Склонность стали к хрупкому разрушению

Влияние этих факторов усугубляется особенностями процесса технологической обработки металлоконструкций при их изготовлении, что, как правило, сопровождается пластическими деформациями, приводящими к наклепу стали, ее последующему старению, а в итоге частичному исчерпанию исходной пластичности стали. Исчерпание пластичности может оказаться настолько большим, что при наличии концентрации напряжений и незначительном снижении температуры возможно разрушение конструкции при средних растягивающих напряжениях, значительно меньших предела текучести. При этом особенно опасно частичное исчерпание пластичности при местных термопластических деформациях, происходящих в местах стеснения деформаций расширения металла при его технологическом нагреве (сварка или правка с нагревом). Это приводит к наклепу и интенсивному местному старению стали.

Старению стали также способствуют:

- механические воздействия и особенно развитие пластических деформаций (механическое старение);

- температурные колебания, приводящие к физико-химическому старению; так, даже незначительным нагревом (до 150-200°С) можно резко усилить процесс старения.

Значительное снижение пластичности наблюдается из-за гильотинной резки стали, создающей локальную пластическую деформацию, а также острые концентраторы напряжений в виде микротрещин и надрывов, которые неизбежно возникают при этом способе обработки стали.

Частичное исчерпание пластичности стали в сечениях с концентрацией напряжений в сочетании с низкой температурой может привести к тому, что при силовом воздействии на конструктивный элемент в опасном сечении не произойдет выравнивания напряжений и станет возможным хрупкое разрушение при средних напряжениях, приближающихся к уровню рабочих напряжений от эксплуатационных нагрузок. В этих случаях опасными становятся собственные и другие остаточные напряжения, суммирующиеся с рабочими напряжениями.

Для конструкций из малоуглеродистых и низколегированных сталей среди многочисленных факторов хрупкого разрушения их элементов влияние низких температур оказывается настолько существенным, что сопротивление хрупкому разрушению отождествляется с понятием хладостойкости элементов конструкций. Фактическая хладостойкость элементов конструкций, выполненных из малоуглеродистой стали, в зависимости от степени ее раскисления иллюстрируется статистическими данными отказов в работе конструкций с конструктивно-технологическими дефектами (рис. 15).

Как видно из данных, полученных на основании анализа отказов, хрупкое разрушение конструкций из кипящей стали может наступить при температуре 0°С, а конструкций из спокойной стали - при температуре минус 10°С. Этим температурам соответствует примерно 3% из разрушенных конструкций, выполненных из сталей той и другой марок. Примерно 50% из всех разрушенных конструкций соответствует наинизшая температура минус 22°С - для кипящей стали и минус 30°С - для спокойной стали. Далее разница между максимальной хладостойкостью конструкций из спокойной и кипящей стали, по данным отказов в работе, имеет тенденцию к уменьшению. Таким образом, анализ данных отказов показывает, что при наличии в конструкциях конструктивно-технологических дефектов хладостойкость конструкций, выполненных из спокойной стали, превышает аналогичный показатель конструкций, выполненных из кипящих сталей, примерно на 10°С.

Значительный интерес для продолжения этого анализа представляет сопоставление диапазонов критических температур по ударной вязкости* для сталей разных степеней раскисления (рис. 15, б). Как видно из этих данных, минимальный и максимальный разрывы между интервалами критических температур для спокойной и кипящей стали составляют соответственно 0 и 30°С, что рекомендуется использовать при назначении приближенных значений первых критических температур для конструкций из кипящей стали. С учетом результатов, полученных из рис. 15, а, а также в связи с необходимостью иметь определенный запас хладостойкости (порядка 10°С) при назначении нижней границы диапазона первой критической температуры для конструкций из кипящей стали рекомендуется принимать ее на 10°С выше, чем для конструкций из спокойной стали.

_____________

* За критическую температуру по ударной вязкости принимается температура, при которой ударная вязкость ниже нормативной (3,0 кгсм/см²).

Основной причиной снижения хладостойкости кипящей стали и конструкций из нее является повышенное содержание кислорода и резкая неоднородность в распределении углерода, серы и фосфора. Это приводит в готовом прокате в некоторых зонах к местному содержанию углерода до 0,3-0,4% и серы до 0,15%, что значительно превышает предусмотренный стандартом средний уровень. По сечению готового проката примеси также распределены неравномерно: центральные слои обогащены ими, наружные бедны. Неоднородность химического состава проката кипящей стали сопровождается также неоднородностью механических свойств.

