автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Учет анизотропии свойств проката при оценке прочности элементов стальных конструкций, в том числе в условиях эксплуатации при низких климатических температурах

•"¡'л ол

1 з ОКТ 139В

МИНСТРОЙ РОССИИ

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ И ПРОЕКТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ КОМПЛЕКСНЫХ ПРОБЛЕМ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ И СООРУЖЕНИЙ ИМЕНИ В .А.КУЧЕРЕНКО (ЦНИИСК им.В. А.Кучеренко)

На правах рукописи

Абашева Лидия Петровна

УЧЕТ АНИЗОТРОПИИ СВОЙСТВ ПРОКАТА ПРИ ОЦЕНКЕ ПРОЧНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ, В ТОМ ЧИСЛЕ В УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРИ НИЗКИХ КЛИМАТИЧЕСКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ.

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1996

Работа выполнена в ордена Трудового Красного Знамени Центральном научно-исследовательском II проектно-экспериментальном институте комплексных проблем строительных конструкций и сооружений им.В.А.Кучеренко (ЦНИИСК им.Кучеренко) Минстроя России.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ - доктор технических наук,

профессор ОДЕССКИЙ.П.Д.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ - доктор технических наук,

профессор ГУЗЕЕВ Е.А.

- кандидат технических наук ШУВАЛОВ А.Н.

ВЕДУЩЕЕ ПРЕДПРИЯТИЕ - МНИИПОКОСЗ (Московский научно-иссле-

довательскнй институт проектирования объектов культуры, отдыха, спорта и здравоохранения).

Защита диссертации состоится " & " 1996 г. в часов на

¡аседании специализированного совета Д.033.04.01 по защите диссертаций на соискание 1'ченой степени доктора технических наук при ордена Трудового Красного Знамени Центральном научно-исследовательском и проектно-экспернментальном институте <омплексных проблем строительных конструкций и сооружений им.В.А.Кучеренко ЦНИИСК им.Кучеренко) Минстроя России по специальности 05.23.01 - "Строительные «онструкции, здания и сооружения" по адресу: 109428, г.Москва, 2-я Институтская ул., д.6.

С диссертацией можно ознакомиться в_0иблиотеке института. Автореферат разослан" сехг^^Л 1996 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук

ВОРОБЬЕВА С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Необходимость повышения технико-экономической эффективности и конкурентноспособности отрасли производства стальных конструкций вызвала тенденцию к применению принципиально новых форм сооружений, решений узлов и соединений, а также эффективных видов проката. В связи с разработкой в последние годы прогрессивных методов производства стали возникла проблема использования для строительных конструкций проката с сильной анизотропией свойств и необходимость учета такой анизотропии при проектировании и расчете конструкций.

Традиционно стальной прокат при работе в конструкциях рассматривался как изотропный материал. Обычно имеющаяся в толстолистовом прокате анизотропия свойств по сечению, которая выражается в сильном снижении механических свойств, в первую очередь пластических, по толщине проката (так называемые /-свойства), нормами проектирования и изготовления конструкций учитывалась недостаточно, что привело в ряде случаев к хрупким слоистым разрушениям элементов конструкций из такого проката, особенно в условиях их эксплуатации при низких климатических температурах. В то же время в последние годы в отечественной практике освоены методы производства проката, при которых специально создаваемая анизотропия улучшает его эксплуатационные свойства. Такие способы обработки касаются прежде всего создания сталей с композитным строением, к которым можно отнести, например, прокат со структурой типа конструктивной анизотропии.

Анализ аварий вскрыл основные факторы, способствующие разрушению элементов из анизотропного проката. Причиной обсуждаемого типа анизотропии являются структурные особенности металла, обусловленные технологией выплавки и прокатки современных сталей обычного качества, главным образом наличие в сталях большого количества прокатанных неметаллических включений, играющих роль трещиноподобных дефектов. Ввиду особенностей структуры при расчете элементов конструкций из анизотропного проката в случае нагрузок, действующих по направлению, близкому к г, существующие нормативные подходы не всегда соответствуют действительному поведению конструкций и не исключают

возможность разрушения элементов по хрупкому механизму.

Проблема широкого внедрения анизотропного проката в строительстве недостаточное отражение этого вопроса в нормативной литературе вызва. необходимость совершенствования методов учета анизотропии в стальш прокате, которые отражали бы реальные условия работы материала и позе лили разработать рекомендации по применению исследуемого проката строительных конструкциях.

Целью диссертационной работы является разработка методов оцеп работы анизотропного проката в стальных конструкциях, позволяющ учитывать структурные особенности материала и наличие в нем трещиноп добных микродефектов, а также повышать работоспособность проката обсу даемого типа в конструкциях.

