Хрупкое разрушение металлических конструкций

Особенность хрупкого разрушения заключается в том, что оно происходит внезапно, часто без предварительных признаков разрушения, при низких уровнях средних напряжений от действующих нагрузок. В конструкции появляются хрупкие трещины, которые распространяются с большой скоростью, и в итоге, как правило, происходит ее полное разрушение.

Существует несколько факторов появления хрупких трещин в основном металле, сварных швах и околошовной зоне.

Температура

Конструкции, предназначенные для работы при низких температурах, производятся по специально разработанной технологии, и нередко применяется термическая обработка узлов с целью снять местные повышения напряжений. По этой причине заводы, изготавливающие металлоконструкции, должны быть оборудованы термическими печами для нагрева конструкций до температуры, равной 900° С.

Характер нагружения

Вероятность хрупкого разрушения конструкций зависит от воздействия ударных и быстроменяющихся нагрузок. При действии циклических нагрузок в металле постепенно накапливаются микроповреждения, которые в совокупности могут образовать макротрещину.

Влияние напряженного состояния

Хрупкое разрушение конструкций может произойти в случае, если хотя бы одно из главных напряжений является растягивающим, причем вероятность данного явления особенно велика при действии в зонах приложения нескольких нагрузок. Для целостности конструкции опасны и плоское, и линейное растяжения, однако вероятность ее хрупкого разрушения наиболее велика при действии объемного растяжения.

Опасность хрупкого разрушения возрастает в зонах, где имеются резкие концентраторы напряжений, и особенно велика в случае, если конструкция одновременно испытывает воздействия отрицательных температур и начальных растягивающих напряжений, ориентированных поперек действующих растягивающих напряжений. К наиболее опасным концентраторам относятся трещины металлургического, технологического или эксплуатационного происхождения. Появившаяся трещина является острым концентратором.

Качество стали

Характеристики стали зависят от технологии изготовления (способа выплавки, способа раскисления, термообработки, характера деформационных воздействий) и определяются химическим составом, степенью однородности, а также микроструктурой: размером зерна, содержанием, формой и распределением структурных составляющих и неметаллических включений.

Степень сопротивления хрупкому разрушению зависит от доли фосфора, серы, азота, водорода и углерода в структуре стали. Например, при содержании в стали углерода в количестве более 0,16% подверженность стали хрупкому разрушению увеличивается. Также большое значение имеет размер зерна: чем оно мельче, тем выше способность стали сопротивляться хрупкому разрушению. Значительное влияние на сопротивляемость стали хрупкому разрушению оказывает неравномерное распределение неметаллических включений по толщине в толстых листах. При толщине данного материала 36–40 мм, по причине скопления неметаллических включений, в середине толщины может появиться так называемый расслой – трещина, параллельная поверхности листа.

Кипящие стали являются наименее стойкими к хрупкому разрушению вследствие неоднородности и содержания в их структуре фосфора, серы и кислорода. Стойкость конверторных сталей к такому виду разрушения снижается при наличии в них азота.

Геометрические размеры элементов конструкций

По мере увеличения размеров стальных конструкций (толщины деталей) неоднородность стали и стохастическое (случайное) распределение дефектов в структурном строении стали увеличивается, вследствие чего сопротивляемость хрупкому разрушению снижается. Кроме того, запас потенциальной энергии упругой деформации пропорционален напряженному объему, поэтому вероятность хрупкого разрушения при низком уровне напряжений в элементах больших сечений, особенно при величине 10–12 мм, всегда выше, чем в элементах с малыми размерами.

Тип соединений

Наиболее склонны к хрупкому разрушению конструкции со сварными соединениями. При этом большое значение имеют дефекты шва, служащие концентраторами напряжений, а именно:

• непровары, кратеры, поры;
• неподваренные корни шва;
• прерывистые швы;
• угловые швы с выпуклой неровной поверхностью, имеющие малую глубину провара;
• электрозаклепки;
• сварные валиковые швы, выполненные поперек растянутых элементов;
• пересечения и сближения сварных швов.