Другой основной причиной низкой хладостойкости кипящей стали является грубая структура проката, наличие продуктов промежуточного распада, крупное зерно и т.п. Вследствие этого кипящая сталь характеризуется пониженными показателями прочности и сопротивляемости хрупкому разрушению, особенно в прокате толщиной 20 мм и более.

Особенно ярко проявление склонности кипящей стали к хрупким разрушениям может быть показано зависимостями ударной вязкости от температуры (рис. 16), когда при определенной отрицательной температуре наблюдается резкое снижение значения ударной вязкости (так называемый порог хладноломкости). Следует отметить, что аналогичные зависимости для полуспокойной и спокойной стали имеют более плавный характер.

При температуре +20°С разрушение растянутых стальных стержней сопровождается значительными пластическими деформациями и происходит при средних напряжениях, близких к временному сопротивлению. Поверхность излома при этом, как правило, ориентируется под углом 45° к линии действия главных растягивающих напряжений и имеет матовый волокнистый вид. В месте излома образуется утонение (сужение) элемента. Такой вид разрушения (излома) называется вязким.

Когда развитие пластических деформаций тормозится теми или иными причинами, характер разрушения стальных элементов меняется. Поверхность излома при этом ориентирована перпендикулярно линии действия максимальных растягивающих напряжений, на его поверхности появляется характерный кристаллический блеск, а сужение в изломе резко уменьшается. Кроме того, на поверхности излома обычно заметен характерный рисунок, получивший название шевронного узора. На рис. 18 схематически показан характер такого узора, напоминающего "елочку". Следует отметить, что при наличии шевронного узора можно с высокой степенью достоверности определить очаг зарождения разрушения, который всегда совпадает с вершиной "елочки", что весьма важно при обследовании частично или полностью разрушившихся конструкций, так как часто позволяет установить причину или источник разрушения. Такое разрушение элемента конструкции называется квазихрупким и сочетает в себе признаки хрупкого (без пластических деформаций) и вязкого разрушений. Средние разрушающие напряжения при квазихрупком разрушении находятся в диапазоне между пределом текучести и временным сопротивлением стали.

Рис. 15. Зависимость чиста отказов в работе металлоконструкций с конструктивно-технологическими дефектами, выполненных из малоуглеродистой стали, от температуры эксплуатации и степени раскисления стали (а) и интервалы критических температур по ударной вязкости для сталей с различной степенью раскисления (б):

1 - конструкции и образцы из кипящей стали; 2 - конструкции и образцы из спокойной стали; 3 - образцы из полуспокойной стали; m - отношение чиста отказов при температуре, превышающей значений t к общему числу отказов

Первая критическая температура для стали Ст3 находится в пределах плюс 10 - минус 40°С.

Хрупкое разрушение элементов стальных конструкций характеризуется отсутствием макропластической деформации и кристаллическим видом излома при низком уровне напряжений (0,1-0,8 предела текучести). При этом шевронный узор практически не обнаруживается. Разрушение происходит при значительном уменьшении пластических деформаций. Однако следует отметить, что хрупкое разрушение невозможно без предшествующих пластических деформаций. Основная опасность квазихрупких и хрупких разрушений элементов конструкций заключается, во-первых, в их внезапности и, во-вторых, в возможности их зарождения и развития при не столь больших напряжениях и возникающих при действии нагрузок нормальной эксплуатации.

Переход от квазихрупких разрушений к хрупким характеризуется второй критической температурой t_кр2, при которой разрушающее напряжение достигает предела текучести (см. рис. 17) при температуре +20°С.

t_кр1 и t_кр2 - первая и вторая критические температуры; ; и - пределы текучести, временное сопротивление стали и разрушающие напряжения; _т - предел текучести стали при температуре +20С

1 - очаг зарождения трещины квазихрупкого разрушения; 2 - участок с хрупким разрушением; 3 - участок с вязким разрушением; 4 - сварной шов

Физический процесс хрупкого разрушения стали в элементах конструкций имеет три стадии:

I - локальная пластическая деформация в зоне концентрации напряжений при силовых или температурных воздействиях на конструкцию, подготавливающая образование трещины;

II - зарождение микротрещины;

III - развитие трещины по всему сечению элемента.

Первые две стадии обычно рассматриваются как стадия зарождения трещины. Характерно, что условия зарождения трещины хрупкого разрушения и ее развития принципиально различны. Образование трещины не всегда сопровождается ее развитием на все сечение элементов. Поэтому сопротивление элемента хрупкому разрушению различно на II и III стадиях.

