2828.Экспертиза качества и разрушений

Механизмы смешанного разрушения. Разрушение, которое одно-

временно осуществляется под действием двух или более механизмов, обычно называют разрушением «смешанного типа». Причины возникновения разрушений по смешанному механизму столь же многообразны, как изломы, в которых они наблюдаются.

Отрыв в сочетании с межзеренным разрушением представляет собой сравнительно распространенную комбинацию механизмов разрушения, особенно в таких материалах, как цементованная сталь, у которой, как правило, наблюдается межзеренное разрушение в полностью закаленном поверхностном слое (рис. 4.16). Межзеренное разрушение и отрыв наблюдаются в сплавах, охрупченных водородом, в сталях после отпускного охрупчивания (рис. 4.17). Слияние микропор в сочетании с межзеренным разрушением встречается реже, чем отрыв в сочетании с межзеренным разрушением.

В

А

А

Рис. 4.17. Сочетание скола (А)

и межзеренного разрушения (В) в сплаве NbW

Участки скола наблюдаются на поверхности плоских изломов, полученных в условиях плоской деформации, в зонах высокой скорости деформации. Однако при высоком увеличении зона волокнистого излома, как и зона скола, могут иллюстрировать различные механизмы разрушения, т.е. детали рельефа поверхности разрушения могут включать различные механизмы разрушения – фасетки скола и ямки.

161

4.3.2. Вязкий и смешанный характер разрушения

Вязкое разрушение осуществляется путем зарождения и слияния микрополостей. При малом увеличении на поверхности разрушения можно обнаружить отдельные участки волокнистого и хрупкого разрушения. Волокнистые участки наблюдаются в зоне среза или в очаге зарождения разрушения в центре гладкого разрывного образца.

Ямки представляют собой половину микропоры (рис. 4.18), через которую прошло разрушение. Микропоры зарождаются в условиях трехосного напряженного состояния впереди трещины на поверхности раздела между матрицей и частицей. Эти микропоры растут и расширяются до момента слияния.

Рис. 4.18. Схематичное представление действия механизма зарождения, роста и коалесценции пор в металлах

Микропоры обычно зарождаются в процессе пластического течения на включениях, нерастворимых частицах вторых фаз (карбидах), границах зерен, полосах деформации, где наличие некоторых несплошностей приводит к концентрации деформации. Обстоятельные исследования ямочного рельефа ряда конструкционных сталей позволили сделать вывод, что не каждая частица второй фазы (карбидов, нитридов и др.) инициируют зарождение микропор. В сталях 110ХН1М и 10ХСНД со структурой сорбита отпуска средний размер ямок в 5–8 раз превышает среднее расстояние между частицами карбидов цементитного типа. Зарождение микропор наблюдается у частиц с размером более 0,004 мкм. Видимо, имеет значение коэффициент концентрации напряжений у препятствий (карбидов).

162

Между размерами частиц второй фазы (карбидов, нитридов, оксидов, сульфидов и др.), инициирующих микропору, и размерами микропоры и ямки существует тесная корреляционная связь (рис. 4.19).

Рис. 4.19. Изменение размера ямок в вязком волокнистом изломе образца в зависимости от размера неметаллических включений типа оксидов (○), нитридов титана (U) и сульфидов (S) (1, 4) а также микропор (2, 3) сталей 10Ni-8Co(y)(4),

30Х2НМФА(1–3); отпуск200 °С(1, 2), 400 °С(3)

Пластическая деформация ферритной матрицы развивается преимущественно у крупных частиц упрочняющей фазы и неметаллических включений и по времени опережает развитие пластической деформации в остальном объеме материала. При существующей технологии производства металла в нем имеются неметаллические включения размером от долей до несколько десятков и сотен микрометров, которые во много раз превышают размеры частиц упрочняющей фазы. Поэтому следует ожидать предпочтительного зарождения вязких трещин прежде всего у неметаллических включений. При наличии в структуре неметаллических включений, размер и слабая когезивная связь которых по межфазной границе обусловливают опережающее начало зарождения и роста микропор, а затем и ямок, возрастает степень неоднородности протекания по фронту макротрещины процесса разрушения. Крупные

163

ямки, инициируемые неметаллическими включениями, окружены маленькими ямками, инициированными частицами карбидов. В ферритноперлитной стали в роли инициаторов крупных пор-ямок наряду с карбидами и неметаллическими включениями выступают колонии перлита.

Образование трещин в частицах второй фазы показано на рис. 4.20.

а б

Рис. 4.20. Образование трещин в частицах второй фазы в сверхвысокопрочной стали: а – ×750; б – ×1900

На форму ямки влияют относительное направление напряжений

(рис. 4.21).

Когда разрушение происходит в результате одноосного растяжения, ямки имеют одноосную форму. Если происходит сдвиговая деформация (зоны среза или кручение), то ямки имеют удлиненную параболическую форму. Глубина ямок служит мерой способности металлической матрицы к пластической деформации при вязком изломе. Такие пластичные материалы, как аустенитная сталь или медь, образуют очень глубокие ямки. Плохо деформируемые металлы образуют очень мелкие ямки.

Под действием касательных напряжений возникают ямки сдвига (среза), они могут быть сильно вытянуты по длине. Ямки среза всегда обнаруживаются на губах среза в изломе. Внутренние поверхности ямок не остаются гладкими, а оказываются пронизанными следами скольжения. Близок к ямочному излому так называемый квазиотрыв (квазихрупкий скол), который возникает в сталях при температуре ниже критической. Несмотря на то, что по своей энергоемкости подобный излом является хрупким, поверхности излома однозначно содержат признаки предшествующей пластической деформации.

