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

Влияние запаса энергии на характер разрушения приобретает существенное значение главным образом в том случае, если значительно меняется жесткость нагружающей системы [84], а также когда сопоставляются ипытания образцов, существенно различающихся по размеру [46, 49]. Этот большой и относитель­ но новый вопрос заслуживает отдельного изложения и в настоя­ щей работе почти не рассматривается. Все приводимые ниже ис­ пытания проводили при малых изменениях запаса упругой энер­ гии системы.

В последнее время было предложено и опробовано большое число методов оценки чувствительности материалов к хрупкому разрушению, которые можно разбить на четыре группы:

1)методы оценки сопротивления отрыву;

2)методы оценки склонности к хладноломкости:

3)методы оценки чувствительности к надрезу;

4)оценка свойств материала при наличии или после возник­ новения трещины.

Ниже кратко излагается сущность этих методов.

1. МЕТОДЫ ОЦЕНКИ СОПРОТИВЛЕНИЯ ОТРЫВУ

Схемы А. Ф. Иоффе [85] и П. Людвика [86] и последующее их развитие — представления об отрыве и срезе — дают простое схематическое представление о механизме разрушения. Обычно считают, что сопротивление отрыву неизменно (или меняется слабо), при изменении температуры испытания, тогда как со­ противление срезу и сопротивление пластической деформации существенно повышаются с понижением температуры.

Считается также, что предупреждение пластической деформа­ ции любым способом (созданием объемного напряженного со­ стояния, повышением скорости или понижением температуры) способствует переходу к разрушению путем отрыва и, следова­ тельно, способствует оценке сопротивления отрыву при испыта­ ниях. Отсюда вытекает, что если известно сопротивление разру­ шению в условиях такого «запрещения» пластической деформа­ ции, а также предел текучести материала, то можно для данно­ го напряженного состояния определить характер разрушения и оценить наибольшее нормальное напряжение, при котором ма­ териал разрушится. Эта простая схема разрушения и лежит в основе различных, предложенных за последние 20—30 лет, мето­ дов определения сопротивления отрыву. Основные из этих мето­ дов перечислены в табл. 7.

Большинство методов оценки сопротивления отрыву основано на осевом растяжении образцов, так как под отрывом понима­ ется практически одновременное но всему поперечному сечению (или по части его) разделение образца на две половины после

6^Основные методы оценки склонности металлов к хрупкому разрушению

[88]ных образцов с переменным шающего напряжения от угла

[89]натной температуре образцов, цементита и снижение темпе­ надрезанных кольцевой уста­ ратуры отпуска при неизмен­

[91]натной температуре гладкого и ска на сопротивление отрыву.

66 Основные методы оценки склонности металлов к хрупкому разрушению

стадии развития уже образовавшейся трещины Необходимым условием определения сопротивления отрыву считается умень­ шение до малых значений пластической деформации в месте и в момент разрушения.

Поскольку экспериментально доказано, что излом металлов даже при макрохрупком разрушении почти всегда имеет ту или иную степень пластической деформации, то признание какой-то величины макродеформации в качестве условного допуска хруп­ кого .разрушения (например, t = 3 -4-5%, как это делается при определении сопротивления отрыву испытанием гладких образ­ цов в жидком азоте) трудно обосновать.

Применение для разрушения образца осевого растяжения создает затруднения при определении сопротивления отрыву. При наличии некоторой пластической деформации перед разру­ шением и при достаточно точной центровке усилия можно добить­ ся относительно стабильных величин разрушающей нагрузки. Однако пока не будет устранена пластическая деформация, нель­ зя считать, что измеряется действительно хрупкая прочность (со­ противление отрыву), а не сопротивление разрушению после не­ которой, хотя бы и весьма малой, пластической деформации, тем более, что в микрообъемах она может быть весьма сущест­ венной. Полностью же хрупкие образцы, испытываемые на осе­ вое растяжение, как правило, не дают стабильных значений раз­ рушающей нагрузки, так как начавшееся хрупкое разрушение в первый же момент превращает растяжение из осевого во внецентренное и при этом с переменным от образца к образцу эксцен­ триситетом, поскольку разрушение может начаться как из од­ ного, так и из нескольких центров одновременно.

Кроме того, строго осевое растяжение встречается в услови­ ях действительной работы крайне редко. Чаше всего случаи хруп­ кого разрушения в практике возникают при наличии или участии изгибающей нагрузки. Этим, по нашему мнению, объясняется от­ сутствие широкого практического применения для оценки склон­ ности металлов к хрупкому разрушению методов, перечисленных в табл. 7, так как оценка материала с помощью этих методов не­

= 2,5, и стали 40Х после закалки и отпуска 500°, для которой1

1 Например, при испытании кусков угля, просверленных в центре и на­ груженных гидравлическим давлением (создаваемым в просверленном отвер­ стии), это давление продолжает возрастать, пока трещина не достигнет зна­ чительной глубины, после чего наступает лавинная стадия разрушения [711.

68 Основные методы оценки склонности металлов к хрупкому разрушению

ние гладких образцов при низких температурах. Этим методом отчетливо выявляется охрупчивающее действие медленного ох­ лаждения при отпуске некоторых закаленных сталей, а также различие в величине зерна феррита малоуглеродистой стали. Тем не менее и этот метод не позволяет обнаружить резкого воз­ растания склонности к хрупкому разрушениюпри повышении прочности (при переходе к отпуску при пониженных температу­ рах) конструкционных сталей, хотя именно эта склонность и яв­ ляется одним из основных препятствий для дальнейшего повыше­ ния предела прочности деталей машиностроения. Сопротивление отрыву высокопрочных материалов, как правило1 выше, чем у средне- и низкопрочных, материалов. Склонность к хрупкому раз­ рушению, как хорошсйиЗвестно из практики, у первых:также вы­ ше. Так, сопротивление втрыву, определенное при осевом растя­ жении гладкого образца из стали ШХ15, после закалки и низко­ го отпуска равно 265 кг/мм2 [101], а для армко-железа (при

—196°) со средним размером зерна равно 70 кг/мм2 [34]. Между тем из этих двух материалов первый более склонен к хрупкому разрушению в процессе эксплуатации конструкций при комнат­ ной температуре.

