Учет влияния деформационного старения стали на склонность к хрупкому разрушению строительных конструкций
|
ВВЕДЕНИЕ 8
1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 9
1.1. Теоретические основы деформационного старения малоуглеродистой
стали 9
1.2. Критерии и методы оценки деформационного старения стали 15
1.3. Влияние деформационного старения на эксплуатационные свойства
конструкционных сталей 24
1.4. Учет влияния деформационного старения при оценке сопротивления
хрупкому разрушению стальных конструкций 28
Выводы по главе, тема цель и задачи исследования 31
2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДЕФОРМАЦИОННОГО НА
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАРОК СТАЛИ 32
2.1. Краткая характеристика объекта исследования 32
2.2. Методика исследования 35
2.3. Результаты исследования 39
2.3.1. Исследование влияния деформационного старения на свойства стали
при статическом нагружении 39
2.3.2. Исследование влияния деформационного старения на свойства стали
при динамическом нагружении 45
Выводы по главе 55
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕРМИЧЕСКОГО ЦИКЛА СВАРКИ
ХОЛОДНОДЕФОРМИРОВАННОГО ПРОФИЛЯ НА УДАРНУЮ ВЯЗКОСТЬ .. 56
3.1. Краткая характеристика объекта исследования 56
3.2. Моделирование термических циклов характерных участков зоны
термического влияния 58
3.2.1 Моделирование термического цикла участка перегрева 58
3.2.2 Моделирование термического цикла участка синеломкости 62
3.3. Результаты испытаний 64
Выводы по главе 79
4. РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИИ ПО УЧЕТУ ВЛИЯНИЯ
ДЕФОРМАЦИОННОГО СТАРЕНИЯ НА СКЛОННОСТЬ СТАЛИ К ХРУПКОМУ РАЗРУШЕНИЯ 80
4.1. Методики расчетной оценки сопротивления хрупкому разрушению
стальных конструкций 80
4.2. Математические модели учета влияния деформационного старения на
критические температуры хрупкости стали 83
4.3. Примеры реализации предлагаемой методики 85
Выводы по главе 88
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 89
Литература
1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 9
1.1. Теоретические основы деформационного старения малоуглеродистой
стали 9
1.2. Критерии и методы оценки деформационного старения стали 15
1.3. Влияние деформационного старения на эксплуатационные свойства
конструкционных сталей 24
1.4. Учет влияния деформационного старения при оценке сопротивления
хрупкому разрушению стальных конструкций 28
Выводы по главе, тема цель и задачи исследования 31
2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДЕФОРМАЦИОННОГО НА
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАРОК СТАЛИ 32
2.1. Краткая характеристика объекта исследования 32
2.2. Методика исследования 35
2.3. Результаты исследования 39
2.3.1. Исследование влияния деформационного старения на свойства стали
при статическом нагружении 39
2.3.2. Исследование влияния деформационного старения на свойства стали
при динамическом нагружении 45
Выводы по главе 55
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕРМИЧЕСКОГО ЦИКЛА СВАРКИ
ХОЛОДНОДЕФОРМИРОВАННОГО ПРОФИЛЯ НА УДАРНУЮ ВЯЗКОСТЬ .. 56
3.1. Краткая характеристика объекта исследования 56
3.2. Моделирование термических циклов характерных участков зоны
термического влияния 58
3.2.1 Моделирование термического цикла участка перегрева 58
3.2.2 Моделирование термического цикла участка синеломкости 62
3.3. Результаты испытаний 64
Выводы по главе 79
4. РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИИ ПО УЧЕТУ ВЛИЯНИЯ
ДЕФОРМАЦИОННОГО СТАРЕНИЯ НА СКЛОННОСТЬ СТАЛИ К ХРУПКОМУ РАЗРУШЕНИЯ 80
4.1. Методики расчетной оценки сопротивления хрупкому разрушению
стальных конструкций 80
4.2. Математические модели учета влияния деформационного старения на
критические температуры хрупкости стали 83
4.3. Примеры реализации предлагаемой методики 85
Выводы по главе 88
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 89
Литература
Среди многочисленных научно-технических и экономических проблем, возникающих при освоении северных территорий, проблема обеспечения сопротивления хрупкому разрушению сварных металлоконструкций является одной из важнейших. Многолетний опыт проектирования, строительства и эксплуатации стальных конструкций северного исполнения показал, что они теряют свою работоспособность из-за хладноломкости растянутых элементов, которые разрушаются при напряжениях значительно ниже предела текучести материала.
Среди многочисленных причин хрупкого разрушения стальных строительных конструкций выделяют деформационное старение стали, на долю которой приходится около 11 % аварий. Опасность процесса старения стали обусловлена тем, что его не всегда удается вовремя отследить ввиду того, что он имеет латентный характер и не всегда может быть идентифицирован.
