книги / Хладноломкость металлоконструкций и деталей машин
..pdfУДК 539. 36
В. Г. САВИЦКИЙ, к . В. ПОПОВ
НАТУРНЫЕ Н МОДЕЛЬНЫЕ ИСПЫТАНИЯ НА ХЛАДНОЛОМКОСТЬ
Определение ударной вязкости образцов с надрезом стандарт ного профиля представляет собой искусственный метод сравни тельной оценки сталей. Получаемые таким образом критические температуры хрупкости сталей также являются сравнительными характеристиками и относятся только к данной геометрии кон центратора напряжений (надреза) и формы образца. Величи на изменений критической температуры хрупкости при различ ных видах испытаний и формах образцов для одного и того же состояния стали может колебаться в широких пределах (1—2].
В ряде работ [1—31 предлагается при расчетах принимать во внимание температурный «фактор склонности к хрупкости», оп ределяемый безразмерным коэффициентом
^ __ Т0 Тк
(1)
где Т0 — рабочая температура; Тк — критическая температура хрупкости;
или запасом вязкости:
(2)
Определение критической температуры хрупкости изделия или конструкции представляет известные трудности. В ряде случаев подобные испытания выполнить практически невоз можно. Метод натуральных или модельных испытаний широко применяется при определении характеристик ряда простых и. широко распространенных изделий и металлоконструкций (рель сы, сварные балки, прокат различного профиля и т. п.) [4, 51. Известны случаи натурных испытаний более сложных конструк-
Рис. 1. Температурные границы охруп чивания отожженных труб:
/ — с внутренним диаметром 24 мм\ 2 — то же, сО мм) 5 — стандартные образцы.
1200
* |
1000 |
> |
1 |
|
|
|
|||
* |
800 |
|
|
|
|
|
|
|
|
$ 600 |
|
• |
|
|
(з |
400 |
> |
/ |
|
I |
200 |
|
||
-160 |
А |
О |
+6С |
|
|
-80 |
Температура9 °С
Рис. 3. Температурные границы ох рупчивания труб с кольцевой выточ кой (/) и резьбой по всей поверх ности (2).
о укес- м/см
Рис. 2. Температурные границы охру пчивания труб (1) и стандартных образ цов (2) после деформационного ста рения.
Рис. 4 Температурные границы ох рупчивания моделей балки рукояти:
/ — ослабленный |
концентратор; 2 |
— |
без концентратора; |
3 — то же, после |
нор |
мализации. |
|
ций. В зависимости от постановки задачи натурные испытания выполняются при ударном и «статическом» приложении нагруз ки. При этом регистрируется работа разрушения и разрушающие усилия. Для определения только критической температуры хрупкости изделия достаточно знать температурную зависимость работы разрушения.
Мы исследовали хладостойкость труб высокого давления и моделей балки рукояти экскаватора типа СЭ-3. Испытания про водили на двухмаятниковом копре с запасом энергии 2200 кге-м.
Использование системы, состоящей из двух маятников, дви жущихся навстречу друг другу, позволило выполнить копер относительно малых размеров и полностью устранить необхо димость сооружения мощной опоры. Работа разрушения образ цов регистрировалась по углам подъема и вылета обоих маят ников. С этой целью в конструкции копра предусмотрено стре лочное отсчетиое устройство, позволяющее регистрировать углы с точностью до одного градуса. Вес маятников и длины их под веса были одинаковы. Это значительно упростило сисгему одно временного сброса маятников. Межопорное расстояние на маят нике опоры равно 600 мм.
Термостатироваиие образцов производили в бензине, охлаж даемом углекислотой (твердой) или жидким азотом. Использо вание легких фракций бензина позволило охлаждать образцы до — 120° С. Для испытаний при — 176 и — 196° С образцы выдер живались в сжиженном кислороде и азоте.
Предварительными опытами были определены величины не обходимых переохлаждений образцов для компенсации тех из менений температуры, которые получались за время установки образцов и их испытаний. При каждой температуре испытывалось не менее двух образцов.
