книги из ГПНТБ / Дроздовский Б.А. Влияние трещин на механические свойства конструкционных сталей
.pdfОценка свойств материала при наличии или развитии трещины |
91 |
клина, вгоняемого в надрез при охлаждении образца до темпера туры жидкого азота. Этот же способ был применен в описанных выше опытах Фелбека и Орована, а также в работе [42].
В работах [42, 51] применялось эксцентричное растяжение -плоских образцов также применительно к проблеме хрупкого разрушения судостроительных сталей.
Рис. 42. Влияние диаметра конца |
надреза (см. |
рис. 41) на работу, поглощенную при |
разрушении |
Методы инициирования трещины в хрупком слое
Характерной особенностью этой группы методов является определение сопротивления материала распространяющейся хрупкой трещине.
В этих испытаниях исключен начальный статический участок вязкого разрушения, который, как отмечалось выше, по величи не поглощаемой энергии может существенно отличаться от по следующего участка хрупкого разрушения.
Такая черта выгодно отличает эту группу испытаний от дру гих, хотя большинство методов данной группы сравнительно сложны и разработаны в основном для судостроительной листо вой стали средней и низкой прочности.
Первым применением принципа, характерного для этой груп пы, следует считать работу Шнадта [134], где было предложено испытывать статическим или ударным изгибом образцы листо
Оценка свойств материала при наличии или развитии трещины |
93 |
мое испытание позволяет определить следующие три переходные температуры.
1. Температуру, аналогичную N. D. Т., определяемую при ударном нагружении. Ниже этой температуры сталь не показы вает никакой способности к перегрузке выше предела текучести, т. е. не способна пластически деформироваться при наличии тре щины, быстро распространяющейся из хрупкой наплавки.
2. Температуру перехода к разрушению при ударном нагру жении F. Т. Е. (Fracture Transition Elastic). Выше этой темпера туры сталь пластически деформируется прежде чем наступит разрушение. Однако само разрушение, раз начавшись, протека ет хрупко и с относительно небольшой затратой энергии, что по казывает распространение разрушения даже на ненагруженные углы пластины, находящиеся вне зоны непосредственного взрыв ного нагружения. Как отмечают авторы, для всех испытанных ими судостроительных сталей F. Т. Е. расположена примерно на 40° выше N. D. Т. и соответствует переходной температуре по пробе Робертсона [138].
3. Температуру |
перехода |
к пластическому разрушению |
F. Т. Р. (Fracture |
Transition |
Plastic). Выше этой температуры |
взрывное нагружение, инициирующее трещину в хрупком слое, может разрушить сталь только путем среза, причем разрушение происходит после большой пластической деформации и совершен но не распространяется в ненагружевных зонах. Эта температу ра, представляющая собой, по мнению авторов этого метода, точку абсолютной пластичности вне зависимости от характера нагружения, обычно лежит на 100° выше N. D. Т. По этому ме тоду для ряда сталей значение N, D. Т. изменялось в пределах от —180° до +100°. Наивысшая N. D. Т. (—[—100°) была получена для образцов из хрупко разрушившегося сосуда. Способ на плавки предлагается не только как методика оценки склонности к хрупкому разрушению, но и как мера для его предотвращения [139]. С этой целью вместо хрупкой применялась пластичная на плавка (видимо, аустенитная сталь) и затем проводилось испы тание подобного листа в присутствии хрупкой наплавки, которое показало уменьшение склонности к хрупкому разрушению. Пра ктически ими предлагается или сплошное покрытие наиболее опасных мест конструкции или обварка этих мест кольцевым швом из пластичной наплавки. По существу этот способ являет ся одной из разновидностей метода создания смягченных кон структивных зон, предложенного более 10 лет назад [140].
Хрупкая наплавка как средство инициирования быстро рас пространяющейся трещины была также применена другими ав торами [141, 142]. На боковые кромки плоских гладких разрыв ных образцов из мягкой стали наваривали хрупкий слой. При нагружении подобных образцов возрастающей нагрузкой, начи-
94 Основные методы оценки склонности металлов к хрупкому разрушению
пая с очень малой нагрузки, образуются трещины в хрупком слое. При нагрузке больше определенной критической образую щиеся трещины начинают быстро распространяться в мягкую сталь, приводя к хрупкому 'разрушению образца.
Показано, что с понижением температуры разрушающая на грузка подобных образцов падает. При сериальных температур-
Рис. 44. Образец, примененный для оценки склон ности к хрупкому разрушению сварных конструк ций при низких температурах:
/ — швеллерная подставка; |
2 — образец; |
3 — сварка; |
4 — наплавка |
(А. Е. Аснис) |
|
ных испытаниях найдена некоторая корреляция результатов этой пробы с результатами испытаний образцов Шарли с острым над резом, но она соблюдается только при толщине плоского образ ца, не большей толщины образца Шарпи.
