книги из ГПНТБ / Дроздовский Б.А. Влияние трещин на механические свойства конструкционных сталей
.pdf
T-j O ПУЬЛ,1Чг, а Я |
I 5 |
1Аучн*-техн- ческля |
т -** |
БИ Б Л И О ТЕ К А С С С Р |
О О |
|
|
АННОТАЦИЯ |
В книге |
дан анализ многочисленных экспери |
|
ментальных |
работ |
в области разрушения сталей |
и других сплавов, |
методов оценки склонности к |
|
хрупкому разрушению конструкционных сталей и в особенности тех из них, которые позволяют дать оценку способности материала противосто ять развитию в нем трещин разрушения.
Книга в основном написана по материалам экс периментальных работ авторов, но также содер жит обзор отечественных и зарубежных исследо ваний в этой области и предназначена для широ кого круга инженерно-технических работников: металлургов, технологов, конструкторов и спе циалистов в области прочности металлов.
1?
А в т о р ы:
ДРОЗДОВСКИИ Борис Александрович
ФРИДМАН Яков Борисович
Редактор Н. В. Манакин
Редактор издательства А. Л. Озерецкая Технический редактор М. К■ Аттопович
Сдано в производство |
27/VII 1959 |
г. |
Подписано к |
печати 9/X1I |
1959 г. |
|
Бумага |
60X92!/i6 = |
8,13 |
бум. л.— 16,25 |
печ. л. |
|
1780 |
Уч.-изд. л. 15,90. |
Тираж 4150 |
Заказ |
||||
Т-11591 |
Цена |
10 |
руб. |
|||
М е т а л л у р г и з д а т Москва, Г-о4. 2-й Обыденский пер., 14.
Типография Мсталлургиздата, Москва, Цветной бульвар, 30.
|
|
|
О Г Л А В Л Е Н И Е |
|
|
|
|||
Введение |
|
............................................................................................................ |
|
|
|
|
|
|
7 |
Перечень нестандартных обозначений, принятых в нниге ........................ |
|
П |
|||||||
Г л а в а |
I. |
Существующие |
представления |
о |
хрупком разрушении.......... |
12 |
|||
1. |
Теория разрушения твердых |
тел |
Гриффитса ............................... |
|
12 |
||||
|
|
Вывод основного уравнения |
.................................................... |
|
|
12 |
|||
|
|
Экспериментальные работы Гриффитса по проверке теории |
15 |
||||||
2. Основные экспериментальные закономерности процесса хруп |
|
||||||||
кого |
разрушения, полученные в период 1921—1957 гг. ............... |
18 |
|||||||
|
|
Определение скорости хрупкого разрушения и ее изме |
|
||||||
|
|
нения в процессе разрушения |
............................................... |
|
18 |
||||
|
|
Влияние |
дефектов и размеров |
|
образца на хрупкое |
разру |
|
||
|
|
шение ......................................................................................... |
|
|
|
|
|
|
21 |
|
|
Взаимодействие фронтов трещин из различных центров |
|
||||||
|
|
разрушения, зависимость прочности от времени и воз |
|
||||||
|
|
действия поверхностно активных сред ........................... |
|
23 |
|||||
3. Развитие теоретических представлений о процессеразрушения |
28 |
||||||||
|
|
Применение теории Гриффитса к другим напряженным |
|
||||||
|
|
состояниям |
.............................................................................. |
|
|
|
|
28 |
|
|
|
Учет динамики разрушения, жесткости тела и баланса по |
|
||||||
|
|
глощаемой |
и освобождаемой |
при разрушении |
упругой |
|
|||
|
|
энергии |
....................................................................................... |
|
|
|
|
|
30 |
|
|
Учет пластической деформации в процессе хрупкого разру |
|
||||||
|
|
шения ......................................................................................... |
|
|
|
|
|
|
37 |
|
|
Зарождение |
разрушения —образованиеначальныхтрещин| 42 |
|
|||||
|
|
Представление о разрушении |
как о локальном |
процессе |
|
||||
|
|
в связи |
сэ |
структурной неоднородностьюматериала .. |
48 |
||||
|
|
О дальнейших задачах |
в области изучения стадий макро- |
|
|||||
|
|
и микроскопического |
разрушений .................................... |
|
50 |
||||
4 |
|
|
|
|
|
Оглавление |
|
|
|
|
||
Г л а в а |
II. Основные методы оценки склонности металлов |
к хрупкому |
|
|||||||||
|
разрушению |
.................................................................................. |
|
|
|
|
|
|
|
56 |
||
1. |
Методы |
оценки сопротивления отрыву .................................... |
|
|
|
63 |
||||||
2. Методы |
оценки хладноломкости |
