книги / Материалы для сооружения газонефтепроводов и хранилищ

150° Далее образец догибают плавно нарастающим усилием до со­ прикосновения его сторон с образованием естественной петли между параллельными плоскостями (см. рис.32,г)

Технологические испытания деталей машин проводят на осадку, расплющивание с целью определения способности к пластической деформации, необходимой, например, при ковке и штамповке. Испы­ тание на осадку и расплющивание осуществляют в горячем и холодном состояниях. Условия испытания устанавливают в зависимости от про­ филя и размеров поперечного сечения изделий. В холодном состоя­ нии образцы испытывают при начальной температуре образца 10-30 °С. Температуру испытания образцов в горячем состоянии устанавливают в стандартах на соответствующую продукцию. По цвету нагретого ме­ талла определяют температуру. При испытании на расплющивание

образцы осаживают (расплющивают)		при статической или динамиче­
ской нагрузке	до образования головки диаметром D= (1,5-г 1,6) d
и высотой h =	(0,4-н0,5) d (где d -	диаметр прутка или стержня).

Высота выступающей из оправки части образца, подвергаемого расплю­ щиванию, равна 1,2 d.

12. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К СТАЛИ

Склонность стали к хрупкому разрушению

Хрупкое и вязкое разрушение. Проблема наиболее опасного хруп­ кого разрушения стали —одна из важнейших. Она приобретает особое значение при строительстве газопроводов, резервуаров и других конст­ рукций на Крайнем Севере и в ряде районов страны с низкими темпе­ ратурами, особенно в осенне-зимний период.

Исследованиями советских и зарубежных ученых установлено, что вид разрушения (хрупкое или вязкое) данной стали зависите пер­ вую очередь от количественного соотношения действующих касатель­ ных (тангенциальных) ти нормальных оп напряжений, температуры и скорости приложения нагрузки. Ибо при любых условиях нагруже­ ния усилие (нагрузка), действующее вдоль оси изделия, и соответст­ венно напряжение а от его воздействия можно разложить на две состав­ ляющие — касательную г и нормальную оп (рис. 33) по отношению к кристаллической решетке отдельных зерен стали, по-разному ориенти­ рованных в пространстве.

Если в стали преобладают нормальные напряжения оп, значение которых превышает допустимое, то происходит хрупкое разрушение стали путем отрыва, практически без наличия пластической деформа­ ции (рис. 34). Сопротивление металла хрупкому разрушению называют сопротивлением отрыву 3ОХр. Если в стали преобладают касательные напряжения т и их значение также превышает допустимое, то происхо-

61

	Рис. 33.	Схема	Рис. 34. Схема хрупкого разрушения металла под действием
	действия	сил на	нормальных напряжений Опш.
	кристаллическую		а — первоначальная кристаллическая решетка;	б	— кристал­
	решетку стали
			лическая решетка при упругой деформации;	в	— хрупкий
			отрыв (разрушение) кристаллической решетки;		d и с — па­
			раметры кристаллической решетки

дит вязкое разрушение стали путем сдвига (среза) при наличии значи­ тельной предшествующей разрушению пластической деформации (рис. 35). Сопротивление металла вязкому разрушению называют сопротивлением сдвигу З'сдд.

Хрупкое разрушение происходит путем отрыва по границам и вну­ три зерен, причем плоскости разрушения располагаются перпендику-

Рис. 35. Схема вязкого разрушения металла под действием касательных напря­ жений Г:

а — первоначальная кристаллическая решетка;		б — кристаллическая решетка
при упругой деформации; в	— кристаллическая	решетка при пластической де­
формации (сдвиг) ; г — вязкое	разрушение (срез)	кристаллической решетки

62

( м р-н		ь - э—®
(	J	7—i )
/ Z		5
1J Ъ—А\_1		7 ( )—()

ту ] 'J'Z\

1)с?—i

\) Сэ— О о—©—( —<—<э— ©

	ч7		ь-< у - ©
- г - «		) i У \ 7— К)
	/	2 J	* 5	(
А	2	* 1
y j	I	1? г(	т	к р
	yi
		>	\ 7----Ф

