О проекте
Курсы
Публикации
Контакты
ЛИЧНЫЙ КАБИНЕТ
Логотип Structuristik
Подкаст
Акции
PlayCAD
Подпишитесь на наши новости
Close
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ STRUCTURISTIK
Даю согласие на обработку персональных данных.
Новогоднее Комбо возвращается. Скидки до 42 000 ₽
КУПИТЬ КУРСЫ
Ударная вязкость.
(Всё что вы хотели, но боялись спросить)
ВВЕДЕНИе
Что, в среднем, практикующий конструктор знает про ударную вязкость? Нууууу…

Ударная вязкость — это такое свойство, которое, нужно обеспечивать, потому что в нормах так написано. И ещё, судя по тому, что это свойство нужно обеспечивать при разных температурах, оно, по-видимому, как-то связано с хладноломкостью. Притом, то что хладноломкость опасна, мы как-то в целом помним с университетской скамьи, но глубоко в эту тему практически никто не погружался. Многие, увы, даже не знают что это такое. Вот над этой тайной я и попытаюсь приоткрыть завесу в этой статье.

ДИСКЛЕЙМЕР
Сразу уточню, что рассматриваемый вопрос актуален не только для сталей, но в особенности для алюминия, титана и их сплавов. Однако, так как мы, как строители, пользуемся строительными сталями: малоуглеродистыми и низколегированными, то акцент будет сделан именно на них и закономерности которые будут здесь озвучены могут быть неприменимы для других сталей и сплавов.
Пара вступительных терминов
Да-да, всё как в универе. Вместо увлекательного повествования, раздел «Термины и определения». Увы, нам это потребуется. Иначе эта статья рискует остаться не понятой. Я не буду сразу вываливать на вас все термины, но два термина мне ввести придется.

Во-первых, хладноломкость — это склонность металла к хрупкому разрушению при низких температурах.

Во-вторых, хрупкое разрушение — это отказ, который происходит без пластических деформаций с чрезвычайно высокой скоростью, при средних напряжения ниже предела текучести. Излом характеризуется плоской или почти плоской поверхностью, а скорость распространения излома достигает 2 км/с.
Рисунок 1 —Вязкое (слева) и хрупкое (справа) разрушение образцов.
Вот и всё. Теперь перейдем к чуть более увлекательной части.
Краткая историческая справка
Вообще, то что металлы могут разрушаться хрупко знали всегда. Современная пластичность сталей заслуга металлургов, а не присущее сталям со старта свойство. Мы не будем уходить в глубь веков и задаваться вопросами ударной вязкости сталей самурайских мечей или хладноломкостью первых металлических доспехов.

Начнем сразу с эпохи индустриализации. Во второй половине 19-го века хрупкие разрушения металлов происходили преимущественно от действия ударных нагрузок и пристальное внимание получил именно вопрос повышения способности металлов сопротивляться хрупкому разрушению при ударном воздействии. Но для начала нужно было ввести какую-то систему оценки. Одной из первых таких систем стала, предложенная в 1901 году выдающимся французским металлургом Августином Жоржем Альбертом Шарпи, методика испытаний металлических образцов на удар в маятниковом копре. Он же предложил и первые образцы.

Есть некоторые отличия в методике проведения испытаний. В самом простом варианте ударник маятника заданной массы поднимают на заданную высоту, в результате чего он приобретает понятную кинетическую энергию mGh1. Затем его отпускают и ударник набирая скорость переводит начальную потенциальную энергию в кинетическую. При ударе по образцу часть кинетической энергии ударника затрачивается на разрушение образца. После этого ударник из нижнего положения вновь поднимается вверх на высоту h2 < h1. Разница между начальной потенциальной энергией mGh1 и конечной mGh2 и есть энергия, затраченная на разрушение образца. В более точных вариантах после разрушения образца ударник бьет в стопор, который фиксирует кинетическую энергию ударника. Современные ударные маятники, кроме того, оснащены осциллографами, которые учитывают потери энергии на трения маятника о воздух и трение бойка об образец. Ну, а что бы маятник не был слишком уж большим и тяжелым, на образце делают надрез, чтобы точно сломался. Тот самый V-надрез. Вот так. Не сложнее, чем на уроке физике в 6-ом классе.
Рисунок 2 — Схема испытания в маятниковом копре
Тут сделаем маленькую паузу и введем ещё два понятия:
Во-первых, работа удара — это энергия, затраченная на разрушение образца. Как раз та самая разница между потенциальной энергией маятника в верхнем положением и кинетической энергией маятника на стопоре. Измеряют её в Джоулях [Дж] или фунтах на фут [lb-ft], прости Господи.

Ударная вязкость — это отношение работы удара к рабочему поперечному сечению образца. Измеряют её в [Дж/кв.см].
А где же фунты на футы на квадратные дюймы [lb-ft/in2], спросите вы? А вот и нет. Тут получилась интересная заковырка. Работу удара относят к рабочей площади только в России, что по сути является советским наследием. В ЕС и США определяют только работу удара и по ней характеризуют склонность стали к хрупкому разрушению.
Что ещё больше вводит в заблуждение, что называют работу удара «они» вязкостью, вернее они то называют это toughness, что на русский переводится как вязкость. То есть у нас вязкость измеряется в Дж/см2, а у них просто в Дж. Хорошо бы нашу терминологию привести к международной, но вряд ли это получится.
О том, почему подход США и ЕС, на мой взгляд, более корректный я расскажу чуть позже.
Возвращаемся обратно. Всё бы было не плохо, но промышленность развивалась и стремилась одновременно делать всё большие по размерам конструкции, но расходовать на них всё меньше металла, чему способствовало активное развитие сопротивление материалов, строительной механики, теории упругости и методов расчета металлических конструкций. Казалось бы, а причем тут ударные воздействия? Не переживайте, скоро всё станет понятнее.

