Материал: А27878 Андреев АК Материалы для низкотемпературной техники
с выступом, по которому осуществляется удар, обычно охлаждается жидким азотом, а противоположная сторона подогревается газовой горелкой. Это создает градиент температуры по ширине образца. Образец нагружают растягивающей нагрузкой, проводят удар и отмечают границу остановившейся трещины и соответствующую температуру. В случае изотермического испытания оценка представляется в виде «трещина идет–трещина не идет» для различных температур и уровней напряжений.
Рис. 2.27. Схема испытания на остановку трещины по Робертсону:
1 – нагружающие штифты; 2 – тонкий надрез; 3 – место нанесения удара; 4 – точка остановки трещины; 5 – толщина пластины;
6 – вваренная секция высотой 76 мм
Испытание на остановку хрупкой трещины является одним из наиболее «жестких» испытаний. Для одного и того же материала температура остановки трещины, как правило, оказывается выше температуры нулевой пластичности. Испытание по Робертсону дает более резкий вязкохрупкий переход, чем испытание падающим грузом. При проведении испытаний на остановку трещины обязательным условием является равенство толщины образца с трещиной толщине листа исходного материала.
Специальные методы испытаний представляют значительный интерес, но для их проведения надо иметь мощные испытательные установки. Поэтому наиболее интересные испытания плит натурной толщины очень дороги. Попытки нахождения корреляции результатов этих испытаний и стандартных испытаний на ударную вязкость не привели к достаточно стабильным результатам.
111
Наиболее показательными являются натурные испытания изделий в реальных условиях эксплуатации. Однако проведение натурных испытаний, особенно при низких температурах, связано со значительными техническими трудностями. О работоспособности техники, эксплуатируемой при низких температурах, обычно приходится судить по статистическим данным, накопленным в результате наблюдений за работоспособностью изделий.
2.6.2. Влияние конструктивных факторов на сопротивление разрушению сталей
Разрушение обычно начинается вблизи концентраторов напряжений. Концентраторы могут быть технологическими (поры, раковины, горячие и холодные трещины, непровар и др.) и конструкционными (отверстия, выточки, резьба, места изменения толщины и др.). В местах концентрации напряжений зарождаются микротрещины, которые затем растут под действием циклических или термоциклических нагрузок, вследствие ползучести металла, воздействия коррозии и т. д. Субкритический стабильный рост трещины в изделии заканчивается окончательным доломом оставшегося сечения, чаще под действием статической или динамической перегрузки.
Сопротивление разрушению на стадиях зарождения и распространения трещины зависит не только от качества металла, но и от ряда таких конструктивных факторов, как острота и размер концентратора, геометрия и габариты изделия. Эти факторы совместно со схемой и условиями нагружения определяют напряженно- деформированное состояние в опасном сечении детали или элемента конструкции, а следовательно, и характер разрушения.
Влияние надреза на сопротивление разрушению можно проиллюстрировать с помощью схемы Иоффе–Давиденкова (рис. 2.28). В месте надреза пластическая деформация стеснена, что приводит к увеличению сопротивления пластической деформации и росту предела текучести. Рост предела текучести при сохранении неизменным сопротивления отрыву приводит к повышению температу-
ры вязкохрупкого перехода. На схеме имеется три характерные области: Т < Т гл; Т гл < Т < Т н; Т > Т н. В первом случае независимо
от наличия концентратора разрушение происходит хрупко, во втором – хрупко при наличии надреза и вязко при испытании гладкого
112
образца, в третьем случае – вязко.Таким образом, влияние концентраторов на сопротивление разрушению существенно зависит от соотношения фактической температуры испытания или эксплуатации и критических температур Тгл и Тн. На схеме температура Тк (Тгл) – критическая температура хрупкости, которая является константой материала при данной скорости нагружения и соответствует переходу в хрупкое состояние независимо от воздействия конструктивных факторов.
Рис. 2.28. Влияние надреза на склонность к хрупкому разрушению: ζтгл и ζтн – пределы текучести гладкого и надрезанного образцов; ζогр – сопротивление отрыву;
Ткргл , Ткрн – критические надрезы гладкого и надрезанного образцов
Температуру Тк (Тгл) правильнее называть просто критической температурой, так как она характеризует вязкохрупкий переход для конкретного вида образца или изделия.
