Хрупкое разрушение стали.

Один и тот же материал может разрушаться и хрупко, и пластично, в зависимости от внешних условий и воздействий.

Возможны следующие 2 случая разрушения материалов:

? Пластичное разрушение – от сдвига, сопровождается большими пластическими деформациями и происходит в течение длительного времени. Начало пластичного разрушения может быть замечено и приняты меры для его предупреждения.

 ? Хрупкое разрушение – от отрыва, когда силы сцепления внутри материала исчезают. Хрупкое разрушение происходит внезапно, без образования заметных деформаций.

Потеря несущей способности строительных металлических конструкций в результате хрупкого разрушения – явление редкое. Однако возможно хрупкое разрушение стали при совокупности факторов, вызывающих охрупчивание стали.

4.12.1. Факторы, влияющие на хрупкое разрушение

? Качество стали. Стали, содержащие большое количество вредных примесей, таких как азот, сера, фосфор, водород хуже сопротивляются хрупкому разрушению (см. п. 4.3). Большое содержание некоторых легирующих добавок, таких как марганец, вольфрам, молибден, кобальт, увеличивающих прочность, но снижающих пластичность, может также способствовать хрупкому разрушению.

В нераскисленных, кипящих сталях механические свойства неоднородны, вследствие неравномерного распределения химических элементов и засорения газами. Они хуже сопротивляются хрупкому разрушению, чем полуспокойные и спокойные.

? Структура стали (см. п. 4.2)– На хрупкое разрушение оказывает также влияние величина зерен. Мелкозернистые стали пластичны и менее подвержены хрупкому разрушению. Крупнозернистые стали менее пластичны, следовательно, более подвержены хрупкому разрушению.

? Старение (см. п. 4.4) – При старении повышается прочность стали (увеличиваются предел текучести и предел прочности), но одновременно уменьшается ее пластичность. Это создает предпосылки к развитию хрупкого разрушения.

? Влияние среды – коррозия (см. п. 4.6) В случае возникновения очагов коррозии уменьшается рабочее сечение элементов конструкций, в них повышаются напряжения и снижается их несущая способность. Кроме того коррозия приводит к снижению механических характеристик стали, т.к. корродируют более прочные (внешние) участки по толщине металла (рис. 4.16).

? Температура эксплуатации (см. п. 4.5)

В интервале температур от 250 до 350°С  сталь делается хрупкой наблюдается так называемая синеломкость (рис. 4.6).

При отрицательных температурах (во всем диапазоне отрицательных температур) сталь становится более прочной но менее пластичной и, следовательно, более хрупкой. Отрицательная температура сдерживает развитие пластических деформаций и тем самым охрупчивает сталь.

Температурные воздействия могут привести разрастанию имеющихся в металле незаметных микротрещин, как на поверхности металла, так и на глубине. Наличие трещин в стали приводит к резкому увеличению напряжений (концентрации напряжений) и возможности хрупкого разрушения.

? Характер нагружения. При повторной нагрузке до пластического состояния область упругой работы увеличивается, а пластичность падает (явление наклёпа), сталь становится более хрупкой, следовательно, возникает опасность хрупкого разрушения.

При непрерывной повторной нагрузке и растягивающих напряжениях также возникает опасность хрупкого разрушения.

Однозначные растягивающие напряжения при сложном напряженном состоянии (случай трехосного растяжения) также вызывают хрупкое разрушение стали.

? Масштабный фактор. Как известно исходным материалом при прокатке являются слябы или заготовки (см. п. 2.2.5). Прокатку как листового, так и фасонного профиля проводят в несколько проходов (см. п. 3). Тонкий металл обжимается при прокатке на всю толщину (рис. 4.16, а). Более толстый металл подвергается меньшему обжатию при прокатке. Внутренние слои стали остаются рыхлыми, крупнозернистыми и, следовательно, более хрупкими (рис. 4.16, б).

Корреляционная зависимость прочности стали от толщины проката представлена на рис. 4.17. Как видно из рис. 4.17 прочность стали (предел текучести и временное сопротивление) при больших толщинах (более 40 мм) практически не зависит от толщины.

Кроме того, с увеличением толщины и размеров повышается степень объемности напряженного состояния и, следовательно, охрупчивания особенно при трехосном растяжении.

? Концентрация напряжений. В случае резкого изменения формы сечения (у отверстий, утолщений или резкого изменения размеров и формы сечения элемента) развивается неравномерность распределения напряжений. Эта неравномерность занимает небольшую часть сечения, концентрируясь около отверстия или другого типа изменения сечения, образуя концентрацию напряжений

В зоне концентрации напряжений возникает сложное напряженное состояние одного знака. Неравномерность распределения напряжений с высоким градиентом и однозначность напряжений сдерживают развитие пластических деформаций и приводят к возможности хрупкого разрушения.

Концентрация напряжений, а следовательно возможность хрупкого разрушения, опасна в конструкциях, эксплуатируемых при низких температурах.

Концентрация напряжений в конструкциях, подвергающихся динамическим воздействиям, также приводит к возможности хрупкого разрушения.

Сварка и сварочные напряжения. В процессе сварки в элементах конструкции развиваются остаточные напряжения [8]. Величина их может быть значительной и при совокупности с другими факторами может привести к хрупкому разрушению.

Для исключения возможности хрупкого разрушения сталь должна обладать хорошей свариваемостью (см. п. 4.7). Если сталь обладает плохой свариваемостью, то возможно образованию горячих и холодных трещин, которые при совокупности факторов могут привести к хрупкому разрушению.

Образование пор, внешних и внутренних трещин, непроваров, подрезов и других дефектов [8], также при совокупности факторов может привести к хрупкому разрушению.