Глава XI

ХРУПКИЕ РАЗРУШЕНИЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

§ \. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Хрупкость —это способность тел разрушаться без заметной пластической деформации. В определенных условиях хрупкость свойственна и металлам.

Характерной особенностью хрупких разрушений является то, что они происходят при весьма незначительной пластической деформации материала, расположенного вблизи поверхности разрушения. Причинами хрупкости металлов являются: струк­тура и свойства материала, вид напряженного состояния, ско­рость деформирования п другие причины, которые являются раз­новидностями основных причин и создаются при определенных условиях нагружения, формах тела, низкой температуре и т. д.

Типичный пример хрупкости, зависящей от свойств материа­ла, можно наблюдать при разрушении белого чугуна. Даже гладкие образцы, в которых имеются лишь одноосные растяги­вающие напряжения, разрушаются при почти полном отсутствии пластической деформации.

Более пластичные металлы при одноосном растяжении разру­шаются после заметной пластической деформации. Хрупкое раз­рушение таких металлов при статическЪм пагружении можно получить только при трехосном растяжении, которое делает невозможной сколько-нибудь значительную пластическую дефор­мацию вплоть до разрушения. Этот случай указывает на роль напряженного состояния в появлении хрупкого разрушения.

Пластичные в обычных условиях статического нагружения металлы могут вести себя как хрупкие при больших скоростях их деформирования, например при ударе или распространении трещины. Трещины в металле распространяются с большими скоростями (до нескольких сот метров или даже нескольких километров в секунду). Очевидно, что металл перед фронтом

246

движущейся трещины в момент ее подхода подвергается быст­рому нагружению и, как показывает опыт, может разрушаться хрупко, хотя при медленном нагружении ведет себя как пластич­ный металл. Типичный пример такого поведения дает смола, которая раскалывается хрупко па куски при ударе, а при мед­ленном нагружении деформируется пластически.

Перечисленные основные случаи хрупких разрушений могут создаваться различными условиями и приемами. Например, на­личие острых надрезов (концентраторов) в детали приводит к образованию в корне надреза трехосного растяжения и раз­рушению при незначительной пластической деформации, что ха­рактерно для хрупкого разрушения.

Другим, часто встречающимся примером хрупкого разруше­ния, является разрушение сталей при низких температурах. В обычных условиях положительных температур большинство' перлитных сталей является достаточно пластичными металлами. При низких температурах свойства сталей изменяются. При этом обнаруживается, что острота концентратора и скорость нагру­жении, которые при положительных температурах являются недостаточными для хрупкого разрушения, при низких темпера­турах вызывают разрушения с типичными признаками хруп­кости.

Распространенным случаем .проявления хрупкости у металлов является изменение свойств под влиянием технологических опе­раций: изменение химического состава при расплавлении, закал­ка металла, рост зерна, значительные пластические деформации,. старение и др. Изменения свойств оказываются столь значитель­ными, что хрупкость может ярко проявиться даже при положи­тельных температурах.

Таким образом, всякое уменьшение способности металла пла­стически деформироваться при нагружении независимо от того, какими причинами оно вызвано, приводит к менее вязким формам разрушения, а в ряде случаев и к хрупким раз­рушениям.

Деление разрушений на хрупкие и вязкие в инженерной прак­тике является условным и основывается па результатах испыта­ний металлов по различным методикам. Резкой границы между вязкими и хрупкими разрушениями не существует. При перехо­де от вязкого разрушения к хрупкому, например, при понижении температуры постепенно возрастает роль хрупкой составляющей п виде кристаллического излома. Имеются разрушения проме­жуточного типа, которые называются квазихрупкими, или хруп­ко-пластичными.

Почему хрупкие разрушения в промышленных объектах и ма­шинах считаются наиболее опасными? Причина заключается с> том, что хрупкие разрушения, протекающие с малой пласти­ческой деформацией металла, обладают существенными иебла-

217

гоприятными особенностями, по сравнению с вязкими разруше­ниями. Эти особенности состоят в следующем. При статическом нагружепии и наличии концентраторов напряжений величина разрушающей нагрузки зависит главным образом от равномер­ности распределения напряжений по сечению детали. Эта рав­номерность при наличии концентраторов может быть достигнута только вследствие протекания значительной пластической дефор­мации металла в концентраторах. В противном случае разруше­ние в концентраторе наступает при низках средних напряжениях в детали, что означает уменьшение несущей способности кон­струкции. Можно было бы учесть ожидаемое снижение несущей способности, но большинство современных методов расчета на прочность при статических нагрузках не учитывает концентра­цию напряжения, т. е. фактически предполагает возможность протекания в концентраторах пластической деформации. Если такая пластическая деформация в концентраторе на самом деле не протекает, а наступает хрупкое разрушение, то оказывается, что элемент конструкции не выдержал расчетного значения нагрузки.

Вторая причина, по которой хрупкие разрушения считаются наиболее опасными, состоит в том, что распространение хруп­ких разрушений ввиду малой пластической деформации металла происходит при незначительных затратах энергии. Следователь­но, разрушение может распространяться при низких напряжени­ях в металле и малой накопленной энергии в конструкции. Хрупкие трещины при этом, как правило, пересекают все сече­ние детали, и конструкция может разрушиться на несколько частей, что приводит обычно к крупным авариям. При вязком характере наступившего разрушения оно идет только в зоне весьма высоких напряжений и прекращается вследствие боль­шой затраты энергии па продвижение трещины.