Научную новизну работы составляют следующие результаты, выносим] на защиту:

- разработка с учетом особенностей структуры и механизма разрушен математической модели анизотропного толстолистового проката для рас<-тов по методу конечных элементов (МКЭ);

- разработка алгоритма решения задачи тел с трещинами и вырезами : ПЭВМ IBM PC АТ-286 по МКЭ с использованием сингулярных изопарамс рических элементов;

- предложены типы образцов (отличные от ГОСТ) для оценки z-свойс стального проката обычного качества с анизотропией свойств;

- установлен минимально допустимый уровень характеристики относ

тельного сужения T[)z, позволяющий применять толстолистовой прок повышенной и высокой прочности обычного качества в сварных констру циях;

- результаты экспериментальных исследований проката с конструктивн< анизотропией;

- рекомендации по применению анизотропного проката в строительш конструкциях.

Практическое значение работы состоит в том, что разработанная в не методика позволяет решать широкий круг конкретных задач по расчету эж ментов конструкций из анизотропного проката на ПЭВМ. Разработан] рекомендации по назначению сталей повышенной и высокой проч

ностн в СНиП П-23-81*; показаны пути положительного использования анизотропии проката па примере проката с конструктивной анизотропией.

Внедрение результатов. Материалы исследования использованы при выборе материала для стационарного покрытия Большой Спортивной Арены стадиона в Лужниках (г.Москва), а также при создании стальных каркасов зданий, предназначенных для эксплуатации в Северных районах нашей страны.

Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждались на научно-технических конференциях ( МИСИС, г.Москва, 1994г.; г.Санкт-- Петербург, 1996г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 3 научные статьи.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов и списка литературы; изложена на 184 страницах машинописного текста, содержит 53 рисунка и 18 таблиц. Список литературы включает 121 наименование.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой темы, приведены цель и задачи, выносимые на защиту, дана краткая характеристика выполненной работы.

Первая глава работы посвящена анализу состояния вопроса применения анизотропного проката в строительных конструкциях, а также обзору существующих в настоящее время методов исследования и учета анизотропии.

Рассмотренные отечественные и зарубежные материалы показали, что толстолистовой прокат в строительных конструкциях вследствие предшествующих технологических процессов всегда является материалом с начальной анизотропией, которая выражается в сильном снижении механических свойств, и в первую очередь пластических, по толщине проката. Главный физико-механический фактор, влияющий на понижение свойств проката в направлении толщины - наличие в сталях большого количества прокатанных неметаллических включений (особенно строчеч-

ных сульфидов марганца), выступающих в роли трещиноподобных дефекто Результаты теоретических и экспериментальных исследований особенност« работы анизотропного проката в конструкциях изложены в работ! Балдина В.А., Соколовского П.И., Фридмана Я.Б., Одесского П.Д., Гладште на Л.И., Махутова H.A., Микляева П.Г., Асниса А.Е., Итона Н., Ломбард ни Ю., Холла У.Дж. и др.

Проведенный обзор существующих методов учета анизотропии показа что традиционные нормативные подходы не гарантируют конструкции i анизотропного проката от хрупких разрушений при нагрузках ниже напряж ний предела текучести, поэтому оптимальный расчет прочности таких ко; струкций будет отличаться от общепринятой методики расчета. Благода[ наличию в структуре анизотропных материалов системы трещиноподобнь дефектов появляется возможность оценить хрупкую прочность таких ко] струкций с позиций механики разрушения. Наиболее значительные работы этом направлении выполнены А.Гриффитсом, Дж.Ирвином, У.Брауно! Дж.Сроули, Дж.Райсом, М.Манджойном, Н.И.Мусхелишвили, Панась ком В.В., Партоном В.З., Черепановым Г.П., Баренблатгом Г.И., Махут> вым H.A., Злочевскнм А.Б., Морозовым Е.М., Маркочевым В.М. и др. Ан лиз особенностей структуры анизотропного проката показал невозможное: использования традиционно принятых в механике разрушения образцов Д1 оценки характеристик трещиностойкости сталей.

Обзор численных методов решения задач теории трещин показал пр имущества применения к задачам механики разрушения метода конечных эл ментов (МКЭ). Основы МКЭ изложены в работах Дж.Аргирис О.Зенкевича, Л.Сегерлинда, М.Секуловича, Л.А.Розина, А.В.Александров Н.И.Безухова, Е.М.Морозова и др. Использование МКЭ с целью соверше] ствования методов расчета элементов из анизотропного проката потребовав создания его математической модели с учетом структурных особенности материала и характера слоистого разрушения, а также разработки алгоритм расчета исследуемых тел на ПЭВМ.

