Величину Jic, пропорциональную площади ОАСЕ на диа грамме P — v (или P — f), вычисляют по формуле
. |
(1-И2) *? с |
J 1с |
—--------- |
Применительно к образцам со сварными соединениями при веденный выше метод испытаний используется для оценки трещиностойкости отдельных зон соединения, в которых наносится надрез и наводится усталостная трещина. Однако при испыта-
Рис. 6.25. Сварные образцы для испытаний на трещиностойкость:
а и б — с протяженным внутренним и поверхностным непроваром [14]; |
в — с поверх: |
ностным непроваром ограниченной длины [14]; г — конструкция образца |
для получения |
при сварке непровара ограниченной длины [15] |
|
ниях зоны сплавления и зоны термического влияния затрудни тельно точное изготовление надреза и возможен увод усталост ной трещины из нужной зоны. Наиболее подходящими в этом случае являются образцы с /(-образным сварным соединением, в которых надрез изготавливается со стороны вертикальной кромки.
В образцах со сварными соединениями для испытаний на трещиностойкость надрез и усталостная трещина могут быть заменены трещиноподобным дефектом, искусственно созданным в процессе сварки, например, непроваром с нулевым зазором (рис. 6.25) (14]. Одно из условий такой замены состоит в том,
чтобы |
радиус закругления |
в |
вершине дефекта не |
превышал |
1 % от |
глубины дефекта. |
При |
условиях а^О ,8 6 а0,2 |
и / > 2 , 5 5 |
в вершине трещины достигается состояние плоской деформа ции, необходимое для определения Кю- КИН для сварных об разцов может быть_рассчитан по формулам для образцов I
и II типов: К= Yio л/h
his |
0 |
|
0,1 |
0,2 |
0,3 |
0,4 |
0,5 |
0,6 |
||
Y, |
1,255 |
1,255 |
|
1,288 |
1,328 |
1,392 |
1,490 |
1,635 |
||
Yu |
1,99 |
2,11 |
|
2,43 |
2,95 |
2,76 |
|
— |
— |
|
для образца |
III типа: |
/(=1,775<J V a • A В |
'»cilb > |
У8 -f- a/6s; |
||||||
A = 1,12—0,96a/b; B = l-a /s (l— l,5a/b); |
C -0,26 alb(6 |
|
||||||||
Применение |
сварных |
образцов |
с |
непроваром |
позволяет су |
|||||
щественно упростить и ускорить их изготовление, испытывать
|
|
|
|
|
металл сварного соединения в исход |
||||||||||||
|
|
|
|
|
ном |
состоянии после |
сварки |
или |
по |
||||||||
|
|
|
|
|
следующей |
термообработки |
|
(без |
его |
||||||||
|
|
|
|
|
видоизменения |
при |
наведении |
устало |
|||||||||
|
|
|
a rc tg n |
стной трещины), |
выполнять |
испыта |
|||||||||||
|
|
|
ния |
непосредственно |
|
после |
сварки, |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
когда металл находится в неравно |
||||||||||||
|
|
|
|
|
весном состоянии. Так, например, мо |
||||||||||||
|
|
|
|
|
жно |
исследовать |
|
процесс |
развития |
||||||||
|
|
|
|
|
холодных |
трещин |
в |
соединениях |
ле |
||||||||
|
|
|
|
|
гированных |
сталей — их |
|
остановки |
|||||||||
|
|
|
|
|
или сквозного выхода на поверхность. |
||||||||||||
|
|
к |
Kn K. |
При |
этом |
|
разрушение, |
как |
правило, |
||||||||
|
|
|
0 n fc |
происходит |
по |
зонам, |
обладающим |
||||||||||
|
|
|
?-/? |
||||||||||||||
|
|
|
минимальным |
сопротивлением |
разви |
||||||||||||
Рис. 6.26. |
Вид |
зависимости |
тию |
трещин [15]. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Следует |
отметить, |
|
что |
если при |
|||||||||||||
скорости роста трещин |
(V) |
при |
|
||||||||||||||
усталостном |
нагружении от |
ве |
испытании |
|
сварных |
образцов |
с |
не |
|||||||||
личины |
КИН |
|
|
проваром |
затруднительно |
построение |
|||||||||||
|
|
|
|
|
диаграммы |
|
р — о, то для |
сравнитель |
|||||||||
ной количественной оценки в качестве критерия трещиностойкости вместо Кю можно использовать значение К*, рассчитан ное по максимальным разрушающим напряжениям Стах.
