Сопротивление хрупкому разрушению

Все многообразие таких факторов на практике можно свести к основным пяти: динамический характер нагружения, отрицательная климатическая температура, увеличение сечения элементов конструкций, наличие концентраторов напряжений, а также неблагоприятная микроструктура стали (повышенные разнозернистость. структурная и химическая неоднородность, загрязненность неметаллическими включениями и др.). В случаях одновременного воздействия четырех и более из перечисленных факторов хрупкое разрушение конструкций становится весьма вероятным, что требует проведения соответствующих расчетов.

Мелкозернистая и однородная микроструктура стали обеспечивает ей повышенную вязкость и частично может компенсировать отрицательное воздействие основных охрупчивающих факторов. Поэтому, чем больше факторов детерминированно действует при эксплуатации стальных конструкций, тем более высокие требования следует предъявлять к уровню вязкости стали.

Общие закономерности изменения основных механических характеристик конструкционных строительных сталей и условия перехода разрушения от вязкого к хрупкому при понижении температуры обычно выделяют четыре области I...IV.

Области I и II соответствуют разрушению элементов конструкций после общего пластического течения в их сечении-нетто и деформационного упрочнения, т. е. при номинальных растягивающих напряжениях, намного превышающих предел текучести стали. При этом излом стали характеризуется наличием значительного количества волокнистой составляющей В, уменьшающегося по мере снижения температуры от 100...50% в области I и практически до нуля — левая граница области II. Другими словами, возникновению и распространению трещины сколом в элементах конструкций предшествует формирование обширной зоны пластической деформации, что фактически является энергетическим барьером, предотвращающим их хрупкое разрушение. Поскольку низкоуглеродистые и низколегированные стали характеризуются достаточно высокими показателями пластичности в температурном интервале области II, то хрупкое разрушение элементов конструкций из этих сталей в указанном интервале температур может произойти лишь при одновременном действии 4-х и более основных охрупчиваюших факторов, стесняющих развитие пластической деформации. Поэтому требования к материалу сварных конструкций, эксплуатирующихся при температурах ниже —40° С или в условиях динамического нагружения, или изготовленных из проката сечением более 20 мм обычно связывают с первой критической температурой хрупкости (T_1кр).

При температурах области III разрушение элементов конструкций происходит сколом, т. е. В ≈ 0%, при минимальной пластической деформации и напряжениях σ^P_H, близких к σ_Т. Такой вид разрушений следует классифицировать как квазихрупкое разрушение. Граничная температура между областями II и III называется температурой нулевой пластичности Т_н.п, ниже которой в изломе практически не наблюдается волокнистой составляющей. Со стороны отрицательных температур область III ограничивается температурой, называемой в технической литературе второй критической температурой хрупкости Т_2кр и соответствующей условиям разрушения элементов конструкций сколом при напряжениях сгн, равных или несколько меньших σ_Т.

Наиболее часто критические температуры хрупкости и условные пороги хладноломкости устанавливают по энергетическому критерию: работе разрушения А или ударной вязкости (KCU, KCV и др.), или по изменению их значения относительно максимальных значений этих параметров. Этот критериальный параметр в сильной степени зависит от размеров образца, типа надреза, прочности стали и ее структуры, особенно от фазового состава и размера ферритного зерна. Высокая чувствительность критических температур хрупкости к структурным параметрам, определяемым по энергетическим критериям при испытании стандартных образцов на ударный изгиб, обусловило их широкое использование при проведении научных исследований, а также в практике приемо-сдаточных испытаний.
Оценку сопротивления хрупкому разрушению элементов стальных конструкций часто производят при испытаниях крупных образцов толщиной, равной толщине проката, предложенных Кинцелем и Робертсоном. При этом за температуру Т_н.п при испытаниях образцов Кинцеля принимается температура, при которой относительное сужение у дна F-образного надреза после разрушения не превышает 1 %. Температура, при которой номинальное разрушающее напряжение становится меньше предела текучести, принимается за критическую температуру Т_2кр. При этих испытаниях за Т_1кр принимают температуру, при которой останавливается быстро распространяющаяся трещина в случае нагружения образца Робертсона с заданным,градиентным температурным полем.

Сопротивление стального проката хрупкому разрушению как в исследовательских работах, так и в нормативно-справочной документации обычно оценивают по результатам испытаний на ударный изгиб небольших надрезанных образцов при отрицательных температурах. Чаще всего используются образцы типов I и II по ГОСТ 9454-78 с U-образным, типа Менаже, и острым F-образным, типа Шарпи, надрезами соответственно, вырезанные вдоль или поперек направления прокатки. При этом определяют энергетические характеристики разрушения стали: полная работа разрушения образца А, Дж и ударная вязкость KCU, KCV, Дж/см². т.е. отношение полной работы разрушения надрезанного образца к его сечению-нетто. За критическую температуру перехода от вязкого к хрупкому разрушению (или хладостойкость) принимается температура, при которой А или KCU, KCV равны или превышают их заданные значения.

В последние годы для оценки сопротивления хрупкому разрушению сталей для строительных конструкций все большее применение, особенно в исследовательских работах, находят испытания образцов с предварительно нанесенной усталостной трещиной с определением характеристик вязкости разрушения: критического коэффициента интенсивности напряжений К_1с, раскрытия в вершине трещины σ_c, критического значения J-интеграла J_c или J_1c, критического коэффициента плотности деформаций S_c. Подобные испытания имеют ряд важных преимуществ по сравнению с вышеописанными испытаниями на статический и ударный изгиб надрезанных образцов. Во-первых, они позволяют количественно оценить одно из основных эксплуатационных свойств элементов строительных конструкций — сопротивление хрупкому разрушению при наличии в них острых надрезов типа трещины, часто присутствующих в сварных конструкциях, т. е. их трешиностойкость, а также длину опасной трещины. Во-вторых, характеристики линейной механики разрушения являются более структурно-чувствительными, что весьма важно для оптимизации параметров упрочняющих обработок проката из этих сталей.

В пластичных сталях при росте номинального напряжения напряжение у вершины трещины всегда превышает предел текучести (во всяком случае раньше, чем коэффициент интенсивности напряжения достигает критического значения). При этом в вершине трещины в зоне размером r_т возникают пластические деформации.

Для строительных сталей предпочтительнее использовать энергетические характеристики трещиностойкости. Сущность метода J-интеграла Для оценки разрушения материала в упругопластической области состоит в привлечении представлений об интенсивности высвобождения энергии Деформации при распространении трещины. Значение J-интеграла зависит от изменения потенциальной энергии, связанной с увеличением размера трещины. При упругом (линейном и нелинейном) поведении материала из-за обратимости деформации характеризует энергию, необходимую для распространения трещины.