Показано положительное использование анизотропии свойств на при мере создания сталей с композитным строением, к которым можно отнес ти, например, фасонный прокат со структурой типа конструктивно! анизотропии. При термическом упрочнении по схеме прерванной за

калки с последующим самоотпуском на поверхности такого проката создается слой из более прочного материала, чем сердцевина, что значительно повышает эксплуатационные свойства такого проката. В связи с широким внедрением проката с конструктивной анизотропией в строительство встала проблема исследования особенностей его работы в конструкциях.

В рамках поставленных проблем были сформулированы следующие основные задачи:

1. С учетом особенностей структуры и механизма разрушения анизотропного толстолистового проката разработать его математическую модель для расчетов численными методами.

2. Разработать алгоритм расчета на ПЭВМ элементов из анизотропного проката с использованием МКЭ; провести расчет образцов по разработанному алгоритму.

3. Провести экспериментальные исследования анизотропии механических свойств и характеристик трещиностонкости толстолистового проката в диапазоне температур с рассмотрением факторов микростроения.

4. Разработать рекомендации по оценке г-свойств анизотропного проката ; рекомендовать для этого типы образцов ; установить области рационального применения исследуемого проката в строительных конструкциях.

5. Исследовать эксплуатационные свойства проката с конструктивной анизотропией.

Во второй главе изложена методика теоретических исследований элементов из анизотропного проката; рассмотрен вопрос выбора материалов и образцов для изучения г-свойств проката.

Методической основой теоретических исследований анизотропного проката служил МКЭ в форме метода перемещений, базирующийся на принципе минимума полной потенциальной энергии рассматривамой системы. За искомое неизвестное принимали компоненты вектора перемещения {и} узлов конечных элементов.

Для расчета конструкций из толстолистового проката рассмотрен случай плоскодеформированного состояния, который можно отнести к двумерной задаче теории упругости. Исследуемое тело при этом разби-

вается на совокупность конечных элементов, связанных в узлах. Лока.тык уравнение равновесия конечного элемента определяется следующим выраж нием:

И {и} = {0, (1)

где {{} - локальный вектор приведенной узловой нагрузки и фиктивных си вследствие начальных ( в данном случае температурных) деформаций; [к] - матрица жесткости элемента, вычисляяая по формуле:

№[0][В]ёУ, (2)

V

где [В] - матричный дифференциальный оператор; [Л] - матрица упругосп зависящая от упругих констант материала.

Учет существующих между элементами связей позволяет из локальны матриц жесткости [к] и векторов нагрузки Щ построить соответствующе аналоги [К.] и {Р}, характеризующие энергетический потенциал всего тел; Разрешающее матричное уравнение имеет вид:

И {и} = (И . (3)

Результатом решения системы уравнений равновесия (3) являются вел! чнны узловых компонентов упругих перемещений {и}, по которым вычис

ляют значения деформаций {£} в узлах конечных элементов: {£}= {Ех Еу уху}=[В]{и}. (4)

Аналогично через матрицу упругости [О] определяется вектор напряжений:

{0} = {Ох Оу Тху} = [О] ( {Е} - {Ет}), (5)

Ог = V (Ох + Оу), (6)

где {Бт} - вектор термических деформаций; V - коэффициент Пуассона.

Для реализации описанной приближенной методики в третьей глав

иастоящей работы был разработан алгоритм расчета модели анизотропного проката на ПЭВМ.

Для экспериментальных исследований анизотропии свойств толстолистового проката были выбраны наиболее распространенные строительные стали, отличающиеся как по классам прочности, так и по группам легирования. Материалом исследования служили: горячекатаный прокат обычной прочности толщиной 40 мм из малоуглеродистой стали ВстЗсп; прокат толщиной 20 и 50 мм из низколегированной кремнем арганцовистой стали повышенной прочности 09Г2С как обычного качества так и высокой чистоты; нормализованный прокат толщиной 50 мм из марганцовистой стали высокой прочности марки 09Г2ФБ и термически улучшенный прокат толщиной 40 мм из сложнолегированной стали с молибденом 14ГСМФР.

Для изучения работы в конструкциях проката с конструктивной анизотропией исследовали угловой прокат из стали С390, полученной в результате термического упрочнения стали СтЗ по режиму прерванной закалки с последующим самоотпуском. Для сравнений использовали угловой прокат с равномерными свойствами по сечению из низколегированной горячекатаной стали 09Г2С.

Для исследования г-свонстп толстолистового проката принимали цилиндрические образцы, гладкие и с внешним кольцевым надрезом, различным способом ориентированные к плоскости листа - вдоль, поперек и по толщине, нагружаемые по схеме осевого растяжения. Такие образцы достаточно чувствительны к неблагоприятным изменениям в структуре проката, технологичны в исполнении и просты в экспериментальном осуществлении. Исследовали также на внецентренное растяжение прямоугольные компактные образцы с надрезом, ориентированным параллельно и перпендикулярно плоскости проката (рис.1). На данных образцах благодаря двухосности на-груження достигается большое стеснение деформаций и реализуется плоско-деформированное состояние, что особенно важно при исследованиях толстолистового проката.

