Материал: А27878 Андреев АК Материалы для низкотемпературной техники

Первая составляющая зависит от температуры и скорости нагружения, вторая составляющая не зависит от этих факторов, если не учитывать сравнительно слабую температурную зависимость таких характеристик, как модуль упругости. Термический компонент предела текучести определяется строением кристаллической решетки и степенью термической активации, в результате которой дислокации преодолевают препятствия.

Атермический компонент предела текучести определяется легированием, размерами зерен и состоянием их границ, а также общей плотностью дислокаций.

При охлаждении предел текучести сталей растет, причем более сильно в случае сталей на основе α-железа с ОЦК решеткой. Аустенитные стали (ГЦК решетка), особенно с малой концентрацией примесей, имеют более слабую зависимость предела текучести от температуры.

Наиболее благоприятное сочетание характеристик прочности и пластичности при низких температурах обеспечивает структура аустенита. Малая температурная чувствительность предела текучести и рост временного сопротивления с понижением температуры при сохранении высокой пластичности этих сталей позволяют обеспечить высокую надежность изготовленных из них изделий в криогенной области. Стали с ОЦК решеткой могут быть использованы только при более высоких температурах эксплуатации.

2.5. Факторы, определяющие характер разрушения

Один и тот же материал в зависимости от условий деформации может разрушаться по хрупкому механизму или по вязкому. Характер разрушения зависит от влияния различных факторов, как связанных, так и не связанных со свойствами материала. Различают внешние и внутренние факторы.

К внешним факторам относятся: температура, тип надреза или концентратора напряжений, условия и скорость нагружения, характер окружающей среды, форма и размеры детали. К внутренним факторам, присущим материалу, относятся: тип кристаллической решетки; химический состав; структура и размер зерна, зависящий от технологии предшествующей обработки.

101

Внешние факторы. Влияние температуры на характер разрушения хорошо иллюстрируется схемой, предложенной А.Ф. Иоффе и развитой Н.Н. Давиденковым (рис. 2.23).

Рис. 2.23. Схема вязкохрупкого перехода по Иоффе–Давиденкову: 1 – разрушающее напряжение, или сопротивление отрыву;

2 – напряжение течения, или сопротивление сдвигу; Ткр – критическая температура хрупкости

Согласно этой схеме, смена одного вида разрушения другим определяется соотношением значений предела текучести ζт и разрушающего напряжения ζотр. Температурные зависимости ζт и ζотр имеют различный характер, так как в соответствии с этой схемой предел текучести и разрушающее напряжение друг с другом не связаны.

Напряжение трения кристаллической решетки, или сопротивление Набарро ζ0, входящее в уравнение Холла–Петча для предела текучести, связано с температурой материала следующей зависимостью:

ζ0 = Ве –βТ,

где В и β – постоянные.

Разрушающее напряжение, в первом приближении соответствующее сопротивлению отрыва, может быть определено по фор-

муле

ζотр = (4Gγ/k) d–1/2,

где G – модуль сдвига, G = Е/ [2(1 + μ)], здесь Е – модуль упруго-

102

сти; μ – коэффициент Пуассона; γ – эффективная поверхностная энергия разрушения; k – постоянная; d – диаметр зерна.

Спонижением температуры напряжение трения решетки,

аследовательно, и предел текучести резко возрастают. В противоположность этому ни один из членов в правой части уравнения для сопротивления отрыву не зависит существенно от температуры, поэтому в первом приближении разрушающее напряжение является температурно независимым.

В процессе нагружения при определенной температуре на-

пряжение может достичь раньше величины либо ζт, либо ζотр. Если раньше будет достигнуто ζт, то произойдет пластическая деформация, которая при дальнейшем росте напряжений приведет к разру-

шению. Если раньше будет достигнуто ζотр, то произойдет хрупкое разрушение.

Точка пересечения ζт и ζотр делит схему Иоффе–Давиденкова на две температурные области: левее этой точки располагается об-

ласть хрупких разрушений материала (ζотр < ζт), правее – область вязких разрушений (ζотр > ζт). Температуру, при которой предел текучести становится равным разрушающему напряжению, называют

температурой вязкохрупкого перехода, или критической темпе-

ратурой хрупкости, и обозначают Ткр.