Первые описания хрупких разрушений габаритных металлических конструкций относятся ко второй половине 19-го века. Так, например, в 1886 году произошло разрушение напорного бака высотой более 76 метров во время гидростатических приемочных испытаний. Другой известный инцидент случился в 1919 году с резервуаром для патоки. В результате внезапного и хрупкого разрушения погибло 12 человек и 40 получили ранения, были повреждены несколько домов и разрушена часть прилегающей железной дороги.

До Второй мировой войны в Европе произошли разрушения нескольких сварных мостов вскоре после ввода их в эксплуатацию. Мосты были слабо нагружены, а разрушения произошли внезапно и имели хрупкий характер. Результаты расследований показали, что большая часть разрушений произошли из-за дефектов в сварных швах, а результаты испытаний стали на ударную вязкость по Шарпи показали, что большинство сталей становились хрупкими при температурах эксплуатации.

Серьезно вопросом занялись только после Второй Мировой войны. Из примерно 5000 торговых судов, построенных за период Второй Мировой, к 1946 году более 200 получили серьезные повреждения, и по меньшей мере 9 танкеров типа Т2 и 7 пароходов типа «Либерти», буквально раскололись надвое.

Анализ аварий пароходов «Либерти» показал, что разрушения начинались от углов квадратных люков или углов квадратных вырезов в верхнем поясе наружной обшивки.
Сейчас решение сделать люки в фюзеляже квадратными нам кажется диким, но тогда влияние концентрации напряжений на склонность к хрупкому разрушению не было очевидным даже для ведущих специалистов отрасли.
Логично, что изменения в конструкции, включавшие скругления и усиление углов люков, а также удаление квадратных вырезов в поясе обшивки привели к снижению частоты аварий.

Анализ аварий танкеров типа Т2 показал, что разрушение зарождалось в дефектах, расположенных в стыковых швах обшивки днища. Использование ограничителей трещин и повышение требований к качеству сварочных работ снизили частоту отказов.
Сложно не обратить внимание, что каждый раз в историях о хрупких разрушениях речь идет именно о сварных металлических конструкциях. Низкое качество сварки оказывает крайне негативное влияние и стало причиной большинства аварий из тех, которые приведены выше. Да и ниже тоже).
Кроме того, исследования показали, что помимо конструктивных недостатков немалое содействие хрупкому разрушению сварных корпусов оказало низкое качество стали.

Несмотря на все нововведения в проектировании, повышение требований к качеству сварочных работ и ограничения на химический состав сталей для судостроения хрупкие разрушения не прекратились.

Сократим экскурс в историю, уточнив лишь, что ещё порядка полутора десятка судов разломилось надвое в период с 1951 по 1965 годы, хотя и были спроектированы по всем новомодным на тот момент законам и правилам. Выделим лишь хрупкое разрушение танкерной баржи I.O.S. 3301 в 1972 году, когда годовалое судно разломилось практически пополам в порту при спокойном море. Выделим по двум причинам. Во-первых, фотография сохранилась:
Рисунок 3 — Танкерная баржа I.O.S.3301
Во-вторых, в данном конкретном случае сталь обладала хорошей ударной вязкостью по данным испытаний по методу Шарпи и посредственной вязкостью по данным испытаний на динамический отрыв. Основной причиной разрушения назвали необычайно высокую нагрузку, вызванную неправильным балластированием в зоне высоких остаточных напряжений от сварки.

И корабли в этом плане не одиноки. Коротко упомянем десяток другой самолетов, аварии с роторами паровых турбин и генераторов и всё в таком духе. В общем оставлять ситуацию в таком виде стало решительно невозможно.

Вы спросите, а причем тут строительство? Тут в первую очередь отличились мосты. Ярким примером стало разрушения в 1962 году моста Кингс-Бридж в результате хрупкого излома при температуре около +4°C. Неудачные конструктивные решения и низкое качество исполнения привели к образованию почти сквозных трещин, ещё до приложения нагрузок. Хотя этот и другие мосты, ранее разрушившиеся хрупким образом, были тщательно изучены, мостостроительная отрасль не уделяла особого внимания возможности хрупких разрушений в мостах вплоть до катастрофы моста Поинт-Плезант в 1967 году, в результате чего погибли 46 человек. Фотографии идентичного висячего моста до обрушения и моста Поинт-Плезант после обрушения показаны на рисунках 4 и 5.
Рисунок 4 — Мост по типу Поинт-Плезант
Так что если вы решили, что только у нас нормы пишут когда кто-то погибнет, то нет. Не только у нас.
Рисунок 5 — Мост Поинт-Плезант. Вернее то, что от него осталось
Национальный совет по безопасности на транспорте провел тщательное расследование обрушения и пришел к выводу, что «причиной обрушения моста стало хрупкое разрушение нижней ветви проушины звена 330».
Материаловедческое исследование причин обрушения моста Поинт-Плезант пришло к выводам, что причиной аварии стали неудачное конструктивное решение, и коррозионное растрескивание в совокупности с низкой трещиностойкостью стали и эксплуатационных температурах. И это обрушение стало не последним.

