: 3217;