Исследовали трубы высокого давления, изготовленные из стали 20 с внутренним диаметром 24 и 30 мм. Из этих же труб вырезали стандартные ударные образцы. Трубы подвергали раз личной термообработке по стандартным для стали 20 режимам. Изучено также влияние деформационного старения на хладостойкость труб.
Как показали результаты испытаний, трубы из стали 20 после отжига переходят в хрупкое состояние при температуре ниже
— 120° С (рис. 1, кривые 1 и 2). Разность между критической температурой хрупкости отожженных труб и стандартных удар ных образцов составляет более 80°. Трубы, подвергавшиеся де формационному старению (рис. 2), охрупчиваются в районе температур —70 -г- 80° С.
В этом случае разность между критическими температурами хрупкости труб и стандартных образцов значительно меньше, чем для других структурных состояний стали 20, и составляет 40 -г- 50°. Испытание отожженных труб, ослабленных выточкой профиля резьбы и резьбой по всей их поверхности, показало (рис. 3), что в этих случаях охрупчивание происходит при темпе ратурах —50° и —80° соответственно.
Нами исследовано влияние конструктивного исполнения де талей торных машин на их склонность к хладноломкости. Из многих вопросов, относящихся к этой проблеме, был выбран
один, на наш взгляд, наиболее важный и относительно простой, — это влияние способа приварки кремальерных реек на склонность балки рукояти ковша экскаватора к хрупкости при низких тем пературах. Выбирая способы приварки реек, преследовали цель— определить температуры охрупчивания моделей, изготовленных: а) по принятой на заводах-изготовителях технологии; б) со сплош ной рейкой, без концентратора напряжений; в) с ослабленным влиянием концентратора напряжений.
Размеры сечения модельных образцов были близки полови не нормального сечения балки рукояти. Модели были изготов лены из стали марки Ст. Зкп в листовом прокате толщиной 10 и 20 мм.
Модели с открытым стыком реек (существующая на заводах технология) разрушались совершенно хрупко уже в районе тем ператур —20 -4— 30° С. При испытании модельных образцов с ослабленным концентратором, у которых боковой сварной шов не доведен до стыка реек на 50 мм с каждой стороны, установ лено, что в этом случае модели охрупчивались в районе —50° С (рис. 4). Разрушение моделей этого типа происходило не в плоскости удара и стыка реек, а распространялось из мест, куда был перенесен концентратор напряжений (концы боковых швов). Отсутствие концентратора напряжений на моделях со сплошной рейкой сильно повлияло на их критическую температуру хруп кости. В этом случае модели переходили в хрупкое состояние при температурах —80 ---- 90° С (рис. 4, кривая 2). Нормали зация моделей со сплошной рейкой переместила их порог хлад ноломкости еще на 20 Ч- 30° в сторону более низких температур (рис. 4, кривая в).
Естественно, что данные, полученные на моделях, не могут быть непосредственно перенесены на рукояти. Однако можно' ожидать аналогичного влияния изменений в конструкции на турной детали.
ЛИ Т Е Р А Т У Р А
1.Н. Н. Д а в и д е н к о в . Проблема удара в металловедении. Изд. АН
СССР, 1938.
2. Г. А. В л а д и м и р с к и й . Хрупкость стали. Машгиз, 1959.'
В.В. М. Ш е в а н д и н. Склонность к хрупкости низколегированных ста лей. Металлургиздат, 1953.