В результатом этих разрушений стало принятие Ассоциацией американских государственных служащих автомобильного транспорта (AASHTO) требований к вязкости материалов для мостовых сталей. Другие отрасли промышленности разработали планы контроля разрушений для арктического строительства, морских буровых установок и более специфических применений, таких как космический шаттл.

Весь этот опыт показал, что само по себе ударное воздействие не столь опасно, но оказывается катастрофичным при действии низких температур, агрессивной среды, коррозии и особенно, наличии дефектов. Собранные данные легли в основу нового раздела механики — механики разрушений, предметом которого стало изучение закономерностей зарождения и роста трещин, в т. ч. и усталостных трещин.
Линейная механика разрушений
На данном этапе уже давненько существует разделение механики разрушений на линейную и нелинейную. Нелинейная механика разрушений занимается вопросами развития трещин в, как вы уже догадались, нелинейных материалах, преимущественно пластиках и других полимерах. Металлы, бетон и даже плюс-минус древесина вполне подходят для линейной механики разрушения.

Линейная мехника разрушений предмет в целом доступный для понимания. В общем вся она сводится к одной формуле:
где KI. i -движущая сила трещины; Ki — вязкость стали.

Сами эти величины измеряются в МПа√м. Тут нужно заметить, что вязкость стали бывает разная: статическая, динамическая, с учетом усталости, с учетом коррозии и т. д. и т. п. То есть на вязкость стали оказывают влияние различные факторы, которые и представляют для нас интерес. От чего же зависит вязкость?

В первую очередь, на вязкость стали влияет температура стали, скорость нагружения и свобода деформирования. Есть и другие факторы, но эти основные. Давайте коротко рассмотрим каждый из основных факторов. Это не сложно, хотя и на не привычным для конструкторов уровне.

Температура. Тут всё просто. Чем ниже температура, тем ниже вязкость. Почему? Из курса металлических конструкций, мы помним, что предел текучести стали, это напряжения при которых начинается активное движение дислокаций в кристаллической решетке стали. А из школьного курса физики помним, что при снижении температуры вещества движение молекул этого самого вещества замедляется. Соответственно и замедляется скорость движения дислокаций, а потому пластичность стали банально не успевает реализоваться. Отсюда мы плавно перетекаем ко второму фактору:

Скорость нагружения. Чем выше скорость, тем ниже вязкость. Тут, вероятно, важна не сама скорость нагружения, а отношение скорости нагружения к возможной скорости смещения дислокаций. Но измерить скорость движения дислокаций довольно сложно, так что мерой выступает именно скорость нагружения. Скорость нагружения варьируется от «медленной» (достижение максимального значения за 10 с и более), до «мгновенной» (достижение максимального значения за 0.001 с и менее). На графике ниже показано изменение показателя вязкости по мере изменения температуры для трех разных скоростей нагружения.

Рисунок 6 — Вязкость стали при различных скоростях нагружения
Для строительных конструкций средняя скорость нагружения составляет 1 с. Следует отметить, что значительного изменения трещиностойкости не происходит, если скорость нагружения изменяется не более, чем в 10 раз. Так что приложите вы нагрузку за 0.2 секунды или за 5 секунд разницы большой не будет.

Свобода деформаций. Это сложнее всего. Притом сложно и описать почему так и измерить. Два крайних состояния здесь: плоское напряженное состояние и плоское деформированное состояние. Плоское напряженное состояние характерно для тонких пластинок. Если вы попытаетесь её растянуть, то она увеличиться в направлении растяжения, но уменьшится в двух перпендикулярных направлениях. При этом ничего этим поперечным деформациям мешать не будет. Свобода деформаций максимальна, а вместе с ней максимальна и вязкость стали.

При плоском деформированном состоянии, характерном для толстых пластин, при растяжении материал расположенный дальше от поверхности стеснен в деформациях окружающим его материалом и не может деформироваться свободно. Не смотря на отсутствие внешних сил в поперечных направлениях внутри тела напряжения в этих направлениях всё равно возникают, что снижает пластичность стали, а значит, снижает и вязкость.

