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

Е. М. Шевандиным), Р. Майлендером и Швиннингом и др. Тем­ пература резкого снижения ударной вязкости (критическая или переходная температура) сравнительно отчетливо выявляется при испытании малоуглеродистых сталей, в нормализованном и отожженном состояниях, содержащих свободный феррит. Ста­ ли, подвергнутые улучшению или закалке с низким отпуском, обычно плавно уменьшают ударную вязкость при понижении тем­ пературы испытания.

Несмотря на ширкое распространение сериальных ударных испытаний при различных температурах, как в СССР, так и за границей, до настоящего времени нет единой методики определе­ ния критической температуры—-основной величины, которой характеризуют хладноломкость материала. Наиболее распрост­ раненными являются следующие критерии:

а) температура достижения ударной вязкостью некоторого минимального значения, например 2 кгм/см2 (СССР) или 7 футо­ фунтов (Англия и США);

б) верхний порог хладноломкости (температура, ниже кото­ рой наблюдается существенное падение ударной вязкости);

в) нижний порог хладноломкости (температура, ниже которой уже незаметно резкого падения ударной вязкости);

г) средняя температура между верхним и нижним порогами хладноломкости;

д) температура появления первых кристаллических участков на волокнистом фоне излома;

е) температура, при которой определенная доля (чаще всего половина) плошади излома становится кристаллической;

ж) температура, при которой весь излом становится кристал­ лическим.

Критическая температура, оцененная по виду излома (крите­ рии д, е, ж) обычно выше критической температуры, оцененной по отношению к порогу хладноломкости по ударной вязкости, причем, чем острее надрез, тем обычно больше сближаются эти две характеристики.

Впоследнее время в большом числе работ излом считается наиболее удобным показателем хладноломкости.

Вряде случаев критическаяя температура мало меняется при изменении остроты надреза, например у некоторых судострои­ тельных сталей на образцах с надрезом, радиус которого менял­ ся от 0,25 мм до остроты вершины трещины усталости [104].

Для некоторых сталей так же показана зависимость крити­ ческой температуры от направления волокна в образце [105].

Однако часто критическая температура существенно меняется при изменении остроты надреза, например (рис. 25) сталь 15ХФ, обладавшая наивысшей критической температурой при остром надрезе с радиусом 0,1 мм оказалась наименее хладноломким

72 Основные методы оценки склонности металлов к хрупкому разрушению

материалом при испытании образцов с радиусом основания над­ реза 0,5; 1; 2 лш’|106].

Последующие, более детальные опыты [107], проведенные на мартеновской стали М67-3 (кипящей и спокойной) позволили по­ строить пространственные кривые ,в координатах; ударная вязкость — температура испытания — радиус основания надре­ за. Ход пространственных кривых для кипящей и спокойной стали (рис. 26 и рис. 27) различен.

Рис. 25., Изменение критической температуры хрупкости в зависи­ мости от радиуса надреза для различных сталей:

Испытание хладноломкости, в частности ударным изгибом, иногда считают косвенным методом определения сопротивления отрыву. Учитывая результаты указанных опытов, можно считать, что для этого нет достаточных оснований.

Действительно, если при сериальных испытаниях с изменени­ ем остроты надреза может меняться порядок расположения ма­ териалов, т. е. материал более хладноломкий при одном надрезе оказывается при ином надрезе менее хладноломким, чем дру­ гой материал, то едва ли можно говорить, что это испытание характеризует сопротивление отрыву как константу материала. Вопрос о том, что хладноломкость не может быть универсаль­ ным критерием хрупкости был поднят в 1936 г. В. В. Смирно­ вым [108], отмечавшим, что изменение температуры ударного испытания позволяет иначе оценивать склонность к хрупкому разрушению, чем изменение глубины надреза (коэффициента концентрации). Эта мысль, правда, тогда недостаточно подтверж­ денная экспе.риментально, была развита Н. П. Щаповым в дис­ куссии по этой статье [109], где было подчеркнуто, что чувства-

74 Основные методы оценки склонности металлов к хрупкому разрушению

дельность надрезанных образцов к температуре и чувствитель­ ность к надрезу— различные свойства, которые необходимо изу­ чать самостоятельно.

Дальнейшие опыты Н. Н. Давиденкова и Б. С. Левина [ПО] подтвердили точку зрения Н. П. Щапова и показали, что в ряде случаев может иметь место принципиальное различие между чувствительностью к надрезу и чувствительностью (надрезан­ ных образцов) к понижению температуры испытания. Сталь ЗОХГСА после низкого отпуска (200°) оказалась более чувстви­ тельной к надрезу и в то же время менее хладноломкой, чем та же сталь после высокого отпуска (700°).