Для экспериментального исследования проката с конструктивной анизотропией были выбраны типовые сварные нахлесточные соединения из парных уголков без дефектов и с дефектами типа усталостных трещин. Проводились также испытания на холодный загиб сварных кресто-

образных образцов из арматурных профилей со структурой по типу констру тивной анизотропии.

В третьей главе приводятся алгоритм и результаты теоретических иссл дований напряженно-деформированного состояния элементов из аниз' тропного проката.

Для расчетов по МКЭ в результате исследования особенностей стру: туры и характера слоистого разрушения анизотропного проката была ра рабогана его математическая модель. При этом толстолнстовой прокат ра смотрен как многофазный материал, в сплошной матрице которого распред лены частицы второй фазы, роль которых играют неметаллические включ ння. Прочность сцепления включений и металлической основы меньше про ности металла (особенно для плоских строчечных сульфидов), поэтому д формированные при прокатке включения при действии растягивающих напр женпй по толщине проката аналогичны острым внутренним надрезам, выст пают инициаторами зон предразрушення и очагами зарождения трещин, т. анизотропный толстолистовой прокат при своей фактической целостное] ведет себя как тело с трещиноподобными дефектами, а процесс развития ра рушения можно представить как результат распространения трещин отрыв образовавшихся около дефектов данного типа.

При исследовании причин слоистого излома, характерного для анизо ройного толстолистового проката, было предположено, что смежные дефект расположены весьма близко друг от друга и между ними возможно взаим< действие - слияние полостей, образующихся у неметаллических включений, трещину при разрушении перемычек, что позволяет рассматривать всю зо! таких дефектов как один дефект.

Поэтому для расчета анизотропного толстолистового проката по МК в качестве математической модели первоначально принимали изотропш тело, имеющее комплекс обычных упругих характеристик, при этом уч> анизотропии описывали введением в материал трещины, параллельной п верхности проката.

При вычислениях по МКЭ необходимость описания сингулярного харак тера распределения напряжений в вершине трещины и низкий класс ЭВК привели к использованию в сетках специальных конечных элементо: высокого порядка - квадратичных изопараметрических элементов (рис.2)

Рис.1. Прямоугольный компактный образец для исследований на внецентренное растяжение.

о-о-о

А Л

трещины

Рис.2. Квадратичный изопараметрический элемент.

Сдвиг промежуточных узлов таких элементов на четверть длины стороны I направлению к вершине трещины приводит к сингулярности, что позволш использовать их для описания асимптотики напряжений без традиционно! сгущения сетки конечных элементов. Кроме того такой элемент наибол выгоден с точки зрения точности и времени счета и позволяет вычисля-основную характеристику механики разрушения - коэффициент интенси ности напряжений Ю прямыми методами:

- по напряжениям и перемещениям в малой окрестности вершины тр

щины

где г,6 - полярные координаты с началом в вершине трещины; (6) , ^ (0) - тригонометрические функции; О - модуль сдвига; - по линейной экстраполяции по координате г

где и, (L/ 4), Ui (L) - компоненты иермещекия узлов изопараметрическо1 элемента (рис.2).

Для вычислений по МКЭ тел с трещинами был разработан алгорит расчета на ПЭВМ IBM PC АТ-286 с использованием языка программирован! Фортран.

Основной принцип расчета состоял в том, что рассматриваемый эле мент представлялся набором изопараметрических элементов. Вводили геомет рические данные о сетке конечных элементов и характеристики материала По числу конечных элементов вычисляли и строили глобальную матриц; жесткости и вектор нагрузки. Задав граничные условия, решали полу ченнную систему линейных алгебраических уравнений равновесия [ фор мула (3) ] , в результате чего получали значения упругих перемещенш во всех узлах рассчитываемого тела, с помощью которых определяли вектор деформаций и напряжений [ формулы (4)-(6) ] в узлах и внутренних точ ках элементов, а также коэффициенты интенсивности напряжений.