При возможности фиксирования кинетики медленного роста трещины также могут быть получены пороговые значения КИН:
Кт3 — соответствующее |
зарождению |
трещины |
глубиной |
—0,1 мм; Ктр — началу |
медленного роста трещины; |
Кт0 — ос |
|
тановки трещины (при исследовании роста холодной трещины). Испытания на трещиностойкость при циклическом нагруже нии (основные) -выполняются для следующих условий: нагру жение по простому периодическому закону с синусоидальной формой цикла, коэффициент асимметрии R = —0,1; частота / = = 10—20 Гц, число циклов N ^ IO 5 [16]. При специальных испы таниях имитируются эксплуатационные условия работы кон струкций, применительно к которым определяются характери стики трещиностойкости. В процессе испытаний устанавливают скорость роста трещины V(Al/A'N, dl/dN), где Л/ — средний при-
рост длины трещины при заданных условиях испытаний и зави симость V от К (рис. 6.26):
dl/dN = V* (K ma%/K * f' |
|
где К* и п — п а р а м |
е т р ы зависимости. |
Измерение Д/ |
производят различными способами: замером |
меток на изломе образцов, образующихся в результате действия максимальных и минимальных нагрузок цикла; по разности электрических потенциалов в определенных точках образца при росте трещины и др.
К* соответствует V*, равной 10-7 м/цикл. Величину п опре деляют по углу наклона средней части зависимости аппрокси мируемой прямой в двойных логарифмических координатах.
В результате испытаний определяют следующие характери стики трещиностойкости при циклическом нагружении: Ktn— пороговый КИН, при котором начинается страгивание трещины; Кт — критический КИН, при котором происходит лавинооб разное развитие трещины. Величину Kfc принимают равной Kite при удовлетворении следующих условий:
1) наибольший размер пластической зоны у вершины тре
щины не должен |
превышать |
10 % ее длины и расстояние от |
ее вершины до края образца; |
|
|
2) Кщах^ 0 ,8о’о,а |
1 и ^тах ^ |
0 ,800,2- |
Размер зоны пластической деформации определяют визу ально на полированной поверхности образца.
Максимальная допустимая нагрузка, при нагружении до которой возможна работа конструкции с медленно растущей трещиной, может быть определена /СоПри КИН свыше Ко на чинается ускоренный рост трещины, неминуемо приводящий к разрушению конструкции. По аналогии со статическим нагру жением Ко подобен KQ или К\с-
Раздел |
2 УГЛЕРОДИСТЫЕ |
|
И НИЗКОЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ |
Г л а в а |
7, Углеродистые стали (Хакимов А. Н.) |
7.1. Назначение сталей
Углеродистые стали широко применяются при изготовлении конструкций мостов, строительных сооружений, подъемно-транспортных и дорожных ма шин, оборудования для нефтяной и газовой промышленности. Температур ная область их применения может охватывать диапазон от —40 до + 425 °С
159
в зависимости от состава, степени раскисления и структурного состояния,
обеспеченного термообработкой.
Раскисление сталей. Механические и технологические свойства сталей в значительной степени предопределяются их раскисленностыо. По степени
раскисленности различают |
три группы |
сталей — кипящие (кп), |
полуспокой- |
|
ные (пс) и спокойные (сп). |
|
|
||
Кипящие |
стали — это |
стали, раскисленные только Мп. В составе кипя |
||
щих сталей |
практически |
отсутствует |
Si. Его содержание не |
превышает |
0,05 %. Для этих сталей характерна повышенная неоднородность распре деления S и Р по толщине проката и пониженная стойкость против хруп кого разрушения. Они склонны к старению. Кипящие стали имеют самый низкий уровень качества среди рассматриваемых трех групп сталей. Но вместе с тем они имеют наиболее низкую стоимость, что предопределяет их распространенность в промышленности.
Полуспокойные стали — это стали, раскисленные Мп и AL. Содержание кремния в них составляет 0,05—0,10% . Эти стали в меньшей степени на сыщены газами и более однородны по распределению примесных элементов по толщине проката по сравнению с кипящими. По уровню механических свойств и стоимости полуспокойные стали занимают промежуточное поло жение между кипящими и спокойными.
Спокойные стали получают посредством их полного раскисления крем нием, марганцем и алюминием. При этом N и 0 2 в их составе связаны А1. Для спокойных сталей характерна повышенная дисперсность феррито-пер литной структуры. При переходе от полуспокойных к спокойным сталям отмечается увеличение ударной вязкости и снижение склонности металла к старению. При этом возрастает и стоимость стали. Содержание Si в со ставе спокойных сталей обычно составляет 0,14—0,30 %.