Всё бы ничего, но есть одна загвоздка. На сегодняшний день нет методов аналитического определения вязкости стали при различных комбинациях этих факторов. Для каждой толщины, температуры эксплуатации и скорости нагружения испытания проводятся отдельно. Хуже того, что для определения вязкости стали требуются образцы довольно больших размеров, а значит и соответственно мощное оборудование и что ещё хуже, для назначения размеров и типов образцов нужно заранее знать ожидаемую вязкость материала. Выполнять подобные испытания могут далеко не все лаборатории. Тут то на помощь и приходит старый проверенный метод Шарпи.
Метод Шарпи
Как вы уже догадались, метод Шарпи оценивает ту же самую вязкость, только иначе. Нашим нормативным документам свойственно «забывать» авторов и обезличивать методики. Так что у нас это называется KCV, где КС — ударная вязкость (фиг его знает где тут ударная, а где вязкость), а V — тип надреза. В США вязкость обозначают CVN (Charpy V-Notch — Шарпи c V-надрезом), в ЕС используют сокращение KV (K — вязкость, V- надрез). Ну и да, как уже писал выше в РФ KCV измеряют в Дж/см2, а в ЕС и США в Дж и ft-lb соответственно. Размеры образцов, надрезов и копры практически ничем не отличаются, только что в США размеры округлены до чуть более удобных в их системе измерения.
Так как это характеристика всё той же вязкости стали, то для результатов тестов по Шарпи справедливы те же закономерности, что и для вязкостей, применяемых в механике разрушений — испытание справедливо только для той температуры, той скорости нагружения (удар) и того образца, который прошел испытания. Ага, только для того образца. Результаты испытаний по Шарпи не обладают подобием! То, что на образце ударная вязкость составила X Дж/см2 вовсе не означает, что ударная вязкость для элемента конструкции будет составлять X Дж/см2 или хотя бы окажется больше, чем X Дж/см2. Этот X Дж/см2 свойственен только самому по себе образцу.
Этим и объясняется то, что в США и ЕС вязкость определяют в размерностях энергии. Нет совершенно никакого смысла относить вязкость к площади рабочего сечения образца, потому как образец другой площади поперечного сечения будет обладать другой ударной вязкостью.
Кроме того, результаты испытаний по Шарпи нельзя применять для выполнения расчетов методами механики разрушений. Результат хоть и является мерой вязкости стали, но оценивает энергию затрачиваемую на разрушение образца определенных размеров с определенным надрезом, а не в целом вязкость стали. Прямой переход между этими величинами невозможен. По крайней мере до сих пор не известен. Получается, что значение ударной вязкости по Шарпи бесполезно? Ну, не совсем. Результаты тестов по Шарпи это косвенный, а не прямой показатель вязкости стали. Чем больше поглощенной энергии тем круче, но вот само значение ни к чему напрямую не приложишь. Тогда почему по всему миру для строительства принимают именно оценку ударной вязкости по Шарпи? А потому что дешево.
А вот испытания для определения реальной вязкости образцов дорогие и длительные. Так что ученые придумали два варианта как по результатам дешевых испытаний обеспечить требуемую надежность.
Во-первых, научиться соотносить данные по результатам испытаний Шарпи с реальной вязкостью стали. Так как это принципиально разные испытания, то задача может быть решена или долго и мучительно теоретически (что до сих пор не сделано) или методами математической статистики. Но для этого потребуется собрать существенный статистический материал для различных видов сталей. Предложили немало зависимостей, но достаточно авторитетных две:
Одна пошла чуть более логичным путем, соотнеся, что испытания по Шарпи ударные, а значит и сравнивать нужно с динамической вязкостью стали. Получилось вот так:
где KId — вязкость стали при ударном режиме нагружения [psi√in]; E — модуль упругости стали [psi]; CVN — ударная вязкость по Шарпи [ft-lb].

Тут особое внимание уделяйте размерностям. Это не метрическая система, так что ошибиться легко. А для получения статической вязкости стали предложили температурный переход вида:
где fy — предел текучести стали.

Только этот температурный сдвиг тоже в фаренгейтах. Для промежуточного темпа нагружения рекомендуется принимать ¾ от Tshift. Уравнение справедливо для сталей с пределом текучести от 250 до 965 МПа.

Другая зависимость, для ударной вязкости в промежутке от 7 до 70 Дж, выглядит так:
где KIc — вязкость стали при нормальном режиме нагружения [МПа√м]; CVN — ударная вязкость по Шарпи [Дж].

А нормальные испытаний проводят для атомных станций и самолетов. Нам, в прочем, эти зависимости ни к чему. Просто мы должны понимать, что значения ударной вязкости, в чем их не мерь, нельзя применять напрямую.
Во-вторых, пойти «в лоб». Определить ударную вязкость по методу Шарпи для конструкций, разрушившихся хрупко и в нормативных документах установить предел выше, чем полученные значения. Благо на тот момент данные по результатам обследований аварий уже были.
Так и поступили. Просто установили в виде нижней границы такие показатели по испытаниям Шарпи, которые были бы выше, чем у разрушившихся конструкций. Такой подход, как мы понимаем, не мог гарантировать надежность и не давал достаточно информации для дальнейших изысканий, но позволял заткнуть нормативную дыру быстро и дешево. Кого волнует невозможность применения этих данных для выполнения расчетов и обеспечения необходимого уровня надежности при последующем проектировании? Только инженеров.
Таким образом метод Шарпи стал основным методом испытаний склонности сталей к хладноломкости и лег в основу норм строительства США, ЕС и СССР, а пороговые значения устанавливали эмпирически после анализа очередной аварии.
Вязкость стали
Теперь давайте подробнее рассмотрим как ведет себя сталь при разных температурах. На рисунке 5 представлен график вязкости стали в зависимости от температуры.
Рисунок 7 — График изменения вязкости от температуры
График может быть условно разделен на 4 участка:

Участок I (нижняя полка) — хрупкий. На этом участке сталь разрушается хрупко, вне зависимости от скорости нагружения. Применение материала, работающего в этом диапазоне вязкости при эксплуатационных температурах следует избегать, потому как в таком случае не обеспечивается требуемый уровень надежности, за исключением эксплуатации в строго контролируемых условиях.

Участок II (нижний переход) — упруго-пластичный с появлением пластических зон без устойчивого развития трещины. В конце концов сталь разрушается хрупко. Такое поведение стали может быть допустимо для большинства условий эксплуатации.

