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. 
 
 
 
 
 

      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 _. 

 

     *) 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.