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

82 Основные методы оценки склонности металлов к хрупкому разрушению

действием пластической деформации. При чувствительном к тре­ щине материале (хрупкий излом) произойдет очень быстрый рост этих мелких трещин при малой пластической деформации, т. е. хрупкое разрушение [176].

Практика подтверждает, что материалы с хрупким изломом, даже при высокой пластичности гладких и надрезанных образ­ цов— значительно чаще хрупко разрушаются в эксплуатации, чем материалы с меньшей пластичностью, но обладающие при тех же условиях испытания более волокнистым изломом.

2. Как было указано во 'введении, в процессе производства эксплуатации деталей весьма велика вероятность возникновения трещин. Дефектоскопия и микроскопическое исследование поз­ воляют обнаруживать трещины на все более ранней стадии их развития. Случайные перегрузки, особенно ударные или проис­ ходящие при пониженных температурах, легко могут повести к хрупкому разрушению при низких минимальных напряжениях в том случае, если материал требует малой затраты энергии для полного разрушения, т. е. не обладает способностью задеоживать трещину разрушения.

В таком материале разрушение протекает с большой скорос­ тью, пластическая деформация поверхности разрушения невели­ ка и излом имеет кристаллический блестящий вид.

По существу оценка вязкости стали по виду излома являлась первым методом, оценивающим сопротивление распространению трещины разрушения. При данном запасе упругой энергии систе­ мы (машина и образец) и данном среднем приложенном напря­ жении скорость распространения трещины разрушения связана с величиной энергии, поглощаемой при разрушении материала. Вид излома одного и того же материала может резко изменять­ ся при изменении скорости разрушения.

Характерно, что наибольшее распространение получила проба на излом изгибом (обычно надрезанного образца), т. е. способом разрушения, облегчающим изучение последовательного развития трещин из заранее известной зоны. Недостатком пробы на излом, кроме указанных выше, является невозможность выразить харак­ теристики, получаемые при этом испытании, через прочность, де­ формацию или работу, что позволило бы связать их с другими механическими свойствами.

Весьма перспективна оценка излома по степени пластической деформации, выявляемой рентгеноструктурным исследованием. Так [177], параллельное рентгеноструктурное исследование изло­ ма хрупко разрушившейся балки котельного агрегата и ударных образцов с острым надрезом при различных температурах пока­ зало, что степень деформации эксплуатационного излома равна степени деформации образцов при значении ударной работы от

0,2 до 1,4 кгм.

Оценка свойств материала в процессе развития трещины

Изгиб постоянной нагрузкой при наводороживании. К числу методов оценки сопротивления возникновению и развитию трещины следует отнести испытание заневоленных при опре­ деленной упругой или упруго-пластической деформации стальных пластинок, помещенных в качестве катода в электролит [34]. Эта проба крайне чувствительна к состоянию поверхности испытуе­ мых образцов. В основном она определяет степень хрупкости, приобретаемой данным материалом при насыщении его водоро­ дом (например, при гальванических покрытиях).

Оценка свойств материала по характеру участка спадания нагрузки диаграммы изгиба надрезанных образцов. Как указы­ валось выше, испытание ударной вязкости надрезанных образ­ цов долгое время являлось практически единственным методом оценки чувствительности металла к хрупкому разрушению. Этот вид испытания и до настоящего времени является наиболее рас­ пространенным. Однако ударная вязкость является скорее каче­ ственной, а не количественной характеристикой, так как интег­ ральная величина — работа, затраченная на полное разрушение надрезанного образца, не дает возможности судить ни о напряже­ ниях, при которых разрушается образец (т. е. о его прочности), ни о соотношении между чисто пластической деформацией образ­ ца без разрушения и деформацией в процессе развития трещины.

Первым исследователем, подметившим связь вида излома с характером диаграммы изгиба надрезанных образцов, был А. М. Драгомиров. Его труды в полном объеме остались не опуб­ ликованными, но значительная их часть освещена Н. Н. Давиденковым [87]. Драгомиров в 1917 г. исследовал разрушение об­ разцов типа Шарпи из стали с 0,45%С при статическом изгибе на прессе Гагарина с записью диаграммы: нагрузка — прогиб и с измерением угла между осями половинок образца в процессе их изгиба. Проведенное им испытание серии образцов сечением (полным): 20X20; 15X15 и ЮХЮлш с расстоянием между опорами120; 90 и 60 мм при статическом и ударном изгибе показало, что полная работа деформации (для исследованных им сталей), практически не зависит от величины пролета, а также, что имеет­ ся определенная критическая глубина надреза. Увеличение глуби­ ны надреза сверх этой критической величины не оказывает влия­ ния на ударную вязкость. Драгомиров впервые обратил внима­ ние на характер кривой разрушения при изгибе образца с надре­ зом и установил, что разрушение образцов может происходить путем чередования плавных участков разрушения с участками резкого падения нагрузки (срывами). Одним из важных наблю­ дений Драгомирова явилось установление близкого соответст­ вия между видом излома образца и характером кривой разрушэ-

