Актуальность

Многие элементы строительных сооружений (фермы мостов, арматура железобетонных конструкций), машин (стяжные и анкерные болты, обоймы, пружины) и химических аппаратов (требы, колоны, газгольдеры) длительное время, исчисляемое месяцами и годами, находятся под действием постоянной нагрузки.

Оценка работоспособности таких элементов по результатам статических испытаний на прочность производиться не может, поскольку величина нагрузки, которую они могут выдерживать длительное время, не разрушаясь, составляет не более 20-80% от начального предела прочности, поэтому необходимы данные об изменении прочности и зависимости от времени действия статической нагрузки, необходимо учитывать что и температура имеет своё влияние.

Согласно кинетической теории Журкова основной характеристикой сопротивления материала разрушению становится время до разрушения при заданном уровне напряжений, а прочность измеряемая на разрывной машине теряет смысл. Также согласно этой теории время жизни материала зависит от температуры.

Хрупкое разрушение при напряжениях, меньших предела текучести, которое возникает при длительном статическом или квазистатическом характере нагружения, называется замедленным (задержанным) разрушением. Известны два вида замедленного разрушения: замедленное разрушение закаленных сталей и замедленное разрушение, вызванное водородом. Задержанное разрушение бывает причиной преждевременного разрушения закаленных стальных элементов конструкций, реализуется в сварных соединениях высокопрочных сталях и сплавах, термически обработанных на высокую твердость. Нередки случаи растрескивания стальных резервуаров, находящихся под давлением, затянутых болтов и др.

Хрупкость высокопрочной стали, связанная с замедленным разрушением, в противоположность хладноломкости стали, на может бить обнаружена при высокоскоростных или низкотемпературных испытаниях.

1 Общая информация

Задержанное разрушение протекает в три стадии: зарождение трещины, стабильный рост трещины и статический долом. Для этого вида разрушения характерен межкристаллитный механизм разрушения на стадии стабильного роста трещины, вызванный состоянием границ исходных аустенитных зерен в результате мартенситного превращения. Вид излома при замедленном разрушении является макроскопическим хрупким.

Максимальные размеры трещины определяются из условия энергетически выгодного самопроизвольного развития трещины под действием только упругих напряжений, которое сформулировано Гриффитсом. Соответственно, пока зародыш имеет размеры, меньшие величины гриффитсовой трещины С, происходит её медленное постепенное подрастание. После развития трещины до критических размеров С разрушение идет самопроизвольно с большой скоростью (0,5-0,6 от скорости звука), так как освобождающаяся энергия упругих деформаций покрывает все затраты энергии на образование новых поверхностей трещины.

Причины и механизмы зарождения трещин замедленного разрушения исследованы недостаточно. Сопоставление результатов испытаний на замедленное разрушение и релаксацию напряжений позволили установить два важных момента, касавшихся природы зарождения трещины при замедленном разрушении закаленной стали.

Во-первых, зарождение трещины возможно только при нагружении выше определенного, порогового напряжения, которое значительно меньше предела текучести стали. Пороговое напряжение – напряжение, ниже которого не происходит задержанного разрушения стали.

Во-вторых, пороговое напряжение соответствует напряжению начала микродеформации в закаленной стали. Это означает, что образование трещины в закаленной стали под нагрузкой может произойти только тогда, когда извне приложено напряжение, необходимое для развития микропластической деформации в стали.

2 Причины

2.1 Закалочные (остаточные) напряжения

В случае замедленного разрушения закаленной стали ни водород в стали, ни среда не являются основными причинами высокой склонности закаленной стали к замедленному разрушению. Причину склонности стали к замедленному разрушению следует искать в особенностях структурного состояния закаленной на мартенсит стали.

Основными факторами, способствующей развитию замедленного разрушения в закаленной углеродистой стали являются: I) легкость зарождения трещины в присутствии остаточных микронапряжений, возникающих при мартенситном превращении; 2) возможность медленного роста трещин по границам исходных аустенитных зерен, разупрочненных в результате столкновения быстро растущих мартенситных кристаллов с границами; 3) низкое сопротивление закаленной стали хрупкому разрушению, что создает возможность наступления хрупкого "долома".

При закалке стали возникают значительные напряжения, которые разделяют на напряжения 1-ого, 2-ого и 3-го рода. Напряжения 1-ого рода – это макронапряжения, действующие в пределах макрообъемов, соизмеримых с размерами самих элементов конструкций. Как правило, в пределах 1 мм они постоянны. Напряжения 2-ого рода действуют в пределах объемов, соизмеримых с размерами элементов структуры (несколько зерен, пакетов реек и т.п.). Эти напряжения обусловлены упругой анизотропией зерен, вызванной рваной ориентацией кристаллической решетки в смежных участках (зернах) металла. Напряжения 3-го рода вызваны упругими искажениями кристаллической решетки в пределах объемов, соизмеримых с размеров структурных дефектов (дислокаций, границ матрица-частица дисперсной фазы и т.п.) вплоть до искажения у атомов (ионов) кристаллической решетки.

Выделяют также два вида остаточных напряжений:

1) термические, причиной возникновения которых являются неоднородность охлаждения поверхности и сердцевины изделия.

2) структурные (фазовые), возникающее вследствие неоднородности протекания фазовых превращений по сечению изделия. Различие объемов.

Кристаллы мартенсита, образующиеся в пределах бывшего зерна аустенита, при своем росте сталкиваются под разными углами. Также в результате мартенситного превращения возникают области объемного растяжения в местах взаимного столкновения кристаллов мартенсита и с границами исходных аустенитных зерен. Наличие в структуре закаленного мартенсита областей объемного растяжения обусловливает ряд аномальных свойств закаленной стали: низкое сопротивление малым пластическим деформациям, низкий модуль упругости, высокий уровень внутреннего трения, явление неупругого сжатия и разного сопротивления деформации при сжатии и растяжении и другое. Можно полагать, что OOP, как специфические дефекты структуры стали, могут возникать не только в результате мартенситного превращения, не и в ходе других фазовых превращений. Например, выделение дисперсных частиц, окруженных полями упругих напряжений , при нагреве мартенситностареющих сталей может создать предпосылки для развитая замедленного разрушения.

Увеличение содержания углерода в стали, температуры закалки и скорости охлаждения при закалке, повышая термодинамическую нестабильность закаленных сталей, способствует замедленному разрушению.

Выдержа стали после закалки (отдых) или отпуск уменьшают склонность закаленной стали к замедленному разрушению. Происходит релаксация остаточных напряжений.