Материал: А27878 Андреев АК Материалы для низкотемпературной техники

Испытания ударной вязкости широко применяют для оценки склонности металла к хрупкому разрушению при низких температурах. Преимуществами этого метода являются простота эксперимента, учет влияния скорости нагружения и концентраций. Для оценки хладноломкости обычно проводят испытания серии образцов при понижающихся температурах.

Кривые зависимости ударной вязкости от температуры называют сериальными кривыми хладноломкости (рис. 2.18). С помощью этих кривых определяют температурный порог хладноломкости. При температуре эксплуатации ниже порога хладноломкости металл применять не следует.

В технических условиях на поставку металлопродукции ответственного назначения, как правило, оговаривают минимально допустимое значение ударной вязкости при заданной температуре.

Обычно за критическую температуру принимают такую, при которой доля волокнистой составляющей структуры равна 50 % .

Рис. 2.18. Изменение ударной вязкости стали Ст3 при понижении температуры испытаний

2.2.3. Оценка конструкционной прочности методами механики разрушения

Традиционные методы конструирования механизмов, машин и инженерных сооружений, базирующиеся на курсе сопротивления материалов, исходят из предположения о материале как сплошном теле, свободном от дефектов. Однако таких идеальных материалов практически нет. Еще до нагружения в конструкционных материалах присутствуют дефекты в виде инородных включений, газовой пористости и других несплошностей. Типичными примерами тре-

91

щиноподобных дефектов в металлах являются трещины, образующиеся при затвердевании сварных швов и отливок, в зонах термического влияния при сварке, в стальном прокате вокруг неметаллических включений, а также трещины, возникающие вследствие усталости и коррозии под напряжением.

Такие дефекты можно обнаружить, используя ультразвуковой контроль оборудования, и с помощью методов механики разрушения определить максимально допустимый размер дефекта, при котором катастрофическое разрушение может быть предотвращено. В определенных условиях эти дефекты могут инициировать разрушение даже при нагрузках, значительно меньших прочностных свойств материала, определенных при обычных механических испытаниях.

Основная задача механики разрушения – выявить условия, при которых может произойти разрушение, и оценить степень безопасности конструкции.

Дефекты типа трещин являются концентратами напряжений, которые тем больше, чем острее трещина и больше ее длина.

Современное состояние теории развития трещин и механики разрушения основано на работах Ирвина, относящихся к 1950–1960 гг. Такие характеристики, как температура остановки трещины, порог хладноломкости, ударная вязкость или ее составляющие и другие, позволяют проводить качественное сопоставление разных материалов и определять их преимущественную пригодность для данной конструкции. Однако они не могут быть использованы в количественных расчетах.

Ирвин ввел в механику квазихрупкого разрушения новый параметр – коэффициент интенсивности напряжений G. Преимущество использования этого параметра заключается в возможности его экспериментального определения и подстановки в расчеты на прочность. Стало возможным прогнозировать поведение несплошного материала в конструкциях на основе предварительных инженерных расчетов.

Ирвин вывел, что при плоском напряженном состоянии

G = πcζ2/E,

где c – полудлина трещины; ζ – среднее приложенное напряжение; Е – модуль нормальной упругости.

92

При плоском деформированном состоянии

G = (1 – μ2) πcζ2/E,

где µ – коэффициент Пуассона.

Смысл параметра G по Ирвину состоит в определении сопротивления движению трещины. Этот критерий связывает вместе приложенное напряжение и размер дефекта, т. е. значения, от которых зависит работоспособность материала.

Для удобства выполнения прочностных расчетов был введен параметр вязкости разрушения K, являющийся математической интерпретацией критерия G.

Физический смысл параметра K сложен для восприятия, особенно из-за его непривычной размерности: напряжение, умноженное на корень квадратный из длины. Важно понять, что K – это коэффициент, характеризующий интенсивность поля напряжений перед трещиной. Коэффициент интенсивности напряжений K можно сравнить с напряженностью магнитного или электрического поля:

G = K 2/E; K 2 = GE; K = GE = σπc,

где ζ – среднее приложенное напряжение; c – полудлина трещины. Единица измерения K – МПа · м1/2.