6*

84 Основные методы оценки склонности металлов к хрупкому разрушению

ния. Он заметил, что число блестящих кристаллических участ­ ков в изломе образца в точности соответствовало числу срывов на диаграмме изгиба.

Н. Н. Давиденков [55], анализируя результаты опытов по ис­ пытанию статическим изгибом надрезанных образцов из мелко- и . крупнозернистой малоуглеродистой стали при различных темпе­ ратурах, пришел к выводу, что точка максимума на диаграмме статического изгиба может служить критерием для оценки тем­ пературы начала появления хрупкости.

В развитие идей А. М. Драгомирова и Н. Н. Давиденкова одним из авторов был предложен метод оценки склонности к хрупкому разрушению при статическом изгибе [9]. Сущность этого метода сводилась к оценке свойств материала не по пол­ ной работе при изгибе надрезанного образца (ударной работой Или всей площадью диаграммы при статическом изгибе), а по работе деформации в процессе развития трещины разрушения, т. е. по величине заштрихованной площади диаграммы изгиба на рис. 35, названной «работой излома». Поскольку уточнение этой методики в результате испытаний излагается подробно в четвер­ той главе, то здесь следует лишь отметить, что вторая часть диаг­ раммы значительно ближе связана со степенью волокнистости излома, чем полная работа деформации.

Это было показано также в последующих работах [124, 178], где применялся не изгиб призматических образцов, а упоминав­ шееся выше эксцентричное растяжение плоских образцов (рис. 36). Определялась критическая температура малоуглероди­ стой листовой стали но работе как до максимального усилия, так и по работе излома, которая в оригинале [125] называется «энер-

гия на развитие трещины». Типичные диаграммы в координатах

случае из этого сопоставления видна тесная связь работы на раз­ витие трещины и степени кристалличности излома.

Каи и Имбембо нашли, что работа излома резко уменьшает­ ся при увеличении содержания азота в стали от 0,004 до 0,009%'

Оценка свойств материала при наличии или развитии трещины 87

клическому нагружению, показали, что появление трещин уста­ лости соответствует резкому снижению ломающей нагрузки при статическом изгибе в жидком азоте. В результате испытаний ударным изгибом для оценки повреждаемости при усталости углеродистой стали в отожженном состоянии было найдено [1271, что при увеличении числа циклов ударная вязкость снижается, причем до появления трещин это снижение было незначительно. При наличии же в образце трещины даже небольшой глубины (0,1 мм), ударная вязкость снижалась на 70%. Эти выводы были подтверждены также в работе [128].

Была сделана попытка [89] оценить «статическую прочность металла при трещине» путем осевого растяжения образцов, над­ резанных кольцевой трещиной усталости. При определении влия­ ния предварительного циклического нагружения на критичес­ кую температуру хрупкости при статическом изгибе образцов из малоуглеродистой стали SAE1020 было найдено [129], что с уве­ личением числа циклов при данном циклическом напряжении повышается критическая температура. В изломе разрушенных изгибом образцов наблюдалась четкая наружная кольцевая зо­ на. Причиной повышения переходной температуры авторы счи­ тали наклеп и старение, проходившие при циклическом нагруже­ нии. Они отклоняли возможность повышения критической тем­ пературы вследствие появления трещин, хотя единственным до­ казательством этого мнения было необнаружение ими трещин люминесцентным методом, которым такие трещины могут быть и не обнаружены. Микроисследование же указанными автора­ ми проводилось лишь на окончательно разрушенных образцах.

Поэтому естественно .предположить, что наблюдавшаяся кольцевая зона в изломе была следом трещины усталости; при­ веденные в работах [181, 182] данные также показывают суще­ ственное снижение статической прочности при растяжении об­ разцов из алюминиевого сплава 7075Т-6, имевших трещину уста­ лости. Снижение было непропорционально большим, по сравне­ нию с уменьшением сечения за счет трещины.