Э О С — <>—<)— 6

	1	р— ( Ь - ( У- i
		^	/\	J		>—	о
	1/ (л		3
А				*	(	У
	?		J	<			м
		У 1				?
- / '	Л2£ 2
'»	у	^7--- * r—i Г—К
		)	i г	С г— ( )
<3-6 ( — <— ( Ь - (

Рис. 36. Дислокационная схема пластической деформации:

а — первоначальная кристаллическая решетка с наличием дислокации; б — крис­ таллическая решетка после перемещения дислокации при пластической дефор­ мации; в — кристаллическая решетка после выхода дислокации на поверхность при пластической деформации; А —А — плоскость скольжения; 1, 2, 3, 4, 5, 6 и 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 — ближайшие атомы-соседи, вдоль плоскости скольжения, ме­ няющие свое положение при движении дислокации; Р —действующая сила

лярно к линии действия сил и имеют блестящий кристаллический излом. Вязкое разрушение происходит путем сдвига (среза) одной части зерен металла относительно другой, плоскости разрушения располагаются примерно под углом 45° по отношению к линии дейст­ вия сил и имеют матовый волокнистый излом.

В соответствии с теорией дислокаций механизм пластического сдвига рассматривают как процесс перемещения, например, линейных дислокаций (несовершенств кристаллического строения металла) вдоль плоскости скольжения (рис. 36). При наличии в исходном ме­ талле дислокаций для осуществления пластической деформации потре­ буются значительно меньшие усилия. Таким образом, реальная проч­ ность металла благодаря наличию дислокаций и других искажений кри­ сталлической решетки всегда меньше теоретической. Вместе с тем ис­ следованиями показано, что реальная прочность металла уменьшается с увеличением плотности дислокаций до определенного предела (рис. 37) Достигнув минимального значения при некоторой критиче­ ской плотности дислокаций, реальная прочность металла вновь начинает повышаться, так как в металле возникают как параллельные дисло­ кации, так и дислокации в разных плоскостях и направлениях. Тогда дислокации будут мешать друг другу перемещаться, т.е. в элементар­ ный акт пластической деформации будет вовлекаться одновременно все большее число атомов, и реальная прочность металла повысится. Поэтому любой способ обработки металла, вызывающий увеличение плотности дислокаций и препятствий для их перемещения, приводит к повышению его прочности. Такими способами упрочнения, ведущими к увеличению полезной плотности дислокаций, являются механический наклеп, термическая обработка и др.

Известно, что все методы упрочнения металла ведут одновременно

63

Теоретическая

прочность

« I

	Плотность дислокаций и других		Плотность дислокаций и других
	искажений решетки			искажений решетни
Рис.	37. Схема	прочности кристалла	Рис. 38.	Зависимость	сопротивлений
в зависимости от искажений решетки			сдвигу и	отрыву стали	от плотности
			дислокаций
(по И.А. Одингу и А.А. Бочвару)
к	понижению	запаса его пластичности и вязкости. Это объясняется
тем, что при		упрочнении металла	происходит увеличение плотности

дислокаций, несовершенств и других дефектов кристаллической решет­ ки, которые повышают сопротивление металла пластическому сдвигу относительно быстрее, чем сопротивление отрыву (рис. 38). При от­

носительно малых степенях упрочнения металла (£сдв < ^отр) будет происходить вязкое его разрушение после предшествующей деформа­ ции. Такой металл характеризуется высокими пластичностью и вяз­ костью. При значительных степенях упрочнения, когда плотность дисло­ каций выше критической (5СДВ > 5отр), происходит хрупкое разру­ шение металла без видимой предварительной пластической дефор­ мации. Такой металл обладает низким запасом пластических и вяз­ ких свойств. Следовательно, применяя тот или иной метод упрочне­ ния металла, нельзя допускать, чтобы степень упрочнения превосходила критическое значение SKp, соответствующее точке пересечения прямых

£ в и	(смРис' ^ ’ ^наче металл не проявит способности к пласти­
ческой деформации и произойдет хрупкое его разрушение.
В связи с этим условие хрупкого разрушения металла можно
представить в следующем виде:
7 / °п <	^сдв / S отр >	(б)

64

Если

Т I О ц ^ ‘S'сдв / *^отр >

(7)

то происходит вязкое разрушение стали.

