связь. Не менее устойчивая связь наблюдается между температурами хрупкости, полученными с помощью разных критериев в одних и тех же стандартных испытаниях. Это наглядно иллюстрирует табл. 1.2, в которой приведены данные французских исследователей (по результатам испытаний свариваемых углеродистых и низколегированных сталей 62 вариантов химического состава) [15]. Во всех случаях имеет место хорошее линейное соотношение между температурами хрупкости с высокими значениями коэффициента корреляции.
Таблица 1.2. Соотношение между температурами хрупкости, определенными на основании разных методов испытаний и критериев
Метод и критерии
Уравпепие линии регрессии
Коэффициент корреляции
Число пар связанных переменных
Шарпи KCV=0,5KCVmax - Шарпи KCV=35 Дж/см2
0,91
Шарпи В=50% - Шарпи KCV=35 Дж/см2
= 26 + 0,99 Г35
0,87
Шарпи KCV=0,5KCVmax - Шарпи В=50%
Г5„ = 8 + 1,09-ГоТгсу
0,97
Робертсоп - Шарпи KCV=35 Дж/см
ТОТ = 17 + 0,64 Г35
Пеллипи - Шарпи KCV=35 Дж/см
ТНП = 16 + 0,51 Г35
Баггель - Шарпи KCV=35 Дж/см
= 30 + 0,04 Г35
0,86
Шпадт - Шарпи KCV=35 Дж/см
Гз™ = 32 + 0,98 Г35
0,94
Не являются исключением в этом отношении и методы испытаний для определения характеристик механики разрушения. Многими работами показано, что температурные зависимости критических значений коэффициента интенсивности напряжений к., kiT), кривые которых для сталей с разной хладостойкостью располагаются в разных участках температурной шкалы, закономерно сливаются в одну узкую полосу рассеяния, если в качестве абсциссы используют так называемую «избыточную температуру», т.е. разность между температурой испытания и температурой хрупкости, определенной с помощью стандартных испытаний на динамический изгиб [16, 17].
Таким образом стандартные испытания позволяют достаточно надежно расположить строительные стали в некоторый ряд по хладостойкости, не уступая в этом отношении другим методам. Значительно труднее решить вопрос о пригодности материала для конкретной конструкции. Одно только положение материала в вышеупомянутом ряду для этого недостаточно. Особенности воздействия на материал при испытании образцов отличаются от условий его работы в конструкциях. Хладостойкость конструкции зависит от совместного действия многих конструктивных, эксплуатационных, металлургических и технологических факторов.
На практике требования к материалу конструкции по хладостойкости обычно устанавливаются на базе накопленного опыта, а также сравнением результатов стандартных испытаний с результатами испытаний натурных образцов, по-возможности полно имитирующих поведение конструкции. Так, к требованиям, обусловленным опытом, можно отнести действующие нормы ударной вязкости углеродистой стали для строительных металлоконструкций, эксплуатируемых в обычных условиях при расчетной температуре не ниже минус 40 °С KCU""" > 29 Дж/см и низколегированной стали KCU""*"" > 29-49 Дж/см соответственно, а также низколегированной стали для конструкций «северного исполнения»
KCU""° > 29 Дж/см. Нормы ударной вязкости KCV> 78 Дж/см и доли волокна в изломе В>80% (где t - температура эксплуатации) низколегированной стали для труб магистральных газопроводов, напротив, установлены сравнением результатов стандартных испытаний и испыганий натурных образцов труб.
1.1.4. Сопротивление вязкому разрушению. Выражается такими характеристиками, как предельная пластичность (е;, \/, 5;) ударная вязкость при вязком разрушении KCjjiax, анизотропия вязкости и пластичности, истинное сопротивление разрыву (S). Оно очень важно для обеспечения надежной эксплуатации ответственных сооружений типа оболочек, нагруженных пневматическим давлением (газопроводы большого диаметра и высокого давления, газгольдеры и резервуары большого объема, крупногабаритные сосуды давления в виде кожухов доменных печей, оболочек аэродинамических труб, корпусов воздухонагревателей), особенно при изготовлении их из сталей повышенной и высокой прочности. Кроме того, сопротивление вязкому разрушению во многом определяет возможность выполнения технологических операций холодной гибки, штамповки, вальцовки, правки и сварки.
