Материал: А27878 Андреев АК Материалы для низкотемпературной техники

Механика разрушения рассматривает процесс разрушения как зарождение и распространение макротрещин по сечению изделия, что сопровождается протеканием упругих и пластических деформаций. Их относительное развитие определяет энергоемкость

искорость процесса разрушения. Характерными признаками вязкого и хрупкого разрушения являются энергоемкость, т. е. величина работы разрушения, вид трещины и поверхности излома и скорость распространения трещины.

При разрушении по хрупкому механизму на процесс самого разрушения затрачивается значительно меньшая работа, чем при вязком. Начавшееся хрупкое разрушение – самопроизвольный процесс. Оно происходит за счет высвобождения накопленной в системе упругой энергии, поэтому для распространения трещины не требуется подвода энергии извне. При хрупком разрушении затраты энергии на образование новых поверхностей в результате раскрытия трещины меньше, чем освобождающейся при этом накопленной упругой энергии. При вязком разрушении затрачивается значительно большая работа. Для развития вязкого разрушения необходим непрерывный внешний подвод энергии, расходуемой на пластическое деформирование металла впереди растущей трещины

ипреодоление возникающего при этом упрочнения. Работа, затрачиваемая на пластическую деформацию, в данном случае значительно превышает работу собственно разрушения.

При хрупком разрушении магистральная разделяющая тело трещина имеет малый угол раскрытия (острая трещина), пластическая деформация вблизи поверхности разрушения почти полностью отсутствует (рис. 2.20).

При вязком разрушении трещина имеет большой угол раскрытия (тупая трещина), поверхность разрушения характеризуется значительной степенью пластической деформации.

При низких температурах межзеренные границы обычно прочнее самих зерен, поэтому у большинства материалов при низких температурах разрушение имеет транскристаллический характер и проходит по зернам, а не по границам между ними. При повышенных температурах межзеренные границы обычно слабее зерен, вследствие чего разрушение при повышенных температурах имеет, как правило, межкристаллический характер (рис. 2.21).

96

Рис. 2.20. Вид трещины и схема разрушения (сечение перпендикулярно поверхности излома): а – хрупкое; б – вязкое

Рис. 2.21. Микроструктура изломов:

а– хрупкий ручьистый излом; б – вязкий чашечный излом CuNi20;

в– квазихрупкий излом литой стали при 77 К

97

Излом при хрупком разрушении имеет блестящую гладкую поверхность. Плоские грани расколотых кристаллических зерен придают металлический блеск хрупкому излому. Электронно-мик- роскопическое исследование обнаруживает «речные узоры», или «ручьистое» строение излома, являющееся следствием взаимодействия движущейся трещины с дефектами кристалла, а также наличие предпочтительных кристаллографических ориентировок фасеток скола. Излом при вязком разрушении – матовый, волокнистый, без металлического блеска. Электронно-микроскопическое исследование обнаруживает характерное «чашечное» строение излома.

Для хрупкого разрушения характерна высокая скорость распространения трещины, достигающая приблизительно 0,4 скорости распространения звука в металле. Отсюда скорость распространения хрупкой трещины для стали должна составлять около 2·103 м/с. Скорость распространения вязкой трещины значительно ниже и определяется скоростью нарастания напряжений.

С помощью рассмотренных признаков можно квалифицировать характер разрушения детали или конструкции, т. е. определять, как произошло разрушение – по вязкому или хрупкому механизму. Необходимость квалификации характера разрушения в каждом отдельном случае обусловлена тем, что меры борьбы с вязким и хрупким разрушением принципиально различны. В случае вязкого разрушения необходимо повышать прочность материала. При хрупком разрушении надо, наоборот, увеличивать вязкость и пластичность, если необходимо, даже снижая прочность. Наиболее опасно хрупкое разрушение.

Разрушение сколом можно разделить на три фазы: зарождение микротрещины, ее подрастание до критического размера и распространение через соседние зерна. Уровень разрушающих напряжений определяется наиболее энергоемкой фазой. В относительно чистых металлах – это зарождение и начальное подрастание трещины. В металлах, содержащих включения, первые две стадии протекают сравнительно легко, но затем трещина сдерживается границами зерен. По этой причине в таких металлах часто наблюдают зарождение и торможение множества трещин до момента неустойчивого распространения одной из них.

Критический размер трещины характеризуется концентрацией напряжений в ее устье, достигающей уровня прочности металла.

98

При достижении трещиной критической длины ее дальнейшее распространение происходит лавинно без заметной пластической деформации, не требуя подвода энергии извне.

Конструирование и выпуск хладостойкой и криогенной техники должны быть основаны на глубоком знании поведения материалов при низких температурах, надежных методов оценки работоспособности и долговечности материалов, научно обоснованных рекомендаций по выбору материалов.

Особенностью низкотемпературной службы является ужесточение требований к материалу по пластичности и вязкости. Обычно минимальная рабочая температура определяется температурой вязкохрупкого перехода, при которой вязкость падает до неприемлемо малых значений. Сложность количественной оценки влияния различных конструкторско-технологических факторов, размеров деталей, уровня остаточных напряжений, вида напряженного состояния и условий нагружения на надежность машин и конструкций затрудняет создание нормативных рекомендаций по применению материалов для работы в конкретных условиях.

По хладостойкости металлические материалы, используемые при низких температурах, условно могут быть разбиты на четыре основные группы.

1. Металлы и сплавы, характеристики механических свойств которых позволяют использовать их при температурах до –60 °С, т. е. до низких климатических температур, для изготовления изделий так называемого северного исполнения.

Кэтой группе относятся качественные углеродистые и низколегированные стали ферритного и перлитного классов с ОЦК решеткой.

2. Ко второй группе относятся сплавы, сохраняющие вязкость

ипластичность при охлаждении до 170 К. Это стали с 0,2–0,3 % С, дополнительно легированные Ni, Cr, Ti, Mo.

Кданной группе принадлежат, например, низкоуглеродистые ферритные стали с 2–5 % Ni, используемые при температурах 210–150 К.

3. К третьей группе относятся сплавы, способные без ухудшения свойств выдерживать температуры до 77 К (температура кипения жидкого азота).

Сюда относятся стали типа 12Х18Н10Т, 0Н9А, большинство сплавов на основе Al, Ti, Сu, не обнаруживающих склонности

99

к хрупкому разрушению. Для ненагруженных конструкций в целях экономии Ni применяют Cr–Мn и Cr–N–Mn стали типа

10Х14Г14Н4Т, 03Х13АГ19, 07Х21Г7АН5.

4. К четвертой группе относятся сплавы, работающие при температуре ниже 77 К. К этой группе принадлежат материалы, используемые в космической технике, производстве и потреблении водорода, экспериментальной физике.

Для работы при таких температурах пригодны лишь высоколегированные коррозионно-стойкие стали типа 03Х20Н16АГ6, 10Х11Н23ТЗМР, некоторые бронзы, никелевые, алюминиевые сплавы, легированные магнием, и сплавы титана.

2.4. Влияние низких температур на механические свойства сталей

При понижении температуры твердость сталей и характеристики прочности при любом виде нагружения возрастают. Это связано с тем, что пластическая деформация металлов является термически активируемым процессом. При понижении температуры достижение заданной деформации требует больших напряжений.

Температурная зависимость предела текучести сталей в соответствии с моделью термически активируемого течения схематически показана на рис. 2.22. Предел текучести при фиксированной температуре можно разделить на термическую ζ* и атермическую ζμ составляющие.

Рис. 2.22. Схема изменения термической ζ* и атермической ζμ составляющих предела текучести в зависимости от температуры

100