4. |
В. |
В. |
Ш е в е р н и ц к |
и й , |
Г. В. Ж е м ч у ж н и к о в . Автоматичес |
||
|
кая |
сварка, |
1955, № |
6. |
|
||
5. |
В. Ю. |
Ш и ш к и н , |
Ю. Д. |
Г у д з е в и ч, Р. 3. М а н и л о в а . Ав |
|||
|
томатическая |
сварка, |
|
1956, |
№ 5. |
С. Е. Б Е Л Я Е В
ВЛИЯНИЕ ТРЕЩИН НА ПРОЧНОСТЬ ЛИСТОВЫХ ВЫСОКОПРОЧНЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Применение высокопрочных листовых материалов в авиаци онной технике, а также для сосудов, эксплуатируемых при вы соком давлении, и для других целей требует изучения их чувст вительности к концентрации напряжений (надрезы, отверстия, трещины и т. п.). Этому вопросу за последние годы уделяется большое внимание в зарубежной литературе. Так, например, в США ряд организаций изучает свойства и чувствительность к надрезу и трещине высокопрочных сталей, применяемых для
ракетных |
двигателей |
[1]. |
Испытания на |
растяжение плоских |
|
образцов |
с двухсторонним |
острым надрезом (/■„ = |
0,02 мм) |
||
показали, |
что стали |
марок |
Х200, 4130, стали Васкоджет 1000 |
||
и другие, обработанные |
на высокий |
предел |
прочности |
(сгп= 1 9 5 — 210 кгс1мм2), обладают повышенной чувствительностью к надрезу. В работах [2, 3] также отмечается, что с повышением прочности стали действие внутренних дефектов становится более эффективным. Поэтому для оценки таких материалов рекомен дуется применять образцы на растяжение с надрезом, с высоким коэффициентом концентрации напряжений (ак = 17). На таких образцах может быть выявлена хрупкость материала, подвергну того термообработке.
В практике наблюдаются случаи хрупкого разрушения раз личных деталей. Малая трещина или поверхностный дефект (риска, поры, непровар в сварном шве и др.) являются причиной разрушения деталей при пониженной прочности. Однако чувсттельность к надрезу у высокопрочных листовых сталей ВЛ1Д, ЗВК , ЗОХГСА и других с с „ = 160 — 180 кгс/мм2 при осевом растяжении надрезного образца (г„ — 0,1 мм) при комнатной
Рис. 1. Форма и размеры образцов с трещиной.
температуре проявляется незначительно. При низких темпера турах (— 196° С) в условиях двухосного или трехосного растяже ния, когда пластичность недостаточна дляперераспределения напряжений, эти материалы становятся более чувствительными
кконцентрации напряжений.
Вданной работе исследовано влияние трещины и надрезана прочность при растяжении плоского образца. Трещина создает высокую концентрацию напряжений, сильно понижая проч ность материала. Степень этого снижения зависит от уровня пре дела прочности, пластичности, структурного состояния и дру гих факторов.
Имеются различные методы создания трещины на листовых материалах. Так, например, по методу Б. А. Дроздовского и Я- Б. Фридмана [4] трещина заданной глубины 1 мм создается переменной ударной нагрузкой или вибрацией при изгибе на об разцах сечением 5 или 10 мм, которые затем испытываются на статический или ударный изгиб.
Однако такие листовые материалы необходимо испытывать на растяжение. Бернштейн и Кис [3] создавали трещину растяги
вающей циклической нагрузкой на усталость на плоских образ цах, имеющих в середине прорезь с очень острыми надрезами (гн = 0,02 мм).
В настоящей работе трещина на листовом материале получена путем статического растяжения с эксцентриситетом плоского об разца с двухсторонним надрезом [51. Форма и размеры образца приведены на рис. 1, а, б. При растяжении нагрузка приклады вается через отверстия 1 — 1 до появления трещины в надрезан ном сечении. Надрез в данном случае использован как концент ратор напряжений, способствующий образованию острой трещи ны в заданном сечении. Получив трещину на одной стороне образца, его снимают с машины; а затем растяжение производят с другой стороны через отверстия 2 — 2.
Показано, что трещину можно получить различной длины — от 0,3 до 2,5 мм. Развитие трещины в процессе растяжения можно наблюдать с помощью лупы с 20-кратным увеличением. После получения трещины у образца отрезают концы на голов ках и с боков снимают фрезой часть материала до дна надреза (на длине 40 мм); образец становится гладким, но имеет трещины в середине (рис. 1, б).
