А27878 Андреев АК Материалы для низкотемпературной техники

Первая составляющая зависит от температуры и скорости нагружения, вторая составляющая не зависит от этих факторов, если не учитывать сравнительно слабую температурную зависимость таких характеристик, как модуль упругости. Термический компонент предела текучести определяется строением кристаллической решетки и степенью термической активации, в результате которой дислокации преодолевают препятствия.

Атермический компонент предела текучести определяется легированием, размерами зерен и состоянием их границ, а также общей плотностью дислокаций.

При охлаждении предел текучести сталей растет, причем более сильно в случае сталей на основе α-железа с ОЦК решеткой. Аустенитные стали (ГЦК решетка), особенно с малой концентрацией примесей, имеют более слабую зависимость предела текучести от температуры.

Наиболее благоприятное сочетание характеристик прочности и пластичности при низких температурах обеспечивает структура аустенита. Малая температурная чувствительность предела текучести и рост временного сопротивления с понижением температуры при сохранении высокой пластичности этих сталей позволяют обеспечить высокую надежность изготовленных из них изделий в криогенной области. Стали с ОЦК решеткой могут быть использованы только при более высоких температурах эксплуатации.

2.5. Факторы, определяющие характер разрушения

Один и тот же материал в зависимости от условий деформации может разрушаться по хрупкому механизму или по вязкому. Характер разрушения зависит от влияния различных факторов, как связанных, так и не связанных со свойствами материала. Различают внешние и внутренние факторы.

К внешним факторам относятся: температура, тип надреза или концентратора напряжений, условия и скорость нагружения, характер окружающей среды, форма и размеры детали. К внутренним факторам, присущим материалу, относятся: тип кристаллической решетки; химический состав; структура и размер зерна, зависящий от технологии предшествующей обработки.

101

Внешние факторы. Влияние температуры на характер разрушения хорошо иллюстрируется схемой, предложенной А.Ф. Иоффе и развитой Н.Н. Давиденковым (рис. 2.23).

Рис. 2.23. Схема вязкохрупкого перехода по Иоффе–Давиденкову: 1 – разрушающее напряжение, или сопротивление отрыву;

2 – напряжение течения, или сопротивление сдвигу; Ткр – критическая температура хрупкости

Согласно этой схеме, смена одного вида разрушения другим определяется соотношением значений предела текучести ζт и разрушающего напряжения ζотр. Температурные зависимости ζт и ζотр имеют различный характер, так как в соответствии с этой схемой предел текучести и разрушающее напряжение друг с другом не связаны.

Напряжение трения кристаллической решетки, или сопротивление Набарро ζ0, входящее в уравнение Холла–Петча для предела текучести, связано с температурой материала следующей зависимостью:

ζ0 = Ве –βТ,

где В и β – постоянные.

Разрушающее напряжение, в первом приближении соответствующее сопротивлению отрыва, может быть определено по фор-

муле

ζотр = (4Gγ/k) d–1/2,

где G – модуль сдвига, G = Е/ [2(1 + μ)], здесь Е – модуль упруго-

102

сти; μ – коэффициент Пуассона; γ – эффективная поверхностная энергия разрушения; k – постоянная; d – диаметр зерна.

Спонижением температуры напряжение трения решетки,

аследовательно, и предел текучести резко возрастают. В противоположность этому ни один из членов в правой части уравнения для сопротивления отрыву не зависит существенно от температуры, поэтому в первом приближении разрушающее напряжение является температурно независимым.

В процессе нагружения при определенной температуре на-

пряжение может достичь раньше величины либо ζт, либо ζотр. Если раньше будет достигнуто ζт, то произойдет пластическая деформация, которая при дальнейшем росте напряжений приведет к разру-

шению. Если раньше будет достигнуто ζотр, то произойдет хрупкое разрушение.

Точка пересечения ζт и ζотр делит схему Иоффе–Давиденкова на две температурные области: левее этой точки располагается об-

ласть хрупких разрушений материала (ζотр < ζт), правее – область вязких разрушений (ζотр > ζт). Температуру, при которой предел текучести становится равным разрушающему напряжению, называют

температурой вязкохрупкого перехода, или критической темпе-

ратурой хрупкости, и обозначают Ткр.

К недостаткам схемы Иоффе–Давиденкова относятся слож-

ность и недостоверность определения сопротивления отрыву,

атакже то, что фактически при всех температурах испытания хрупкому разрушению предшествует более или менее выраженная пластическая деформация. Процессы хрупкого разрушения и пластической деформации в металлах взаимосвязаны. Вместе с тем схема отличается наглядностью и хорошо описывает феноменологию вязкохрупкого перехода. Эта схема больше отвечает современным представлениям, если под сопротивлением отрыву понимать не среднее,

алокальное сопротивление хрупкому разрушению, под пределом текучести – также локальное сопротивление пластической деформации.