Как уже упоминалось, в практике службы деталей случаи нагружения, близкие к осевому растяжению гладких образцов, очень редки. Гораздо чаще встречается асимметрическое нагру­ жение осевой силой, являющееся, как известно, сочетанием рас­ тяжения (или сжатия) и изгиба. Локальная неравномерность по­ ля напряжений часто создается технологическими-или эксплуа­ тационными трещинами, а также конструктивными концентра­ торами (переходы сечения, выточки, отверстия и т. п.). Возника­ ет вопрос, в какой степени возможно применять сопротивление отрыву, определяемое при практически одновременном разру­ шении по некоторому сечению (рис. 23), т. е.-при отсутствии градиента напряжений (во всем образце или в том элементарном объеме, разрушение которого служит для определения сопротив­ ления отрыву), для оценки склонности к хрупкому разрушению при наличии резкой неравномерности напряженного состояния и развитии трещины во времени от точки к точке (рис. 24). Об­ разец, служащий лабораторной моделью при оценке склонности к хрупкому разрушению, видимо, должен существенно отличать­ ся от образца, служащего для оценки сопротивления пластичес­ кой деформации, так кай- в последнем случае предполагается одновременное сопротивление внешнему усилию по всему испы­ туемому сечению.

Хрупкое .разрушение, именно .вследствие малой возможности перераспределения напряжений, осуществляется значительно более локально-,-у-чем пластическая деформация (даже -малая) в гладком образцёг4^ак уже указывалось в предыдущей главе, не

начальное разрушение (которое еще трудно окончательно от­ нести к одной из двух приведенных на рис. 23 и 24 схем) опреде­ ляет максимальную нагрузку, на основе которой подсчитывается сопротивление отрыву, а некоторая определенная «критическая» стадия развития трещины, по схеме рис. 24. Начальная же ста­ дия разрушения обычно сопровождается повышением рузрушающей нагрузки, вероятно за счет влияния продолжающейся пластической деформации.

а — тело до разрушения; 6Стело разрушилось

Наблюдающееся при низкотемпературном испытании гладких образцов повышение номинального разрушающего напряжения при уменьшении размера зерна феррита может быть связано с увеличением поверхности границ зерен, которая препятствует развитию хрупкого разрушения [102]. Однако это единственно известное нам правдоподобное объяснение как раз и заставляет считать, что величина нагрузки на образец (или пропорцио­ нальное ей среднее условное напряжение) продолжает возра­ стать и после возникновения трещины в образце. Таким образом, в самом объяснении механизма влияния величины зерна на раз­ рушающую нагрузку при хрупком разрушении уже использовано предположение о развитии трещины от точки к точке и о возник­ новении трещины при нагрузках, меньших максимальной.

Различие в протекании процесса разрушения между мелко- и крупнозернистым железом, очевидно, заключается в том, что две эти структуры оказывают (за счет различной поверхности

7D Основные методы оценки склонности металлов к хрупкому разрушению

границ зерен в единице объема), различное торможение лавин­ ному распространению трещины при хрупком разрушении, когда путь трещины мало искажается пластической деформацией. Ины­ ми словами переход от стабильной к нестабильной стадии насту­ пает позже у мелкозернистых структур. Такое влияние величины зерна естественно проявляется для гладкого образца из пластич­ ного железа только при достаточно низких температурах. В том же случае, когда материал не охрупчен действием низкой темпе­ ратуры во всем объеме, основное тормозящее влияние распрост­ ранению трещины оказывают уже не границы зерен, а сдвиги при пластической деформации.

Сопротивление отрыву, определенное тем или иным способом, на лабораторном образце нельзя считать константой материала также ввиду влияния на процесс разрушения запаса упругой энергии.

Как указано в гл. I, сопротивление разрушению вообще, а хрупкому в особенности, снижается с увеличением упругой энер­ гии системы (податливости машины, размеров и формы образца). Поэтому сопротивление разрушению, определяемое при данном запасе упругой энергии системы может измениться при использо­ вании материала в системе с другим запасом упругой энергии.

Таким образом обычно определяемое «сопротивление отрыву», по нашему мнению, не есть константа материала, определяющая предельное сопротивление материала хрупкому разрушению, а является лишь условным напряжением, соответствующим пере­ ходу к нестабильному макрохрупкому разрушению, что харак­ теризует лишь образец и данные условия нагружения. Основным же свойством, которое должно определять склонность к хрупко­ му разрушению материала должна являться способность матери­ ала сопротивляться распространению трещины. Вышеприведен­ ные соображения объясняют широкое развитие в последнее вре­ мя методов оценки сопротивления хрупкому разрушению при преднамеренно создаваемом резконеравномерном напряженном состоянии. Эти методы рассмотрены ниже.

2. МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ХЛАДНОЛОМКОСТИ

Хладноломкостью материала называют склонность к увели­ чению хрупкости при понижении температуры. Иногда при оцен­ ке хладноломкости применяют растяжение гладких или надре­ занных образцов, испытание на изгиб дисков, опертых по конту­ ру, или испытание статическим изгибом гладких или надрезан­ ных образцов. Однако наиболее распространенным способом оценки хладноломкости является испытание надрезанных образ­