Материал: А27878 Андреев АК Материалы для низкотемпературной техники

Измельчение зерна существенно понижает критическую температуру хрупкости.

Процесс течения металла зависит от среднего расстояния, на которое перемещаются дислокации, прежде чем они будут заблокированы у границ зерен.

У мелкозернистых образцов предел текучести меньше разрушающего напряжения. Чем мельче зерно, т. е. больше параметр d–1/2,

тем больше Δζ = ζотр – ζт. Если размер зерен больше dкр, то для данных условий испытания (температуры, скорости и др.) будет

иметь место хрупкое рушение. Изменением технологии выплавки и разливки, пластической деформации и термической обработки можно влиять на размер зерна и тем самым управлять свойствами металла и его хладостойкостью.

Наличие концентраторов напряжений и увеличение размеров деталей существенно повышают порог хладноломкости.

2.6. Трещиностойкость конструкционных сталей

Надежность деталей оборудования для низких температур опре-

деляется высоким сопротивлением разрушению в условиях эксплуатации. Поскольку в реальной детали гарантировать полное отсутствие дефектов типа микротрещин невозможно, надежность конструкций зависит от выбора материала, который должен обладать высоким сопротивлением распространению трещин и обеспечивать надежную работу изделия.

Изделия могут работать с трещинами, которые возникают в детали в процессе ее получения и в начальный период работы. Поэтому работоспособность деталей в первую очередь определяется энергоемкостью процесса развития трещины. Способность материала выдерживать концентрацию напряжений вблизи трещин, не допуская их роста, называется трещиностойкостью, или вязкостью разрушения. Так как хрупкость материала связана с затрудненностью пластической деформации и высокими локальными напряжениями вблизи концентраторов, то по степени развития пластической деформации можно судить о склонности материала к хрупкому разрушению.

Трещиностойкость можно оценивать по качественным и количественным характеристикам. Качественную оценку трещино-

106

стойкости проводят по энергии разрушения (работе распространения трещины); пластичности, реализованной при разрушении (прогибу, углу изгиба, относительному удлинению, сужению поперечного сечения); виду излома. Для оценки склонности сталей к хрупким разрушениям обычно применяют переходные температуры хрупкости, определяемые испытанием на ударный изгиб образцов с надрезом или усталостной трещиной.

Для сталей ответственных конструкций (сосудов давления, трубопроводов и т. п.) определяют температуру нулевой пластичности и температуру остановки трещины при проведении специальных испытаний. Важным преимуществом последней характеристики является возможность ее оценки в условиях, моделирующих напряженно-деформированное состояние, возникающее в реальной конструкции при распространении хрупкой трещины, в том числе при заданном уровне напряжений. Температурно-силовые условия проведения механических испытаний должны быть максимально приближены к условиям работы материалов в реальных машинах и конструкциях.

2.6.1. Методы оценки хладноломкости и трещиностойкости

Испытания при низких температурах более сложны, чем такие же испытания при комнатной температуре. При их проведении необходимо захолаживание образцов с помощью холодильных камер и криостатов, использование специальных средств измерения температуры и деформации образцов. Захолаживание образцов в криостатах осуществляется с помощью специальных хладагентов. Температуры кипения обычно применяемых для этой цели газов имеют следующие значения, К (°С):

В качестве хладагентов при проведении испытаний до температуры 203 К (–70 °С), т. е. до температуры климатического хо-

107

лода, обычно применяют твердую углекислоту (сухой лед) в смеси с денатуратом или этиловым спиртом. При испытаниях до температуры 77 К (–196 °С) в качестве хладагента, как правило, используют жидкий азот в чистом виде или его пары.

Данные системы охлаждения сравнительно дешевы и удобны. В качестве хладагентов при температурах ниже 77 К обычно используют жидкие водород и гелий.

Схемы криостатов для испытаний на растяжение приведены на рис. 2.25.