Участок III (верхний переход) — упруго-пластичный с существенными пластическими зонами и большой доле вязкого разрушения. Сталь при таком поведении разрушается смешанно и быстро, но только после значительных, заметных глазу, деформаций;

Участок IV (верхняя полка) — пластичный. На этом участке сталь разрушается пластично и вязко.
Рисунок 8 — Диаграмма деформирования при работе стали на различных участках вязкости
Таким образом наша задача обеспечить, чтобы для строительных конструкций применялась сталь, которая при эксплуатационной температуре, режиме нагружения, характерном для строительной конструкции и напряженном состоянии не попадает на участок I. Но сделать это по данным не прямой оценки вязкости, а косвенной.
Нормативные методики
Российская Федерация
Ну у нас, как мне кажется, всё просто. Есть таблица в которой в зависимости от температуры, предела текучести и группы конструкций стали определяем требуемое значение ударной вязкости. При этом группа конструкций является интегральным параметром, который учитывает режим нагружения, степень ответственности, наличие сварных соединений (вносимых сваркой дефектов), толщину элементов (переход по плоского напряженного к плоскому деформированному состоянию). Толщину элементов листового и трубного прокатов с пределом текучести выше 440 МПа, кстати, учитывают дважды. Один раз, когда понижают группу конструкций, второй раз, когда устанавливают повышенные требования к ударной вязкости. Специально или случайно так вышло. Я не знаю.
Вот вы уже прочитали большой материал и наверняка задаетесь вопросом, а почему собственно повышенные требования к ударной вязкости элементов толщиной более 40 мм применяются только для листового и трубного прокатов, а для фасонного нет? Вроде же учет толщины элемента — это учет стеснения поперечных деформаций.

Разве в фасонном прокате при такой толщине поперечные деформации оказываются свободнее, чем в листовом? Нет. Даже хуже, потому как в фасонном прокате примыкают элементы и в другом направлении, что ещё больше стесняет поперечные деформации. Просто добиться в фасонном прокате стабильно более высоких показателей ударной вязкости сложнее, чем в листовом.

Очевидно что требования к ударной вязкости это требования надежности строительной конструкции, а надежность не может определяться формой профиля. Оставлю на фантазию читателя решить самому, завышено требование к листовому прокату или занижено для фасонного, разве что рекомендую посмотреть значения в таблице В.1 в предыдущих редакциях стандарта, вплоть до СНиП II-23−81*.
Определил группу конструкций, учел температуру эксплуатации и класс прочности стали — получил значение. Методически просто, но ужасно не явно. Нигде и никак не указано, что это за группы конструкций и почему так сгруппированы, нигде и никак не объясняется почему толщина элемента или наличие/отсутствие сварки способны изменить группу конструкций. Это бы переписать по-прозрачнее.
Если вдруг вы подумали о параметрических нормах, то как бы помягче сказать. Проекты этих «стандартов» уже доступны для ознакомления. Чем же они отличаются? Да ничем. Один «Общие положения» носит пространный характер и является разве что рассуждениями на тему ГОСТ 27 751 и ФЗ-384, а второй «Правила проектирования» является репликой действующего стандарта. Великие «параметрические нормы» оказались просто теми же СП, только склеенными в один.
Соединенные Штаты Америки
Тут всё отдано на откуп проектировщика. Минимальные требования установлены разве что для проката толщиной более 50 мм. Никаких отличий по форме проката. Значение ударной вязкости конструктор определяет самостоятельно и температуру тоже задает самостоятельно, руководствуясь своими инженерными навыками.

Кое какие сведения даны в комментариях к AISC 360−22 для конструкций эксплуатируемых при температуре не ниже -34°C. При этом требование к ударной вязкости следует предъявлять только для конструкций подверженных изгибу и растяжению. Что логично, так как сжатие не вызывает развитие трещин, а наоборот — закрывает их.
При этом нет никаких отличий по форме профиля (прокат или сорт) и напрямую не учитывается наличие сварки.
Вот он, загнивающий капитализм. В образование инженера конструктора входит механика разрушений, а сварщик знает как сделать сварной шов, не насыщая элементы остаточными напряжениями и дефектами. Просто ужас.
Европейский Союз
Тут как в США, только наоборот. Методика назначения ударной вязкости занимает практически целый отдельный документ — EN 1993−1-10:2025. Притом стандарт не столько устанавливает требование к ударной вязкости, сколько ограничивает толщину элемента, в зависимости от ударной вязкости стали.

Кроме температуры эксплуатации EN 1993−1-10:2025 учитывает степень ответственности, предел текучести стали, скорость нагружения (пока всё как и в СП), а ещё точность изготовления конструкций, наличие холодных пластических деформаций (что снижает вязкость стали в результате наклепа), стесненность поперечных деформаций и даже делает поправку на возможность выполнения неразрушающего контроля, способы образования отверстий, уровень действующих и остаточных напряжений.

Таким образом вы получаете возможность назначать различные требования по ударной вязкости для различных элементов конструкций с учётом их действительной работы.
На практике, конечно, европейцам есть чем ещё по жизни заняться, кроме чем указывать требования для каждого элемента по отдельности. По положениям стандарта устанавливают требование которое подходит для большинства элементов (колонны, балки, связи и т. д.), а для толстых элементов, типа опорных плит, фланцев и т. д. назначают требования отдельно.