Вработе [143] была предложена проба для оценки склонности
кхрупкому разрушению сварных узлов (рис. 44).
На приваренную к жесткому контуру стальную плиту с от верстиями, имеющими встречные острые надрезы, накладывает ся сварочный шов, который создает в плите внутренние напря жения растяжения, перпендикулярные надрезам. Последова тельно охлаждая эту систему до различных температур и нанося легкие удары молотком по сварному шву, определяют температу ру появления хрупкой трещины. Недостатком этой пробы являет ся отсутствие каких-либо количественных данных, характеризу ющих напряжение, при котором образовалась трещина, или ве личину работы, поглощенной на разрушение.
Тем не менее в этой пробе впервые было осуществлено в ла бораторных условиях «самопроизвольное» распространение хрупкой трещины в стали без хрупкой наплавки.
Следующим шагом в этом же направлении явилась проба Ро
'96 Основные методы оценки склонности металлов к хрупкому разрушению
В последующих работах [75, 144, 145] методика была усовер шенствована. В работе [75] испытанию подвергали плиты шири ной 1830 мм. Удар осуществлялся пулей диаметром 6,35 мм в отверстие диаметром 4,75 мм. Место удара охлаждалось жид ким азотом. В остальной части плиты поддерживалась равно мерная заданная температура. Производилась киносъемка ме ста разрушения со скоростью 4900 кадр/сек, синхронизированная с выстрелом, инициирующим хрупкую трещину. Деформация
Рис. 46. Осциллографическая запись деформации датчиков А, В, С, D, Е, F, G, Н, 1, К, L — максимумы кривых, пока зывающих деформацию датчиков, наклеенных на плиту последовательно по ходу трещины, пропорциональную на пряжениям в плите:
s — момент удара пули в плиту (Т. С. Робертсон)
плиты в момент разрушения измерялась двенадцатью датчика ми сопротивления, наклеенными на плиту .по ходу распространения трещин и соединенными с шестью катодными осциллографа ми, развертки которых запускались от ударника, производящего выстрел.
Максимумы кривых деформаций датчиков характеризовали наибольшую деформацию на поверхности (утяжку), скорость распространения которой по длине трещины оказалась 1870 М/сек, что совпадало со скоростью распространения утяжки, определенной по киносъемке. В первый же момент датчик пока зывал деформацию ниже исходной, полученной от растяжения плиты до инициирования трещины; кривые деформаций образо вывали минимумы. Расстояние между этими минимумами было значительно больше, чем между максимумами (рис. 46).
По мнению автора метода [75], уменьшение деформации со ответствует моменту пробегания подповерхностной трещины, как
Анализ методов оценки склонности к хрупкому разрушению |
97 |
бы пробивающей себе туннель в плите, прежде чем выйти на по верхность уже после образования максимальной деформации на поверхности — утяжки. Подобная же картина распространения трещины методом изготовления последовательных шлифов по хо ду распространения хрупкой трещины была получена ранее [146]. Скорость распространения минимумов оказалась значи тельно более высокой и достигала 4630 м/сек, т. е. была близка
кскорости звука ;в металле.
5.АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ СКЛОННОСТИ К ХРУПКОМУ
РАЗРУШЕНИЮ
Приведенный обзор методов не является исчерпывающим, в нем отмечены лишь основные направления, однако он показы вает, что вопрос о методике оценки склонности металлов к хруп кому разрушению еще недостаточно отработан.
Первая группа методов, особенно те из них, в которых при меняется осевое растяжение, предназначена для определения со противления отрыву — некоторой константы материала, суще ствование которой вытекает из схемы, предложенной А. Ф. Иоффе в 1924 г. для объяснения природы хрупкого разрушения. Эта схема, основанная на опытах с каменной солью, послужила основанием схемы хрупкого разрушения, предложенной Н. Н. Давиденковым, и для создания представления о разрушении от рыва и среза и построения диаграммы механического состояния.
Как схема Иоффе, так и последующие схемы разрушения исходят из условий однородного равномерного напряженного состояния элементарного объема материала, находящегося под действием растягивающих напряжений. Естественно, что лабрраторной макромоделью этого элементарного объема должно быть растяжение гладкого образца для определения сопротивле ния этого образца разрушению по всей площади его попереч ного сечения, что неосуществимо даже в лабораторных услови ях. Что же касается хрупкого разрушения реальных деталей, то оно в огромном большинстве случаев происходит при участии изгиба. Определение сопротивления отрыву методом растяжения при — 196° дает возможность выявить преимущество мелкозер нистой стали перед крупнозернистой, несмотря на то, что пос ледняя часто обладает большей пластичностью, чем первая.
При резком проявлении отпускной хрупкости наблюдается снижение разрушающего напряжения, хотя установить сопро тивление отрыву для вязкого состояния на продольных образ цах не удается ввиду значительной пластической деформации даже при низких температурах. Измерение сопротивления от рыву методом растяжения гладких образцов для конструкцион-
7 Зак. 1780
98 Основные методы оценки склонности металлов к хрупкому разрушению
ной стали во многих случаях неприменимо, так как даже при —196° имеется существенная пластическая деформация.
