Разрушения конструкции

В связи с отмеченной температурной зависимостью LIC опасность хрупкого разрушения конструкций из малоуглеродистых и низколегированных сталей резко возрастает по мере снижения температуры.

Эффект увеличения прочности кристалла каменной соли, а также экспериментально наблюдаемые многочисленные случаи преждевременного разрушения конструкций и сооружений при напряжениях, меньших условного предела текучести 00,2, явились цунмым показателем недостаточности развитых представлений о прочности как о постоянной материала. Поэтому при исследовании прочности, начиная с работ А. А. Гриффитса, Дж. И. Тейлора, Е. О. Орована, Дж. Р. Ирвина и др., появилось новое направление, в основе которого лежит детальное изучение самого процесса разрушения. Так как разрушение происходит в результате развития содержащихся в теле реальных дефектов, при оценке прочности нужен учет имеющихся в теле трещин и определение их влияния на прочность.

Для предотвращения катастрофического развития трещины и разрушения конструкций и сооружений трещины подкрепляют ребрами жесткости, препятствующими их распространению (рис. 20.1). Возможна следующая простейшая схематизация этой задачи [185, 219]. Бесконечная пластина единичной толщины

Как известно, водород широко применяется во многих отраслях техники и промышленности. Вместе с тем, обусловленное водородом повреждение металлов считается в настоящее время причиной многих аварий и катастроф, приносящих значительный ущерб. Среди разнообразных проявлений вредного влияния водорода на механические свойства (предел прочности, пластичность, характеристики усталости, ползучести и т. п.) особого внимания заслуживает обусловленное водородом облегчение зарождения и роста трещин в металлах. Связано это с тем, что независимо от того, насколько совершенны технология и качество изготовления, практически все конструкционные материалы и изделия из них содержат дефекты (или врожденные, или возникшие в процессе эксплуатации). При этом водород, воздействующий на металлы, значительно увеличивает их чувствительность к трещинам и увеличивает вероятность разрушения конструкций, обладающих при обычных условиях Достаточной несущей, способностью. Таким образом, эксплуатация металлов в атмосфере водорода приводит к необходимости оценки их трегциностойкости, а исследование закономерностей роста трещин в таких условиях приобретает большое значение.

В качестве твердых прослоек могут выступать сварной шов. зона термического влияния, промежуточная наплавка при сварке разнородных металлов и т. д. Ранее соединениям, имеющим в своем составе твердые прослойки с удовлетворительной деформационной способностью, уделялось мало внимания. Последнее связано с тем, что прочность рассматриваемых соединений лимитировалась механическими свойствами основного более мягкого металла М, а сама твердая прослойка в процессе нагружения либо работала упруго, либо незначительно вовлекалась в пластическую деформацию, Интерес к анализу предельного состояния соединений с твердыми прослойками возникает с появлением в них плоскостных дефектов, которые являются причиной разрушения конструкций по твердой прослойке.

Однако, при нагружении конструкций из малоуглеродистых, низко- и среднелегированных сталей, содержащих плоскостные дефекты, имеет место, как правило, развитое пластическое течение в вершине данных концентраторов (зона АВ на рис. 3.2). В общем случае это снижает опасность хрупких разрушений, так как часть энергии нагружения расходуется на образование пластических зон. В данных зонах напряжения и деформации уже не контролируются величиной коэффициентов интенсивности напряжений, а определяются из соотношений теории пластичности. Для некоторого упрощения описания процесса разрушения в механике разрушения вводят критерии, описывающие поведение материала за пределом упругости: 5С— критическое раскрытие трещины и Jc — критическое значение независящего от контура интегрирования некоторого интеграла. Деформационный критерий 6С основан на раскрытии берегов трещины до некоторых постоянных критических значений для рассматриваемого материала. На основе контурного Jp-интеграла представляется возможность оценить момент разрушения конструкций с трещинами в упруго-пластической стадии нагружения посредством определения энергии, необходимой для начала процесса разрушения. При этом полагается, что критическое значение энергетического параметра, предшествующее разрушению, является характеристикой материала. Существуют также и другие характеристики разрушения, которые не получили широкого распространения на практике. Например, сопротивление микросколу (Rc), сопротивление отрыву, угол раскрытия вершины трещины, двухпараметрический критерий разрушения Морозова Е. М. и др.

Контакт двух разнородных металлов является довольно распространенной причиной местного коррозионного разрушения конструкций, детали которых изготовлены из различных металлов.