Трещина циклической перегрузки в качестве надреза в изги­ баемых образцах для испытания склонности конструкционных сталей к хрупкому разрушению была применена также в работе авторов [12]. Методика этих испытаний и полученные результа­ ты изложены в гл. IV и V настоящей монографии.

Проба Кана и Имбембо получила дальнейшее развитие [130] с: использованием принципа исключения сжатой зоны, предло­ женного Шнадтом, при испытании на эксцентричное растяжение (рис. 39). Перед испытанием образец предварительно растяги­ вается до получения трещины, которое отмечается наблюдением за боковой поверхностью образца ® бинокулярный микроскоп. После получения трещины увеличение нагрузки останавливается

и трещина окрашивается чернилами индиго с добавкой аэрозо­ ля. Затем нагрузка снимается и образец просушивается. Окон­ чательному испытанию подвергается образец с окрашенной тре­ щиной. Нагружение образца ведется через закаленные ролики, к заостренным концам которых прикрепляются проволочные датчики для измерения деформации. Нагрузка измеряется также посредством проволочных датчиков, прикрепленных к упругому динамометру.

Типичные диаграммы испытания образцов, приведенные на рис. 40, показывают, что исключение сжатой зоны позволяет поиблизить ход кривой разрушения к прямолинейному и несколько уменьшить наклон кривой нагружения. Определяемую планиме­ трированием этой диаграммы величину работы W условно отно­ сят к величине площади излома А (за вычетом окрашенной тре­ щины) .

величине — , т. е. энергетической характеристике,рассмотренной

в работах Ирвина. Конечно, это допущение является весьма при­ ближенным. Даже из трех приведенных кривых одна имеет силь­ ное отклонение кривой разрушения от прямолинейности. Нельзя также считать, что статическое приложение (в начале испытания) нагрузки требует той же затраты энергии для распространения трещины, как и распространение трещины с большей скоростью, что отмечено Фелбеком и Орованом. Ирвин стремился найти граничное состояние между стабильным и нестабильным разру­

би/ du

шением, соответствующее уравнению — --- — и, видимо, не

считал пригодным для этого вязкое разрушение.

Расчленение процесса испытания образца на получение тре­ щины с последующим ее окрашиванием и собственно испытание образца с трещиной, примененное в работе Ромайна нельзя при­ знать шагом вперед по сравнению с первоначальной методикой Кана и Имбембо. Предварительное получение трещины было бы справедливым, если бы это дало возможность испытывать хруп­ кие материалы, дающие срыв на кривой разрушения. Однако такой возможности способ Ромайна не дает и получение трещи­ ны производится тем же способом, как и окончательное испыта­ ние. Недостатком же этого метода является измерение работы излома не в процессе развития трещины (как это было у Кана и Имбембо), а измерение работы разрушения образца с трещи­ ной с момента начала ее роста при окончательном испытании.

Испытание широких листовых образцов с внутренним надре­ зом [131—133] по отношению радиуса закругления концентрато­ ра напряжения ( — 0,12 мм) к размерам образца (ширина от

'90 Основные методы оценки склонности металлов к хрупкому разрушению

305 до 2743 мм) может быть также отнесено к испытаниям об­ разцов с надрезом типа трещин. Это испытание в многочислен­ ных исследованиях по определению причин хрупких разрушений кораблей было признано одним из наиболее полно характеризую­ щих поведение стали в условиях работы в корабельной конструк­ ции.

1 2 3

4 2 —-v 2 4

О

Рис. 41. Широкий образец с внутренним надрезом для испытания стальных плит:

Образец (рис. 41) испытывался на растяжение с определением разрушающей нагрузки и полной работы, затраченной на разру­ шение. Испытанием подобных образцов из судостроительной ста­ ли было установлено следующее:

1.Критическая температура, определенная испытанием ши­ роких образцов с надрезом R « 0,12 мм лежит выше, чем опре­ деленная по кривым ударной вязкости.

2.С увеличением ширины образца критическая температура

повышается.

3. Увеличение остроты надреза вплоть до R = 0,12 мм повы­ шает критическую температуру и увеличивает чувствительность испытания (рис. 42).

В отличие от Ромайна, применившего в качестве надреза тре­ щину вязкого разрушения, в другой работе [51], в качестве на­ дреза была применена хрупкая трещина, полученная ударами