Свойство материала хрупко разрушаться с понижением температуры называется хладноломкостью. Помимо температуры, она зависит от влияния многих факторов. Хладноломкость проявляется при определенных условиях и является скорее не свойством, а состоянием материала. Основная характеристика хладноломкости –

103

критическая температура хрупкости. С помощью этой характеристики оценивают сопротивление хрупкому разрушению материала. Критическая температура хрупкости не является константой материала и определяется целым рядом факторов.

Анализ причин хрупких разрушений показал, что трещины хладноломкости обычно начинаются от надрезов, являющихся концентраторами напряжений. Надрезом считается любое нарушение непрерывности металла. К надрезам относятся: дефекты сварных соединений (пористость, непровары, пустоты по сечению шва); поверхностные царапины; неметаллические включения; газовые раковины. Надрезами могут быть технологические отверстия и резкие переходы сечений в детали. Они создают в металле сложное напряженное состояние, стесненность пластической деформации и концентрацию напряжений. Сложное напряженное состояние проявляется в том, что под действием растягивающих сил напряжения возникают не только в продольном, но и в поперечном направлениях.

Стесненность пластической деформации приводит к увеличению сопротивления пластической деформации, т. е. к росту ζт. Чем острее и глубже надрез, тем более стеснена пластическая деформация, тем выше ζт. Под влиянием надрезов металл разрушается хрупко при более высокой температуре.

Чувствительность к надрезу и трещине, являющейся предельным выражением надреза, относится к числу важнейших характеристик работоспособности металла. С повышением прочности металла растет чувствительность к надрезу.

С увеличением скорости нагружения также возрастает опасность хрупкого разрушения. Чем ниже температура металла, тем более сильное влияние оказывает скорость деформирования.

Окружающая среда может влиять на изменение поверхностной энергии разрушения материала и оказывать коррозионное воздействие. Кроме того, в среде, содержащей водород, происходит водородное охрупчивание металла. Растрескивание при коррозии под напряжением и насыщенность водородом увеличивают хрупкость металла и смещают критическую температуру хрупкости в область более высоких значений.

Чем больше сечение образца, тем больше стесненность пластической деформации. Увеличение объемности напряженного состояния приводит к повышению предела текучести.

104

Появление дефектов в материале подчиняется вероятностным законам, вследствие чего прочность детали должна иметь статистическую природу. С увеличением размера образца возрастает вероятность появления опасных дефектов. На ослабление сечений с увеличением размеров накладывается действие металлургических факторов из-за большего развития ликвации, пористости, различия в размерах зерен, меньшей степени проработки структуры при ковке, прокатке или термической обработке.

Внутренние факторы. Склонность к хрупкому разрушению при низких температурах зависит от кристаллической структуры металла. Металлы с кристаллической структурой объемно центрированного куба (стали на основе α-железа, вольфрам, хром, молибден и др.), а также некоторые металлы с гексагональной плотноупакованной решеткой (цинк, кадмий, магний) относятся к хладноломким материалам. Чистый титан имеет решетку ГПУ, но сохраняет пластичность и при низких температурах. Металлы с решеткой гранецентрированного куба (аустенитные стали на основе γ-же- леза, медь, алюминий, никель) не склонны к хладноломкости.

Размер зерна металла имеет важное значение для предела текучести, сопротивления хрупкому разрушению и для температуры вязкохрупкого перехода. На рис. 2.24 показана зависимость ζт и ζотр от размера зерна.

0

Рис. 2.24. Влияние размера зерна на предел текучести ζт

и разрушающее напряжение ζотр низкоуглеродистой стали при 77 К:

1 – ζотр = (4Gγ/k) d–1/2; 2 – ζт = ζ0 + kd–1/2

105

Измельчение зерна существенно понижает критическую температуру хрупкости.

Процесс течения металла зависит от среднего расстояния, на которое перемещаются дислокации, прежде чем они будут заблокированы у границ зерен.

У мелкозернистых образцов предел текучести меньше разрушающего напряжения. Чем мельче зерно, т. е. больше параметр d–1/2,

тем больше Δζ = ζотр – ζт. Если размер зерен больше dкр, то для данных условий испытания (температуры, скорости и др.) будет

иметь место хрупкое рушение. Изменением технологии выплавки и разливки, пластической деформации и термической обработки можно влиять на размер зерна и тем самым управлять свойствами металла и его хладостойкостью.

Наличие концентраторов напряжений и увеличение размеров деталей существенно повышают порог хладноломкости.