Деформационное старение стали предполагает наличие пластической деформации, которая присуща многим технологическим операциям (правки, гибки, вальцовки и др.), применяемым при изготовлении металлоконструкций, а также имеет место в зонах концентрации напряжений на стадии эксплуатации конструкций. По всей видимости, большая часть разрушений, происходящих при номинальных напряжениях ниже предела текучести стали, в той и иной степени связаны с деформационным старением стали, которое происходит в зоне интенсивной пластической деформации в устье трещины. По сути, старение формирует так называемую зону предразрушения, в пределах которой будет происходить подрастание (развитие) трещины.
В настоящее время в России набирает популярность использование в строительных конструкциях холодногнутых профилей, которые обладают рядом очевидных преимуществ. По мере развития и широкого применения холодногнутого профиля для стальных строительных конструкций в северном исполнении степень значимости исследований явления деформационного старения стали многократно увеличивается. Проблема состоит в том, что на данный момент в отечественных нормативных документах на проектирование стальных конструкций нет рекомендаций по учету влияния пластической деформации стали на механические свойства и расчетные характеристики. Не исследованы в должной мере вопросы свариваемости стали, подвергшейся деформационному старению. Нет рекомендаций по учету влияния старения стали при выборе режимов и технологий сварки при проведении работ по ремонту и усилению эксплуатируемых конструкций.
В связи с этим возникает необходимость в проведении исследований влияния деформационного старения стали на ее склонность к хрупкому разрушению, а также разработке метода учета этого влияния в расчетах на прочность с учетом хрупкого разрушения стальных строительных конструкций.
Среди многочисленных причин хрупкого разрушения стальных строительных конструкций выделяют деформационное старение стали, на долю которой приходится около 11 % аварий. Опасность процесса старения стали обусловлена тем, что его не всегда удается вовремя отследить ввиду того, что он имеет латентный характер и не всегда может быть идентифицирован.
Деформационное старение стали предполагает наличие пластической деформации, которая присуща многим технологическим операциям (правки, гибки, вальцовки и др.), применяемым при изготовлении металлоконструкций, а также имеет место в зонах концентрации напряжений на стадии эксплуатации конструкций. По всей видимости, большая часть разрушений, происходящих при номинальных напряжениях ниже предела текучести стали, в той и иной степени связаны с деформационным старением стали, которое происходит в зоне интенсивной пластической деформации в устье трещины. По сути, старение формирует так называемую зону предразрушения, в пределах которой будет происходить подрастание (развитие) трещины.
В настоящее время в России набирает популярность использование в строительных конструкциях холодногнутых профилей, которые обладают рядом очевидных преимуществ. По мере развития и широкого применения холодногнутого профиля для стальных строительных конструкций в северном исполнении степень значимости исследований явления деформационного старения стали многократно увеличивается. Проблема состоит в том, что на данный момент в отечественных нормативных документах на проектирование стальных конструкций нет рекомендаций по учету влияния пластической деформации стали на механические свойства и расчетные характеристики. Не исследованы в должной мере вопросы свариваемости стали, подвергшейся деформационному старению. Нет рекомендаций по учету влияния старения стали при выборе режимов и технологий сварки при проведении работ по ремонту и усилению эксплуатируемых конструкций.
В связи с этим возникает необходимость в проведении исследований влияния деформационного старения стали на ее склонность к хрупкому разрушению, а также разработке метода учета этого влияния в расчетах на прочность с учетом хрупкого разрушения стальных строительных конструкций.
В ходе выполнения работы было изучено влияние деформационного старения на механические характеристики стали и закономерности их изменения при статическом и динамическом нагружениях. Исследовано влияние концентрации напряжений на предел текучести, временное сопротивление, сопротивление отрыву и относительное сужение строительных марок стали. В работе оценено влияние термического цикла сварки, в частности участков перегрева и синеломкости холоднодеформированного проката, на ударную вязкость готового изделия.
При разработке рекомендаций по учету деформационного старения на склонность стали к хрупкому разрушению была уточнена существующая методика оценки прочности элементов стальных конструкций с учетом хрупкого разрушения на стадии зарождения трещины. Получена математическая модель смещения критических температур хрупкости стали в зависимости от степени предварительной пластической деформации металла и термического нагрева.
Кроме того, в работе уточнены математические модели, описывающие изменение ударной вязкости и относительного сужения в устье надреза образца при различных степенях пластической деформации для различных температур эксплуатации.
Полученные зависимости позволяют по сведениям о хладостойкости стали в исходном недеформированном состоянии оценить сопротивление хрупкому разрушению стали при различной степени пластических деформаций.
Приведенные модели позволяют сократить трудоемкость и стоимость исследований по оценке склонности сталей к хрупкому разрушению.
Показано, что не учет пластических деформаций может привести к разрушению конструкций вследствие снижения максимально допустимых напряжений ниже уровня расчетного сопротивления металла разрушению.
Предлагаемая методика может быть применима для поверочных расчетов подобранных сечений конструкций в местах наибольших напряжений и/или наличия дефектов сплошности. Это позволит существенно снизить риск аварии стальных конструкций по причине хрупкого разрушения.
В качестве заключения по работе можно сделать следующие выводы:
1) Деформационное старение стали оказывает существенное влияние на исходные свойства материала. Так термодеформационное старение стали приводит к уменьшению энергии зарождения трещины в 1,5-2 раза.