Конструкции с болтовыми и заклепочными соединениями менее склонны к хрупкому разрушению, чем сварные. Опасность их хрупкого разрушения увеличивается при наличии таких дефектов, как неровные края отверстий (чернота), образованные продавливанием; кромки листов, обрезанные кислородным пламенем или гильотинными ножницами и имеющие надрывы и трещины.

Конструктивные факторы

Появление хрупких трещин в основном металле, сварных швах и околошовной зоне стальных конструкций наиболее вероятно при одновременном воздействии вышеперечисленных факторов в элементах и узлах стальных конструкций, имеющих следующие конструктивные особенности:

• резкие перепады сечений и концентраторы напряжений;
• пересечения листовых элементов (в этом случае растягивающие усилия передаются с примыкающих элементов на основные в направлении толщины последних);
• входящие необработанные углы узловых деталей;
• отверстия с необработанными кромками, образованными продавливанием, рубкой, газовой резкой без последующей механической обработки;
• чрезмерное сближение в узлах сварных швов, приводящее к высоким сварочным напряжениям поперек растягивающих усилий;
• зоны сварных швов, не имеющие плавного перехода к основному металлу, незаваренные кратеры и подрезы, неподваренный корень шва;
• участки поверхности металла с наличием неудаленных и незачищенных сварных швов, остатков прихваток, наплывов металла.

В ходе натурного освидетельствования стальных конструкций особенно тщательно следует проводить работу по выявлению хрупких трещин в основном металле, сварных швах и околошовной зоне.

Основным способом выявления трещин является осмотр поверхностей элементов и узлов конструкций. Внешними признаками появления трещин являются растрескивание и шелушение краски, а также подтеки ржавчины, выходящие на поверхность металла.

Сплошному контролю подвергаются сварные швы в следующих случаях:

1. Сталь, примененная в конструкциях, не обладает удовлетворительной свариваемостью (устанавливается на основании сертификата или по результатам химического анализа);

2. Отсутствуют сертификаты на сварочные материалы и номера паспортов сварщиков, а при осмотре обнаруживаются дефекты и трещины в швах и околошовной зоне;

3. Примененные типы электродов согласно СНиП II‑23 не соответствуют категориям, маркам стали или группам конструкций для соответствующих климатических районов;

4. При сварке использованы электроды типа Э‑38 с тонкой ионизирующей обмазкой (типа меловой);

5. Сварка применена в особо ответственных конструкциях, разрушение которых может повлечь за собой человеческие жертвы, большой экономический, экологический и другой ущерб;

6. Проектом или действующими ТНПА предусмотрен контроль качества швов физическими методами при изготовлении и монтаже конструкции, но документы о проведении такого рода контроля отсутствуют.

Способы выявления трещин

Выявление трещин малого раскрытия можно производить капиллярным методом. При использовании этого метода применяют набор, состоящий из трех основных компонентов: пенетранта, очищающей жидкости (очистителя) и проявителя.

Методика выявления трещин заключается в следующем: на тщательно очищенную поверхность металла наносят слой пенетранта, который через некоторое время удаляют очистителем. Затем на поверхность наносят проявитель. Очертания имеющейся трещины отчетливо появляются на проявляющемся слое.

Менее чувствительный и более доступный метод «керосиновой пробы» заключается в том, что зачищенную до металлического блеска и протравленную спиртовым раствором азотной кислоты поверхность металла промывают водой, просушивают и смазывают керосином. Через 30–40 секунд ветошью удаляют излишки керосина и протирают поверхность досуха. Затем ее равномерно зачерчивают мелом и наносят рядом с местом предполагаемой трещины от 3–4 удара молотком, имеющим массу 1 кг. На меловой поверхности возникают отпечатки трещин темного или красно-бурого цвета.

Трещины, не выходящие на поверхность, и другие скрытые дефекты стыковых швов обнаруживаются с помощью физических методов контроля.

Выявленные места возможного расположения трещин в сварных швах, прилегающих к ним зонах и других участках конструкций, должны быть отмечены, замаркированы и очищены от грязи, пыли, краски и продуктов коррозии. Крупные трещины (с раскрытием более 0,5 мм) легко обнаруживаются визуально.

По материалам доклада А. Н. Жабинского, кандидата технических наук, заведующего кафедрой «Металлические и деревянные конструкции» БНТУ