книги из ГПНТБ / Дроздовский Б.А. Влияние трещин на механические свойства конструкционных сталей

ский смысл среднее напряжение, отнесенное к единице площади исходного поперечного сечения, так как локальное напряжение в точках возникновения разушения на поверхности будет пре­ вышать номинальное напряжение (точные данные о степени этого превышения пока отсутствуют).

Эксцентриситет, получаемый при хрупком разрушении от осе­ вого растяжения, является величиной крайне непостоянной, так как разрушение может начаться как из одного, так и из несколь ких центров, в чем и заключается одна из основных причин повы­ шенного разброса результатов испытаний хрупких материалов при осевом растяжении. Именно эта причина заставила перейти почти исключительно к испытанию на изгиб, например стекла и керамики, вместо испытания на растяжение. Непостоянство ре­ зультатов, получаемых для хрупких материалов, по существу есть выражение несоответствия между методом (осевое растя­ жение) и явлением, которое исследуется этим методом (разру­ шение, быстро распространяющееся через сечение из одного или нескольких центров).

Для материалов, обладающих известной долей пластичности, приближение к условиям хрупкого разрушения требует макси­ мально возможного уменьшения пластически деформированного объема в месте начала разрушения. Это необходимо для при­ ближения условий лабораторных испытаний к реальной картине хрупкого разрушения в эксплуатации.

Стремление к локализации деформации привело к примене­ нию в испытуемых образцах надрезов самого различного типа. В приведенном выше обзоре отмечены лишь некоторые основ­ ные методы оценки «чувствительности к надрезу»; количество же всех предлагавшихся методов во много раз больше.

В последнее время все чаще приходят к выводу о целесооб­ разности увеличения остроты надреза. Так, например, во мно­ гих работах [11(2, 136] указывается, что переход от сверленого надреза (R = 1,33 мм) к острому (R = 0,25 мм) в образцах Шарпи обеспечивает данные, более соответствующие поведению де­ талей в эксплуатации. Однако существующие методы получения надрезав не позволяют однотипно выполнять надрез с радиусом меньше ОД мм (а при массовом изготовлении — меньше несколь­ ких десятых миллиметра).

Получаемая острота надреза оказывается особенно недоста­ точной ввиду того, что поперечное сечение лабораторных образ­ цов из-за малой мощности испытательных машин обычно огра­ ничивается 1 —1,5 см2. В то же время отношение поперечного се­ чения к радиусу концентраторов в реальных деталях бывает ча­ сто очень большим. Уменьшение пластической деформации при механических испытаниях может быть получено понижением температуры испытания. Этот путь совершенно бесспорен,

102 Основные методы оценки склонности металлов к хрупкому разрушению

когда нужно оценить увеличение склонности к хрупкому раз­ рушению при понижении температуры. Однако, как указывалось выше, хладноломкость и чувствительность к надрезу — различ­ ные свойства. Поэтому, в ряде случаев важно знать чувстви­ тельность материала к неравномерному напряженному состоя­ нию только за счет надреза, при условии, что материал не охрупчен во всем объеме действием низкой температуры.

Недостаточная острота надрезов, получаемых при изготовле­ нии образцов, привела к методам испытания образцов с предель­ но острым естественным надрезом — трещиной. Первым шагом к испытаниям подобного типа явилось испытание надрезанных образцов на ударный изгиб, впервые предложенное Лешателье и Шарпи в 1900—1901 гг. и развитое в СССР Н. Н. Давиденкозым.

Широкое распространение этого испытания объясняется как сто простотой, так и тем, что оно обнаруживает такие проявле­ ния хрупкости, которые остаются незамеченными при других стандартных испытаниях. Характеристикой материала при дан­ ном испытании служит полная работа, затраченная на разру­ шение образца, благодаря чему оценивается не только сопротив­ ляемость материала начальной пластической деформации и воз­ никновению трещины разрушения в образце с заданным (совер шенно условным) надрезом (как например, при оценке по мак­ симальной нагрузке при растяжении или изгибе образца с над­ резом), но и сопротивляемость образца развитию возникшей трещины.

В этом, по нашему мнению, состоит основная специфика удар­ ной пробы надрезанного образца. Измерение полной работы раз­ рушения позволяет оценить работу, затраченную не только на пластическую деформацию образца с заданным надрезом, но и работу, затраченную на пластическую деформацию в самом про­ цессе разрушения — распространения трещины.

Однако характеристики, соответствующие этим двум процес­ сам при стандартном ударном испытании не разделяются и ра­ бота, затраченная на развитие трещины, не выявляется. Вместе с тем, она входит в полную работу разрушения и сильное ее изменение может существенно отразиться на величине полной работы, если при этом одновременно не уменьшается первая часть диаграммы изгиба.

