ОСНОВЫ ТЕОРИИ ПРОЧНОСТИ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

РАЗРУШЕНИЯ ПРИ НИЗКОМ УРОВНЕ НАПРЯЖЕНИЙ

7.1.

ИСПЫТАНИЯ ШИРОКИХ ПЛАСТИН

Долгие годы разрушение при низком уровне напряжений в лабо­раторных условиях получить не удавалось. Наконец, профессор Британского института сварки А. Уэллс создал установку с боль­шим разрывным усилием и разработал образец в виде широкой пластины с продольным сварным швом и малым дефектом в око - лошовной зоне. Уже в первой серии испытаний в лабораторных условиях он получил одно хрупкое разрушение при низком уров­не напряжений. Результаты этих испытаний схематично представ­лены на рис. 7.1.

По оси ординат отложено сред­нее в поперечном сечении пласти­ны напряжение p. Косыми кре­стами обозначены эксперимен­тальные точки. Температуру, при которой произошло разрушение пластины при низком уровне на­пряжений, Велс назвал «темпера­турой коллапса» (^laps^e tem­perature). И выше и ниже этой температуры разрушения пластин происходили при высоком уров­не напряжений. Их прочность была на уровне предела текучести стали. Далее подобные испытания продолжили японские иссле­дователи под руководством профессора Х. Кихары (Kihara Н.) для судостроительной промышленности, которая готовилась к произ­водству супертанкеров.

Схема сварного образца в виде широкой пластины 4 показана на рис. 7.2.

Толщину листа t и состояние поверхности пластины принима­ют такими же, как у натурной конструкции. Ширина пластины

обычно принимается 1 м, так как при меньшей ширине не удается смоделировать поле продольных сварочных напряжений, харак­терное для крупной конструкции. В центре пластины вдоль на­правления растяжения располагается стыковой сварной шов типа С27, выполненный с полным проваром по Х-образной разделке, создающий продольные сварочные напряжения, близкие вблизи шва к пределу текучести стали.

Посередине длины этого шва в сечении B-B на свариваемые кромки до сварки наносится механический надрез, который в боль­шем масштабе представлен справа. Поперечное сечение надреза по­казано на сечении по С—С. На первой стадии фрезой толщиной

1,5 мм (Уэллс) или 3 мм (Кихара) на разделанные кромки наносят шевронный надрез глубиной 3 мм. Далее, по центру дна этого над­реза ювелирной пилкой толщиной 0,2 мм наносят шевронный над­рез глубиной 0,5 мм (Уэллс) или 5 мм (Кихара). После этого стыко­вой шов собирают на прихватках и выполняют сварку стыка с двух сторон. Уэллс перед сваркой в надрез подсыпал угольный порошок.

Режим сварки выбирали так, чтобы полностью проплавить часть надреза с толщиной 1,5 или 3 мм. Таким образом, после свар­ки в околошовной зоне остается острый дефект с радиусом закруг­ления около 0,1 мм глубиной 5 мм (Кихара).

Готовый образец 4 приваривают к захватам 3 установки, охла­ждают, навешивая на него коробки с сухим льдом, и растягивают,

распирая захваты 3 домкратами 5. Уэллс фиксировал только дав­ление в домкратах в момент полного разрушения образца. Далее по нему он вычислял разрушающие напряжения. Японские ис­следователи на двухкоординатном самописце записывали диаграм­му усилие — удлинение пластины, фиксируя моменты старта пер­вой трещины и окончательного разрушения образца.

Испытания производили при различных температурах. Отри­цательные температуры (до -73°С) получали, навешивая на обра­зец ящики с твердой CO2. Положительных температур (до +350°С) можно достичь, если широкую пластину обмотать десятком вит­ков сварочного кабеля, подключить этот кабель (индуктор-сердеч­ником которого является испытываемая пластина) к сварочному трансформатору и ждать, пока температура достигнет желаемого уровня.

Подобных испытаний было выполнено в различных странах множество. Так, в Санкт-Петербурге, в ЦКТИ им. И. И. Ползунова, работала установка типа изображенной на рис. 7.2, с усилием 8000 т. На ней испытывались широкие пластины толщиной 300 мм. Ре­зультаты этих работ для низкоуглеродистой стали схематически показаны на рис. 7.3.

Широкие пластины без надрезов, со сварными швами или без них, разрушаются на уровне предела прочности ств (линия A-B).

Но если на кромках пластины или в ее центральной части имеется острый надрез и остаточные напряжения отсутствуют, то при по­нижении температуры прочность падает до уровня предела теку­чести ат по линии E-F. Далее прочность надрезанных пластин в расчете на нетто-сечение близка к пределу текучести. Поэтому линия разрушения пластин без остаточных напряжений с мел­кими надрезами описывается кривой A—E—F—D. Все это разру­шения при высоком уровне напряжений, так как разрушающие напряжения всюду остаются выше напряжений, допускаемых расчетом. Но если острый надрез находится в области высоких растягивающих сварочных напряжений, как это показано на рис. 7.3, то по линии G-Hпроисходит второе резкое падение проч­ности. При более низких температурах трещины возникают при 3-5 кг/мм2 (30-50 МПа), т. е. при напряжениях на порядок мень­ше предела текучести.