Наличие хрупких зон металла, возникших под влиянием тех­нологических операций, опасно тем, что в этих зонах не могут протекать значительные пластические деформации, а наступив­шее хрупкое разрушение сообщает трещине скорость, достаточ­ную дли ее дальнейшего продвижения как квазихрупкой .трещи­ны по зоне вязкого металла. Хрупкие разрушения нередко являются завершающей стадией разрушений, начавшихся от различного рода причин, например усталостных нагрузок, уда­ров, коррозионного растрескивания и т. п,

Рассмотрим более подробно физические причины хрупкости;

При одноосном растяжении, образцов без концентраторов хрупкое разрушение наблюдается в металлах, диаграмма o'i = /(e_i) которых почти не имеет пластического участка (рис. 11-\,а). В сварных конструкциях материалы с подобными свойствами почти не применяются (за исключением особых слу­чаев).

248

Разрушения без заметной пластической деформации могут возникать в концентраторах, если металл обладает малым упроч­нением в процессе пластической деформации (малым показате­лем степени упрочнения п, рис. 11-1,6). У таких материалов разрушающее напряжение о_р;шр превосходит предел текучести не более чем в 1,5—2 раза.

Объемный характер напряженного состояния в концентрато­ре приводит к тому, что максимальное напряжение существенно превосходит эквивалентное напряжение сч, от величины которо­го зависит наступление пластической деформации. Может ока­заться, что максимальное напряжение достигнет величины раз­рушающего напряжения раньше, чем а величины <у_т. Тогда

*;

S)

Л

п-0,75 ,		Л = 0,125
	П'вМЗ

5

Ю

15

20

Рис. 11-1. Диаграммы зависимости напряжении от деформаций для хрупкого материала (а) и для материалов с различными по­казателями степени упрочнения (б)

разрушение произойдет без пластической деформации. Напри-

-, то aitt0,3oo_ma„ т. е. разру-

'разр;

мер, если о, = а_шях, а о₂ = ^ ^ —~-

шение произойдет без пластической деформации, если будет примерно менее 3.

Влияние скорости иагружения металла на характер разруше­ния можно объяснить изменением вида диаграммы tri~f(ei) (рис. 11-2). При статическом нагружении, осуществляемом с ма­лыми скоростями деформации, пластическая деформация начи­нается при напряжениях, равных пределу текучести. При быст­ром нагружении пластическая деформация «запаздывает» и на­чинается при напряжениях, существенно больших сг_т. Может оказаться, что напряжение достигнет разрушающего уровня раньше, чем начнется пластическая деформация. Тогда разру­шение будет протекать как хрупкое без заметных следов пласти­ческой деформации. Наиболее отчетливо влияние напряженного состояния и скорости иагружения обнаруживается при распрост-

249

ранении трещин. У конца трещины одновременно возникают трехосные растягивающие напряжения и происходит быстрое нагружение металла.

Многие перлитные стали при одноосном нагружении ведут себя как материалы пластичные, но при распространении тре­щин разрушение носит нередко хрупкий характер.

На использовании концентраторов напряжений и быстром нагружении, например при ударе, основана значительная часть методов испытания материалов для определения их склонности

■а Р. и/ 2800 1600 2W0 2200 2000

то

430

'200 '033 800 533 <W8 200 О

Рис. 11-2. Диаграммы растяжения (а) и изгиба (б) стали: / — статического; 2—-динамического; а—удлинение; f — стрела прогиба

к хрупким разрушениям. Наиболее распространено испытание металлов на ударную вязкость, когда по образцу с надрезом наносится удар маятником копра и определяется работа разру­шения на 1 см² сечения образца. Строго говоря, величина удар­ной вязкости, выражаемая в кГ-м/см², включает как работу из­гиба образца, так и собственно работу разрушения металла, причем последняя нередко составляет меньшую часть величины полной работы.

Испытание на ударную вязкость широко используется для определения хладиохрупкости металлов (рис. 11-3). Падение ударной вязкости ниже 3 кГ-м/см² в ряде нормативов устанав­ливается как недопустимое для надежной эксплуатации кон­струкции. По результатам ударных испытаний устанавливают так называемую критическую температуру Т_кр, когда величин*

250

ударной вязкости а_н значительно уменьшается но сравнению _с а и при комнатной Т. На рнс. 11-3 обе стали имеют четко выра­женный диапазон температур, где наблюдается резкое паде­ние а_И. Для сталей I и 2 они различны. В большинстве случаев спокойные стали менее склонны к хрупким разрушениям, чем кипящие, и имеют более низкую 7\_р .

Имеется значительное количество других методов определе­ния сопротивляемости сталей хрупкому разрушению; в большин­стве своем они оценивают свойства металлов на стадии распро­странения трещины, а не в период ее образования (зарожде­ния). Между тем в сварных конструкциях, для которых харак-

а_н,кГм/ем'' -

20 г—......т——.....| — ...........т..........--------г- ■ —

-40 ~39 -20 ~1В О *Ю *20

Рис. Н-3. Ударная шикоеть стальных образцов о зави­симости от температуры испытания;

1 — сталь спокойная; 2 — кнпящая

терно локальное изменение свойств металла, важное значение имеют методы оценки сопротивляемости металла разрушению в период зарождения трещины от концентратора.