В качестве твердых прослоек могут выступать сварной шов, зона термического влияния, промежуточная наплавка при сварке разнородных металлов и т. д. Ранее соединениям, имеющим в своем составе твердые прослойки с удовлетворительной деформационной способностью, уделялось мало внимания. Последнее связано с тем, что прочность рассматриваемых соединений лимитировалась механическими свойствами основного более мягкого металла М, а сама твердая прослойка в процессе нагружения либо работала упруго, либо незначительно вовлекалась в пластическую деформацию. Интерес к анализу предельного состояния соединений с твердыми прослойками возникает с появлением в них плоскостных дефектов, которые являются причиной разрушения конструкций по твердой прослойке.

Однако, при нагружении конструкций из малоуглеродистых, низко- и среднелегированных сталей, содержащих плоскостные дефекты, имеет место, как правило, развитое пластическое течение в вершине данных концентраторов (зона АВ на рис. 3.2). В общем случае это снижает опасность хрупких разрушений, так как часть энергии нагружения расходуется на образование пластических зон. В данных зонах напряжения и деформации уже не контролируются величиной коэффициентов интенсивности напряжений, а определяются из соотношений теории пластичности. Для некоторого упрощения описания процесса разрушения в механике разрушения вводят критерии, описывающие поведение материала за пределом упругости: 5С—критическое раскрытие трещины и Jc— критическое значение независящего от контура интегрирования некоторого интеграла. Деформационный критерий 5соснованна раскрытии берегов трещины до некоторых постоянных критических значений для рассматриваемого материала. На основе контурного ^-интеграла представляется возможность оценить момент разрушения конструкций с трещинами в упруго-пластической стадии нагружения посредством определения энергии, необходимой для начала процесса разрушения. При этом полагается, что критическое значение энергетического параметра, предшествующее разрушению, является характеристикой материала. Существуют также и другие характеристики разрушения, которые не получили широкого распространения на практике. Например, сопротивление микросколу (Rc), сопротивление отрыву, угол раскрытия вершины трещины, двухпараметрический критерий разрушения Морозова Е. М. и др.

Общие закономерности разрушения конструкций систем управления В С рассмотрены далее на примере деталей различной геометрии, изготовленных из различных сплавов. Их разрушение в эксплуатации было обусловлено как недостаточной усталостной прочностью в пределах заданного ресурса, так и различного рода конструктивно-производственными отклонениями от требований чертежа, коррозионными повреждениями, а также нарушениями условий сборки при проведении ремонта ВС (табл. 14.1).

и анализ разрушения конструкций

Получив соответствующие данные, можно приступить к их анализу, обсуждению и составлению заключения о причинах хрупкого разрушения конструкции. Как правило причин разрушения несколько.

В сталях возможно термодеформационное старение, т. е. одновременное протекание термического и деформационного старения. Старение отрицательно сказывается на эксплуатационных и технологических свойствах многих сталей. Старение может протекать в строительных и мостовых сталях, подвергаемых пластической деформации при гибке, монтаже и сварке, и, усиливаясь охрупчиванием при низких температурах, может явиться причиной разрушения конструкции. Развитие де-

Разрушение в результате усталости или коррозионной усталости происходит, как правило, из-за ошибок проектирования, когда не учитгылится реальные условия эксдуатации оборудования и spy-оопроьо.цои. с^роадшшь трещнл и этом случае происходит даже в катоднозищищёкнол конструкции под действием механического фактора в концентраторе напряжений. При этом устья трещини являются анодами и подвергаются анодному растворению, а стенки трещины - катадими. Поляризация от внешнего источника тока распространяется ни уотье трещинг, не оказывает положительного влияния ни корроаионно-усталостное разрушение и даже приводит к ускорении роста трещи;ш. Таким образом, время до разрушения

При установке датчиков относительно дефекта на расстоянии, в 5-10 раз превышающем его размеры, особенности акустической эмиссии, связанные с анизотропией, исчезают. Возрастает однозначность связи параметров разрушения конструкции с характеристиками эмиссии.

Следует отметить, что повышение временного сопротивления а„ за счет деформационного упрочнения нельзя считать положительным фактором с позиций надежности оборудования нефтепереработки и нефтехимии. Хотя при этом повышается запас прочности по предельным напряжениям, при этом снижаются трещиностойкость KIC и ударная вязкость материала [81]. Это приводит к увеличению вероятности хрупкого разрушения конструкции, то есть снижению ее надежности. Поэтому повышение таких механических характеристик, как временное сопротивление аъ и предел текучести от, следует считать повреждением материала. Таким образом, изменение запаса пластичности должно входить в диагностическую модель оценки поврежденное™ оборудования.

