Эксплуатационные требования к судостроительной стали

Эксплуатационные требования к судостроительным сталям призваны гарантировать высокую работоспособность конструкций корпуса при заданных температурно-силовых параметрах его нагружения в контакте с различными средами. Для прогнозирования работоспособности стали в материаловедении используется комплексная характеристика — конструкционная прочность, включающая критерии прочности, надежности и долговечности. Рассмотрим сущность этих критериев.

Прочность характеризует способность материала сопротивляться упругой и пластической деформации. Показатели прочности судостроительной стали — предел текучести σ_Т и временное сопротивление разрушению (предел прочности) σв — определяют путем испытания образцов на растяжение по ГОСТ 1497—84. По величине регламентируемого критерия прочности рассчитывают допустимые рабочие напряжения в материале конструкции. Чем больше прочность стали, тем выше допустимые рабочие напряжения и, следовательно, меньше металлоемкость конструкции. Правилами Регистра СССР для изготовления конструкций корпуса судна предусмотрено применение судостроительной стали нормальной прочности (СНП) с пределом текучести не ниже 235 МПа (24 кгс/мм²) и сталей повышенной прочности (СПП) трех категорий: с пределом текучести до 315 МПа (32 кгс/мм²), 355 МПа (36 кгс/мм²) и 390 МПа (40 кгс/мм²).

В настоящее время практически все среднетоннажные и крупнотоннажные морские суда строят с использованием корпусных сталей повышенной прочности. Это позволяет уменьшить массу металлического корпуса и соответственно повысить грузоподъемность судна, увеличить скорость и дальность его плавания. Эксплуатация мощного ледокольного флота, в первую очередь атомных ледоколов, судов арктического плавания, а также плавучих буровых установок и стационарных платформ, работающих при низких температурах (часто в условиях сложной ледовой обстановки), потребовала создания еще более прочных сталей — с пределом текучести 390—590 МПа. Однако повышение прочностных свойств стали является целесообразным лишь в том случае, если оно не влечет за собой недопустимого понижения характеристик пластичности и вязкости. Сущность этого положения объясняется понятием надежности материала.

Надежность определяет способность материала сопротивляться разрушению при зарождении трещин и их распространении, приводящем к разделению изделия на части.

Зарождение микротрещины происходит в результате скопления дислокаций перед непреодолимыми для них препятствиями— границами зерен, межфазными границами, включениями и др. При большой плотности дислокаций (1012— —1013 см-2) материал становится малопластичным, и дальнейший рост напряжений ведет к образованию в этих зонах микротрещин. Считают, что микротрещины в момент зарождения имеют длину 10-4 мм.

Вторая стадия разрушения — распространение трещин — является решающей, так как она определяет конечный характер разрушения материала: хрупкий или вязкий. При анализе разрушения на этой стадии любую микротрещину (имевшуюся в исходном металле или возникшую в процессе эксплуатации) необходимо рассматривать как концентратор напряжений. Механика разрушения устанавливает количественную связь между действующим напряжением, формой и размерами трещин, а также сопротивлением материала докритическому (стабильному) и закритическому (нестабильному) развитию трещин.

Локальные напряжения в вершине трещины во много раз могут превышать их средние расчетные значения (рис. 5.4). Для трещины длиной l и с радиусом закругления в ее вершине r максимальное напряжение определяют из уравнения, где σср — приложенное извне напряжение. Из уравнения следует, что концентрация напряжений у вершины трещины тем больше, чем длиннее и острее последняя. Вязкое разрушение обычно происходит после значительной пластической деформации и сопровождается увеличением радиуса в вершине трещины. Следовательно, ее отрицательное воздействие как концентратора напряжений ослабевает. Главными особенностями вязкого разрушения являются сравнительно медленное развитие трещин (соизмеримое со скоростью деформации) и высокая энергоемкость процесса. Последнее обусловлено необходимостью затраты значительной работы на пластическую деформацию у вершины растущей трещины.

Рис. 5.4. Концентрация напряжений вблизи трещины