Требования, установленные EN 1993−1-10:2025 могут быть как ниже наших, так и выше, особенно для толстых элементов.
Но самое главное то, что EN 1993−1-10:2025 не ограничивает нас назначением требования по ударной вязкости, а допускает указание в проекте требуемой температуры хладноломкости и критического коэффициента интенсивности напряжений. То есть позволяет устанавливать более прямые требования к стали и выполнять проверку хладноломкости методами механики разрушений.
(серые линии KV-40=27 Дж)
Рисунок 9 — График изменения ударной вязкости от температуры
Для определения температуры хладноломкости нужно провести сериальные испытания. То есть определить ударную вязкость стали при разных температурах для построения кривой. Именно такой подход позволяет понять при какой температуре сталь переходит из пластичного состояния в хрупкое. Испытание же образцов при только одной температуре, согласно СП 16.13 330 выглядит примерно так:
(серые линии KV-40=27 Дж)
Рисунок 10 — Результат испытаний образцов на ударную вязкость при контрольной температуре
О репрезентативности такого результата можете судить сами. При этом европейский стандарт и готовящийся ГОСТ 9454–2025 дают формулы для построения этих кривых по результатам сериальных испытаний. Но вот будут ли это делать…
Какие остались вопросы?
Почему испытания на ударную вязкость проводят при температурах как выше, так и ниже расчетной?
Тут давайте разобьем на два вопроса. Первый — почему для некоторых комбинаций сталей и расчетных температур испытания проводят при температурах выше расчетной?

Во-первых, дело в разнице скоростей нагружения. Нагрузка при ударном испытании прикладывается со скоростью выше, чем скорость приложения реальной нагрузки на строительную конструкцию. Как мы помним, чем выше скорость — тем ниже показатель ударной вязкости. Чтобы компенсировать эту разницу температура испытаний может быть выше, чем расчетная температура.

Во-вторых, что явно не указано в СП 16.13 330.2017, но зато явно указано в EN 1993−1-10 — действие на конструкцию расчетной температуры по сути своей является аварийным воздействием. То есть при нормальной эксплуатации конструкция работает при температурах выше, чем расчетная, а расчетная, даже в неотапливаемом здании повторяется слишком редко. Сочетание аварийной расчетной температуры с аварийным динамическим воздействием: взрывом, землетрясением, столкновением с автомобилем и т. д., согласно общепринятой практике считается невозможным. Поэтому и нет необходимости одновременно учитывать ни два аварийных воздействия, ни аварийное воздействие одновременно с расчетными значениями нагрузок.

Второй — почему для высокопрочных сталей испытания проводят при температуре ниже расчетной?

Увы, точно мне не известно, но есть два предположения:

Дело в том, что металлурги используют ударную вязкость стали не для характеристики склонности стали к хрупкому разрушению, а для контроля её качества и соблюдения технологического процесса. Вот как И. И. Ведяков, П. Д. Одесский и С. В. Гуров пишут в статье «О нормировании материалов в новом своде правил СП 16.13 330.2017 «СНиП II-32−81* Стальные конструкции»:
«…За критериальную величину в основном принимается KCV ≥ 34 Дж/см2, соответствующая EN 10 025…

…Более жесткие требования по ударной вязкости в ГОСТ 27 772−2015 и, соответственно, в СП по сравнению с прежними стандартами (ГОСТ 27 772−88, ГОСТ 19 281−89, ГОСТ 535 и т. п.), отражают более высокое сопротивление хрупким разрушениям новых сталей и объясняется следующим образом.

Сопротивление разрушению проката, труб, профилей применяемых в строительных конструкциях, полностью определяется микроструктурой, которая сформировалась на предприятиях черной металлургии…

…Основная концепция увеличения сопротивления разрушению обсуждаемых сталей заключается возрастании дисперсности структуры в сочетании с повышением чистоты металла по вредным примесям и неметаллическим включениям и т. п. …

… Измельчение структуры при производстве проката на предприятиях металлургии достигается рядом технологических процессов…

… Во время составления ГОСТ 27 772−88 агрегаты для реализации таких технологий в отечественной металлургии имели ограниченное применение…

… В настоящее время при производстве сталей широко используется процесс термомеханической прокатки (ТМП) с последующим охлаждением водными средами… В нашей стране находится в эксплуатации станы 5000 и другие агрегаты, в которых эти процессы реализованы. Такие станы применяют при производстве сталей повышенной и высокой прочности, что и нашло отражение в прокате, регламентированном ГОСТ 27 772−2015. Также широкое распространение получили термически улучшенные стали, например С390−1.»
То есть требований ударной вязкости и в частности их повышение в СП 16.13 330.2017 связано не с вопросами надежности строительных конструкций или анализом аварий, а «потому что так в Европе и так можно». Фактически изменения оказались направлены на унификацию требований с Европейскими и отсева производителей с советским оборудованием. Нужно ли это было для исключения хрупких разрушений зданий и сооружений?

Ещё один повод ориентироваться на EN 1993−1-10, а не на СП 16.13 330.
Таким образом, предположительным объяснением для требований к температуре испытаний ниже температуры эксплуатации является металлургическое стремление оценить её качество.

Второе предположение, заключается в том, что структура высокопрочных сталей настолько мала, что при испытании при -40°C мы бы просто не получили никаких адекватных результатов. Может быть просто не смогли бы разрушить образец в стандартном копре. Отсюда и понижение температуры.
Если KCVТ=34 Дж/см2, то хрупкого разрушения можно не опасаться?
И да и нет. Во-первых, мы уже выяснили, что тест по Шарпи не такой уж и надежный и вообще мало чего отражает (кроме энергии которую нужно потратить, чтобы сломать брусок 10×10×55 с V-образным пропилом). Так что время от времени случаются аварии со сталью с ударной вязкостью выше 34 Дж/см2. Так, в исторической справке я упоминал баржу I.O.S. 3301 и говорил, что сталь баржи обладала существенной ударной вязкостью по результатам испытаний Шарпи. Я специально не стал указывать там точного значения. Теперь пора раскрыть карты. Ударная вязкость стали баржи I.O.S. 3301 составила 55 ft-lb или около 93.2 Дж/см2. 93 Дж/см2, Карл! Так что требуемая ударная вязкость по Шарпи скорее статистический показатель, чем гарантия надежности.