Линия H-I определяет условия зарождения (инициации) тре­щины по зоне с высокими сварочными напряжениями. Когда тре­щина выходит из этой зоны, то попадает в область, где действуют только напряжения от внешней нагрузки. Если напряжение, при котором останавливается быстро движущаяся трещина, обозна­чить аа (arrestiv temperature, рис. 6.57), то трещины, иницииро­ванные на линии J-I, при напряжениях от внешней нагрузки меньших аа должны останавливаться, пройдя границу упруго­пластической зоны от сварки. При этом раскрытие трещины сни­мает сварочные напряжения с опасного сечения.

Если нагрузку на пластину продолжать увеличивать, то новый старт остановившейся трещины произойдет тогда, когда нетто - напряжения достигнут предела текучести. Соответствующая кри­тическая температура на рис. 7.3 обозначена символом Ta. Зона разброса напряжений, при которых происходит долом пластин, K-L на рисунке затемнена.

Таким образом, температурная зависимость пластин с острым дефектом в зоне высоких сварочных напряжений определяется кривой A-E-F-G-H-J-K-L. Эта кривая практически аналогич­на кривой на рис. 6.44.

Нужно заметить, Уэллсу повезло, что один из его образцов был испытан в интервале температур, где напряжения инициации тре­щины достаточно велики для полного разрушения пластины.

Явление, описанное выше, наблюдается при авариях. В 1980-х годах при строительстве ангара под Архангельском стропильные фермы из уголков сечением примерно 150x150x10 мм сваривали на месте монтажа на морозе. В некоторых узлах ферм после их монтажа у концов швов были обнаружены холодные трещины дли­ной 50-70 мм. При попытке их заварить ничего не получались. Тогда было решено закончить монтаж, проигнорировав трещины, закрыть здание плитами перекрытия, протопить его, и в тепле за­варить обнаруженные в узлах ферм трещины. Когда укладывали последний ряд железобетонных плит, все перекрытие обрушилось. Остались невредимыми только те фермы, в которых уже были тре­щины. Соседние фермы повисли на них.

Объяснение просто. В фермах с трещинами в наиболее опас­ных местах сварочные напряжения были сняты, поэтому их проч­ность соответствовала прочности широких пластин на участке тем­ператур, ниже Та (зона K-L).

На рис. 7.3 указаны две важные критические температуры: Тквр — верхняя критическая температура, выше которой прочность всегда не ниже предела текучести, следовательно, разрушения происходят при высоком уровне напряжений, и Ткнр — нижняя критическая температура, ниже которой пластичность стали прак­тически равна нулю и разрушения происходят при очень низком уровне средних напряжений p. Указанные критические темпера­туры повышаются с увеличением толщины металла, его старени­ем, с увеличением размеров сварного узла.

При температуре ниже Ткнр предшествующие разрушению пла­стические деформации в зоне, где возникает трещина, практиче­ски равны нулю. Поэтому при расчете прочности сварного узла сварочные напряжения, напряжения от конструктивной концен­трации и т. п. должны суммироваться с напряжениями от внеш­ней нагрузки. При Т > Ткнр пластическое удлинение материала, предшествующее разрушению, постепенно нарастает. Наконец, при T = Тквр это удлинение становится достаточным для полного снятия не учитываемых обычными расчетами на прочность напря­жений. Поэтому, при Т > Тквр, ни сварочные напряжения, ни кон­структивная концентрация напряжений на прочность конструк­ции не влияют. Только в этой области справедливы расчеты на прочность по СНиПам.

Ткр практически соответствует Тнп, вычислению которой с уче­том влияния различных факторов были посвящены разделы 6.3.11 и 6.3.12. Было показано, что острый дефект и старение может по­вышать эту переходную температуру от -200°С до +30°С.

Тквр — верхняя критическая температура — сдвинута относи­тельно Тнп в сторону положительных температур. Как будет пока­зано ниже, величина этого сдвига тем больше, чем больше разме­ры полей напряжений, не учитываемых при обычных расчетах на

прочность: полей сварочных и реактивных напряжений, полей возмущения напряжений у концентраторов и т. п.

В экспериментах на широких пластинах была доказана полез­ность предварительного нагружения конструкции при температу­рах, превышающих T^,. На рис. 7.3 прерывистой линией пока­зан путь нагружения пластины со сварочными напряжениями и острым надрезом при комнатной температуре до точки M, обозна­ченной светлым кружком (200 МПа). Если после этого нагрузку снять до точки N, пластину охладить до точки O (-50°С) и снова нагрузить, то она разрушается в точке P при напряжениях, не ниже тех, которые были приложены к пластине при предваритель­ной ее нагрузке до точки M (черный кружок).

Предварительное нагружение конструкции до предельно до­пустимой нагрузки при T > Tfj, (ее испытание) приводит к меха­ническому снятию остаточных напряжений в опасных точках и способствует исключению аварий при низком уровне напряжений.