В общем случае межзеренный ямочный разрыв характеризуется более мелким рельефом, чем внутризеренный (рис. 4.22).

164

Разрушение начинается на частицах, расположенных по границам субзерна, с образованием мелкоямочного, сотового рельефа. По мере увеличения деформации имеющиеся микропоры растут, зарождаются новые микропоры; в конечном счете расстояние между порами становится достаточно малым и разделяющие их тонкие прослойки разрываются, образуя гребни. Возникают многочисленные чашеподобные углубления (ямки).

4.3.3. Факторы, приводящие к повышению хрупкости

Хрупкому разрушению способствует целый ряд факторов, которые можно разделить на две группы: технологические (выплавка, деформация на стадии изготовления заготовки и изделия, термообработка) и эксплуатационные (условия нагружения, температура, окружающая среда).

К технологическим факторам, имеющим отношение к сталям, могут быть отнесены:

–обратимая отпускная хрупкость;

–необратимая отпускная хрупкость;

–наклеп и деформационное старение.

Обратимая отпускная хрупкость. Этот вид хрупкости возникает при замедленном охлаждении или выдержке закаленной и высокоотпущенной стали в интервале температур от 450 до 580 °С и обусловлен сегрегацией вредных примесей (типа фосфора и его химических аналогов – сурьмы, олова, мышьяка) по границам бывших зерен аустенита (рис. 4.23). Легирование стали никелем увеличивают энергию взаимодействия атомов примеси с границами исходного аустенитного зерна, способствуя образованию сегрегаций. Бор и молибден уменьшают, а в некоторых случаях полностью подавляют развитие обратимой отпускной хрупкости. Этот вид охрупчивания проявляется при замедленном охлаждении толстостенных элементов конструкций.

В интервале температур охрупчивания примесные элементы сегрегируют по высокоугловым границам, приводя к снижению их когезивной прочности. При этом в хромоникелеых сталях концентрация примесей и легирующих элементов по границам бывших зерен аустенита может превышать объемную в 100–1000 раз. Кратковременный отпуск при 650 °С устраняет обратимую хрупкость.

166

ности. Появление зон наклепа сопровождается возникновением остаточных напряжений. Так, при изготовлении барабанов котлов высокого давления на наружной и внутренней поверхности металла имеется наклеп 5–9 %.

Степень охрупчивания, например, сталей Ст.3пс, 17ГС возрастает с ростом степени пластической деформации.

Присутствие в ферритной матрице сталей высокоподвижных атомов углерода и азота приводит к их взаимодействию с дислокациями. Атомы углерода, а также образовавшиеся карбиды закрепляют дислокации. Это способствует хрупкости стали. Такой вид охрупчивания получил название естественного деформационного старения. Эффект деформационного старения зависит не только от степени пластической деформации, но и от температуры старения. Как следует из рис. 4.25, деформационное старение повышает критическую температуру хрупкости.

Рис. 4.25. Влияние пластической деформации εр (1–4), последующего старения (2–5) и наводороживания на (3–6) Т50 для сталей ВСт3сп (1–3) 17ГС (4–6)

Основные виды охрупчивания конструкционных материалов, вызванные условиями нагружения при эксплуатации, следующие:

–температура испытания;

–скорость нагружения;

–влияние напряженного состояния;

–тепловая хрупкость, обусловленная сегрегаций вредных примесей

(фосфора и его химических аналогов) и выделением карбидов по границам зерен, при длительном воздействием повышенных (200−500 оС) температур;

168

– водородная хрупкость, вызванная воздействием водорода

иводородосодержащих газов и жидкостных сред;

–деформационное старение в зонах и элементах металлических конструкций, испытывающих малоцикловую усталость и перегрузку в результате накопления при пластической деформации дефектов кристаллической решетки типа дислокаций и последующего их закрепления атомами внедрения;

–радиационная хрупкость, вызванная длительныим воздействием потока нейтронов;

–азотирование и науглероживание поверхностных слоев стали, обусловленные наличием в среде при повышенной температуре азота и углерода и др.

В зависимости от вида конструкций возможны одновременно несколько видов охрупчивания.

Низкотемпературная хрупкость. Подвижность дислокаций и, благо-

даря этому, возможность пластической деформации (релаксации) у вершины трещины с понижением температуры снижаются. Затруднение

развития пластической деформации выражается в увеличении σ0,2 при растяжении в условиях понижающихся температур испытания. С пониже-

нием температур уменьшается параметр вязкости разрушения K1с.

В случае эксплуатации конструкционных сталей при низких температурах необходимо обязательно учитывать зависимость вязкости разрушения от температуры. Это особенно относится к деталям, работающим при низких климатических температурах.

Металлы и сплавы с ГЦК-решеткой хотя и обладают сравнительно низкой прочностью, но характеризуются при любых температурах отсутствием хрупких изломов. Изломы при всех температурах

испытания оказываются вязкими. Поэтому, например, резервуары и трубопроводы для жидкого кислорода изготовляются из меди или из хромоникелевых сталей, имеющих аустенитную структуру.

Схема перехода от вязкого разрушения к хрупкому представлена на рис. 4.26. Хрупкое разрушение реализуется, когда параметр вязкости разрушения имеет пониженное значение, а сопротивление пластической деформации велико.

Особое влияние имеет измельчение зерна, в результате которого предел текучести повышается, но одновременно повышается и вязкость разрушения из-за торможения трещины при пересечении границ зерна, т.е. торможение трещины, в отличие от возможности пластической деформации, обеспечивается уже другой причиной.

169