А во-вторых, хрупко в конструкции не должно отказывать ни что. Хоть это явно и не указано в СП 16.13 330.2017 требования к ударной вязкости должны распространяться не только на сталь элементов, но и на сталь наплавляемого металла при сварке, сталь шва, сталь зоны сплавления, сталь зоны термического влияния, сталь болтов или заклепок. В общем на все элементы стальной конструкции. В конце концов какая разница хрупко срежет накладку или болт, фасонка или сварной шов, её прикрепляющий? Результат будет одинаково плачевным.
Стоп! А что тогда с ударной вязкостью всего остального? Её кто-то контролирует?
Нет. Вернее, если вы не прописали это четким требованием в проекте, то нет. Прямого требования в нормах не содержится, в проект вы требование не внесли. Кто же тогда должен догадаться о необходимости?

Хотя тут я слегка слукавил. Вообще-то контролируют, но не всё. Так ГОСТ на электроды для сварки устанавливает требования к ударной вязкости KCV+20. И допускает указать при какой температуре следует обеспечить ударную вязкость KCVT=34 Дж/см2. Вот только кто из вас указывает это в проекте? Да и для сварки листового и трубного прокатов из высокопрочных сталей требование KCV-60=66 Дж/см2. О таких требованиях ГОСТ на электроды ничего и слыхать не слыхивал, поэтому как не маркируй, а по ГОСТ указать такое требование не получится.

Ещё интереснее дело обстоит с проволокой для сварки. Там не то, что требований к ударной вязкости нет, там и требований к пределу прочности и текучести не завезли. То есть по факту производитель проволоки обязан только проконтролировать хим состав. А контроль механических свойств материала он уже не выполняет. Пара-пара-пам. Откуда тогда механические свойства в СП 16? Это было отдельное исследование уже после выпуска ГОСТа на проволоку. Мех свойства получили, но в ГОСТ их так и не внесли. Так что ориентироваться на мех свойства по СП 16 может быть слишком оптимистичной затеей. Кто знает когда производителю захочется сэкономить? В конце с него взятки гладки, проволока ГОСТу соответствует. Так что, пока изменений нет в проекте лучше указать не только хим состав и ударную вязкость, но и мех. свойства проволоки, которую вы взяли в расчет.

Самое интересное с болтами. ГОСТ ISO 898−1-2014 на механические свойства, конечно, устанавливает требование к ударной вязкости, но только требование это по ISO, то есть нормирует он не ударную вязкость KCV, а работу удара. Испытание проводится при температуре -20°C по Шарпи, но только если такие испытания согласованы между заказчиком и изготовителем. Не указали в проекте — не проводим испытания.

Ах да, чуть не забыл. Это свойства на материалы соединений, а ведь требования предъявляются и к металлу сплавления и к металлу зоны термического влияния. На практике это означает, что перед выполнением сварки реальных изделий нужно провести пробную сварку, вырезать образцы и испытать, чтобы подтвердить что на принятых материалах при принятой технологии сварки заданные показатели ударной вязкости будут соответствовать требованиям проекта. Не указали это в проектной документации? Чтож, в ряде случаев вас спасет ГОСТ 23 118–2019 в котором указано, что испытания то эти нужно проводить. Вот только нормируемые значения в ГОСТ 23 118–2019 в ряде случае в СП 16 не согласованы. Так что где-то повезет, а где-то провезет…

Итого: совершенно никак не согласованные требования СП 16.13 330.2017 и стандартов на электроды, проволок, болты и изготовление металлоконструкций. А ответственность в случае чего остается на ком? На тебе, дорогой конструктор)
А если ударная вязкость будет в два раза больше минимально требуемой, то можно спать спокойно?
Можно, конечно, прописать высокие требования к ударной вязкости стали, материалов соединений и самих соединений, но, боюсь, что заказчик, после того как это увидит и получит цену от металлургического комбината на это спать вам спокойно не даст. Но для того, чтобы повысить надежность конструкций в части хладноломкости есть и другие способы:

Во-первых, минимально возможная толщина элементов. Как мы помним основные три фактора это температура, скорость нагружения и стесненность деформаций. На температуру и скорость нагружения мы повлиять не можем, а вот на стесненность деформаций можем. Чем меньше толщина листовых элементов, тем ниже стеснение деформаций и тем более вязко будет вести себя сталь.

