Эксплуатационные требования к судостроительной стали

Страницы: 1 2 3 4

Существенное влияние на склонность к хрупкому разрушению оказывает структура стали. Измельчение зерна, формирование полигональной структуры, укрупнение внутризеренных выделений и некоторые другие факторы понижают вероятность хрупкого разрушения. Изменение ударной вязкости низкоуглеродистой стали с мелкозернистой и крупнозернистой структурами показано на рис. 5.6. Исходные значения ударной вязкости при температуре эксплуатации (20 °С) в обоих случаях равны. Однако порог хладноломкости стали с мелкозернистой структурой лежит примерно на 40 °С ниже, чем стали с крупнозернистой структурой. Соответственно температурный запас вязкости равен 60 и 20 °С.

Сталь с мелкозернистой структурой более надежна в работе, так как возможное понижение температуры эксплуатации относительно расчетной не вызовет в ней хрупкого разрушения. Положительное влияние мелкозернистой структуры обусловлено двумя основными причинами: образуются более короткие зародышевые трещины; межзеренные границы затрудняют переход трещины скола из одного зерна в другое, поскольку такой переход связан с изменением направления распространения трещины.


Рис. 5.6. Изменение ударной вязкости стали (0,22 % С) при различной структуре: М — мелкозернистая сталь; К — крупнозернистая сталь; Δt — температурный запас вязкости

Испытание на ударный изгиб для определения ударной вязкости по ГОСТ 9454—78 относится к числу наиболее жестких методов испытания корпусных сталей. Это связано с многократным увеличением скорости деформирования материала по сравнению со скоростью его деформирования при статических методах испытания, а также с наличием на образце надреза — концентратора напряжений.

Увеличение скорости нагружения воздействует на склонность материала к хрупкому разрушению в том же направлении, что и понижение температуры испытания. Роль концентратора сводится к следующему. При испытаниях стальных образцов на ударный изгиб напряжения и деформации локализуются в ограниченном объеме металла вокруг надреза. Именно здесь поглощается практически вся работа удара. Чем глубже и острее надрез и больше ширина сечения образца, тем больше величина продольных и поперечных нормальных напряжений в районе вершины надреза и тем меньше работа удара.

ГОСТ 9454—78 допускает три вида (формы) концентраторов (рис. 5.7): U-образный с радиусом в вершине R=1 мм, V-образный с R = 0,25 мм и Т-образный (трещина) с R = 0 мм. Последний получают в вершине начального надреза при циклическом изгибе образца в одной плоскости (число циклов не менее 3000). Остальные размеры образцов и условия их испытания строго унифицированы, так как при динамических испытаниях не действует закон подобия. Чаще используют образцы размерами 10X10X55 мм. Однако если размеры заготовки не позволяют изготовить образец сечением 10X10 мм, то допускается применение образцов размерами 10X5X55 для проката толщиной 5—7 мм или 10X7,5x55 для проката толщиной 7,5— 9,5 мм. Размеры 5 и 7,5 мм соответствуют ширине образца. Расстояние между опорами при испытаниях должно быть 40±0,5 мм.


Рис. 5.7. Внешний вид образцов для испытаний на ударный изгиб с U-образным (а), V-образным (б) и Т-образным (в) концентраторами

Ударную вязкость обозначают сочетанием букв и цифр. Буква К — символ работы удара, а сочетание букв КС — символ ударной вязкости. Значение ударной вязкости в Дж/м2 (кгс-м/см2) определяют по формуле KC = K/So, где К — работа удара, Дж (кгс-м); So — площадь поперечного сечения образца в месте концентратора, м2 (см2). Обозначения работы удара и ударной вязкости зависят от вида концентратора: KU, KV или КТ; KCU, KCV или КСТ. В обозначение вводят также цифры, указывающие максимальную энергию удара, глубину концентратора и ширину образца. Кроме того, после буквенных составляющих вверху указывают температуру испытания, если она отличается от комнатной. Например: KCV-40 50/2/7.5 — ударная вязкость при 40 °С, определенная на образце шириной 7,5 мм с концентратором вида V глубиной 2 мм при максимальной энергии удара 50 Дж.