.................................................. |
|
|
|
70 |
||||||
3. |
Методы |
оценки чувствительности к надрезу ............................ |
|
|
|
74 |
||||||
4. |
Оценкасвойств материала при наличииили развитии трещины 79 |
|||||||||||
|
Вид излома как характеристика свойств стали |
..................... |
|
79 |
||||||||
|
Оценка свойств материала в процессе развития трещины |
83 |
||||||||||
|
Испытание образцов с заранее полученной |
трещиной . . . . |
86 |
|||||||||
|
Методы инициирования трещины в хрупком слое ............. |
|
91 |
|||||||||
5. Анализ методов оценки склонности к хрупкому разрушению •• |
97 |
|||||||||||
Г л а в а |
III. Оценка чувствительности к трещинам по величине работы |
|
||||||||||
|
излома |
при |
статическом |
изгибе .............................................. |
|
|
|
105 |
||||
1. Методика |
определения |
работы излома ......................................... |
|
|
|
105 |
||||||
|
Первоначальная методика для образцов Менаже ............. |
|
105 |
|||||||||
|
Первоначальная методика испытания малых образцов .. 106 |
|||||||||||
|
Уточнение'способа определения работы излома ................. |
|
108 |
|||||||||
|
Испытание образцов различной формы с различной остро |
|
||||||||||
|
той надреза и уточнение формы малого образца .......... |
117 |
||||||||||
2. Изменение |
работы |
излома в зависимости от температуры ис |
|
|||||||||
|
пытаний |
............................................................................................. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
121 |
|
Испытания |
при |
различных |
температурах |
малоуглероди |
|
||||||
|
стой стали с различными легирующими добавками ---- |
121 |
||||||||||
|
Испытание |
сварных |
швов ....................................................... |
|
|
|
|
129 |
||||
3. Влияние формы |
и расположения |
шлаковых включений на ра |
|
|||||||||
|
боту излома |
................................................................................... |
|
|
|
|
|
|
|
130 |
||
|
Испытание образцов из литой стали ЗОСГ |
......................... |
|
|
130 |
|||||||
|
Испытание продольных, поперечных и литых образцов из |
|
||||||||||
|
среднелегированяой |
конструкционной стали |
......................... |
|
|
134 |
||||||
4. Сопоставление |
ударной |
вязкости и конечной |
работы |
излома |
|
|||||||
|
стали различной легированное™ ........................................ |
|
|
|
139 |
|||||||
|
Влидние |
легированности |
на |
свойства стали |
при |
обычной |
|
|||||
|
закалке |
, ...................................... |
|
|
|
139 |
||||||
|
Влияние |
легированности |
на |
свойства стали при измене |
|
|||||||
|
нии |
режима охлаждения в |
процессе закалки ................. |
|
141 |
|||||||
|
|
|
|
|
Оглавление |
|
|
|
|
5 |
||
5. |
Изменение работы излома в зависимости от температуры от |
|
||||||||||
|
пуска |
после закалки |
.................................................................... |
|
|
|
|
|
146 |
|||
|
Испытание конструкционной стали средней лепированно- |
|
||||||||||
|
сти |
.............................................................................................. |
|
|
|
|
|
|
|
|
146 |
|
|
Испытание коррозионноустойчивой стали12Х5МА .............. |
149 |
||||||||||
6. |
Сопоставление |
работы |
излома, |
полученной |
при |
испытаниях, |
|
|||||
|
со служебной |
прочностью |
деталей |
........................................... |
|
|
153 |
|||||
|
Испытание деталей на повторные ударныеперегрузки ____ |
153 |
||||||||||
|
Испытания сварных изделий, работающих под внутренним |
|
||||||||||
|
давлением |
............................................................................ |
|
|
|
|
|
|
158 |
|||
7. |
Недостатки |
методики оценки чувствительности к трещинам по |
|
|||||||||
|
работе |
|
излома .................................................. |
|
|
|
|
|
|
161 |
||
Г л а в а |
IV. Влияние заранее полученной |
трещины |
на сопротивление |
|
||||||||
|
разрушению и вязкость при статическом изгибе • •••............. |
163 |
||||||||||
1. |
Сопоставление |
свойств |
образцов |
с |
трещинами, |
полученными |
|
|||||
|
разными |