Рис. 2.25. Схемы криостатов для испытаний на растяжение:

а– с двусторонним вводом тяг;

б– реверсного типа с односторонним вводом тяг;

1 – нагружающие тяги; 2 – двухстенный корпус камеры с теплоизоляцией; 3 – ввод жидкого хладагента; 4 – испытываемый образец; 5 – тефлоновое уплотнение; 6 – опорная труба; 7 – жидкий водород или гелий; 8 – экран жидкого азота; 9 – внешний корпус камеры

Применение жидкого водорода, имеющего температуру кипения 20 К, сопряжено с большими трудностями. Взрыво- и пожароопасная концентрация водорода в воздухе колеблется в широких пределах – от 4,6 до 76 % . Взрыв воздушно-водородной смеси в открытом пространстве наиболее вероятен при содержании 30–40 % водорода. В случае попадания воздуха в систему с жидким водородом происходит его конденсация с образованием твердых осадков, которые способствуют детонации и взрыву.

108

Жидкий гелий вполне безопасен для испытаний при низких температурах, но он значительно дороже водорода. Это обусловливает необходимость сложной организации сбора, очистки и вторичного использования испаряющегося газообразного гелия. Из-за сложности теплозащиты при работе с жидким гелием для испытаний обычно применяют небольшие образцы, малогабаритные криостаты. Учитывая, что применение тензометров, передающих деформацию образца, осложняет теплоизоляцию криостата, запись деформации обычно ведут не с рабочей части образца, а со штанг, находящихся вне криостата.

В практике многих стран широкое применение получили испытания падающим грузом. Они проводятся на специальных образцах DWTT двух типов. Первый тип образца (проба Баттеля) изготавливается по натурной толщине изделия и имеет острый надрез, иногда прессованный. Серию образцов испытывают при различных температурах. Оценка ведется по критической температуре получения заданной доли вязкой составляющей в изломе. Второй тип образцов (рис. 2.26) был предложен Пеллини и Пьюзаком.

Рис. 2.26. Схема испытания падающим грузом:

1 – падающий груз; 2 – опорная (ограничивающая) плита; 3 – участок сварного шва на нижней стороне образца; 4 – надрез

Образцы имеют толщину от 12,7 до 25,4 мм; длину примерно 360 мм и ширину 89 мм. В центре образца делают хрупкую наплавку, по которой затем наносят надрез, чтобы обеспечить инициирование хрупкой трещины в начальный момент нагружения.

109

Испытание проводят путем ударного нагружения падающим грузом серии образцов данного материала при различных температурах. Энергия падающего груза составляет от 320 до 1740 Дж в зависимости от предела текучести материала и размера образца. Под образцом устанавливают специальный упор, ограничивающий его прогиб. После нагружения серии образцов определяют максимальную температуру, при которой трещина проходит через все сечение образца, температуру нулевой пластичности. B ряде стран эта температура принята в качестве эталонной.

Для оценки хрупкой прочности при больших скоростях деформации используют пластины размером 356 х 356 мм натурной толщины, имеющие наплавленный с одной стороны хрупкий валик с надрезом. Пластину устанавливают на круглую матрицу и на небольшом расстоянии над пластиной осуществляют взрыв. Под действием давления расширяющегося газа пластина деформируется. При вязком поведении материала происходит характерное выпучивание. При температуре нулевой пластичности и ниже пластина разрушается без выпучивания. Температурные критерии, найденные по испытаниям падающим грузом и взрывом, находят широкое применение при построении полуэмпирических диаграмм разрушения Пеллини–Пьюзака, которые показывают зависимость приложенных разрушающих напряжений от температуры для конкретных деталей (сосуды, трубопроводы и т. д.) с различными размерами дефектов.

Еще одним распространенным методом испытаний является испытание на остановку трещины. Такие испытания проводят на широких сварных плитах, широких пластинах с боковыми надрезами и др. Испытания проводят в условиях растягивающих напряжений с локальным или равномерным градиентом температур. Могут проводиться и изотермические испытания. Различные методы (Робертсона, ESSO, на двойное растяжение) отличаются друг от друга видом образцов и концентратором напряжений, а также оценочными критериями: температурой остановки трещины; температурой, при которой трещина не проходит целиком сквозь сечение при напряжении 120 МПа, и т. д.

На рис. 2.27 показан образец для испытаний по Робертсону. Образец имеет в рабочей части выступ, в котором просверлено отверстие и сделан небольшой открытый надрез. Сторона образца

110