Ki = CTij(r,0) л/2л- Г /fij(6), (7)

Ki = (Ui (г, 6) / Fi (в)) 2G 4ln / Г , (8)

Ki =

Fi

Для проверки и выбора наиболее оптимальной расчетной модели анизотропного проката по составленному алгоритму были выполнены расчеты образцов на ЭВМ. Первоначально стояла задача определить наиболее опасный тип трещины в конструкции. С этой целью проведен анализ работы цилиндрического образца с внешней кольцевой трещиной и цилиндрического образца с внутренней трещиной на осевое растяжение. Сравнение для этих образцов напряженного состояния в вершинах трещин и коэффициентов интенсивности напряжений Ю показало,что высокая степень концентрации напряжений и значительная трехосность в малом объеме способствовали возникновению в образце с внешней кольцевой трещиной плоского деформированного состояния, тогда как состояние цилиндрического образца с внутренней трещиной можно отнести к одноосному. Существенное различие значений вязкости разрушения свидетельствовало о том, что важную роль в процессе разрушения приобретает способность цилиндрического образца с внутренним дефектом сопротивляться развитию трещины. Т. е. проведенные расчеты подтвердили существующее представление о том, что наиболее опасным видом дефекта в конструкциях является поверхностный дефект.

Так как анизотропный прокат представляет собой тело с распределенными по нему трещнноподобными дефектами в виде прокатанных неметаллических включений, были рассмотрены модели образцов, ослабленных системой микротрещин. Исследования были выполнены на традиционно принятых в механике разрушения образцах: рассчитывали на осевое растяжение цилиндрические образцы с внешним кольцевым надрезом и на внецентренное растяжение прямоугольные компактные образцы при различном характере расположения внутренних и поверхностных трещин.

Исследование напряженно-деформированного состояния образцов с трещинами позволило выяснить основные закономерности процесса объединения микротрещин. Проведенные расчеты подтвердили, что если смежные трещины расположены весьма близко друг к другу и между ними возможно взаимодействие, как в случае неметаллических включений в анизотропном прокате, то на распространение каждой трещины большое влияние оказывают соседние дефекты, т.к. было установлено, что с уменьшением размеров промежутков между трещинами усиливается концентрация напряжений в промежутках и возрастает объемность напря-

женно-деформированного состояния. Показано, что в анизотропном прокате наиболее опасными являются включения, расположенные непосредственно у поверхности тела, так как в этих областях реализуется трехосное напряженное состояние, вызывающее рост трещин. Поэтому для рассмотренные образцов с системой микротрещин магистральная трещина будет зарождаться и идти по дну зоны надреза. Характер распределения напряжений показал что возбуждение микротрещин происходит в поле напряжений основной трещины при ее росте - к направлению максимального растягивающего напряжения, т.е. макротрещнна будет расти за счет микротрещин в ее вершине которые, сливаясь между собой, образуют одну магистральную трещину Внутренние дефекты, удаленные от поверхности и не расположенные в плоскости распространения основной трещины, не вызывали значительного перераспределения напряжений, поэтому напряженно-деформированное состояние образцов контролировалось главным образом ростом магистральной трещины. Таким образом совокупность распределенных в объеме неметаллически* включений, играющих роль мнкротрещин, рассматривали в виде одног охватывающей их поверхностной трещины, плоскость которой перпендикулярна направлению действующего напряжения.

Проводили сравнение напряженно-деформированного состояния цилиндрического и прямоугольного компактного образцов с надрезом. Анали: распределения напряжений по сечению образцов (рис.3) и значения коэффици ентов интенсивности напряжений показали, что в прямоугольном образце пс сравнению с цилиндрическим реализовалось наиболее жесткое плоскодефор-мированное состояние, что ближе соответствует поведению в конструкция) анизотропного проката.

Полученная расчетная модель позволила заключить, что при экспериментальных исследованиях толстолистового проката на трещиностойкость в отличии от рекомендаций ГОСТ 25.506-85, следует принимать образцы с надрезом без нанесения усталостной трещины, т.к. ее аналогом в этом случае служат трещиноподобные дефекты, изначально имеющиеся в рассматриваемом прокате. Это относится к схеме осевого растяжения цилиндрического образца с надрезом и, в большей степени, к прямоугольному компактному образцу, нагружаемому по схеме вне-центренного растяжения. Поэтому, эти образцы принимались в ка-

У

в) 01,

мПа

\ о-о цилиндрический образец

\ •-• прямоугольный образец

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 «¿6 5/7 оды

Рис. 3. Сравнение напряжении, возникающих в области надреза, при растяжении цилиндрического и прямоугольного компактного

образцов : а) Оу; б) Ох; в) Ох.

честве основных для экспериментальных исследований анизотропии свойст толстолистового проката.

В четвертой главе работы изложены и проанализированы результаты экспер! ментальных исследований анизотропного проката. Испытания цилиндрически образцов на одноосное растяжение проводили на машине ИМ-4Р, позвс ляющей вести запись диаграммы деформирован™ в большом масштаб При испытаниях на внецентренное растяжение прямоугольные компактны образцы через специальное приспособление присоединяли к тягам испытг тельной машины ИМ-4Р. Проводили запись крупномасштабных диаграм: "нагрузка-раскрытие трещины" при помощи двухкоординатных самописцев, да измерения смещений применяли фольговые датчики тензорезисторного типа.