способами .......................................................................... |
|
|
|
|
|
|
163 |
|||
|
Способы |
получения |
трещин |
................................................... |
|
|
|
163 |
||||
|
Исследованные материалы и методика испытания образ |
|
||||||||||
|
цов |
статическим |
изгибом |
................................................... |
|
|
|
174 |
||||
2. |
Влияние |
геометрических параметров |
испытания |
статическим |
|
|||||||
|
изгибом |
на свойства |
образцов |
с трещиной |
............................ |
|
190 |
|||||
|
Влияние расстояния между опорами и момента сопротив |
|
||||||||||
|
ления |
образца ......................................................................... |
|
|
|
|
|
|
190 |
|||
|
Влияние |
формы образца |
(отношения ширины к высоте) |
|
||||||||
|
на |
величину разрушающего напряжения ......................... |
|
191 |
||||||||
|
Влияние глубины трещины на среднее разрушающее на |
|
||||||||||
|
пряжение |
................................................................................... |
|
|
|
|
|
|
192 |
|||
3. Испытания образцов с трещинами при низких температурах - |
196 |
|||||||||||
4. Выбор формы образца с трещиной для ударного испытания---- |
202 |
|||||||||||
5. |
Рекомендуемый |
способ |
получения |
трещин |
на |
резонансном |
|
|||||
|
вибраторе |
.......................................................................................... |
|
|
|
|
|
|
|
211 |
||
|
На |
обычных образцах сечением |
10X9,5мм ........................... |
|
21! |
|||||||
|
На |
образцах сечением 5X6 мм |
...................................... |
|
|
215 |
||||||
6 |
|
|
Оглавление |
|
|
Гла ва |
V. Влияние направления волокна и термической обработки на |
||||
|
свойства при изгибе образцов с заранее полученной трещи |
||||
|
ной ................................................................................................. |
|
|
|
220 |
1. Влияние направления волокна в образце ................................... |
220 |
||||
2. Влияние отпуска |
после закалки на чувствительность к трещи |
||||
|
нам .................................................................................................... |
|
|
|
224 |
8. |
Чувствительность стали к трещинам после изотермической за |
||||
|
калки ................................................................................................ |
|
|
|
232 |
|
Изотермическая закалка на среднюю прочность ................. |
232 |
|||
|
Изотермическая закалка на высокую прочность ................. |
239 |
|||
4. |
Влияние закалки |
с ковочного |
нагрева высокопрочной |
стали |
|
|
на чувствительность к трещинам ............................................... |
239 |
|||
5. |
Определение |
чувствительности |
к трещинам различных плавок |
||
|
стали одной |
марки ......................................................................... |
|
242 |
|
6. |
Чувствительность |
к трещинам |
других материалов .................. |
249 |
|
|
Алюминиевые |
и магниевые сплавы ........................................ |
249 |
||
|
Сплавы на основе титана |
...................................................... |
251 |
||
|
Органическое стекло (полиметилметакрилат) ....................... |
252 |
|||
Литература ............................................................................................. |
|
|
|
255 |
|
В В Е Д Е Н И Е
Основные положения различных дисциплин, образующих комплекс современного учения о прочности и деформации (в том числе теории упругости, пластичности и ползучести, сопротивле ния материалов, науки о механических свойствах), развиты пре имущественно для однородного материала, непрерывно запол няющего объем. Появление в таком материале начальных при знаков разрушения (трещин) соответствовало бы резкому и принципиально определимому моменту нарушения сплошности (непрерывности). Хотя очень давно известно, что появившаяся трещина затем как-то распространяется до полного (с разделе нием на части) разрушения тела, этим процессом до недавнего времени в сущности не интересовались, так как обычно счита лось, что после возникновения трещины материал проходит лишь через «агонию», которая не представляет существенного интереса.