К недостаткам схемы Иоффе–Давиденкова относятся слож-

ность и недостоверность определения сопротивления отрыву,

атакже то, что фактически при всех температурах испытания хрупкому разрушению предшествует более или менее выраженная пластическая деформация. Процессы хрупкого разрушения и пластической деформации в металлах взаимосвязаны. Вместе с тем схема отличается наглядностью и хорошо описывает феноменологию вязкохрупкого перехода. Эта схема больше отвечает современным представлениям, если под сопротивлением отрыву понимать не среднее,

алокальное сопротивление хрупкому разрушению, под пределом текучести – также локальное сопротивление пластической деформации.

Свойство материала хрупко разрушаться с понижением температуры называется хладноломкостью. Помимо температуры, она зависит от влияния многих факторов. Хладноломкость проявляется при определенных условиях и является скорее не свойством, а состоянием материала. Основная характеристика хладноломкости –

103

критическая температура хрупкости. С помощью этой характеристики оценивают сопротивление хрупкому разрушению материала. Критическая температура хрупкости не является константой материала и определяется целым рядом факторов.

Анализ причин хрупких разрушений показал, что трещины хладноломкости обычно начинаются от надрезов, являющихся концентраторами напряжений. Надрезом считается любое нарушение непрерывности металла. К надрезам относятся: дефекты сварных соединений (пористость, непровары, пустоты по сечению шва); поверхностные царапины; неметаллические включения; газовые раковины. Надрезами могут быть технологические отверстия и резкие переходы сечений в детали. Они создают в металле сложное напряженное состояние, стесненность пластической деформации и концентрацию напряжений. Сложное напряженное состояние проявляется в том, что под действием растягивающих сил напряжения возникают не только в продольном, но и в поперечном направлениях.

Стесненность пластической деформации приводит к увеличению сопротивления пластической деформации, т. е. к росту ζт. Чем острее и глубже надрез, тем более стеснена пластическая деформация, тем выше ζт. Под влиянием надрезов металл разрушается хрупко при более высокой температуре.

Чувствительность к надрезу и трещине, являющейся предельным выражением надреза, относится к числу важнейших характеристик работоспособности металла. С повышением прочности металла растет чувствительность к надрезу.

С увеличением скорости нагружения также возрастает опасность хрупкого разрушения. Чем ниже температура металла, тем более сильное влияние оказывает скорость деформирования.

Окружающая среда может влиять на изменение поверхностной энергии разрушения материала и оказывать коррозионное воздействие. Кроме того, в среде, содержащей водород, происходит водородное охрупчивание металла. Растрескивание при коррозии под напряжением и насыщенность водородом увеличивают хрупкость металла и смещают критическую температуру хрупкости в область более высоких значений.

Чем больше сечение образца, тем больше стесненность пластической деформации. Увеличение объемности напряженного состояния приводит к повышению предела текучести.

104

Появление дефектов в материале подчиняется вероятностным законам, вследствие чего прочность детали должна иметь статистическую природу. С увеличением размера образца возрастает вероятность появления опасных дефектов. На ослабление сечений с увеличением размеров накладывается действие металлургических факторов из-за большего развития ликвации, пористости, различия в размерах зерен, меньшей степени проработки структуры при ковке, прокатке или термической обработке.

Внутренние факторы. Склонность к хрупкому разрушению при низких температурах зависит от кристаллической структуры металла. Металлы с кристаллической структурой объемно центрированного куба (стали на основе α-железа, вольфрам, хром, молибден и др.), а также некоторые металлы с гексагональной плотноупакованной решеткой (цинк, кадмий, магний) относятся к хладноломким материалам. Чистый титан имеет решетку ГПУ, но сохраняет пластичность и при низких температурах. Металлы с решеткой гранецентрированного куба (аустенитные стали на основе γ-же- леза, медь, алюминий, никель) не склонны к хладноломкости.

Размер зерна металла имеет важное значение для предела текучести, сопротивления хрупкому разрушению и для температуры вязкохрупкого перехода. На рис. 2.24 показана зависимость ζт и ζотр от размера зерна.

0

Рис. 2.24. Влияние размера зерна на предел текучести ζт

и разрушающее напряжение ζотр низкоуглеродистой стали при 77 К:

1 – ζотр = (4Gγ/k) d–1/2; 2 – ζт = ζ0 + kd–1/2

105