7.2. Состав сталей
По соображениям обеспечения благоприятной свариваемости содержание углерода в сталях ограничивают верхним уровнем, соответствующим 0,22— 0,25 %. Реже применяются углеродистые стали с содержанием углерода до
0,30—0,40 %. |
|
|
|
|
|
|
В составе |
углеродистых |
сталей, кроме основы — Fe и С, содержится |
Мп |
|||
(до 0,80% ), Si |
(до 0,35% ), |
а также примесные элементы— |
S (до |
0,05% ), |
||
Р (до 0,04 %) |
0 2 |
(до 0,05 %), N, Н2 и др. |
делятся |
на |
две |
|
По качественному признаку низкоуглеродистые стали |
||||||
группы: обыкновенного качества и качественные. Стали обыкновенного ка чества поставляют без термообработки в горячекатаном состоянии. В зави
симости от |
назначения углеродистые |
стали поставляют |
в соответствии |
|||||
с ГОСТ 380—88 по трем группам; |
А — по |
механическим |
свойствам; |
Б — по |
||||
химическому |
составу; |
В — по |
механическим свойствам |
и химическому со |
||||
ставу. Стали, |
предназначенные |
для |
котлостроения, поставляются по |
ГОСТ |
||||
5520—79, а для судостроения — по ГОСТ 5521—86. |
|
|
|
|||||
Химический состав |
некоторых |
марок |
низкоуглеродистых |
сталей |
приве |
|||
ден в табл. 7.1. |
|
|
|
|
|
|
|
|
7.3. Механические свойства сталей
Механические свойства предопределяются содержанием углерода в составе стали, степенью ее раскисленности, видом и режимами термообработки, влияющей на структурное состояние. Показатели механических свойств ряда марок углеродистых сталей представлены в табл. 7.1.
Прочность сталей. Прочность углеродистой стали закономерно возрас тает с увеличением содержания углерода в ее составе и уменьшается с увс личением толщины проката. У стали ВСтЗГ с увеличенным до 0,8— 1,1 %
149 № з а к а З
|
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАЛОУГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ |
|
|
|||||
|
Пределы содержания химических элементов, % |
|
|
К с и , |
МДж/м:* при |
|||
Марка стали |
|
|
|
°0.2- МПа |
ав, МПа |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
С |
Мп |
Si |
|
|
+20 °С |
—20 °С |
-40 °С |
ВСтЗкп |
0,14—0,22 |
0,30—0,60 |
< 0 ,0 7 |
200—240 |
340—470 |
____ |
____ |
— |
ВСтЗпс |
0,14—0,22 |
0,40—0,65 |
0,05—0,17 |
210—250 |
380—490 |
0,3 |
0,3 |
0,3 |
ВСтЗсп |
0,14—0,22 |
0,40—0,65 |
0,12—0,30 |
210—250 |
380—490 |
0,5 |
0,5 |
— |
ВСтЗГпс |
0,14—0,22 |
0,80— 1,10 |
0,15 |
210—250 |
380—500 |
0,3 |
0,3 |
0,3 |
ВСт4пс |
0,18—0,22 |
0,40—0,70 |
0,12—0,30 |
240—270 |
420—540 |
0,4 |
0,4 |
0,4 |
ВСтбпс |
0,28—0,37 |
0,50—0,80 |
0,05—0,17 |
— |
- |
'Ч |
— |
— |
— |
|
|||||||
ВСтбпс |
0,28—0,37 |
0,50—0,80 |
0,15—0,35 |
— |
— |
— |
— |
— |
08кп |
=£$0,01 |
0,25—0,45 |
< 0 ,0 3 |
— |
260—370 |
— |
— |
— |
10 |
0,07—0,14 |
0,35—0,65 |
0,17—0,37 |
<220 |
< 3 8 0 |
— |
— |
— |
20 |
0,17—0,24 |
0,35—0,65 |
0,17—0,37 |
< 2 4 0 |
— |
— |
— |
— |
15К |
0,12—0,20 |
0,35—0,65 |
0,15—0,30 |
210—230 |
380—490 |
— |
0,3 |
— |
16К |
0,12—0,20 |
0,45—0,75 |
0,17—0,37 |
240—260 |
410—500 |
0,7 |
0,3 |
— |
18К |
0,14—0,22 |
0,55—0,85 |
0,17—0,37 |
280—470 |
440—580 |
0,6 |
0,3 |
— |
20К |
0,16—0,24 |
0,35—0,65 |
0,15—0,30 |
230—250 |
410—520 |
0,6 |
0,3 |
|
~