ОСНОВЫ ТЕОРИИ ПРОЧНОСТИ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

МЕХАНИЗМЫ УПРОЧНЕНИЯ МЕТАЛЛА

5.1. СТАРЕНИЕ

Согласно табл. 1.3 это фактор, с которым связано около 11% всех аварий конструкций.

5.1.1.

ВЛИЯНИЕ СТАРЕНИЯ ОКОЛОШОВНОЙ ЗОНЫ НА УДАРНУЮ ВЯЗКОСТЬ

Словацкий исследователь И. Чабелка (1910-1987) исследовал ударную вязкость металла околошовной зоны сварных соедине­ний низкоуглеродистых конструкционных сталей при комнатной температуре (схема вырезки образцов и схема их испытаний пока­зана на рис. 5.1). На кривой зависимости ударной вязкости KCV от расстояния до центра шва у был обнаружен провал — он пока­зан на графике в нижней правой части рис. 5.1.

Результат, полученный Чабелкой, был очень важен, так как частично объяснял ранее непонятные хрупкие разрушения круп­ных сварных конструкций. В последующие годы в разных стра­нах были предприняты более детальные исследования. Так, было известно, что на падение ударной вязкости влияет не только ста-

б

Рис. 5.2

Схемы обработки результатов сериальных испытаний стали на ударный изгиб (а) 20 образцов; (б) 3000 образцов

рение металла, но и снижение температуры. Поэтому исследова­ния Чабелки следовало повторить для ряда более низких темпера­тур. Во многих лабораториях начали исследовать температурные зависимости ударной вязкости металла на различных расстояни­ях от сварного шва.

В нашей стране на одну температурную зависимость ударной вязкости принято испытывать около 20 образцов на ударный из­гиб. Следовательно, для повторения работы Чабелки количество образцов нужно было бы увеличить в 20 раз. Вслед за Н. Н. Да - виденковым испытания серий образцов для получения темпера­турной зависимости ударной вязкости стали называть сериальны­ми испытаниями.

Экспериментальные результаты сериальных испытаний пред­ставлены в виде графика на рис. 5.2а.

По экспериментальным точкам проводят кривую (сплошная жирная линия), похожую на очертания дна океана на границе с материком. На этой линии выделяют три участка:

1) верхний, почти горизонтальный — верхний шельф;

2) нижний, почти горизонтальный — нижний шельф;

3) межкритический, или переходный участок кривой, на ко­тором линия температурной зависимости ударной вязкости пада­ет со снижением температуры.

Со стороны высоких температур переходный участок кривой ограничивает верхняя критическая (переходная) температура Ткр. в. Со стороны нижнего шельфа переходный участок ограничи­вается нижней критической (переходной) температурой Ткр. н.

Результаты исследований показали, что собственно снижения ударной вязкости в околошовной зоне сварных соединений не про­исходит, а при сварке в результате старения металла имеет место сдвиг всей кривой на АТкр в сторону более высоких температур. При этом примерно на АТкр повышаются и верхняя, и нижняя кри­тические температуры. Уровни верхнего и нижнего шельфов ос­таются практически постоянными.

Чабелке повезло, так как он взял такую сталь, что верхняя кри­тическая температура для околошовной зоны сварных соединений оказалась выше, а нижняя критическая температура металла око- лошовной зоны — ниже комнатной температуры, при которой он производил испытания. Если бы исследования производились в тем­пературном интервале верхнего или нижнего шельфа, никакого влияния сварки на ударную вязкость он бы не обнаружил.

На этой стадии интерпретация работы Чабелки ясна. Но, ока­зывается, все не так просто.

Как-то в ЛПИ выступал с докладом молодой немецкий иссле­дователь. Ему поручили сертифицировать разработанные в ГДР электроды, отвечающие требованиям Регистра Ллойда, — пола­гаю, чтобы иметь возможность ремонтировать в ГДР иностран­ные корабли. Для этого необходимо было провести испытания 3000 образцов и по результатам построить сериальную кривую ударной вязкости. Получившийся график показан на рис. 5.26. Большинство экспериментальных точек легло в достаточно уз­кие полосы разброса на линиях верхнего и нижнего шельфов, которые перекрывали друг друга в межкритическом интервале температур. И только незначительное их количество оказалось между этими линиями.

Немецкий исследователь пришел к выводу, что никакой плав­ной кривой, нанесенной на рис. 5.2а в межкритическом интерва­ле у температурной зависимости ударной вязкости, не существу­ет. Вместо линии — поле разброса редких точек. Но наших ис­следователей данный вывод не удивил. Еще в начале 30-х годов ХХ века Н. Н. Давиден - ков (Физико-технический институт) исследо­вал температурную зависимость ударной вяз­кости сталей и пришел к выводу, что она име­ет вид, показанный на рис. 5.3, и опубликовал данные эксперимента не только в статьях, но и в учебнике.

Однако неизвестно, сколько образцов испы­тывал Давиденков. Предположительно их было
много (и специалисты Ллойда об этом знали), поэтому требовали испытаний 3000 образцов на одну кривую.

Следовательно, никакой сплошной кривой на графике (рис. 5.1) у Чабелки не должно быть! Там, где на кривой имеется провал, должно быть просто поле разброса экспериментальных точек с тен­денцией снижения среднего значения этого разброса с понижением критических температур рассматриваемой зоны сварного соедине­ния. Так как сдвиг критических температур ударной вязкости вызывается наклепом и старением металла околошовной зоны, естественным надежным критерием интенсивности старения яв­ляется АТкр, а не снижение ударной вязкости в результате старе­ния. Но определять АТкр с учетом рис. 5.26 трудоемко.

Испытания на ударный изгиб производятся на стандартных образцах со стандартным надрезом глубиной 2 мм. Скорость уда­ра также стандартная, около 1 м/с. В конструкции, свойства ме­талла которой мы пытаемся прогнозировать на основании этих испытаний, концентраторы имеют другую форму, размеры сече­ний у элементов конструкции не 10 х 10 мм и скорости нагруже­ния совсем другие. Возникает вопрос: в какой степени обнаружен­ный при испытаниях на ударную вязкость сдвиг критических температур можно переносить на конструкцию? Ответа на этот вопрос нет.