В процессе обработки результатов испытаний наряду с традиционными мех;

ническими характеристиками (От, 0в, 5, яр) определяли важнейшие показател теории разрушения - критическое напряжение хрупкого разрушения и коэффищ енты интенсивности напряжений.

Испытания на оссвос растяжение при комнатной температуре цилиндрически образцов, гладких и с надрезом, различным способом ориентированных к пло< кости листа, подтвердили общую закономерность сильного снижения механич« ских свойств, и в первую очередь пластичности проката в z-направлении. В случг сталей обычного качества с содержанием серы S = 0,025...0,035 % при переходе с продольных и поперечных образцов к образцам, вырезанным по толщине прс

ката, пластичность стали резко снижалась от 1|)z а 50 % при стандартной вырез* образца до l|)z< 15 %. При этом с увеличением прочности z-свойсгва стале обычного качества понижались вплоть до значений l|)z -» 0, как например, в ел;

чае сложнолегированной стали с молибденом 14ГСМФР с <3Г «= 900 мПа. Был подтверждено, что измельчение зерна повышает z-свойства проката: у пла тичной стали ВСтЗсп с От = 220 мПа и у обработанной на мелкое зерно стал

09Г2С с От г400 мПа z-свойсгва одинаковы: 1])z - 10%.

Результаты испытаний показали, что при переходе к вырезке об разцов в z-направлении пластичность падала из-за наличия в структур! сталей системы микродефектов, параллельных плоскости проката, прежд( всего строчечных сульфидов марганца. При очищении проката от

подобных частиц и замены строчечных сульфидов на глобулярные, что имеет место при изготовлении стали 09Г2ФБ, г-свонства резко возрастали: у стали

09Г2ФБ с От »450 мПа \|)2 = 60%, а у стали обычного качества 09Г2С

с <3г =420 мПа = 10 %. Поэтому, при оценке проката с высоким уровнем г--свойств, как в рассматриваемом случае стали 09Г2ФБ, когда образец, вырезанный в г-направлении, имеет те же закономерности разрушения, что и стандартные образцы, характеристика относительного сужения является наилучшей для оценки г-свонств.

Был рассмотрен переход исследуемых материалов в хрупкое состояние при таком факторе охрупчивання как внешний надрез. На чистую сталь 09Г2ФБ надрез оказывал наименьшее охрупчивающее влияние - наблюдался рост разрушающего напряжения (в 1,5 раза) при существенной пластичности - > 15 %. При наличии надреза на образцах, вырезанных в г-направленин, из стали обычного качества пластичность падала до уровня 1рг а 4 %, но разрушающее напряжение несколько возрастало, т.е. материал находился в состоянии переходном между вязким и хрупким. В связи с этим была рассмотрена возможность перехода материалов в хрупкое состояние при низких температурах.

Испытания при пониженных температурах цилиндрических образцов показали, что отрицательные климатические температуры (вплоть до -70 °С) недостаточны для перехода рассматриваемых материалов в хрупкое состояние при принятых образцах и способах нагружения. Поэтому исследовали поведение строительных сталей при более низких, криогенных температурах на примере стали высокой прочности 14ГСМФР.

Испытания цилиндрических образцов из этой стали, вырезанных по толщине проката, показали, что уже при температуре -75°С разрушение происходило на упругом участке диаграммы работы, а в интервале температур от -110 до -196°С происходило падение временного сопротивления, при этом внешний надрез переставал влиять на прочность образца. Переход из вязкого состояния в хрупкое наблюдали в области действия криогенных температур (ниже -80 °С).

Полученный результат был проверен с позиций механики разрушения. Для цилиндрических образцов с внешним кольцевым надрезом, вырезанных по толщине проката, были определены критические коэффици-

енты интенсивности напряжений Kic в диапазоне температур. Вычисляли зн; чения Kic для гладких образцов из этой же стали по схеме цилиндрически образцов с внешним надрезом. В случае разрушения в криогенной облает температур с образованием слоистого хрупкого излома, полученные значеш совпадали.

Визуальное исследование изломов цилиндрических образцов показало, чт изломы поперечных и продольных гладких образцов стали обычног качества с понижением температуры испытаний изменялись мало - изломы имели традиционное строение "чашечкой", было видно заме' ное сужение образцов в процессе разрушения. Изломы цнлиндрич! ских образцов, вырезанных по толщине, имели характерное слоистс строение и состояли из плоских участков, параллельных плоскост листа, соединенных перемычками, ориентированными преимущественно но] мально к плоскости проката. Участки излома, параллельные плоскост листа, обычно лежали в местах скопления неметаллических включений, чаи всего сульфидов марганца, вытянутых по направлению прокатки. При сш женин температуры испытаний до - 80 "С слоистый излом уступал место слот тому хрупкому.

