Особенности низкотемпературных циклических испытаний металла и элементов конструкций

Особенности низкотемпературных циклических  испытаний металла и элементов  конструкций

 

1. Общие  положения.

Строительные  стальные конструкции эксплуатируются  как при положительных, так и  отрицательных климатических температурах при одновременном воздействии изменяющихся нагрузок.

Как свидетельствует история  техники, при работе сооружений в этих условиях возможны внезапные, происходящие с высокой скоростью разрушения элементов при нагрузках меньших, чем расчетные и при отсутствии заметных пластических деформаций.

Вероятность подобных разрушений сводится к минимуму за счет правильного  выбора стали, а также поверочных расчетов конструкций на выносливость и элементов конструкций на прочность  с учетом хрупкого разрушения согласно СПиП 11-23-81*. Однако в силу несовершенства имеющихся расчетов полностью устранить опасность хрупких разрушений не удается. В связи с этим большое значение приобретает экспериментальная оценка сопротивления хрупкому и усталостному разрушению материалов и элементов конструкций.

При этом целью низкотемпературных и усталостных испытаний является установление особенностей поведения конструкций при эксплуатации, а также выявлении условий предотвращения внезапных хрупких и усталостных разрушений.

Проведение  таких испытаний в ряде случаев необходимо при освидетельствовании стальных конструкций и определении их ресурса, а также на стадии проектирования и изготовления новых и реконструкции бывших в эксплуатации сооружений.

2. Зависимость  прочности конструкций от температуры  и условия перехода из вязкого состояния в хрупкое.

Переход из вязкого  в хрупкое состояние при понижении  температуры. Основные определения.

Рис 1.

        На рис 1. представлены основные закономерности перехода проката и элементов конструкций из вязкого состояния в хрупкое по мере снижения температуры на примере изменения величины некоторых основных характеристик: силовой (разрушающая нагрузка Р_W, кН), деформационной (относительное сужение в разрушенном сечении ψ, %), энергетической (работа разрушения А, Дж) и вида излома.

Обычно выделяют четыре области вязко-хрупкого перехода. Область А - область вязкого разрушения. Вязкость - термин, описывающий способность материала пластически деформироваться и поглощать энергию в процессе нагружения и разрушения. Площадь под кривой напряжение - деформация является мерой вязкости при данном способе нагружения.

Основные расчеты на прочность  металлических конструкций по СНиП П-23-81* предполагают, что элементы металлических конструкций разрушаются вязко.

В области D разрушение классифицируют как хрупкое. Термин хрупкое разрушение конструкций в инженерной практике можно характеризовать двумя признаками. Во-первых, такое разрушение возникает при номинальных напряжениях Он, меньших величины предела текучести От и даже расчетного сопротивления по пределу текучести R (σ_н^с < Ry). Во-вторых, хрупкое разрушение реализуется в форме самопроизвольного развития трещины. Хрупкое разрушение не сопровождается заметной макропластической деформацией. Поверхности разрушения имеют характерное «кристаллическое» строение и состоят из блестящих фасеток.

Между областями вязкого  разрушения А и хрупкого разрушения D можно выделить две области, в  которых разрушение носит промежуточный  характер. В области В (рис. 1) разрушение происходит после общего течения в сечении - нетто и деформационного упрочнения (Рс > P_T), а также после развития заметных пластических деформаций (рис.2).

Рис 2.

 

       На начальной стадии таких разрушений трещина развивается как вязкая и лишь достигнув определенной длины, начинает развиваться самопроизвольно по механизму скола. Работа, затрачиваемая на возникновение и развитие вязкого участка разрушения, фактически является энергетическим барьером, предотвращающим хрупкое разрушение конструкции в области В.

В области С  разрушение осуществляется сколом, (весь излом имеет кристаллическое строение, В = 0%) вследствие стеснения развития пластических деформаций. При этом Pq > P_T (σ_н > σ_т), пластические деформаций незначительны или вовсе равны нулю (О < ψ< 3%). Такое разрушение иногда называют квазихрупким.

Описанные выше области вязко-хрупких состояний  материалов и конструкций - вязкое разрушение (область А), смешанное вязко-хрупкое разрушение (область В), квазихрупкое разрушение (область С), хрупкое разрушение (область D) - для практических целей удобно разграничивать друг от друга характерными температурами, называемыми критическими температурами вязко-хрупкого перехода или температурами условных порогов хладноломкости. За критическую принимают минимальную температуру, при которой величина какой-либо характеристики - энергетической, силовой, деформационной, строение излома, больше или равна выбранному и физически обоснованному критериальному ее значению.

