Основные признаки хрупкого и вязкого разрушения

Вязкое разрушение	Хрупкое разрушения
Высокий уровень работы, затрачиваемой на разрушение. Необходим непрерывный внешний подвод энергии для преодоления пластической деформации и образующегося упрочнения.	Малая затрата подводимой энергии. Начавшееся разрушение является самопроизвольным процессом, осуществляемым за счет накопленной в системе упругой энергии.
Образуюется «тупая» трещина с большим углом раскрытия. Прочность межзеренных границ меньше прочности	Хрупкая трещина — «острая», имеет малый угол раскрытия. Межзеренные границы при низких температурах обычно
самих зерен. Поэтому при повышенных температурах разрушение обычно имеет межкристаллитный характер.	прочнее самих зерен, поэтому разрушение имеет транскристаллитный характер.
Излом имеет матовый волокнистый характер без металлического блеска. Электронно-микроскопическое исследование обнаруживает «чашечное» строение излома.	Благодаря расколотым зернам излом имеет металлический блеск, а при электронно-микроскопическом исследовании — характерное «ручьистое» строение, так называемые речные узоры.
Низкая скорость распространения вязкой трещины, определяемая скоростью приложения нагрузки.	Высокая скорость распространения хрупкой трещины, составляющая около 0,4 от скорости звука в металла ( 2 · 103 м/с)

 

Рис. 13.12. Микроструктуры изломов: а) хрупкий ручьистый излом; б) вязкий чашечный излом CuNi20; в) квазихрупкий излом литой стали при 77 К

При разрушении по хрупкому механизму затрачивается значительно меньшая работа на процесс самого разрушения, чем при вязком. Начавшееся хрупкое разрушение является самопроизвольным процессом. Оно происходит за счет высвобождения накопленной в системе упругой энергии, и поэтому для распространения трещины не требуется подвод энергии извне. При хрупком разрушении затрата энергии на образование новых поверхностей в результате раскрытия трещины меньше, чем освобождающаяся при этом накопленная упругая энергия. При вязком разрушении затрачивается значительно большая работа. Для развития вязкого разрушения необходим непрерывный внешний подвод энергии, расходуемой на пластическое деформирование металла впереди растущей трещины и преодоление возникающего при этом упрочнении. При этом работа, затрачиваемая на пластическую деформацию, значительно превышает работу собственно разрушения.

При хрупком разрушении магистральная трещина имеет малый угол раскрытия (острая трещина), пластическая деформация вблизи поверхности разрушения почти полностью отсутствует. При вязком разрушении трещина имеет большой угол раскрытия (тупая трещина), поверхность разрушения характеризуется значительной степенью пластической деформации.

При низких температурах межзеренные границы обычно прочнее самих зерен, и поэтому у большинства металлов при низких температурах разрушение имеет транскристаллитный характер и проходит по зернам, а не по границам между ними. При повышенных температурах межзеренные границы обычно слабее зерен. Поэтому разрушение при повышенных температурах имеет, как правило, межкристаллитный характер.

Микроизлом при хрупком разрушении имеет блестящую гладкую поверхность. Плоские грани расколотых кристаллических зерен придают металлический блеск хрупкому излому. Электронно-микроскопическое исследование обнаруживает «речные узоры» или «ручьистое» строение излома (рис. 13.12, а), являющееся следствием взаимодействия движущейся трещины с дефектами кристалла, а также наличие предпочтительных кристаллографических ориентировок фасеток скола. Излом при вязком разрушении (рис. 13.12, б) имеет матовый волокнистый характер без металлического блеска. Электронно-микроскопическое исследование обнаруживает характерное «чашечное» строение излома.

Для хрупкого разрушения характерна высокая скорость распространения трещины, достигающая приблизительно 0,4 скорости распространения звука в металле. Отсюда скорость распространения хрупкой трещины для стали должна составлять около 2 · 10³ м/с. Скорость распространения вязкой трещины значительно ниже и определяется скоростью нарастания напряжений.

С помощью рассмотренных признаков можно определить характер разрушения детали или конструкции (вязкий или хрупкий механизм). Необходимость квалификации характера разрушения в каждом отдельном случае обусловлена тем, что меры борьбы с вязким и хрупким разрушением принципиально различны. В случае вязкого разрушения необходимо повышать прочность материала. При хрупком разрушении надо, наоборот, увеличивать вязкость и пластичность, при необходимости даже снижая прочность. Наиболее опасно хрупкое разрушение.

Хладостойкие низколегированные стали, применяемые в России

Для повышения хладостойкости и свариваемости строительных сталей применяют малоперлитные стали с низким содержанием углерода с микролегированием сильными карбидообразующими элементами. Кроме того, используют стали, легированные малыми добавками азота в сочетании с различными сильными нитридообразующими элементами. В качестве таких элементов чаще всего применяют ванадий, алюминий, ниобий и титан. Выделение азота из твердого раствора в виде нитридов уменьшает его охрупчивающее действие. Это позволяет увеличить прочность стали и, способствуя измельчению зерна, не ухудшает ее хладостойкости.

К сталям этой группы относятся стали марок 09Г2, 09Г2С, 09Г2СД, 16Г2АФ, 14Г2АФ, 14Г2САФ и др. Из-за дефицитности никеля его применение в сталях этого типа ограничено. Стали типа 14Г2АФ, 16Г2АФ и их варианты 14Г2САФ, 16Г2САФ широко используются в нормализованном состоянии для изготовления газопроводных труб диаметром 1020–1420 мм. Их прочность  _в = 560–600 МПа, а ударная вязкость при –60 °С в случае снижения содержания серы до 0,01 % составляет  60 Дж/см².

Механические свойства при 293 К, а также значения ударной вязкости при 233 и 203 К листового проката толщиной 10–25 мм из двух марок стали этой группы приведены в табл. 13.5.

Хром несколько повышает прочность стали и при содержании до 1 % увеличивает ее вязкость. Увеличение концентрации хрома более 1,5 % приводит к повышению порога хладноломкости.

Прочность стали может быть повышена при легировании медью за счет упрочнения твердого раствора, дополнительного измельчения зерна, а при более высоких концентрациях (до 0,8 %) — за счет дисперсионного упрочнения. Одновременно может быть снижена критическая температура хрупкости. Однако стали с медью пока не получили широкого распространения из-за опасности возникновения красноломкости.

Из всех легирующих элементов в наибольшей степени никель понижает хладноломкость стали. Никель и железо полностью растворимы друг в друге, имеют близкое кристаллическое строение решеток. Никель не является карбидообразующим элементом, он находится в твердом растворе в феррите или аустените. Никель упрочняет феррит и одновременно увеличивает его вязкость. Никель увеличивает прокаливаемость стали, измельчает зерно, а также снижает концентрацию примесей на дислокациях и уменьшает блокирование дислокаций примесными атомами внедрения.

В табл. 13.6 приведены широко используемые конструкционные низколегированные стали для сварных конструкций северного исполнения и основные области их применения.

Таблица 13.5

Механические свойства низколегированных свариваемых сталей марок 09Г2С, 14Г2АФ  (лист толщиной << 0,20 мм)

Марка  стали	Термообработка	 в, МПа	 0,2, МПа	 , %	KCU, Дж/см2, при температуре, °С
					20	–40	–70
09Г2С 14Г2САФ	Состояние поставки	500	350	21	60	40	30
	Нормализация  при 930 °С	640	490	25	100	80	60
	Закалка—отпуск	590	410	32	200	140	120

Таблица 13.6