Следовательно, этот метод может быть применен только к достаточно хрупким материалам. Однако и для этих материа лов признание «отрывом» разрушения при относительном суже нии до 3—4% (как это часто делается) является крайне условным.
Вероятно деформация в поверхностном микрообъеме, из ко торого начинается хрупкое разрушение, фактически оказывает ся значительно большей и, не применяя точных методов измере ния этой локальной доформации, трудно провести границу меж ду разрушением, в котором участвует предварительная пласти ческая деформация, и 'собственно отрывом. Во всяком случае неоднократно проводившиеся рентгеноструктурные исследова ния поверхности хрупких изломов стали, даже не в месте нача ла разрушения, показали наличие пластической деформации. Есть основания считать, что чем больше локальный пластически деформированный объем, тем больше сопротивление отрыву и, наоборот, чем в меньшем объеме будет сосредоточена пластиче ская деформация, тем меньше будет условное разрушающее на пряжение— «сопротивление отрыву». Локализация пластиче ской деформации может быть осуществлена двумя путями:
а) затруднением пластической деформации по какой-то уз кой зоне;
б) затруднением пластической деформации во всем объеме материала.
Первый путь осуществляется введением концентраторов на пряжений, которые изменяют условия деформации в небольших объемах. Второй путь осуществляется понижением температуры с помощью равномерного по всему объему наклепа или же ка кой-либо термической обработкой, повышающей сопротивление пластической деформации (закалка, старение и др.).
Как было показано Н. Н. Давиденковым и Б. С. Левиным, эти два пути принципиально различаются, иначе говоря, более чувствительный к действию концентраторов напряжений мате риал 'может оказаться малочувствительным к затруднению пла стической деформации во всем объеме (например, при пониже нии температуры). С этим связана зависимость опасности хрупкого разрушения от напряженного и деформированного состояния. При равномерном напряженном состоянии и при от сутствии концентраторов напряжений опасность хрупкого разру шения возможно предопределялась бы сопротивлением отрыву, определенном в условиях осевого растяжения гладкого образ ца. Однако не в этих условиях обычно происходят практиче ские случаи хрупкого разрушения.
100 Основные методы оценки склонности металлов к хрупкому разрушению
стания» одной или нескольких трещин. Поэтому акт раскрытия трещины и возникающий в процессе разрушения градиент напря жений, вероятно, существует не только в макрообъеме, но и в элементарном объеме— исходной ячейке. Возникает вопрос-— в какой мере необходимо подобное осложнение представлений о разрушении, если все расчеты на прочность ведутся (и доволь но успешно) на основе равномерного напряженного состояния при испытании гладких образцов на осевое растяжение.
При пластичном разрушении последний метод, как показала практика, дает достаточно надежные результаты. Быстрому распространению начальных трещин в направлении, перпенди кулярном наибольшим нормальным напряжениям, препятству ет пластическая деформация, благодаря чему возникающие на чальные дефекты либо «залечиваются», а затем возникают но вые, либо развиваются очень медленно; таким образом, прежде временное разрушение не происходит и эксцентричность при растяжении, получаемая за счет образующихся' первичных тре щин, непрерывно сглаживается.
Однако для оценки -склонности к хрупкому разрушению прак тика лабораторных испытаний уже давно внесла поправки в схему равномерности напряженного состояния в элементарном объеме. В качестве основной схемы нагружения применяется' изгиб.
Если исключить несколько методо-в оценки сопротивления отрыву, которые не нашли широкого практического применения, то остальные методы в той или иной степени связаны с изгибом, при котором в испытуемом образце идет -постепенное раскрытие
трещины. Старейший вид |
оценки хрупкости металла — проба |
иа излом — также сводится |
к изгибу надрезанного образца. |
Единственный метод механических испытаний, получивший ши рокое распространение во всем мире как метод оценки склон ности к хрупкому разрушению— ударная проба надрезанных образцов, опять-таки представляет собой изгиб. При переходе от гладкого к надрезанному образцу уменьшается пластически деформированный объем, прилегающий к зоне разрушения, од нако местная пластическая деформация остается все же весьма значительной [147]. Кроме того, и при испытании надрезанных образцов осевым растяжением разрушение начинается не с по верхности, а с подповерхностных слоев [91] и зона разрушения- ■у поверхности также обычно имеет «скос» под углом, близким
к45° к направлению наибольших растягивающих напряжений.
В-случае же хрупкого при растяжении материала разрушение,
хотя и начинается с поверхности и идет перпендикулярно наи большим нормальным напряжениям, но, во-первых, -с самого начала превращает испытание из осевого растяжения в эксцен тричное, и, во-вторых, при хрупком разрушении теряет физиче