Критическую температуру, разграничивающую область А, где  хрупкое разрушение исключено, от переходной области В, обозначают как t₁, [40]. Физически эти температуры характеризуют способность материала гасить быстрые трещины. Обычно t₁ определяют по виду излома по критерию В = 50%. Этот критерий надежен для наиболее часто применяемых сталей с

σ_т < 375 МПа.

При температуре t₁ прекращается экспериментально наблюдаемый в области В разброс величин пластических и энергетических (например, работа разрушения) характеристик. Поэтому обоснованным и удобным при экспертных оценках разрушений элементов конструкций представляется определение t₁ по величине относительного сужения ψ= 10%. Физически эта величина лежит на нижней границе разброса значений ψ при t_1.

Граница между областями  В и С при понижении температуры  характеризуется исчезновением  волокна в изломе и почти полным падением пластичности. Эту критическую температуру называют температурой нулевой пластичности t. Экспериментально определить температуру , при которой ψ и В = О достаточно сложно. Обычно определяют по допуску: иногда по  ψ = 1%, но наиболее часто по величине ψ = 3%.

Область С от области D (хрупкое разрушение) отделяется температурой, называемой второй критической t₂. Согласно данному выше определению хрупкого разрушения эта точка при понижении температуры определяется из условия  Pс < P_T ИЛИ σ _н ^с < σ_T  

Температуры t_тн и t₂ в отличие от t₁ зависят в гораздо меньшей степени от материала, во многом они определяются конструктивно технологическим исполнением элемента сооружения.

Факторы, способствующие переходу конструкции  в хрупкое состояние.

Многочисленные факторы, способствующие хрупкому разрушению конструкций,

можно свести к  пяти основным: 1) низкая температура; 2) высокая скорость

приложения  растягивающих нагрузок; 3) наличие  конструктивных и технологических

концентраторов  напряжений, в первую очередь трещин; 4) большие толщины

(масштабный  фактор), приводящие к объемно-напряженному  состоянию у дна

надреза; 5) неблагоприятная  микроструктура проката.

Ниже приводится несколько количественных примеров действия перечисленных

факторов и  некоторых их комбинаций.

Таблица 10.3. Критические температуры строительных сталей при испытаниях

гладких цилиндрических образцов с рабочим диаметром 6 мм

 

При переходе от испытаний на статический изгиб  образцов из мягкой строительной

стали с острым V-образным надрезом к испытаниям на ударный изгиб

скорость деформации увеличилась  в 104 раз, при этом температура t2 возросла в

зависимости от марки стали на 100-130°С, температура ^ изменилась мало

Влияние толщины  проката на температуру перехода в хрупкое состояние иллюстрируется

на рис. 10.48 на примере  хладостойкой низколегированной стали  с

ох = 400 МПа. В целом увеличение толщины проката на каждый мм снижает

хладостойкость по величине t2 на 1-5-2° С в зависимости от марки стали

(например, [43]).

Склонность элементов  конструкций к хрупкому разрушению усиливается при

наличии конструктивных или  технологических надрезов-концентраторов напряжения,

локализующих разрушение.

Опасность надреза естественно  повышается с усилением концентрации напряжений,

характеризуемой величиной  теоретического коэффициента концентрации

напряжений ≪0 = отах/он (отах - максимальное напряжение в зоне концентрации

напряжений, он - номинальное  напряжение). При увеличении а 0 от 2 до 100,

?! сдвигается в область  положительных температур на 60°С (наибольшее повышение

наблюдается при сх^ = 2...5), t2 - на 80°С [43]. С увеличением остроты надреза

а 0 резко возрастает.

На рис. 10.49 представлены значения а 0 для различных видов  сварных соединений

из проката толщиной 20-40 мм, типичных для строительных конструкций, с

учетом влияния конструктивных и технологических факторов [44].