Резюмируя, можно сказать, что основным (прямым) назна­ чением испытания хладноломкости является сопоставление мате­ риалов по степени их пригодности к службе при определенных температурах. Чем ниже критическая температура по отношению к температуре службы детали, тем больше гарантия от хрупкого разрушения.

В результате испытаний ряда мягких сталей [174] считается, что критическую температуру хладноломкости листа в эксплуа­ тационных условиях можно достаточно уверенно оценивать по критической температуре ударных образцов с острым надрезом.

Кроме этого прямого назначения, испытание хладноломкости может в некоторой степени характеризовать возможность охруп­ чивания материала при повышении скорости нагружения. Во вся­ ком случае в пределах до скорости 5—10 м/сек имеются данные о том, что понижение температуры и увеличение скорости нагру­ жения влияют в одном направлении [82].

По критической температуре хладноломкости иногда можно сравнивать склонность к хрупкому разрушению материалов и при какой-то заданной температуре; однако в большинстве слу­ чаев это сравнение будет справедливым только в случае, если характер концентраторов на детали близок к форме надрезов ■образцов, для которых определена критическая температура.

3. МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ К НАДРЕЗУ

Этим общим названием принято объединять методы, в той или иной мере оценивающие изменение сопротивления макрохрупкому разрушению при наличии ряда концентраторов напря­ жений (сериальная чувствительность к надрезу) или оцениваю­ щие сопротивление разрушению при наличии какого-либо одного определенного концентратора.

Испытания первого типа несколько сложнее и поэтому при­ меняются сравнительно редко. Сюда относятся следующие виды испытаний.

I. Испытание по Шнадту [111, 112] на ударный изгиб сери образцов с переменной остротой надреза и неизменным живым

сечением (рис. 28). Хотя в этом случае испытания проводятся при изгибе, но благодаря тому что в отверстие диаметром 5 мм вставляется вкладыш из твердого сплава, образец не имеет сжа­ той зоны, обычной для изгиба. Все точки испытуемого сечения образца испытывают напряжения растяжения, хотя и при нали­ чии градиента, характерного для изгиба. Таким путем сопостаз-

ляется поведение материала при концентраторах различной ос­ троты.

2. Испытание надрезанных образцов с перекосом [113, 114, 115]. Образцы с кольцевым надрезом испытываются на осевое растяжение и на растяжение с перекосом (обычно 8°) согласно рис. 29. Характеристикой служит или абсолютная величина раз­ рушающего напряжения при испытании с перекосом или (чаще) темп уменьшения разрушающей нагрузки (или условного напря­ жения), при увеличении перекоса.

3. Разновидностью испытания с перекосом является так на­ зываемое «испытание на раздирание» (Tear Test), применяемое для определения склонности к хрупкому разрушению судостро­ ительных сталей [116, 117] (рис. 30), а также при испытаниях резины. В работе Barfppa менялся как эксцентриситет нагруже­ ния а п , так и радиус основания надреза. Самый острый надрез получался вдавливанием острого ножа из твердого сплава в

76 Основные методы оценки склонности металлов к хрупкому разрушению

предварительно фрезерованный надрез. Характеристикой мате­

риала служили разрушающая нагрузка и полная работа дефопмацйи.

Несериальные испытания, оценивающие сопротивляемость разрушению для данного типа надреза, весьма широко распрост­ ранены и заключаются в следующем.

образцов с определением полной работы, затраченной на разру­ шение образца. Введено Шарпи и Менаже и развито Давиденковым, Майлендером, Мозером и др. В настоящее время во многих странах принят образец полным сечением 10x10 мм.

стоянием между опорами 40 мм. Исключение составляют США, где еще применяется консольный изгиб образца типа Изода, имеющего три испытуемых сечения.

Статический изгиб надрезанных образцов. В последнее время получило распространение испытание статическим изгибом над­ резанных образцов с записью диаграммы нагрузка — прогиб, впервые примененное А. М. Драгомировым в 1917 г. для иссле­ дования особенностей ударного испытания [87]. Статический из­ гиб, уступая ударному ,по простоте и быстроте испытания, а так­ же по скорости нагружения, имеет все же перед ударным неко­ торые преимущества, так как позволяет:

1.Достаточно просто измерить величину разрушающей на­ грузки.

2.Измерить величину пластического прогиба.

3.Определить характер спада нагрузки в случаях достаточно пластичного разрушения.

Благодаря этим преимуществам статический изгиб находит некоторое применение для определения максимальной разрушаю­ щей нагрузки образцов, имеющих кольцевой надрез (рис. 31), главным образом из высокопрочной стали [34, 118].

Статический изгиб применяется также для определения ве­ личины пластического прогиба при изгибе образцов с односто­ ронним надрезом [119].