Влияние концентраторов на характеристики разрушения изучали также при испытаниях на ударный и статический изгиб.
На рис. 2.29 приведены температурные зависимости ударной вязкости образцов с различной остротой концентратора: надрезами радиусом 1 мм; 0,25 мм и трещиной (типы образцов 1, 11 и 15 по ГОСТ 9454–78).
Длина концентратора также оказывает влияние на сопротивление разрушению стальных образцов или элементов конструкций. Для более глубокого надреза характерны меньшие значения ударной вязкости при вязком разрушении и в интервале вязкохрупкого перехода. При хрупком разрушении значения ударной вязкости практически не зависят от глубины надреза.
113
Рис. 2.29. Температурные зависимости ударной вязкости стали 38Х2Н2МА:
1, 2, 3 – образцы типа 1, 11 и 15 (ГОСТ 9454–78)
Геометрия изделий и, особенно, их размеры оказывают существенное влияние на сопротивление разрушению. Как правило, при увеличении размеров образцов энергоемкость разрушения несколько возрастает, а сериальные кривые характеристик разрушения смещаются в область более высоких температур. При увеличении размеров образцов склонность к хрупкому разрушению возрастает, что объясняется повышением степени стеснения пластических деформаций вблизи вершины концентратора.
Геометрия и схема нагружения образцов, деталей и элементов конструкций также влияют на склонность к хрупкому разрушению. Наиболее существенно влияние различного рода канавок в опасном сечении, способствующих стеснению пластических деформаций.
2.6.3.Циклическая трещиностойкость
Впроцессе эксплуатации трещины обычно зарождаются и раз-
виваются под действием циклических нагрузок или при их совместном воздействии с другими факторами. По мере развития трещины скорость ее роста, как правило, увеличивается за счет повышения эффекта концентрации напряжений. Окончательное разрушение происходит при достижении критического размера трещины.
Трещины, в том числе и усталостные, образуются в местах высоких локальных напряжений вблизи концентраторов, которыми могут быть неметаллические включения, крупные зерна, раковины,
атакже царапины на поверхности и т. п. Однако часто усталостные трещины развиваются от микротрещин, полученных еще на стадиях выплавки, обработки давлением и термообработки, сварки и пр.
114
Различают ряд стадий зарождения усталостной трещины в металле: 1) инкубационный период накопления в локальных объемах критической плотности дислокаций; 2) накопление обратимой повреждаемости в отдельных зернах; 3) стабильный начальный рост трещины.
При усталостном разрушении достаточно пластичных металлов на поверхности излома формируется регулярная волнообразная структура в виде бороздок. Ограничение возможности протекания пластической деформации, например в высокопрочных сталях, приводит к образованию слабо выраженных бороздок или их отсутствию. Более существенное стеснение пластических деформаций при низкотемпературных испытаниях стальных образцов достаточной толщины способствует появлению участков скола в изломе.
Для достаточно точного предсказания процесса роста усталостной трещины в конструкции необходимо в ходе испытания моделировать условия эксплуатации. Из множества факторов, влияющих на рост усталостной трещины, можно выделить основные: толщину детали; геометрию изделия; механические свойства; остаточные деформации; температуру; окружающую среду; частоту нагружения и форму цикла.
Влияние толщины детали обусловлено со сменой типа напряженного состояния. В сравнительно тонких стальных листах при уменьшении толщины трещина растет медленнее. Это связано с формированием плосконапряженного состояния и образованием сдвиговой усталостной трещины. В толстолистовых деталях этот эффект менее выражен. При достаточном стеснении пластических деформаций может наблюдаться обратный эффект, что может быть связано с изменением формы трещин и значительным искривлением их фронта.
Механические свойства сталей оказывают весьма сильное влияние на процесс роста трещин. Анализ их влияния усложняется тем, что трудно выделить какой-либо определяющий параметр. Таким образом, влияние на циклическую трещиностойкость оказывают все процессы, предшествующие получению готового изделия: выплавка, литье, обработка давлением, термообработка. Это приводит к тому, что возможны существенные колебания циклической трещиностойкости даже в изделиях одной партии.
115