Длина трещины измеряется с помощью лупы или на инстру ментальном микроскопе с точностью 0,2 мм. Затем после разры ва образца размеры трещины проверяются в торце также с по мощью лупы. Прочность материала определяется делением разрушающей нагрузки на живую площадь образца (площадь трещин вычитается).
Образцы с тремя отверстиями на головках применялись для высокопрочных сталей. Для сталей же средней прочности (ов = •= 100 — 120 кгс/мм2) и легких сплавов можно применять обыч ные надрезанные образцы (длиной 140—150 мм) с отверстием на головке. При этом в захватах разрывной машины зажимается только край головки образца (на расстоянии 6—8 мм) для того, чтобы создать растяжение с эксцентриситетом.
На высокопрочных сталях (ВКС-1, ЗОХГСА с отпуском 200° и др.) трещину длиной 1 — 2 мм получить не удается вследствие быстрого ее распространения. Образцы разрушаются после то го, как толщина на дне надреза достигнет 80—85% ширины об разца.
Поэтому в высокопрочных сталях ВКС-1, ВЛ1Д и ЗОХГСА с отпуском 200° трещины были получены до термической обра ботки. Проведенные опыты на стальных образцах с трещинами, полученными до и после термообработки, показали почти одинаковую прочность (в пределах разброса). Исследовались листовые высокопрочные стали, алюминиевые и другие сплавы.
Режим термической обработки и механические свойства ис следованных сталей приведены в таблице. В этой же таблице приведены механические свойства исследованных сталей при
Механические свойства некоторых высокопрочных сталей при + 20° и низ ких температурах *
Со с т о я в в е
матери ала
Т е м п е
ра т у р а
исп ы та н и я ,
°С
П р е д е л П р е д е л |
|
|
|
|
||
т е к у |
п р о ч |
У д л и |
а н |
<гт |
|
|
чести |
н ости |
П р и м еч а |
||||
о |
Б |
|||||
^0,2 |
а в, |
н ение |
|
|
ние |
|
б, % |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
кгс/мм2 |
|
кгс/мм- |
|
||
Сталь ВЛ1Д, закал- |
+ 2 0 |
136,0 |
165,7 |
7,0 |
167 |
140— 150 |
|
|||||
на |
с 940° — воз- |
—70 |
150,0 |
175,4 |
9,3 |
169 |
— |
|
||||
дух, ОТПУСК2109— |
— 196 |
171,8 |
207 |
10,0 |
128 |
87 |
|
|||||
4 н охл. на |
1 = |
|
|
|
|
|
|
|
||||
возд. |
(лист, |
|
|
|
|
|
|
|
||||
= |
1,5 |
мм) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Сталь ЗВК, |
закал- |
+ 2 0 |
142,8 |
163,5 |
5,5 |
172 |
136—140 |
|
||||
ка |
с 910° |
в |
мас- |
—70 |
150,3 |
171,2 |
7,4 |
175 |
— |
|
||
♦ ле, |
отпуск 220°— |
— 196 |
170,3 |
198,7 |
7,8 |
178 |
104 |
|
||||
'2 |
|
ч |
охл. |
на |
|
|
|
|
|
|
|
|
возд. |
(лист, |
1 = |
|
|
|
|
|
|
|
|||
= 1 ,5 |
мм) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Сталь |
ВКС-1, за |
+ 2 0 |
170,0 |
198,0 |
10,0 |
188 |
140 |
6 , 2 * * |
||||
калка |
с 930°— |
—70 |
174 |
204,0 |
9,0 |
204 |
120 |
5,0 |
||||
воздух, отпуск |
— 196 |
204 |
214,0 |
1,3 |
107 |
72—80 |
0,3 |
|||||
240° — 4 ч |
охл. |
|
|
|
|
|
|
|
||||
на возд. (лист, |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
/ — 3 |
мм) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Сталь ЗОХГСА, за^ |
+ 2 0 |
146 |
175 |
6 ,0 |
174 |
126 |
|
|||||
калка с 890° |
в |
—70 |
150 |
178,0 |
5,8 |
176 |
— |
|
||||
масле, |
отпуск |
— 196 |
180 |