Наиболее опасным случаем хрупкого разрушения является такой, когда стадия зарождения трещины перерастает непосредственно в стадию ее развития. Такие случаи обычно приводят к внезапным катастрофическим обрушениям конструкций и являются с точки зрения натурных обследований непредотвратимыми.

Появление трещины, являющейся предельно острым концентратором напряжения, практически полностью устраняет влияние конструктивной формы на хладостойкость, так как сопротивление элемента распространению трещины определяется свойствами стали, масштабом элемента и самой конструкции и зависит от уровня потенциальной энергии упругой деформации, накопленной в системе под нагрузкой.

- классическую, в основу которой положен критерий перехода стали из вязкого состояния в хрупкое, т.е. критерии зарождения трещины;

- энергетическую, в основу которой положены критерии развития имеющейся трещины.

В основу данных Рекомендаций положены результаты, полученные при использовании обеих теорий. Сочетание этих двух теорий в практической деятельности (при эксплуатации и обследовании металлоконструкций, подверженных воздействию естественных температур) породило следующий практический подход к вопросу хрупкого разрушения, в соответствии с которым рассматриваются две стадии работы конструкций:

- до зарождения трещин;

- после появления трещин и до их критического развития.

Из практики эксплуатации стальных конструкций известны случаи безотказной работы при наличии и даже развитии трещин, в том числе при постоянном действии вибрационных нагрузок.

Согласно настоящим Рекомендациям, техническое состояние конструкций считается исправным, когда трещины в металле отсутствуют.

Однако трещина после зарождения не обязательно тут же развивается на всю длину. Более того, она может стабилизироваться, а затем снова при неблагоприятных условиях продолжать развиваться. Поэтому обнаружение зародившейся трещины является важнейшей задачей обследования конструкций.
Некоторые статистические результаты эксплуатации стержневых металлоконструкций
Анализ отказов в работе стальных конструкций с хрупким и квазихрупким разрушением их элементов свидетельствует о влиянии длительности эксплуатации конструкций на вероятность зарождения и развития хрупких трещин. Так, 50% всех отказов в работе происходит в первую зиму эксплуатации, 14% во вторую, 8% в третью зиму и т.д. До 80% всех отказов происходит за первые пять лет эксплуатации (рис. 19). Следует отметить, что с увеличением длительности эксплуатации отказы происходят при более низких температурах (см. рис. 19) и при более высоком уровне номинальных разрушающих напряжений.

Таким образом, в стальных сварных конструкциях, усилия в элементах которых не изменяются по знаку, происходит приспособляемость к воздействию низких температур, в результате чего их фактическая хладостойкость оказывается выше.

К физическим причинам, обусловливающим приспособляемость конструкции, относятся:

- развитие пластических деформаций в зонах концентрации напряжений, сглаживающее уровень концентрации напряжений (такие пластические деформации возникают под воздействием эксплуатационной нагрузки в теплое время года);

- снижение уровня остаточных растягивающих напряжений в зонах концентрации напряжений.

Установлено, что если конструкция введена в эксплуатацию в теплое время года, то ее приспособляемость идет весьма активно. Этим частично объясняется установленный факт повышенной аварийности конструкции с хрупким разрушением их элементов, введенных в эксплуатацию зимой.

Таким образом, при оценке эксплуатационной надежности конструкций необходимо учитывать фактическую длительность безотказной эксплуатации конструкций и отсутствие хрупких трещин и разрушений их элементов, установленное обследованиями.

Применительно к приведенным на рис. 3-6 ККТФНХ прочность элементов, выполненных из спокойной малоуглеродистой стали, может быть оценена по методике Новосибирского инженерно-строительного института, приведенной ниже.

При выполнении конструкций из кипящей стали, ввиду значительной неопределенности ее механических характеристик в части работы при низких температурах, рекомендуется оценивать прочность ККТФНХ на краях диапазона возможного разброса первой критической температуры, который определяется по значениям ударной вязкости и по результатам анализа отказов в работе (см. приложение 1).