В случае же различного направления изменения первой и второй части диаграммы изгиба увеличение полной работы де­ формации может сопровождаться уменьшением работы излома и увеличением степени кристалличности в изломе.

Принято считать, что при равной твердости волокнистому излому соответствует высокая ударная вязкость, а кристалличе­ ский блестящий излом сопровождается низким ее значением.

104 Основные методы оценки склонности металлов к хрупкому разрушению

разрушения записывается в виде вертикальной прямой т. е. измеряемая работа излома оказывается практически равной нулю.

В этих случаях более подходящей методикой является пред­ варительное получение трещины тем или иным способом и по­ следующее разрушение образца с измерением полной работы разрушения или величины разрушающей нагрузки (см. выше).

Недостатком методов исследования с предварительным созда­ нием трещины является отсутствие при статических испытаниях начальной скорости распространения трещины, в частности, при статическом изгибе и значительной пластичности испытуемого материала. В этих условиях, как было показано Фелбеком и- Орованом [59] затрата энергии на начальное разрушение зна­ чительно больше затраты энергии на его распространение. Практически же в большинстве случаев важна именно вторая составляющая. Иными словами, желательно изучать не только развитие трещины «с места», но и «с хода».

Ударное испытание образцов с трещиной в значительно большей степени уменьшает различие между стадиями началь­ ного и конечного разрушения. Для высокопрочных сталей это различие, вероятно, менее существенно. Однако для пластич­ ных материалов такое различие, видимо, очень важно, так как скорости обычного ударного испытания (4—5 ж/сек) все же значительно меньше возможной скорости хрупкого разрушения. В этом отношении испытания материалов с инициированием тре­ щины в хрупком слое представляются наиболее целесооб­ разными.

К сожалению, предложенные до настоящего времени в этом направлении методы еще слишком сложны и малопригодны для широкого практического применения (создание температурного градиента у Робертсона, применение взрыва у Пеллини и т. п.). Кроме того, целью этих методов являлась оценка склонности к хрупкому разрушению судостроительных сталей и при исполь­ зовании их оперировали с большими плоскими образцами, малопригодными для оценки конструкционных машинострои­ тельных сталей и свойств образцов из аварийных деталей. Во всяком случае бесспорно, что в последнее время все в боль­ шей степени применяется оценка свойств материала при нали­ чии или возникновении трещин, хотя в настоящее время еще нет методики испытания малых образцов с распространяющейся из хрупкого слоя трещиной. Мы сочли целесообразным ниже из­ ложить экспериментальные данные по испытанию различных ма­ териалов двумя методами: определением работы излома образ­ ца без исходной трещины и определением полной работы раз­ рушения образца с предварительно полученной трещиной.

ГЛАВА III

ОЦЕНКА ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ К ТРЕЩИНАМ ПО ВЕЛИЧИНЕ РАБОТЫ ИЗЛОМА

ПРИ СТАТИЧЕСКОМ ИЗГИБЕ

1.МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАБОТЫ ИЗЛОМА

Первоначальная методика для образцов Менаже

Испытание образцов проводилось на прессе Гагарина со скоростью 0,375 мм/мин или на машине ИМ4А со скоростью- 1 мм/мин, сосредоточенным изгибом, при расстоянии между опорами 40 мм. Обе испытательные машины позволяют полу­ чить запись диаграммы нагрузка — прогиб с увеличением по оси

------- »- Стрем прогиба

прогибов в 100 раз. Величина работы излома определялась планиметрированием диаграммы изгиба. При первых же опы­ тах было замечено, что определение работы излома по полной площади после начала падения нагрузки иногда дает неустойчи­ вые и несколько расходящиеся с оценкой по виду излома значе­ ния, когда диаграмма имеет «срывы» — участки падения нагруз­ ки без увеличения стрелы прогиба.

Ввиду большого, по отношению к сечению, радиуса надреза, начальный участок падения нагрузки был сильно растянут, а его величина колебалась в зависимости от случайных причин. Только после образования трещины достаточной глубины наблю­ дался перегиб и начиналось более резкое падение нагрузки. Поэ­ тому участок Лм' (рис. 50), соответствующий площади диаграм­ мы от начала падения нагрузки до перегиба не включался в основную характеристику — конечную работу излома, которая представляла собой площадь диаграммы от перегиба до полного разрушения A J .

Испытания этих малых образцов проводились на 1-тонной шкале пресса Гагарина.

Для проверки возможного влияния обезуглероживания по­ верхности надреза при термической обработке на свойства при статическом изгибе было проведено сравнительное испытание продольных малых образцов из стали Б (см. табл. 8), изготов­ ленных из обрацов Менаже, термически обработанных с гото­

* Термическая обработка: закалка 910°, выдержка после прогрева 30 мин., охлажде­ ние в воде с температурой 20—30°, отпуск 220°, выдержка 2 часа.