Таким образом, сталь будет разрушаться хрупко., если в ней дейст­

вуют в основном		нормальные напряжения оп (доля касательных на­
пряжений	мала и	отношение т /ап будет небольшим), а	отношение
^сдв / ^отр	будет	больше т/ оп. Это значит, что у стали	велико со­

противление сдвигу S сдв (сталь имеет низкую пластичность) и мал<4 сопротивление отрыву 5 отр (см. рис. 38).

Чем большим сопротивлением сдвигу обладает сталь, тем меньше ее способность к пластической деформации и тем больше ее склон­ ность в связи с этим к хрупкому разрушению. И^наоборот, чем меньше сопротивление сдвигу, тем легче осуществляется деформирование стали и меньше ее склонность к хрупкому разрушению.

Факторы, влияющие на склонность стали к хрупкому разруше­ нию. Склонность стали к хрупкому разрушению зависит от ряда фак­ торов:

металлургических (способ выплавки, степень раскисления, режим обработки давлением, влияющие на химический состав, структуру и свойства стали, наличие в ней дефектов металлургического характера); технологических (способ монтажа резервуаров, газгольдеров и других конструкций, влияющих на состояние поверхности изделий, образование на ней различных дефектов, а также на наличие различных по значению, знаку и характеру остаточных напряжений, вызванных хо­ лодной деформацией, например, при рулонировании листовых загото­ вок резервуаров, формировании труб большого диаметра, термической

обработке, сварке и т.д.) ;

конструктивных [размеры конструкций (масштабный фактор), наличие сопряженных элементов, стыков металла разных толщины и диаметров и других факторов, увеличивающих напряженное состоя­ ние в них] ;

рабочих условий эксплуатации (значение и характер напряженного состояния конструкций, скорость нагружения, корро­ зионная активность рабочего продукта и его температура, а также тем­ пература окружающей среды).

Все эти факторы, предопределяя значение соотношения напряжений в стали, характеризуют склонность ее к хрупкому разрушению. Но для

того чтобы произошло хрупкое разрушение стали согласно условию (6), в ней должно под влиянием тех или иных причин произойти

перераспределение внутренних напряжений (в условиях действующих нагрузок при наличии концентраторов напряжений), приводящее к уменьшению доли касательных напряжений и возрастанию доли нор-

65

5 - 6682

мальных напряжений, вызывающих хрупкое разрушение стали. Такими причинами, влияющими на изменение напряженного состояния стали, являются понижение температуры окружающего воздуха, повышение скорости нагружения (например, удар или внезапное повышение дав­ ления в трубопроводе), что может привести к хрупкому разрушению, особенно при наличии концентраторов напряжений.

С понижением температуры эксплуатации или температуры монта­ жа у пластичных металлов и сплавов, имеющих в своей тонкой структу­ ре кристаллическую решетку в виде объемно центрированного куба, происходит резкое ухудшение механических свойств, называемое яв­ лением хладноломкости: прочностные показатели свойств (предел

текучести, временное	сопротивление) возрастают, пластические свой­
ства (относительное	удлинение, поперечное сужение) снижаются,

и особенно резко падает ударная вязкость (даже до нуля). Температу­ ра, при которой происходит резкое изменение механических свойств, называется критической температурой хрупкости или порогом хлад­ ноломкости.

Скорость нагружения влияет на склонность стали к хрупкому раз­ рушению аналогично действию отрицательных температур. С увеличе­ нием скорости приложения нагрузки может произойти разрушение ме­ талла путем отрыва под действием нормальных напряжений раньше, чем под действием касательных напряжений произойдет пластическая деформация. Опасность хрупкого разрушения зависит от значения и ха­ рактера напряженного состояния металла.

Резервуары и другие строительные конструкции имеют сложную конфигурацию и напряжения в них распределяются не равномерно, а концентрируются в местах перехода сечений, наличия дефектов ме­ талла, неметаллических включений и др. Так, гладкий лист или труба всегда имеют на поверхности какие-либо неровности и шероховатости, которые также являются концентраторами напряжений (рис. 39).