78 Основные методы оценки склонности металлов к хрупкому разрушению

Характеристикой при ударном испытании обычно служит полная работа, затраченная на разрушение надрезанного образ­ ца. Эта величина графически выражается площадью диаграммы

Рис. 32. Образцы для определения стрелы пластического прогиба при статическом изгибе:

а — продольный образец; б—поперечный образец (Я. Б. Фридман, А. А. Бать и Т. А. Володина) [119]

нагрузка — прогиб и зависит как от пластичности, так и от проч­ ности, поэтому может оказаться, что менее пластичный, но более прочный при данном надрезе материал будет обладать большей

Рис. 33. Схема определения стрелы прогиба fnл по диа­ грамме нагрузка — прогиб, полученной при испытании образцов, показанных на

рис. 32

ударной вязкостью, чем 'материал более пластичный, но менее прочный. Поскольку склонность к хрупкому разрушению более чувствительно оценивается пластичностью, чем величиной раз­ рушающей нагрузки, то в ряде случаев определение чувстви­ тельности к надрезу путем измерения величины пластического прогиба оказывается более целесообразным, чем оценка по удар­ ной вязкости. Для испытания пластичности в надрезе поперек во­

локна применяются продольные пр.из1М1атические образцы (рис. 32, а); для оценки пластичности в надрезе вдоль волокна (попе­ речные образцы) применяются полукольцевые образцы (рис. 32, б). Величина стрелы пластического прогиба определяется по диаграмме изгиба большого масштаба (рис. 33), полученной на машине ИМ4А или прессе Гагарина. К методам оценки пластич­ ности при изгибе надрезан­

ТРЕЩИНЫ

Вид излома как характеристика свойств стали

Вид излома надрезанных образцов, особенно при изгибе, яв­ ляется, наиболее старой характеристикой качества железа и стали. Характерно, что при проведении пробы на излом острота надреза обычно не оговаривается. Например, выполнение надре­ за таким грубым способом, как прорезка кислородно-ацетилено­ вым пламенем, позволяет опытному работнику характеризовать качество испытуемой стали без дополнительных испытаний.

Проба на излом служит для выявления ряда металлургичес­ ких пороков металла: шиферности, степени транскристаллизации, насыщенности флокенами и пр.

Однако наряду с этим вид излома стального образца весь­ ма чувствительно отражает степень вязкости стали. Блестящий

■80 Основные методы оценки склонности металлов к хрупкому разрушению

В последние годы этот метод успешно развивался и применял­ ся рядом исследователей. Из числа их упомянем отечественных: Е. М. Шевандина, определявшего, начиная с 1947 г. критическую температуру хрупкости по виду излома и по работе излома; И..Л. Шимелевича и других, а также зарубежных: Кана и Имбембо, Типпер, Вудфайна и других.

Весьма характерной является также величина утяжки или так называемых «скосов» у боковых поверхностей бруска — чем больше величина этих скосов, тем обычно больше вязкость стали.

Однако оценка вязкости стали по виду излома имеет ряд су­ щественных недостатков:

а) необходимость наличия большого опыта у контрольного работника;

б) известные субъективность и непостоянство оценки;

в) отсутствие численной характеристики степени вязкости, чте не дает, возможности накапливать статистический материал, получать количественные данные и устанавливать связь между вязкостью излома и рядом факторов (состав, структура, обра­ ботка).

При оценкевязкости излома малоуглеродистой феррито­ перлитной стали эту вязкость удается количественно характери­ зовать по соотношению между кристаллической и волокнистой зонами площади излома. Однако при оценке вязкости легирован­ ных термически обработанных сталей этот способ не всегда при­ меним, так как подобные чередующиеся участки часто отсутст­ вуют и различие в вязкости может быть оценено лишь по оттенку и строению всего излома. Эти различия могут быть улавливаемы только при большом навыке и не дают возможности произвести объективную количественную Оценку.

Попыткой уменьшить субъективность оценки излрма являет­ ся создание различных шкал излома. Однако такие шкалы помо­ гают только при сравнении с рядом подлинных эталонов изломов. Применение же описаний или даже фотографий может привести к резко различной оценке различными лицами.

Недавно был предложен объективный метод оценки изломов 1121], в основе которого лежит допущение, что волокнистые уча­ стки состоят из мелких площадок, расположенных под углами примерно 459 к направлению действия наибольших нормальных растягивающих напряжений, а большинство кристаллических участков примерно перпендикулярно к направлению этих на­ пряжений.

Профиль излома получается методом -светового сечения нэ двойном микроскопе системы Линника. Характеристикой излома является статистическая кривая частоты повторяемости числа