Для исследования возможности перехода материалов из вязкого состо: ния в хрупкое в диапазоне климатических температур эксплуатации (до -70 °С испытывали на внецентренное растяжение прямоугольные компактные обра: цы с надрезом, ориентированным параллельно и перпендикулярно плоскост проката. Образцы выполнялись из стали 09Г2С (tnp = 20 мм) с различны процентным содержанием серы S = 0,005 - 0,030 %.

Результаты испытаний подтвердили теоретические выводы о том, что основании надреза прямоугольного образца создается более высокг концентрация напряжений, чем в цилиндрическом образце с внешни кольцевым надрезом: для прямоугольных компактных образцов с надр зом, параллельным плоскости проката, переход из вязкого состояния хрупкое происходил в диапазоне реальных климатических температур эк плуатации (при - 70 °С). Изломы образцов из нерафинированной серш ной стали 09Г2С при положительной температуре испытания имели слои тый излом и характеризовались наличием большого числа неметаллич' ских включений и шлаковых образований. При отрицательных темш

ратурах слоистый излом уступал место хрупкому слоистому.

Значения критических коэффициентов интенсивности напряжений, определенные для компактных образцов, показали, что вязкость разрушения в широком интервале температур испытания значительно повышалась с уменьшением содержания серы. Повышенная изотропность механических свойств в г-направленин и высокое сопротивление разрушению были характерны для рафинированных сталей с процентным содержанием серы до 0,015% .

Результаты экспериментальных исследований на прямоугольных компактных образцах были сопоставлены с результатами расчета этих образцов на ПЭВМ. Сравнение показало, что разработанный численный алгоритм расчета по МКЭ тел с трещинами и вырезами дает хорошее качественное и количественное совпадение результатов. Расхождение между расчетными и экспериментальными значениями К1с составило 1,7 - 6,2 %.

При оценке трещиностойкости сталей при климатических температурах обнаружилось, что коэффициент интенсивности напряжений возрастает с понижением температуры, что противоречит очевидному факту, что вязкость в этом диапазоне температур должна понижаться. Полученный результат объясняется тем, что величина Кш зависит от разрушающего напряжения, которое в переходных областях от вязкого состояния к хрупкому может возрастать при понижении температуры. Поэтому при оценке трещиностойкости рассматриваемых сталей была использована величина радиуса пластически деформированной зоны у дна надреза (рис.4). Радиус пластичности, определенный для цилиндрических и прямоугольных компактных образцов уменьшался с понижением температуры, а склонность к хрупкому разрушению возрастала, что полностью соответствует имеющимся представлениям.

Расчитанные с позиций механики разрушения для цилиндрических образцов с надрезом (сталь 14ГСМФР) величины критических длин трещин составили 2 мм, что практически означает, что стали обычного качества,

разрушающиеся квазихрупко или хрупко при \[)7. ^ 4 % не следует применять в сварных конструкциях, в которых возможно воздействие нагрузок в г-направлении (сварные тавровые и угловые соединения и т.п.).

а)

мм 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

0

б)

-196

6 К \ О0,2 /

-120 -100 -70 -40

О +20 Т,°С

О -1_1—|-1-1-1-1-1——I--1-1--э»

-196 -70 -40 0 +20 т,°С

Рис.4. Зависимость от температуры величины радиуса пластически деформированной зоны Гр1: а) для цилиндрического образца с надрезом (сталь 14ГСМФР); б) для прямоугольного компактного образца с надрезом , параллельным плоскости проката (серийная сталь 09Г2С).

При изучении работы в конструкциях проката с конструктивной анизотропией результаты испытаний сварных нахлесточных соединений из парных уголков показали следующее. Разрушающие напряжения в сварных соединениях без исходных дефектов для всех видов проката в диапазоне температур испытания (от +20 до -70 °С) были выше предела текучести исследуемых сталей. Небольшие трещиноподобные дефекты при пониженных

температурах становились причиной хрупкого разрушения (СТРН < От) элементов из проката с равномерными свойствами по сечению, тогда как соединения из проката с конструктивной анизотропией при примерно равной прочности оказались гораздо более хладостойкими (СРН >От ). Причиной такого результата явилась специфическая полосчатая дисперсная структура и существенная неоднородность твердости по сечению и периметру профилей. Трещина при испытании соединений возникала на обушке уголка, где прочность металла относительно низка и распространялась в более прочную и вязкую зону перьев профиля, где происходило ее торможение. Т. е. существующий градиент механических свойств, являющийся следствием конструктивной анизотропии, увеличивал сопротивление разрушению металла. Было установлено также, что если в прокате с конструктивной анизотропией трещина распространяется по направлению уменьшения прочности и вязкости металла, то такой материал оказывается менее хладостойким, чем прокат с равномерными свойствами по сечению.