При низких температурах происходит перераспределение напряже­ ний и резкое увеличение их в местах расположения концентраторов на­ пряжений. Напряженное состояние характеризуется высоким З сдв и малым значением отношения т / аПУт.е. доля касательных напряжений уменьшается и возможность хрупкого разрушения возрастает.

Во избежание этого сталь для строительных конструкций не долж­ на быть чувствительной к надрезам, рискам, царапинам и другим поверхностным и внутренним дефектам строительного и металлур­ гического характера и должна обладать высокой пластичностью.

Сталь, менее загрязненная различными примесями, обладает мень­ шей склонностью к хрупкому разрушению, например спокойная хоро­ шо раскаленная сталь по сравнению с кипящей.

Химические элементы, входящие в состав стали, по влиянию на

66

а

Рис. 39. Концентрация напряжений в устье дефекта стального изделия с различны­ ми концентраторами напряжений:

а —трещина; б, г —острый надрез разной глубины; в —скругленный надрез; / — глубина дефекта; г — радиус закругления в вершине дефекта; аср - среднее напряжение эпюры напряжений по сечению изделия

склонность стали к хрупкому разрушению и хладноломкости делятся на три группы:

безусловно повышающие склонность к хладноломкости и к хруп­ кому разрушению - углерод, водород, кислород, фосфор и сера;

оказывающие двоякое влияние на сталь — марганец, кремний, алюминий, хром, молибден, вольфрам, ванадий - до определенного содержания не повышают, а сверх этого предела повышают склон­ ность стали к хрупкому разрушению;

безусловно понижающие склонность к хладноломкости и хруп­ кому разрушению —никель.

Внутреннее строение стали, зависящее от режима горячей обра­ ботки давлением, термической обработки, степени пластической де­ формации (наклепа), наличия и равномерности распределения неметал­ лических включений и других дефектов, также характеризует ее склон­ ность к хрупкому разрушению.

Крупнозернистая сталь обладает большей хрупкостью по сравнению с мелкозернистой.

Склонность к хрупкому разрушению увеличивают:

старение вследствие распада пересыщенного твердого раствора и выпадения мельчайших частиц (оксидов, нитридов);

наклеп вследствие снижения пластичности и вязкости стали; анизотропия свойств в различных кристцллографических направ­

лениях и скопления неметаллических включений в стали;

67

повышение размеров строительных конструкций, толщины их элементов, т.е. масштабный фактор. С увеличением размеров строи­ тельных конструкций температура хрупкости стали смещается в об­ ласть положительных температур.

Методы оценки хрупкости стали. Оценку склонности стали к хруп­ кому разрушению по ударной вязкости обычно осуществляют на образцах с концентратором U типа Менаже с проведением серии их ис­ пытания при различных температурах. На основании испытаний для каждого образца определяют значение ударной вязкости и процент волокна (В) в его изломе. Как указывалось выше, при хрупком раз­ рушении плоскости разрушения имеют кристаллический блестящий

излом, а при вязком	—матовый волокнистый. Затем строят графики
(рис.40.). Принимая	50 %-ную волокнистость за критическую вели­
чину, определяют порог хладноломкости -		критическую темпера­
туру хрупкости 750	ПРИ В = 50%. Затем на другом графике по Т50
находят минимально допустимую ударную вязкость			KCU50 при В =
= 50%. Для надежной эксплуатации стали ее ударная			вязкость долж­
на быть не менее KCU5 0 . Тн—Тв —температурный интервал перехода
стали из области хрупкого в область вязкого		разрушения. В техниче­

ских условиях на поставку стали обычно указывают минимально допустимую ударную вязкость KCU при определенной температуре.

Оценка склонности стали к хрупкому разрушению по составляю ­ щим ударной вязкости основана на том, что разрушение металла происходит обычно в две стадии: зарождение трещины и ее развитие (распространение) При этом на его разрушение затрачивается опре­ деленная работа К.

Общая ударная вязкость КС или работа разрушения К не позволяет отразить сопротивление стали зарождению и распространению трещи­ ны. При эксплуатации различных стальных конструкций известно мно­ го случаев, когда происходило их разрушение, хотя сталь имела допу­ стимую ударную вязкость.