Как видно из табл. 8, максимальное сопротивление разруше­ нию при термической обработке надреза оказывается снижен­ ным. Наиболее резко (примерно в 4 раза) повышена начальная работа излома А и' . Это понятно, так как начальное разрушение в сравнительно мягшм обезуглерожениом слое протекает

108 Оценка чувствительности к трещинам по величине работы излома

более плавно, чем в том случае, когда надрез не обезуглерожен. В соответствии с увеличением А м' , полная работа разруше­ ния образца при обезуглероженном надрезе примерно на 20% больше. Основная же характеристика — конечная работа из­ лома Аы" , как и можно было ожидать, практически не изменя­ лась, независимо от того, производилась ли термическая обра­ ботка до или после изготовления надреза. В первом случае­

среднее значение А м" =26,2 кгсм, а во втором — 26,5 кгсм.

Уточнение способа определения работы излома

Приведенная на рис. 49 схема определения конечной работы излома обладает следующими недостатками.

1. Площадь, характеризующая конечную работу излома, сле­ ва ограничена прямой, параллельной оси ординат, тогда как если под работой излома понимать работу, затраченную на раз­ витие трещины, то в эту работу следовало бы включить и упру­ гую энергию, накопленную (машиной и образцом) до возникно­ вения трещины, т. е. ограничивать площадь по прямой, парал­ лельной упругому нагружению. От величины этой работы, определяемой податливостью машины, зависит и характер са­ мого спада усилия (рис. 51).

Подобное замечание было высказано в 1948 г. А. А. Крошкиным, однако не было введено в методику, так как при непосред­ ственном проведении прямой, параллельной начальному прямо­ линейному участку диаграммы величина работы излома стала бы зависеть от величины смятия под ножом, т. е. от твердости материала. Способ, изложенный ниже, свободен от этого не­ достатка и в то же время учитывает упомянутое, принципиально правильное, замечание.

2.При появлении срыва по величине большего 7з максималь­ ного усилия отбрасывалась вся начальная часть площади, соот­ ветствующей разрушению, и материалы, дающие срыв после по­ лучения вязкой трещины большой глубины и непосредственно после максимума усилия расценивались как одинаковые.

3.При плавном уменьшении нагрузки за точкой максимума, нередко затруднен был точный выбор точки начала этого умень­ шения, а между тем от выбора этой точки величина работы из­ лома могла существенно измениться.

Подобное замечание было сделано Н. А. Шапошниковым на одном из совещаний по прочности в 1949 г.

Для устранения указанных недостатков схема была изменена (рис. 52). Здесь ОАВСН — диаграмма изгиба образца с надре­ зом на прессе Гагарина. Точка С соответствует началу «срыва», т. е. началу резкого падения нагрузки.

ПО Оценки чувствительности к трещинам по величине работы излома

В точке С образец отделяется от ножа и часто две половины образца отбрасываются в стороны, вследствие чего нагрузка на нож машины практически мгновенно падает до нуля. Лишь благодаря большой инерции каретки пресса на диаграмме за ­

писывается наклонная прямая СН, вместо вертикальной пря­ мой CD.

Поэтому в действительности полная работа разрушения об­ разца измеряется площадью OABCD, равной сумме площадей OABF (пластическая деформация, предшествующая разруше-

Рис. 53. Диаграмма статического изгиба образца Менаже с неполным разрушением в момент срыва нагруз­ ки (на участке CD).

нию) и FBCD, (пластическая деформация в процессе разру­ шения) .

В эту последнюю площадь включена также накопленная в процессе испытания до данной точки упругая энергия образца и машины, пропорциональная площади треугольника ECD, ко­ торая тратится на хрупкое разрушение образца и освобождается в процессе практически мгновенного разрушения образца в точке С в виде энергии звука, колебаний частей машины и фун­ дамента и других побочных потерь. Поэтому собственно на де­ формацию в процессе разрушения и на процесс пластичного разрушения затрачивается работа, равная заштрихованной пло­ щади FBCE. В случае срыва на диаграмме, сопровождающегося дальнейшим плавным падением нагрузки, работа, затраченная на деформацию при разрушении и на разрушение равна заштри­ хованной площади на рис. 53. Отделение образца от ножа в мо­ мент резкого срыва происходит и здесь и нагрузка на некоторый, очень короткий период, падает до нуля.

Это можно видеть при испытании на прессе Гагарина, когда в момент срыва образец на опорах можно сдвинуть рукой, или на машине ИМ4А, где после срыва образуется характерная зигзагообразная линия. В момент срыва и быстрого перерезания части сечения образца трещиной происходит упругий обратный