198 |
1,2 |
132 |
40 |
|
||||
200° |
(лист, |
1 = |
|
|
|
|
|
|
|
|||
= |
2,5 |
мм) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Сталь |
ЗОХГСА, за |
+ 2 0 |
104 |
116 |
0,9 |
132 |
109 |
|
||||
калка с 890° в |
—70 |
— |
— |
— |
— |
— |
|
|||||
масле, отпуск 500° |
— 196 |
141 |
150,6 |
7 ,0 |
110 |
62 |
|
|||||
* С р е д н ее |
значен и е |
на 5 о б р а зц о в . |
|
|
4 мм (кгс м/см2). |
|
||||||
• • У д а р н а я |
в я з к о с т ь |
о п р е д е ле н а на |
о б р а з ц а х |
т о л щ и н о й |
|
низких температурах и прочность образцов с надрезом (аЦ) и трещиной (ар. Укажем, что трещина хотя и создает высокую
концентрацию напряжений, все же образцы исследованных сталей и легких сплавов при комнатной температуре разруша лись вязко (путем среза). Образцы высокопрочной стали ВКС-1 разрушались смешанно, путем среза на 50 % и отрыва. При низ кой температуре (— 196°) образцы с трещинами разрушались хрупко (без деформации), показывая значительное снижение
прочности сталей.
Микрофотографии изломов образцов с трещинами, снятых в торец, приведены на рис. 2.
Рис. 3 Влияние длины трещины на проч
ность стали ВЛ1Д (толщина листа 1,5 мм) при + 20° и —| 90о.
О — образцы с одной трещиной; ^ — то же, с двумя трещинами; х — сварные об
разцы.
зоне (см. рис. 3), где верх няя линия соответствует прочности образцов с двумя симметричными трещина ми, а нижняя— прочности образцов с одной трещи ной.
Влияние трещим и над реза на прочность трехслой ной стали ЗВК при -|-20° и низкой температуре при ведено в таблице. Результат ты показали, что трещина снижает предел прочнос ти этой стали при 20° на 16—20%. Предел прочнос ти сГ = 135—140 кгс/мм~
При—196° у образцов с тре щинами наблюдалось сни жение прочности всего лишь на 48% против гладких образцов.
Это объясняется прохождением локальной деформации между слоями (положительная роль локализатора), хотя излом образ цов с трещиной был хрупким.
Как и следовало ожидать, у образцов с одной трещиной проч ность снижается при -|-20о несколько больше, чем у образцов с двумя симметрично расположенными трещинами.
В процессе создания трещин на образцах возникает незначи тельный наклеп, который практически не сказывается на свой ствах материала, что подтвердили опыты на стали ВЛ1Д.
Исследование листовой стали 30ХГСА с низким отпуском 200° показало, что она обладает высокой чувствительностью к трещине. При вязком разрушении при + 2 0 ° прочность образцов с трещиной снижается на 28%. Образцы разрушались пластич но. При —196° образцы разрушались хрупко, трещина вызыва ла сильное снижение прочности (в 4,9 раза) по сравнению с гладкими образцами. Длина трещины (критическая) равна 1 мм; она оказалась примерно в два раза меньше, чем при вязком раз рушении. Эта же сталь с высоким отпуском 500° имеет малую
чувствительность |
к |
трещине при |
+ 2 0 °, прочность образцов с |
трещиной снижается всего лишь |
на 5—6%. Образцы разруша |
||
лись путем среза |
с |
небольшим |
остаточным удлинением. При |
—196° образцы с трещиной разрушаются хрупко, прочность снижается в 2,4 раза против гладких образцов (— 196°).
Как видно, чувствительность к трещине связана, кроме проч-