2) При деформационном старении увеличиваются характеристики прочности материала и снижаются характеристики пластичности, которые являются определяющими для обеспечения сопротивления хрупкому разрушению.
3) При малых степенях пластической деформации материала (2-5%) данное влияние наблюдается только с увеличением коэффициента концентрации. Высокие степени предварительного пластического деформирования (не менее 10%) проявляют свое влияние на всем участке.
4) Для всех исследуемых характеристик наблюдается вполне определенная закономерность: до определенного значения коэффициента концентрации напряжений интенсивность изменения механических свойств имеет максимальное значение, затем кривые меняют наклон на более пологий, стремясь к своему критическому значению, ниже/выше которого интенсивность изменения на исследуемых показателей стремится к своему насыщению.
5) Ст3сп обладает наиболее низкой сопротивляемостью хрупкому разрушению, затем следует сталь 09Г2С и 10ХСНД. В частности при величине радиуса в надрезе 0,25 мм предел текучести стали Ст3сп достигает величины сопротивления отрыва, что свидетельствует о переходе стали в квазихрупкое состояние. При дальнейшем увеличении коэффициента концентрации напряжений (уменьшении радиуса надреза) или снижении температуры эксплуатации временное сопротивление стали стремится к сопротивлению отрыва и металл может перейти в хрупкое состояние.
6) В отношении сталей 09Г2С и 10ХСНД исследуемые радиусы (коэффициенты концентрации напряжений) не являются критичными и конструкции из этих марок сталей при положительной температуре находятся в вязком состоянии.
7) Установлено, что термический цикл зоны перегрева практически устраняет эффект деформационного старения стали за счет полной перекристаллизации структуры деформированного металла.
8) Режимы сварки, обеспечивающие скорость охлаждения зоны перегрева порядка 15-20оС/с являются наиболее предпочтительными.
При разработке рекомендаций по учету деформационного старения на склонность стали к хрупкому разрушению была уточнена существующая методика оценки прочности элементов стальных конструкций с учетом хрупкого разрушения на стадии зарождения трещины. Получена математическая модель смещения критических температур хрупкости стали в зависимости от степени предварительной пластической деформации металла и термического нагрева.
Кроме того, в работе уточнены математические модели, описывающие изменение ударной вязкости и относительного сужения в устье надреза образца при различных степенях пластической деформации для различных температур эксплуатации.
Полученные зависимости позволяют по сведениям о хладостойкости стали в исходном недеформированном состоянии оценить сопротивление хрупкому разрушению стали при различной степени пластических деформаций.
Приведенные модели позволяют сократить трудоемкость и стоимость исследований по оценке склонности сталей к хрупкому разрушению.
Показано, что не учет пластических деформаций может привести к разрушению конструкций вследствие снижения максимально допустимых напряжений ниже уровня расчетного сопротивления металла разрушению.
Предлагаемая методика может быть применима для поверочных расчетов подобранных сечений конструкций в местах наибольших напряжений и/или наличия дефектов сплошности. Это позволит существенно снизить риск аварии стальных конструкций по причине хрупкого разрушения.
В качестве заключения по работе можно сделать следующие выводы:
1) Деформационное старение стали оказывает существенное влияние на исходные свойства материала. Так термодеформационное старение стали приводит к уменьшению энергии зарождения трещины в 1,5-2 раза.
2) При деформационном старении увеличиваются характеристики прочности материала и снижаются характеристики пластичности, которые являются определяющими для обеспечения сопротивления хрупкому разрушению.
3) При малых степенях пластической деформации материала (2-5%) данное влияние наблюдается только с увеличением коэффициента концентрации. Высокие степени предварительного пластического деформирования (не менее 10%) проявляют свое влияние на всем участке.
4) Для всех исследуемых характеристик наблюдается вполне определенная закономерность: до определенного значения коэффициента концентрации напряжений интенсивность изменения механических свойств имеет максимальное значение, затем кривые меняют наклон на более пологий, стремясь к своему критическому значению, ниже/выше которого интенсивность изменения на исследуемых показателей стремится к своему насыщению.
5) Ст3сп обладает наиболее низкой сопротивляемостью хрупкому разрушению, затем следует сталь 09Г2С и 10ХСНД. В частности при величине радиуса в надрезе 0,25 мм предел текучести стали Ст3сп достигает величины сопротивления отрыва, что свидетельствует о переходе стали в квазихрупкое состояние. При дальнейшем увеличении коэффициента концентрации напряжений (уменьшении радиуса надреза) или снижении температуры эксплуатации временное сопротивление стали стремится к сопротивлению отрыва и металл может перейти в хрупкое состояние.
6) В отношении сталей 09Г2С и 10ХСНД исследуемые радиусы (коэффициенты концентрации напряжений) не являются критичными и конструкции из этих марок сталей при положительной температуре находятся в вязком состоянии.
7) Установлено, что термический цикл зоны перегрева практически устраняет эффект деформационного старения стали за счет полной перекристаллизации структуры деформированного металла.
8) Режимы сварки, обеспечивающие скорость охлаждения зоны перегрева порядка 15-20оС/с являются наиболее предпочтительными.