Поэтому процессу развития трещин особого внимания не уде лялось и усилие, соответствующее возникновению трещин, прак тически нередко отождествлялось с максимальной разрушающей нагрузкой. Однако справедливость подобных представлений по мере развития знаний о строении реальных твердых тел стано вилась все более и более спорной. В самом деле очень неопреде ленным является момент появления очень малых трещин, так как трудно провести четкую грань между исходными дефектами, присущими, как теперь известно, всякому реальному твердому телу, и дефектами, возникшими в результате механического на гружения.
Переходя к дефектам больших размеров, нужно отметить, что при максимальной точности неразрушающих методов конт роля, применяемых в современной дефектоскопии, можно часто выявить те или иные дефекты почти в любом изделии.
Именно это и привело к созданию в промышленности «кодов» или «норм» на дефекты и к преднамеренному ограничению ре комендуемой чувствительности дефектоскопической аппаратуры некоторых типов.
Вместе с тем работами последнего времени твердо установ лено, что нагрузка (сопротивление тела) обычно продолжает возрастать и после обнаружения ранних трещин и что при по стоянной величине нагрузки как однократной, так и повторной
8 Введение
процесс развития трещин занимает часто больше половины вре мени до разрушения образца.
Отсюда вытекает большое принципиальное значение процес са развития трещин и сопротивления, которое оказывают этому развитию различные материалы. Настоящая монография и пред ставляет собой попытку рассмотреть этот важный для техники вопрос.
При изучении различных стадий развития разрушения мы считали полезным основываться на классификации, разделяю щей процесс разрушения, в зависимости от степени его развития, на три стадии: III рода (субмикроскопическую), II рода (микро скопическую) и I рода (макроскопическую), что позволяет устранить ряд неясностей и противоречий.
Наше рассмотрение ограничивается в основном однократным кратковременным нагружением и стадиями I и II рода. Пробле мы развития усталостных трещин и возникновения субмикроско пических нарушений сплошности (III рода) требуют отдельного рассмотрения '.
В распространенных представлениях о разрушении часто не достаточно учитывается развитие разрушения во времени. Сюда относятся и схемы одновременного отрыва по всему сечению образца, подвергнутого осевому растяжению, и представления об одновременном (мгновенном) разрушении по так называемой второй, заключительной зоне усталостного излома.
Анализ строения изломов показывает, что в обоих указанных случаях происходит неодновременное развитие разрушения («перерезание» материала трещиной). Отсюда, в частности, вы текает, что значительно большее практическое значение, чем так называемое «сопротивление отрыву», должно иметь сопротив ление развитию трещины в той стадии, которую обычно назы вают критической (или -переходом от стабильного к нестабиль ному разрушению).
Это сопротивление уже не является только свойством мате риала, как это приписывалось сопротивлению отрыву, но зави сит от размеров и формы образца, а также от свойств испыта тельной машины, т. е. от свойств нагружающего устройства 1.2 В этом смысле мы ниже трактуем сопротивление разрушению тела как свойство системы.
Мы надеемся, что приведенные результаты помогут получить оценку сопротивления разрушению с учетом процесса развития трещины, как более соответствующей условиям реального на
1 Однако результаты данной работы могут быть полезны и для понимания
заключительной стадии усталостного разрушения.
2 Именно с этим связано, в частности, влияние запаса упругой энергии на кинетику процесса разрушения.
Введение |
9 |
гружения.
уПо причинам возникновения трещины можно разбить на сле дующие группы.