Установлено, что вязкое разрушение зарождается и распространяется путем образования, роста и объединения микроскопических пустот (пор). В чистых металлах и сплавах поры образуются в заключительной стадии деформирования на «критических» дефектах решетки, подготовленных деформированием. В технических сплавах значительную роль в образовании пор играют также неметаллические включения и выделения избыточных фаз. Неметаллические включения из-за их слабого сцепления с матрицей или хрупкости приводят к возникновению несплошностей уже на ранних этапах деформирования. Они являются источниками наиболее крупных пор. Другие более мелкие поры, как и в чистых металлах, развиваются на заключительных стадиях деформирования, по-видимому, непосредственно перед вершиной формирующейся вязкой магистральной трещины. Считают, что заключительный акт роста и слияния пор аналогичен развитию внутренних шеек, причем окончательный разрыв фибр происходит после уменьшения их поперечного сечения до нуля.
В результате возникает характерная микроструктура поверхности вязкого разрушения, состоящая из округлых ямок или «чашек», разделенных острыми гребнями. Внутри наиболее крупных чашек наблюдаются неметаллические включения. Полагают, что размеры чашек, их однородность и, главное, глубина отражают энергоемкость вязкого разрушения: чем больше размеры чашек, однороднее их распределение и значительнее глубина, тем выше величина локальной пластической деформации и энергоемкость.
Как и при хрупком разрушении, измельчение зерна микроструктуры повышает сопротивление вязкому разрушению строительной стали. Однако определяющая роль принадлежит неметаллическим включениям. При этом разрозненные включения компактной или глобулярной формы, даже при высоком их содержании (до 0,5-1% по объему) слабо изменяют механические свойства стали. Значительно сильнее отрицательное влияние вытянутых и строчечных включений [18].
Наибольшее значение для качества металлопроката строительной стали имеют образующиеся при раскислении и затвердевании сульфидные и кислородные неметаллические включения (эндогенные сульфиды и оксиды). В хорошо раскисленной стали они представлены в основном включениями сульфида марганца (11 и 111 типов по классификации Симса) и глинозема. Горячая прокатка придает пластичным при высокой температуре включениям сульфида марганца сильно вытянутую в плоскости и направлении деформирования форму. Сегрегации мелких включений глинозема, представляющих, как полагают, обломки первичных вьщелений
развитой дендритной формы, преобразуются прокаткой в плоские или вытянутые скопления, часто весьма большой протяженности.
Эти вытянутые и строчечные включения являются главной причиной анизотропии вязкости и пластичности металлопроката, которая выражается в заметном снижении показателей этих свойств при переходе от испытаний в продольном направлении к испытанию в поперечном и в резком их падении при переходе к испытанию в направлении вдоль толщины изделия (рис. 1.2).
Особенно сильно анизо-
Сталь типа: 14ГС
16Г2АФ
.200
-60 -20 020 60
-60 -20 0 20 60
-60-200 20 60 °С
Рис.1.2. Температурная зависимость ударной вязкости для образцов, вырезанных в разных направлениях из
толстых листов строительных сталей разный марок а - сталь типа СтЗ; 6 - 14ГС, в - 16Г2АФ; i - в продольном; 2 - в поперечном; J - в направлении толщины
тропия пластичности проявляется в металлоизделиях, полученных контролируемой прокаткой и термо-механи-ческой обработкой. В этой новой технологии горячее деформирование при пониженных температурах сообщает сульфидам марганца максимальную вытянутость. При разрушении таких изделий образуются слоистые изломы, которые, хотя и понижают температуру хрупкости по виду излома (так называемый сульфидный парадокс), однако резко уменьшают энергоемкость вязкого разрушения. Это особенно нежелательно для упомянутых конструкций типа оболочек, нагруженных пневматическим давлением, от которых требуется высокое сопротивление распространению протяженных «быстрых» вязких разрушений.
Как уже отмечалось, анизотропия пластичности сильно ограничивает пригодность стали к операциям холодной гибки, штамповки, глубокой вытяжки, заваль-цовки, способствуя преждевременному образованию трещин. Но наиболее губительно она сказывается на образовании ламелярных (пластинчатых) или слоистых
трещин при сварке. Они возникают в основном металле вблизи сварных швов под воздействием напряжений и термодеформационных циклов сварки и имеют характерное ступенчатое строение (рис. 1.3). Эти трещины часто поражают участки конструкции большой протяженности вдоль сварных швов (например в полке мостовой балки), нередко приводя в негодность все изделие. Согласно статистике с ламелярными трещинами связан большой ежегодный материальный ущерб в мировом производстве металлоконструкций, обусловленный непроизводительными затратами на устранение их последствий.
Рис.1.3. Расположение ламелярных (слоистых) трещин в сварных соединениях разной формы 1 - «террасы»; 2 - «разрывы»