На рис. 10.50 показано, что  работа разрушения интенсивно понижается по мере

увеличения остроты надреза. Наконец, на вероятность хрупкого разрушения конструкций

существенное  влияние оказывает микроструктура стали

 

Рис.10.49. Теоретические коэффициенты концентрации

напряжений  для различных видов сварных  соединений

1 - стыковые соединения с плавным переходом от шва

к основному  металлу; 2 - тавровые соединения с разделкой

кромок при  плавном переходе от шва к основному

металлу; 3 - то же, что 1 , но с необработанным

швом; 4 - приварка к несущему элементу поперечного

ребра жесткости; 5 - нахлесточные соединения с лобовыми

швами; 6 - нахлесточные соединения с фланговыми

швами; 7 - тавровые соединения без разделки кромок

Рис.10.50. Зависимость  удельной

работы деформации от

остроты надреза  при статическом

растяжении. Улучшенная

сталь 10Х2ГМ

1 - толщина t = 15 мм; 2 -

толщина t= 12 мм; 3 - толщина

? = 8мм; 4 - цилиндрический

образец

На рис. 10.51 представлены зависимости ?нп и ^ от величин зерна для случая

малоуглеродистых  сталей типа СтЗ. Из рисунка видно, что  для обеспечения нор-

0,25 0,5 0,75 1

R, мм

мальнои хладостоикости проката из малоуглеродистых и низколегированных  сталей

с феррито-перлитной  структурой, размер ферритного зерна не должен превышать

35 мкм, содержание  перлита - 20%, микроструктура не должна содержать

продуктов промежуточного распада.

Рис.10.51. Зависимость  критических температур вязкохрупкого  перехода от величины зерна

малоуглеродистых сталей. Испытания на ударный изгиб

 

Следует подчеркнуть, что ни один из перечисленных основных факторов, как

правило, сам  по себе не приводит к хрупкому разрушению сварной конструкции,

отвечающей  современным требованиям к проектированию и изготовлению. Хрупкое

разрушение  происходит лишь при неблагоприятном  сочетании нескольких

факторов. Поэтому  причины хрупких разрушений часто  индивидуальны, а сами

эти разрушения редки.

Из публикаций известно, что частота хрупких  разрушений не зависит от уровня

напряжений [49], (на рис.10.52а,б,в показаны соответствующие статистические

данные) и больше половины таких разрушений происходит при номинальных напряжениях

он < 0,5RT

Рис. 10.52. Зависимость  хрупких разрушений от различных  факторов

а - сезонность хрупких разрушений: 1 - резервуары; 2 - строительные конструкции; 3 - мосты;

6 - зависимость частоты хрупких разрушений от ударной вязкости проката; в - зависимость

частоты отказа ферм от уровня номинальных напряжений

 

 

3. Низкотемпературные испытания сварных соединений из проката больших толщин.

Для рассматриваемых  здесь испытаний наименее трудоемкой и наиболее эффективной является так называемая проба Кинцеля (рис. 3.а):

Рис 3.

 

а - геометрические размеры образца Кинцеля и  схема его испытания;

б - модернизированный образец Ван дер Вина с наплавкой и схема его испытания (t - толщина проката);

в - схема испытания широкой пластины.

 

Образец представляет собой прямоугольную  пластину той же толщины, что и  элемент в реальной конструкции. Образцы испытываются на статический трехточечный изгиб в интервале температур. Пробу применяют для металла толщиной не менее 20 мм. Наплавка осуществляется принятыми для сварки строительной стали электродами по соответствующим режимам.

О сопротивлении  разрушению при таких испытаниях судят по величине поперечного сужения у дна надреза; критическая температура по этой характеристике принимается по критерию ψ = 1% (T_ψ = 1%) и фактически является близкой к t_нп .Оценивается также количество волокна в изломе и с определением критической температуры t₁ (табл. 1).

Эффективная область  подобных испытаний - сварные конструкции  группы 2 из элементов больших толщин. Представленные в таблице 1 результаты свидетельствуют о сильном окручивающем влиянии сварки, а также об объективной опасности хрупкого разрушения подобных конструкций, выполненных из сталей обычной и повышенной прочности с σ_T < 375 МПа в случае их эксплуатации при температурах ниже минус 40°С.

Сходная методика (испытания по Ван дер Вину) применяется и при оценке хладноломкости относительно тонких сечений (рис.3.). Однако в результате этих испытаний в климатическом диапазоне температур обычно не достигаются условия хрупкого разрушения σ _н < σ _т, что свидетельствует о (высокой хладостойкости относительно тонких сечений).

 

 

 

 

Таб. 1. Сопротивление сварных соединений хрупкому разрушению по результатам  испытаний образцов Кинцеля _. 