А. Технологические трещины и дефекты, возникшие в процессе получения заготовки, изготовления и монтажа изделий. Сюда относятся литейные и ковочные трещины, флокены, закалочные трещины, 'поверхностное растрескивание при высоком нагреве, сварочные трещины (горячие, холодные, непровары), трещины и надрывы, образующиеся при обработке резанием, правке, галь ванической обработке и травлении
Б. Эксплуатационные трещины, возникшие в процессе служ бы или хранения деталей. К ним можно отнести трещины замед ленного разрушения при длительном вылеживании напряженных (как внешними, так и остаточными напряжениями) изделий, на пример: заневоленных пружин, затянутых болтов, закаленных без отпуска или с низкотемпературным отпуском деталей из средне- и высокоуглеродистых сталей и др.
К этой же группе относятся разнообразные тепловые трещины, возникающие при резких, особенно многократных изменениях температуры и усталостные трещины. Наконец, как при длитель ном хранении, так и при эксплуатации, часто возникают кор розионные трещины, иногда при совместном действии механиче ских напряжений и коррозии. Данные по эксплуатационным тре щинам обычно содержатся в литературе, посвященной соответ ствующим разрушениям и коррозии [6—8].
Этот перечень возможных случаев образования трещин пока зывает большую вероятность наличия в работающей детали трещин и необходимость характеристики чувствительности ме таллов к трещинам.
Такая вероятность в свою очередь подтверждается тем, что хрупкие разрушения при малых средних напряжениях особенно часто происходят именно в тех конструкциях, в которых по осо бенностям их технологии или эксплуатации (сварка, гальвани ческие покрытия, работа со значительными перегрузками) легко могут возникать трещины.
Наличие микро- и субмикроскопических трещин, раскрываю щихся в процессе деформации (в том числе и упругой), доказы вается опытами с деформацией металлических образцов в по верхностноактивной среде, проведенными школой П. А. Ребин дера. Не исключена возможность, при наличии соответствующих условий, превращения таких обратимых субмикроскопических трещин в необратимые микроили макроскопические под дей ствием внешней нагрузки, создающей средние напряжения, не превышающие предела упругости материала.1
1 Сведения по этому вопросу рассеяны в многочисленных изданиях. Здесь укажем лишь некоторые книги [1—5].
10 Введение
Цель (настоящей работы заключается в систематизирован ном описании исследований в области чувствительности мате риалов к трещинам в значительной степени на основе работ, про веденных в 1946 г. одним из авторов [9] в развитие идей А. М. Драгомирова и Н. Н. Давиденкова, затем уточненных им совместное Г. И. Марголиным и П. И. Орлецом [10, 11] (гл. III), а также на основе совместной работы авторов по изучению чув ствительности материалов к предварительно созданной трещи не [12] (гл. IV и V).
Одновременно авторы стремились отразить отечественную и зарубежную литературу по вопросам разрушения (гл. I и II), а также новые представления о кинетике процесса разруше ния [13]. Вследствие того что описываемые исследования прове дены на протяжении ряда лет в разных условиях и по разным методикам, трудно было добиться полного единства в характере изложения. Систематизированные ниже результаты, несмотря на их предварительный характер и недостаточную полноту, ясно указывают на необходимость учета специфического влияния про цесса развития трещин, не воспроизводимого в чистом виде да
же стандартным |
ударным испытанием надрезанных образцов |
и не отражаемого |
при обычных механических испытаниях |
гладких образцов.
Оценка свойств материала с учетом влияния развития трещин приводит в ряде случаев к принципиальным отличиям от резуль татов, полученных при обычных в настоящее время испытаниях надрезанных образцов и позволяет по-новому и, как нам ка жется, более правильно, чем ранее, трактовать значение сопро тивления отрыву и оценки хладноломкости (гл. II).
Установление закономерностей влияния трещин на механи ческие свойства образцов должно помочь созданию материалов и методов обработки, обеспечивающих лучшее сопротивление возникновению и распространению хрупких трещин, что в ко нечном счете приведет к получению более надежных конструк ций и сооружений и к лучшему использованию механических свойств реальных материалов в машинах и сооружениях.