Во-вторых, минимум сварки. Там где это возможно следует отказаться от сварки, там где нет — минимизировать катеты и повысить требования к качеству швов. В особо ответственных конструкциях (группы 1 по СП 16) следует рассмотреть возможность выполнения технологических мероприятий по снятию остаточных напряжений в швах. Особенно, как огня, бойтесь перекрещивания сварных швов. Это прям плохо. Те же рекомендации и к болтам. Не нужно ставить M36 туда, где держит M16.
Сразу вспоминаю изменение таблицы 38 СП 16.13 330 в изм.2 к СП 16.13 330. Спасибо, сотрудникам ЦНИИСК за принудительное снижение надежности сварных строительных конструкций. В изм.3, конечно, сделали финт ушами. Тут я советую сделать паузу в чтении статьи и внимательно прочитать п. 14.1.7 подпункт б). Это не опечатка. Мы уточняли).
В-третьих, принимать максимальные значения по данным СП 16.13 330 и EN 1993−1-10:2025. Если у вас в проекте появляются толстые элементы (более 30−50 мм), то на всякий пожарный стоит посмотреть что там требует EN 1993−1-10:2025 и повысить требования к этим отдельным элементам.
Вообще я бы посоветовал подзабить на СП 16.13 330 в части ударной вязкости, так как требования EN 1993−1-10:2025 как-то прозрачнее выглядят, но не хочу опять откапываться из-под толпы хейтров всего не отечественного.
Почему именно 34 Дж/см2?
А тут всё просто. Это унификация требований. В США порог CVN установлен на 20 ft-lb, что составляет 27.11 Дж, а это уже минимальное значение KV у Европейцев. Ну точнее минимальное значение KV это ровно 27 Дж. А вот если мы эти 27 Дж, поделим на рабочую площадь стандартного образца 0.8 см2, то получим 33.75 Дж/см2, или уже знакомые нам 34 Дж/см2.
И тут надо бы понимать, что в отрыве от требований к максимальным размерам дефектов и несовершенств, качеству сварных швов, агрессивности среды и ряда других параметров само по себе заимствование требования к ударной вязкости банально бесполезно. Подход нормирования ударной вязкости по результатам опытной эксплуатации конструкций строго индивидуален и опытные «надежные» значения справедливы лишь для тех допустимых отклонениях и дефектов, в которых они получены. Так что такая унификация была выгодна скорее металлургам, для продажи стали за бугор, чем для внутренних нужд.
То есть если унифицировать допуски, то требования везде одинаковы?
А вот и нет. У европейцев требования находятся в диапазоне 27−40 Дж (34−50 Дж/см2), а контрольная температура хоть и измеряется в диапазоне от +10°C до -120°C, но вот температура испытаний находит в промежутке от +20°C до -60°C. При этом максимальное требуемое значение при -60°C составляет только 30 Дж (37.5 Дж/см2). А температура испытаний может быть как ниже, так и выше температуры эксплуатации. Главное чтобы требования по толщине проката соблюдались.

У американцев даже с учетом стандартов для мостов и транспорта (AASHTO) требования в диапазоне 20−35 ft-lb (34−59.3 Дж/см2). При этом строжайшее испытание на 59.3 Дж/см2 проводят при температуре -34°C. Такие стали допускается применять в конструкциях мостов эксплуатируемых при температурах вплоть до -51°C.
А у нас? А у нас в квартире газ. 34 Дж/см2 везде где только можно и совершенно конские 66 Дж/см2 там, где нельзя. Где их взяли, ума не приложу. Даже в СП 35 на мосты и трубы и ГОСТ на прокат для мостовой стали таких требований нет.

Так, например, для фланца из стали C355, толщиной 35 мм при минимальной температуре эксплуатации -45°C, европейские требования составляют 34 Дж/см2 при 0 °C, американские 25 Дж/см2 для обычных элементов и 42.5 Дж/см2 для критически важных элементов при -12°C, а отечественные — 34 Дж/см2 при -20°C. Так что числа то похожие, а вот температуры пока не особо. Эту консервативность наших норм хорошо перекрывают показатели ударной вязкости современных сталей. Требование, по всей видимости, избыточно, но всё равно легко выполнимо.
Итоги
Давайте подведем итоги. Что мы узнали:

  1. Способность материала сопротивляться хрупкому разрушению, по своей сути является способностью материала сопротивляться образованию и распространению трещин. Трещины могут образовываться от любых видов несовершенств, начиная от несовершенств строения кристаллической решетки, заканчивая конструктивными отверстиями, например, под болты. Среди причин появления несовершенств особенно следует выделить сварные швы, так как именно низкое качество сварных соединений стали причиной огромного количества аварий, упомянутых выше. Так что что-бы вы не проектировали, поверьте, в вашей конструкции будут несовершенства, способные привести к образованию трещин.
  2. Способность стали поглощать энергию не давая трещинам развиваться называется вязкостью.
  3. Вязкость зависит от температуры эксплуатации, скорости нагружения, стесненности деформаций, среды эксплуатации, наличия холодных пластических деформаций и ряда других факторов.
  4. Испытания, позволяющие определить вязкость стали в строительстве не выполняются, а фактические показатели вязкости не нормируются. Вместо этого принимается величина косвенного показателя вязкости стали — ударная вязкость по Шарпи на образцах с V-образным надрезом.
  5. Механика разрушения показала, что из-за взаимосвязи между материалами, проектированием, изготовлением и нагружением, хрупкие разрушения в конструкциях невозможно устранить, просто используя материалы с улучшенной ударной вязкостью.
  6. Для того, чтобы снизить вероятность хрупкого разрушения следует не только выбирать стали с высокой вязкостью, но и избегать концентрации напряжения, снижать толщину элементов, насколько это возможно и минимизировать размеры катетов сварных швов. Там где это возможно следует и вовсе отказаться от сварки, так как некачественно выполненная сварка является причиной большинства аварий. Особенно, если сварка монтажная или кому-то пришло в голову «подварить» что-то там, где по проекту сварки быть не должно.
  7. Требования к ударной вязкости между отечественными стандартами не согласованы. Если не хотите остаться крайним в случае «чего», не забудьте указать все требования к ударной вязкости металлов элементов и соединений в проектной документации.
Если остались вопросы — пишите их нам в социальных сетях.


Автор статьи:

Блинов Сергей

Инженер-конструктор

ПУБЛИКАЦИИ