Другим фактором, ограничивающим выбор стали для сварных металлоконструкций и, в частности, препятствующим дальнейшему повышению ее прочности обычным легированием (например, кремнием), является требование хладостойкости. Для строительной стали с ним ассоциируется сопротивление хрупкому разрушению микросколом. При этом виде разрушения зерна металла раскалываются по определенным кристаллографическим плоскостям с образованием в изломе характерных «кристаллических» фасеток и «ручьистого узора». Размер фасеток близок к размеру зерен в плоском сечении шлифа.

Разрушения этого вида особенно опасны, так как происходят внезапно, распространяясь с высокой скоростью без заметной макропластической деформации, часто даже при весьма низких напряжениях от рабочей нагрузки. Сварные конструкции подвержены хрупкому разрушению микросколом более других. Этому способствует концентрация напряжений, структурная и механическая неоднородность, неразъемность и наличие высоких сварочных напряжений.

Хладостойкость элемента конструкции определяется температурой хрупкости, при которой возможен переход от предполагаемого вязкого разрушения к хрупкому разрушению микросколом. На эту температуру влияют как физические свойства стали (предел текучести, микроструктура), так и «внешние» условия нагружения (напряжение, жесткость напряженно-деформированного состояния, величина и скорость деформации). Чтобы разобраться в их взаимодействии целесообразно принять во внимание сильную зависимость предела текучести железа и его сплавов от температуры и скорости деформации. При постоянной скорости деформации температурную зависимость продела текучести можно выразить приближенным соотношением.

Прогнозировать хладостойкость конструкции можно с помощью представлений о силовом критерии, развитом Л.А. Копельманом [12] на базе работ А.Ф. Иоффе, Н.Н. Давиденкова, Я.Б. Фридмана и Г.В. Ужика, предполагающем, что разрушение возникает при одновременном наступлении текучести в некоторой локальной области материала и достижении растягивающим напряжением Oi некоторой критической величины Suc:

Используя уравнения (1.5), (1.6), (1.7), можно получить уравнение температуры хрупкости - перехода в данной локальной области нагружаемого элемента от вязкого разрушения к разрушению микросколом [14]

Уравнение в этом виде, хотя и не отражает прямо всех влияющих факторов (например величины и скорости пластической деформации), однако наглядно вскрывает взаимосвязь влияния как внешних условий нагружения, так и физических свойств стали, ее прочности и микроструктуры. В этом уравнении для «мягкой» стали с феррито-перлитной микроструктурой коэффициенты [3 = (6...8) 10"3 град-1; 1^ = 19,6 Н/мм3/2, ks = 177 Н/мм3/2 ; для углеродистой стали о~0 = 981 Н/мм2; фактор q при одноосном растяжении равен 1, при наличии предельно острого концентратора напряжений - 1/3, при испытании на изгиб образцов с треугольным надрезом типа Шарпи -0,6.

Весьма велика роль особенностей внешнего нагружения. Согласно уравнению (1.8) переход от условий растяжения гладкого образца (#=1) к растяжению элемента с острым концентратором напряжений (д — 1/3) повышает Тк строительной стали на 170-200 °С.

Из уравнения (1.8) также следует, что любой из факторов, упрочняющих сталь и вызывающих увеличение о0 (возрастание содержания элементов в твердом растворе, наклеп, старение, радиационное упрочнение и др.) повышает Тк , т.е. ох-рупчивает материал, а измельчение зерна микроструктуры d, напротив, снижает Тк т.е. повышает хладостойкость. Следовательно, непременным условием сохранения хладостойкости при повышении прочности является измельчение микроструктуры.

На основании исследований особенностей хрупкого разрушения микросколом предложено много способов экспериментальной оценки хладостойкости стали и металла сварных соединений. Почти все они предусматривают многократные (сериальные) испытания одинаковых (для данного способа) по размерам и форме образцов, но при разных температурах. Показателем качества служит температура, при которой контролируемый признак (поглощенная работа, доля волокна в изломе, сужение под надрезом, разрушающее напряжение и т.п.) по мере проявления хрупкости с понижением температуры достигает некоторой нормируемой величины.

Приведем некоторые основные методы, получившие наибольшее распространение:

• испытание на динамический изгиб стандартных (призматических) образцов по ГОСТ 9454-78* с полукруглым (г— 1 мм) или треугольным (г— 0,25 мм) надрезами, а также с концентратором в виде трещины усталости;

• испытание на растяжение или изгиб крупных плоских (листовых) образцов натурной толщины с глубокими надрезами или трещинами усталости на кромках;

• испытание падающим грузом на изгиб (в плоскости наименьшей жесткости) листовых образцов натурной толщины по Пеллини (DWT);

• испытание падающим грузом на изгиб (в плоскости наибольшей жесткости) листовых образцов натурной толщины по методике института Баттеля (DWTT);

• определение температуры остановки инициированной трещины (ТОТ) на крупных составных листовых образцах натурной толщины по Робертсону или испытаниями «на двойное растяжение».

Наряду с концепцией переходной (критической) температуры, широко используемой в механике хрупкого разрушения, разработаны и получили значительное развитие аналитические методы, основанные на рассмотрении поля упругих напряжений в вершине трещины. При этом для оценки сопротивления строительных сталей хрупкому разрушению применяются энергетические, силовые и деформационные критерии механики разрушения. С использованием указанных критериев представляется возможным установить связь между разрушающим (или допустимым) напряжением и размером трещины, которая гипотетически может присутствовать в конструкции. Вместе с тем механика разрушения призвана дать обоснованную методику лабораторных испытаний, результаты которых можно было бы переносить на элементы конструкции.

Основным критерием механики разрушения служит коэффициент интенсивности напряжений К, предложенный Ирвином (США), как параметр, определяющий поле упругих напряжений перед фронтом трещины, и является функцией приложенного напряжения и формы трещины. В упругой области для трещины в бесконечно широкой пластине, нагруженной нормальными напряжениями, направленными перпендикулярно трещине, выражение для коэффициента К имеет вид

При других формах тел и расположении трещин, а также при переходе к телам ограниченных размеров и изменении характера распределения номинальных напряжений в формулу (1.9) вводится соответствующая поправочная функция.