Неустойчивость трещины проявляется при достижении коэффициентом K величины критического коэффициента интенсивности напряжений Kс, обычно называемого вязкостью разрушения. Критерий Kс является важнейшей характеристикой материала в механике разрушения. Он связывает величину напряжений в момент разрушения и критический размер трещины.

Существует три типа раскрытия трещины. Из них наибольший интерес представляет первый – отрыв с симметричным распределением напряжений относительно плоскости трещины. Он встречается наиболее часто и обознается I: KIс, GIс. Знание характеристики вязкости разрушения позволяет определить максимально допустимые напряжения в конструкции при наличии дефектов определенного размера. Приложение напряжения должно быть меньше разрушающего напряжения, найденного с помощью KIс. Одновременно может решаться задача, связанная с определением критического размера дефекта при данном приложенном напряжении.

93

2.3. Механизм хрупкого и вязкого разрушения

Деформация, возникающая при сравнительно небольших напряжениях, которая исчезает после снятия нагрузки, является упругой, а сохраняющаяся деформация – остаточной, или пластической.

Воснове пластической деформации лежит необратимое перемещение одних частей кристалла относительно других. После снятия нагрузки исчезает лишь упругая составляющая деформации. Пластичность, т. е. способность металлов перед разрушением претерпевать значительную пластическую деформацию, является одним из важнейших свойств металлов. Благодаря пластичности осуществляется обработка металлов давлением. Пластичность позволяет перераспределять локальные напряжения равномерно по всему объему металла, что уменьшает опасность его разрушения.

Величина напряжения, необходимого для осуществления пластической деформации, зависит от скорости деформирования

итемпературы. С увеличением скорости деформирования достижение заданной деформации требует больших напряжений, а при повышении температуры значение необходимых напряжений снижается. Таким образом, пластическая деформация является термически активируемым процессом. При понижении температуры предел текучести большинства металлов растет.

Взависимости от степени пластической деформации перед разрушением различают два основных вида разрушений – хрупкое

ивязкое. При вязком разрушении металл претерпевает перед разрушением не только упругую, но и значительную пластическую деформацию. При отсутствии пластической деформации или при ее незначительном развитии происходит хрупкое разрушение.

Хрупкое разрушение происходит путем отрыва или скола, когда плоскость разрушения перпендикулярна нормальным напряжениям. Под действием нормальных напряжений осуществляется упругая деформация кристаллической решетки, а после достижения предельной степени ее искажения – последовательный разрыв межатомных связей с отрывом одной атомной плоскости от другой, т. е. имеет место разрушение металла. Разрушение начинается от какого-либо дефекта, вблизи которого развивается концентрация напряжений, превосходящих теоретическую прочность металла.

94

Концентрация напряжений пропорциональна остроте дефекта и его длине (рис. 2.19):

K = 2 l / r ,

где l – длина дефекта; r – радиус закругления в его вершине. Концентрации напряжений способствует образование как

внутренних, так и наружных дефектов – надрезов различной остроты и длины. У достаточно пластичных металлов, благодаря релаксации напряжений, местной концентрации напряжений вблизи несплошностей оказывается недостаточно и развитие трещин скола не происходит.

Рис. 2.19. Концентрация напряжений ζmax в устье дефекта:

а – трещина; б – острый надрез; в – закругленный надрез (r1 < r2 < r3); ζср – средний уровень напряжений

Вязкое разрушение происходит путем сдвига под действием касательных напряжений. Плоскость скольжения расположена под углом 45° к направлению главных нормальных напряжений.

Чисто сдвиговое, вязкое разрушение характерно для таких аморфных материалов, как глина; чисто хрупкое разрушение свойственно идеально упругим материалам, например алмазу. Большинству реальных материалов одновременно присуще и вязкое, и хрупкое разрушение, а разделение на отдельные виды разрушения условно, так как производится по преобладанию того или иного типа.

95