Поэтому для более правильной оценки склонности стали к хруп­ кому разрушению в настоящее время принято разлагать ударную вязкость на составляющие:

работу, затрачиваемую на распространение трещины (КСр или Кр), которая характеризует сопротивление, металла зарождению трещины, работу, затрачиваемую на зарождение трещины (КС3 или К3) , которая характеризует сопротивление металла распространению тре­

щины.

Существует несколько методов определения составляющих удар­ ной вязкости, основанных на статических (метод Б.А. Дроздовского) и динамических испытаниях (методы Отани, А.С. Лившица и А.С. Рах­ манова, А.П. Гуляева, О.П. Бакши, А.Н. Моношкова и др.).

Наибольшее применение нашел метод Отани (Япония) разделения

68

	Энергии поглощенная при
	ударе, Д м / с м г
Рис. 40. Графики зависимости процен­	Рис. 41. Разделение ударной вязкости
та волокна В в изломе и ударной вяз­	на составляющие методом Отани
кости KCll стали от температуры ис­
пытания Т

ударной вязкости на составляющие при помощи двойного удара (рис. 41 )tСерию образцов (например, типа I) испытывают на ударный изгиб при различном запасе энергии удара, достаточном для образова­ ния трещины в основании концентратора. Далее образцы травят в ще­ лочном растворе двуххлорной меди для выявления трещины. Затем образцы повторно подвергают воздействию удара (разрушают) при стандартном значении энергии удара, после чего на каждом из них в изломе определяют глубину трещины. На основании данных испыта­ ний строят график зависимости глубины трещины от поглощенной энергии. Работу распространения и работу зарождения трещины опреде­ ляют, продолжив кривую до пересечения с осью абсцисс (см. рис.41). Установленное таким образом нулевое значение глубины трещины служит критерием, характеризующим переход в стали от стадии зарож­ дения к стадии распространения трещины.

Б.А. Дроздовский и Я.Б. Фридман предложили проводить динами­ ческое испытание на ударный изгиб с искусственно зарожденной уста­ лостной трещиной. Трещина зарождается до заданной глубины (1 мм), начиная от дна надреза, на специальном вибраторе. Испытание таких образцов дает возможность непосредственно определить работу рас­

пространения трещины КСр Или КСт.у (где индекс ”т.у.° - трещина усталостная).

69

\ \ \ \ \

Рис. 42. Схема испытания образца ДВТТ:

1 — образец; 2 —пуансон; 3 —опоры; t —толщина образца; R —радиус закруг­ ления в вершине концентратора

В Советском Союзе и за рубежом разрабатывают новые мето­ ды оценки сопротивления металлов хрупкому разрушению, так как существующие подходы к оценке прочности крупногабаритных метал­ лических конструкций с использованием данных, полученных на стан­ дартных небольших образцах, оказываются недостаточными. Стали,, которые при обычных лабораторных испытаниях обнаруживают до­ статочную пластичность, в процессе эксплуатации конструкции часто дают хрупкое разрушение.

Оценка склонности стали к хрупкому разрушению по процен­ ту волокна в изломе нашла применение для трубных сталей. Для этого проводят ударные испытания на специальных нолнотолщинных образцах Баттеля (DWTT или ДВТТ) (рис. 42), которые вырезают из труб. Центральную часть образца (минимум по 25 мм по обе сто­ роны от надреза) не выпрямляют, сохраняя радиус кривизны трубы, чтобы не исказить результаты испытания. Образцы подвергают испы­ танию на ударный изгиб при разных температурах и определяют по проценту волокна в изломе, температуру перехода стали в хрупкое состояние. Эту температуру принимают минимально допустимой тем­ пературой эксплуатации трубопровода.

Оценку склонности стали к хрупкому разрушению на натурных образцах проводят с рассмотрением процесса разрушения стали с позиций линейной механики разрушения и с учетом поправок на спе­ цифические особенности работы данного материала в конструк­ ции. Такая методика исследований разработана, например, М.П. Анучкиным, Н.И. Аненковым, А.С. Болотовым и другими во ВНИИСТе и ВНИИГАЗе применительно к условиям эксплуатации трубопроводов.

70