§ 9.1. Предварительные замечения

Расчеты прочности сварных соединений и конструкций име­ют целью оценить запасы их прочности в различных условиях эксплуатации. Вадача прочностного расчета заключается в том,

чтобы, зная действующие на конструкцию нагрузки, предска­зать, обеспечена ли ее эксплуатационная прочность. Предпо­лагается, что заранее известны свойства металла, определяе­мые путем испытаний стандартных образцов, характер нагрузки и условия эксплуатз, - и. Решение этой задачи выполняется пу­тем сопоставления напряженного состояния, возникающего в конструкции под действием внешних нагрузок, с опасным напря­женным состоянием (при заданных условиях эксплуатации), ко­торое характеризуется так называемыми критериями прочности. Последние невозможно установить без знания закономерностей процесса разрушения. Вместе с тем этот процесс чрезвычайно сложен; его исследование - комплексная проблема, лежащая на стыке ряда дисциплин (физики твердого тела, металловедения, механики сплошной среды). Особенно сложно прогнозировать разрушение сварных соединений. Разрушение сварных соединений зависит от многих факторов, некоторые из них до настоящего ■ времени не изучены или изучены недостаточно. Большое значе­ние имеет структура металла шва и околошовной зоны, форма и размер соединения и конструкции в целом, условия эксплуата­ции (температура, степень агрессивности среды), характер нагрузок, вид напряженного состояния, наличие микро - и макро­скопических дефектов.

В зависимости от указанных факторов сварные соединения и элементы сварных конструкций могут разрушаться хрупко и вязко. Если перед разрушением металл испытывает, кроме упру­гой, значительную пластическую деформацию, говорят о вязком разрушении и о пластичном состоянии металла. Если разрушение происходит после упругой либо незначительной пластической деформации (около Д$), говорят о хрупком разрушении и хруп­ком состоянии металла. Однако величина пластической деформа­ции перед разрушением не является единственным показателем, вида разрушения. Вторым признаком служит существенное разли­чие в затратах энергии на процесс самого разрушения. В слу­чае вязкого разрушения эта энергия гораздо больше, так как она расходуется не только на образование поверхностей разры­ва, но и на пластическую деформацию металла. О характере раз­рушения можно также судить по виду поверхности самого излома. При разрыве стали вязкое разрушение характеризуется матовым волокнистым изломом без металлического блеска. Хрупкий раз­рыв приводит к образованию гладкой поверхности излома с ха­рактерным кристаллическим видом.'Хрупкое разрушение происхо­дит, как правило, под действием нормальных напряжений и соп­ровождается "отрывом" (или "сколом"), вязкое разрушение под действием касательных напряжений и сопровождается "сре­зом" (или "разрывом").

Хрупкость и вязкость не есть неизменные свойства метал­ла шва или основного металла, а являются состояниями, в ко­торых они могут находиться. Под влиянием указанных вше фак­торов металл шва, околошовной зоны или основной металл монет переходить из пластического состояния в хрупкое и наоборот.

Сварные соединения в хрупком состоянии для эксплуатации, как правило, не пригодны. Они очень чувствительны к концент­раторам напряжений, плохо сопротивляются ударным нагрузкам. Сварные соединения, которые находятся в пластичном состоя­нии, лишены этих недостатков. При достижении предела текуче­сти в зоне вблизи концентратора напряжений появляется плас­тическая деформация и дальнейший рост напряжений прекращает­ся. Пластическая деформация предотвращает образование опас­ных локальных пиков растягивающих напряжений. При действии ударных нагрузок пластическая деформация также выполняет предохранительную роль, так как количество энергии, расхо­дуемой на пластическую деформацию, во много раз превышает энергию, расходуемую на хрупкое разрушение. Если локальная пластическая деформация у основания микротрещины отсутству­ет, последняя распространяется беспрепятственно; наоборот, наличие пластической деформации у основания трещины может остановить ее распространение. Естественно, что сварные со­единения, характеризующиеся "легким" распространением хруп­ких трещин, не пригодны для конструкций.

Двойственный характер разрушения металлов обусловливает необходимость разработки двух расчетных методик оценки проч­ности сварных соединений и конструкций. Одна методика должна позволять производить оценку прочности в условиях нахождения конструкции в пластичном состоянии и предусматривать возмож­ность вязкого разрушения; другая - позволять оценивать проч­ность сварных соединений и конструкций, находящихся в хруп­ком состоянии, и предусматривать возможность хрупкого разру­шения. Первая из указанных методик давно разработана, много­кратно экспериментально проверена и широко используется в инженерной практике. Краткое ее изложение для сварных соедл -

явний дано в § 9„2. Что касается методики расчета сварных соединений и конструкций на вероятность хрупкого разрушения, то в настоящее время такой надежной методики еще не сущест­вует.. хотя это^ проблеме уделяется все возрастающее внимание многих исследовательских коллективов.

Дело б том, что многочисленные аварийные разрушения крупных сварных конструкций, в том числе широко известные аварии судов типа "Либерти", носили хрупкий характер и про­исходили при низком уровне напряжений, т. е. при нагрузках, значительно ниже допускаемых расчетными нормами (установлен­ными з предположении пластичного состояния конструкции). Следовательно, традиционные методы расчета прочности сварных соединений и конструкций, основанные на предположении о плас­тическом их состоянии, являются недостаточными. Вместе с тем попытки создания расчетной методики оценки хрупкой прочности наталкиваются на большие трудности, которые еще не удалось преодолеть. Обусловливается это не только тем, что математи­ческое описание процесса разрушения требует отказа от основ­ного допущения теорий упругости и пластичности о - сплошности среды, но и невозможностью расчетным путем оценить размеры, форму, ориентацию, плотность распределения трещиноподобных микро - и макроскопических дефектов, образующих несплошности и определяющих критическое состояние металла в условиях хруп­кости.

Отсутствие надежной расчетной методики оценки хрупкой прочности сварных соединений приводит к необходимости оцени­вать ее косвенным образом, путем специальных испытаний и различного рода проб. Полученные при этом данные о склонно­сти к хрупким разрушениям позволяют выбрать основные и сва­рочные материалы, назначить технологию сварки и конструктив­ное оформление сварных соединений такими, при которых исклю­чаются хрупкие состояния сварных конструкций. Краткие сведе­ния о хрупкой прочности сварных соединений и конструкций при­ведены в § 9.3.