Сталь	Состояние*) поставки	σ т, МПА	Критические температуры, °С
			Tψ=1%	t1		t2
С 255	ГК	260	-20	+20	-40
С354	ГК	356	-30	0	-60
С390Т	У	428	-40	-20	-80
С390	Н	420	-40	-20	-100
С390	У	500	-60	-40	-120
С590	У	710	-60	-50	-120

 

*) гк - горячекатаный прокат, У - прокат поставлен после термической обработки типа улучшения, П - термическая обработка типа нормализации, толщина проката 20 мм.

Существенное  влияние остаточных напряжений на хрупкую прочность можно выявить при испытаниях больших образцов типа широких пластин (1000x1000 мм) (рис. 3.в). При температурах выше t_нп прочность пластин независимо от наличия остаточных напряжений превышает предел текучести основного материала. При температурах напряжениями может резко снизиться.

 

 

4. Испытание падающим грузом.

Работоспособность материала листовых конструкций  с большим запасом упругой  энергии, а также подверженных ударным  и переменным нагрузкам, хорошо оценивается испытаниями на трехточечный ударный изгиб больших образцов падающим грузом (рис. 4). Толщина испытываемых образцов в данном случае соответствует толщине.

 

Рис.4. Схема погружения и образец при испытаниях падающим грузом (ИПГ).

 

 

Толщина образца равна  толщине проката листов. Надрез наносится путем вдавливания острого долота с радиусом до 0,025 мм на глубину 5 мм. Малый радиус в сочетании с наклепом дна надреза (а также с ударной нагрузкой, отрицательной температурой и большой толщиной) гарантирует снятие энергетического барьера и возникновение хрупкой трещины. Но результатам испытаний оценивают долю волокнистой составляющей в изломе или, реже, работу разрушения. Такие испытания фактически оценивают критическую температуру t₁ и очень важны при оценках работоспособности магистральных газопроводов и других цилиндрических сосудов, работающих под давлением. У термически улучшенных сталей с σ_т = 700 МНа определяемая таким образом t₁ на 100°С ниже, чем у горячекатаных с σ_т = 360 МНа (минус 70 и плюс 30°С соответственно).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Испытания на остановку трещины

При выборе материала для ответственных конструкций необходимо иметь информацию о температуре и напряжениях, при которых материал способен остановить движущуюся хрупкую трещину.

Сущность метода заключается в следующем

Крупная пластина помещается в градиентное температурное  поле следующим образом: вспомогательный  сварной шов охлаждается жидким азотом, а противоположный торец  пластины нагревается до +40°С. Затем пластина нагружается растяжением до определенного заранее заданного уровня номинальных напряжений (σ_н < σ_т). Далее со стороны торца пластины, охлаждаемой азотом, инициируется хрупкая трещина. Трещина может быть инициирована статической P_ст, или ударной нагрузками(рис а) . Возникшая трещина останавливается при определенной температуре t_ост, которая и является наиболее строго оцененной температурой t₁. Испытывается серия образцов при различном уровне σ_н. В результате испытаний получают зависимость температуры остановки трещины t_ост. от величины σ_н (рис 6.), а также область напряжений и температур, при которых возникшая трещина не будет распространяться в прокате данной толщины (область правее и ниже полученных кривых). Результаты испытаний мало зависят от характера нагрузки, инициировавшей трещину.

Способность материала  к остановке трещины тем выше, чем ниже скорость движения трещины. Поэтому t_ост при испытаниях по Робертсону, характеризующая остановку длинной «быстрой» трещины, выше, чем t₁, определяемая при испытаниях на ударный изгиб падающим грузом (ИНТ) и характеризующая способность материала останавливать «короткие», относительно медленные трещины.

Испытания по Робертсону более  представительны, поэтому они полезны  и для оценки работоспособности наиболее ответственных конструкции с большим запасом упругой энергии типа магистральных трубопроводов. Испытания падающим грузом более просты, экспрессны, их применяют как приемосдаточные.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Список используемой литературы

1. Металлические конструкции в 3т. ТЗ Стальные сооружения, конструкции из алюминиевых сплавов. Реконструкция, обследование, усиление и испытание конструкций зданий и сооружения. (Справочник проектировщика) / Под общ. ред. В.В. Кузнецова (ЦНИИ проектстальконструкция им. Н.П. Мельникова) – М.; изд-во ФСИ, 1999 г.
2. Обследование и испытание зданий и сооружений / В.Г. Казачек, Н.В. Нечаев, С.Н. Нотенко/ Под.ред. В.И. Римшина
3. Обследование и испытание зданий и сооружений/ А.А. Землянский/ Москва, изд-во ФСИ, 2001 г.