К настоящему времени Не сделан выбор в пользу определенной комбинации многослойных материалов (и технологий их получения) .для диверторных пластин термоядерного реактора (ТЯР), температура которых может превышать 1500К. Многослойной в большинстве современных проектов ТЯР является и первая стенка, изготовленная ИЗ стали и защищенная пластинками графита, молибдена, карбида титана и т. п. Правда, рассматривается возможность [1] эксплуатации и не защищенной ПС, поскольку элементы соединения могут стать дополнительными источниками облегченного разрушения конструкции за счет циклического теплового воздействия плазмы. Это замечание относится и к многослойным пластинам.

При изготовлении тонкостенных оболочковых конструкций для химического аппаратостроения в целях защиты их поверхности от воздействия агрессивной среды и сохранения прочности и пластичности металла при низкой температуре используют самые разнообразные материалы (биметаллы, цветные металлы и сплавы, среднелегированные стали и др.)- В связи с этим технология сварки таких конструкций достаточно сложна, нередко требует сочетания различных способов, специальных присадков, дополнительных мероприятий по предотвращению трещинообразования, защите сварочной ванны от окисления и т.д. Для операций сборки и сварки цилиндрической части сосудов обычно применяют роликовые стенды, оборудуя их различными приспособлениями: флюсовыми подушками, стяжными скобами, автоматическими головками для сварки, распорками, центраторами и др. Сварку обечайки с днищем производят стыковыми швами за один или несколько проходов. В стенки сосудов и аппаратов приходится вваривать патрубки, лючки, штуцера и другие элементы, сварные соединения которых часто являются инициаторами разрушения конструкции. На рис. 1.9 приведены в качестве примера некоторые варианты конструктивного оформления штуцеров в аппаратах химического производства. Варианты с дополнительно усиливающими кольцами (см.

ОТКАЗ - одно из осн. понятий надёжности; событие, заключающееся в нарушении работоспособности изделия (один или неск. рабочих параметров изделия выходят за допустимые пределы). О. изделия возникает вследствие выхода из строя его компонентов, расстройки, разрегулирования, разрушения конструкции или изменения структуры изделия, воздействия помех и др. Различают О. внезапные и постеп., полные и частичные, зависимые и независимые.

Несколько более сложная модель внезапного отказа будет иметь место в том случае, если предельное состояние изделия также меняется случайным образом (рис. 45, б). Такая схема, например, имеет место, если оценивать вероятность разрушения конструкции от статических пиковых нагрузок, учитывая вероятность сосуществования высоких нагрузок Q и низких значений несущей способности R. Запас прочности конструкции по средним значениям

При изготовлении тонкостенных оболочковых конструкций для химического аппаратостроения в целях защиты их поверхности от воздействия агрессивной среды и сохранения прочности и пластичности металла при низкой температуре используют самые разнообразные материалы (биметаллы, цветные металлы и сплавы, среднелегированные стали и др.). В связи с этим технология сварки таких конструкций достаточно сложна, нередко требует сочетания различных способов, специальных присадков, дополнительных мероприятий по предотвращению трещинообразования, защите сварочной ванны от окисления и т.д. Для операций сборки и сварки цилиндрической части сосудов обычно применяют роликовые стенды, оборудуя их различными приспособлениями: флюсовыми подушками, стяжными скобами, автоматическими головками для сварки, распорками, центраторами и др. Сварку обечайки с днищем производят стыковыми швами за один или несколько проходов. В стенки сосудов и аппаратов приходится вваривать патрубки, лючки, штуцера и другие элементы, сварные соединения которых часто являются инициаторами разрушения конструкции. На рис. 1.9 приведены в качестве примера некоторые варианты конструктивного оформления штуцеров в аппаратах химического производства. Варианты с дополнительно усиливающими кольцами (см.

В практике исследования эксплуатационных разрушений помимо определения вида разрушения возникают и другие задачи. Они вытекают из требования проведения контроля над состоянием детали в эксплуатации и устранения несовершенств конструкции или изменения режимов ее работы. Эти стратегические задачи решаются в рамках количественной фрактографии. При количественных оценках силового и температурного нагружения элементов конструкций исходят из того, что изменение режима или условий внешнего воздействия приводит к изменению напряженного состояния материала в вершине трещины. Формирование того или иного параметра рельефа