Прочность ККТФНХ, выявленных в соответствии с рекомендациями разд. 4, оценивается следующим образом:

- устанавливается принадлежность конкретной конструктивной формы к формам, приведенным на рис. 2-6;

- устанавливается расчетная наружная температура эксплуатации t_э в соответствии со СНиП 2.01.01-82 [24] как средняя температура наиболее холодной пятидневки;

- в зависимости от характерного параметра - толщины элемента  - по графику на рис. 20 определяется первая критическая температура t_кр1 для данной КТФНХ и сравнивается с расчетной температурой эксплуатации t_э:

при t_э  t_кр1 хладостойкость рассматриваемой конструктивной формы считается обеспеченной и дальнейшая проверка не производится;

при t_э < t_кр1 рассматриваемая конструктивная форма требует специальной проверки на хрупкую прочность.

Соответствующие критические температуры эксплуатации узлов и конструкций, выполненных из сталей других степеней раскисления, могут быть определены приближенно по формуле:

где t_кр1 - первая критическая температура КТФНХ конструкции, выполненной из спокойной стали;

t - приближенная поправка к первой критической температуре для конструкций из полуспокойной и кипящей стали; для полуспокойной стали принимается в виде диапазона с нижней границей, равной 5°С и верхней - 15°С, а для кипящей - в виде диапазона с нижней границей 10°С и верхней - 30°С.

Рис. 20. Зависимость первой критической температуры t_кр1 от толщины  проката для характерных элементов конструктивно-технологических форм низкой хладостойкости, приведенных на рис. 2:

1 - дефекты типа Б1; 2 - дефекты типов B1, Д1, Д3; 3 - дефекты типа Г1; 4 - дефекты типов A1, А2, Б2, Б3, Д2, Д4; 5 - дефекты типов Д1, Д3; 6 - дефекты типов A1, A2, Б1, Б2, Б3, В1, Д2, Д4

где _m - теоретические напряжения от фактической нагрузки, установленной в процессе обследования;

R_u - расчетное сопротивление стали растяжению по временному сопротивлению;

_u - коэффициент надежности для элементов конструкций, рассчитываемых на прочность по временному сопротивлению, равный 1,3;

 - коэффициент снижения расчетного сопротивления при снижении эксплуатационной температуры ниже первой критической температуры, определяемый в соответствии с табл. 84 СНиП II-23-81 [2] или по формуле

(4)

где е - натуральное число;

 - коэффициент температурной зависимости, равный 0,005C^-1 для стали марки ВСт3кп; 0,0044C^-1 для стали марки ВСт3сп; 0,0028°С^-1 для стали марки 09Г2С.

Для отдельных КТФНХ при выполнении конструкций из кипящей стали диапазон изменения первой критической температуры и соответствующие ему значения коэффициентов  могут быть определены по данным рис. 21.

КТФНХ по рис. 2	Толщина , мм	Нижняя граница диапазона tкр1, C	Коэффициент  в формуле (3)
А	8	-29
	12	-21
	16	-13
	20	-5
Б	8	-31
	12	-19
	16	-7
	20	5
В	8	-14
	12	-6
	16	2
	20	10
Г1	8	-35
Г2	12	-25
	16	-15
	20	-10
Г1	8	-20
Г2	12	-5
вблизи сварки	16	+5
	20	+15
Д3	8	-10
	12	+5
	16	+20
	20	+30
Д4	8	-45
	12	-22
	16	0
	20	+15

Рис. 21. Зависимость нижней границы диапазона первой критической температуры от толщины характерного элемента конструктивно-технологических форм низкой хладостойкости, приведенных на рис. 2, и коэффициента  от температуры эксплуатации конструкций, выполненных из кипящей стали

Несоблюдение условий формулы (3) на обеих границах температурного диапазона означает, что конструкция, выполненная из кипящей стали, работает в области, где никакими факторами, выявленными в процессе обследования, в том числе и возможностью приспособляемости конструкции в процессе ее работы при положительных температурах, не может быть обоснована ее надежность и возможность ее дальнейшей эксплуатации. Такие конструкции должны быть демонтированы.

Рекомендуется дополнительно выполнять также проверку прочности КТФНХ обследуемых конструкций при средней температуре наиболее холодных суток и при абсолютной минимальной температуре.

При определении значения расчетного коэффициента  следует иметь в виду возможность возникновения хрупкого разрушения, т.е. когда t_эк = t_кр2 (см. рис. 17), чему соответствует равенство разрушающего напряжения () пределу текучести стали при температуре +20°С (_т). Этому состоянию соответствует допустимое значение коэффициента , равное отношению R_y/R_u, где R_y - расчетное сопротивление стали растяжению (изгибу) по пределу текучести. Для малоуглеродистой стали допустимое значение  равно 0,615, а с учетом некоторого дополнительного запаса значение расчетного коэффициента  не должно быть меньше 0,65.