Испытания на статический изгиб крестообразных сварных соединений из арматурной стали со структурой типа конструктивной анизотропии по сечению стержней подтвердили особенности распространения трещин для данного проката.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Показано, что прокат для строительных сварных металлических кон-струкциий, полностью отвечающий требованиям стандартов на поставку металла для ответственных сооружений, в то же время может иметь низкие свойства по толщине проката - г-свойства , что недостаточно учитывается в главах СНиП П-23-8Г и в ряде случаев приводит

к характерным слоистым разрушениям сварных соединений.

2. С учетом особенностей полосчатости структуры и механизма слоистого разрушения толстолистового анизотропного проката в качестве его расчетной модели при вычислениях по МКЭ предложено изотропное тело, имеющее комплекс обычных упругих характеристик, при этом учет анизотропии описывается введением в материал поверхностной трещины, параллельной поверхности проката.

3. Разработан алгоритм решения упругой задачи тел с трещинами и вырезами на ПЭВМ IBM PC АТ-286 на основе МКЭ в форме метода перемещений. Показано, что для моделирования сингулярности напряжений в вершине трещины при расчетах по МКЭ на ПЭВМ низкого класса наилучшим образом подходят изопараметрические элементы, позволяющие с достаточной точностью оценивать напряженно-деформированное состояние и характеристики трещиносгойкости в упругой области у трещин и вырезов без сгущения сетки конечных элементов.

4. Для оценки z-свойств проката обычного качества с анизотропией описываемого типа при приложении нагрузки нормально плоскости листов, предложено применять образцы не с усталостной трещиной, как это предписывает ГОСТ 25.506-85, а с внешним острым надрезом. Показано, что оценку трещиносгойкости в z-направлении анизотропного проката в диапазоне климатических температур эксплуатации (до минус 65°С) можно выполнить на небольших прямоугольных компактных образцах с надрезом, испытываемых по схеме статического внецентренного растяжения, с использованием характеристики радиуса пластически деформированной зоны у дна надреза.

5. Для нормативных документов предложен минимально допустимы] уровень характеристики относительного сужения \J)Z, позволяющий применят стальной прокат в сварных конструкциях. Показана недопустимость приме нения в сварных конструкциях толстолистовых сталей повышенной и высоко] прочности обычного качества при воздействии напряжений в z- направле

нии при величине относительного сужения s 4 % вследствие возможносп появления в конструкциях хрупких слоистых изломов. Установлено, что ] данном случае длина критического дефекта может быть порядка 2 мм.

6. Показано, что рафинирование металла значительно уменьшав-

анизотропню сталей и оказывает положительное влияние на вязкость разрушения во всем диапазоне климатических температур. Разработаны рекомендации по назначению сталей высокой прочности в нормативных документах - рафинированные стали с пониженным содержанием серы до 0,015 % и табулированными неметаллическими включениями можно использовать в ответственных металлических конструкциях 1 и 2 групп.

7. Показано, что в ряде случаев стальной прокат с сильной анизотропией по сечению типа конструктивной анизотропии обладает более высокой хла-достойкостью, чем прокат с равномерными свойствами по сечению. Для этого прокат с конструктивной анизотропией следует располагать в конструкциях таким образом, чтобы в случае разрушения трещина распространялась по направлению увеличения прочности и вязкости металла. Ввиду повышенной хладостойкости и трещиностойкости такой прокат рекомендуется для конструкций, эксплуатирующихся в особо тяжелых условиях, в том числе в Северных районах страны.

8. Результаты экспериментально-теоретических исследований использованы при выборе материала для стационарного покрытия Большой Спортивной Арены стадиона в Лужниках (г.Москва), а также при создании стальных каркасов зданий, предназначенных для эксплуатации в Северных районах нашей страны.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Одесский П.Д., Абашева Л.П. Строительные стали со строением естественного композита для металлических конструкций и методы оценки их свойств. - Металловедение и термическая обработка металлов -- 1996 - N 8 - с.13-23.

2. Одесский П.Д., Абашева Л.П. Хладостойкие стали с пониженным содержанием марганца для массовых строительных конструкций. Сб.: Механические свойства и разрушение сталей при низких температурах. Материалы международного семинара. - Санкт-Петербург - 1996 - с.7-8.

3. Одесский П.Д., Абашева Л.П. Об оценке эксплуатационных свойств упрочненных с прокатного нагрева сталей для строительных металлических конструкций. Сб: Термомеханическая обработка металлических материалов. Материалы научно-технического семинара.- Москва-1994 - с.14-15.