2.6. Трещиностойкость конструкционных сталей

Надежность деталей оборудования для низких температур опре-

деляется высоким сопротивлением разрушению в условиях эксплуатации. Поскольку в реальной детали гарантировать полное отсутствие дефектов типа микротрещин невозможно, надежность конструкций зависит от выбора материала, который должен обладать высоким сопротивлением распространению трещин и обеспечивать надежную работу изделия.

Изделия могут работать с трещинами, которые возникают в детали в процессе ее получения и в начальный период работы. Поэтому работоспособность деталей в первую очередь определяется энергоемкостью процесса развития трещины. Способность материала выдерживать концентрацию напряжений вблизи трещин, не допуская их роста, называется трещиностойкостью, или вязкостью разрушения. Так как хрупкость материала связана с затрудненностью пластической деформации и высокими локальными напряжениями вблизи концентраторов, то по степени развития пластической деформации можно судить о склонности материала к хрупкому разрушению.

Трещиностойкость можно оценивать по качественным и количественным характеристикам. Качественную оценку трещино-

106

стойкости проводят по энергии разрушения (работе распространения трещины); пластичности, реализованной при разрушении (прогибу, углу изгиба, относительному удлинению, сужению поперечного сечения); виду излома. Для оценки склонности сталей к хрупким разрушениям обычно применяют переходные температуры хрупкости, определяемые испытанием на ударный изгиб образцов с надрезом или усталостной трещиной.

Для сталей ответственных конструкций (сосудов давления, трубопроводов и т. п.) определяют температуру нулевой пластичности и температуру остановки трещины при проведении специальных испытаний. Важным преимуществом последней характеристики является возможность ее оценки в условиях, моделирующих напряженно-деформированное состояние, возникающее в реальной конструкции при распространении хрупкой трещины, в том числе при заданном уровне напряжений. Температурно-силовые условия проведения механических испытаний должны быть максимально приближены к условиям работы материалов в реальных машинах и конструкциях.

2.6.1. Методы оценки хладноломкости и трещиностойкости

Испытания при низких температурах более сложны, чем такие же испытания при комнатной температуре. При их проведении необходимо захолаживание образцов с помощью холодильных камер и криостатов, использование специальных средств измерения температуры и деформации образцов. Захолаживание образцов в криостатах осуществляется с помощью специальных хладагентов. Температуры кипения обычно применяемых для этой цели газов имеют следующие значения, К (°С):

В качестве хладагентов при проведении испытаний до температуры 203 К (–70 °С), т. е. до температуры климатического хо-

107

лода, обычно применяют твердую углекислоту (сухой лед) в смеси с денатуратом или этиловым спиртом. При испытаниях до температуры 77 К (–196 °С) в качестве хладагента, как правило, используют жидкий азот в чистом виде или его пары.

Данные системы охлаждения сравнительно дешевы и удобны. В качестве хладагентов при температурах ниже 77 К обычно используют жидкие водород и гелий.

Схемы криостатов для испытаний на растяжение приведены на рис. 2.25.

Рис. 2.25. Схемы криостатов для испытаний на растяжение:

а– с двусторонним вводом тяг;

б– реверсного типа с односторонним вводом тяг;

1 – нагружающие тяги; 2 – двухстенный корпус камеры с теплоизоляцией; 3 – ввод жидкого хладагента; 4 – испытываемый образец; 5 – тефлоновое уплотнение; 6 – опорная труба; 7 – жидкий водород или гелий; 8 – экран жидкого азота; 9 – внешний корпус камеры

Применение жидкого водорода, имеющего температуру кипения 20 К, сопряжено с большими трудностями. Взрыво- и пожароопасная концентрация водорода в воздухе колеблется в широких пределах – от 4,6 до 76 % . Взрыв воздушно-водородной смеси в открытом пространстве наиболее вероятен при содержании 30–40 % водорода. В случае попадания воздуха в систему с жидким водородом происходит его конденсация с образованием твердых осадков, которые способствуют детонации и взрыву.

108

Жидкий гелий вполне безопасен для испытаний при низких температурах, но он значительно дороже водорода. Это обусловливает необходимость сложной организации сбора, очистки и вторичного использования испаряющегося газообразного гелия. Из-за сложности теплозащиты при работе с жидким гелием для испытаний обычно применяют небольшие образцы, малогабаритные криостаты. Учитывая, что применение тензометров, передающих деформацию образца, осложняет теплоизоляцию криостата, запись деформации обычно ведут не с рабочей части образца, а со штанг, находящихся вне криостата.

В практике многих стран широкое применение получили испытания падающим грузом. Они проводятся на специальных образцах DWTT двух типов. Первый тип образца (проба Баттеля) изготавливается по натурной толщине изделия и имеет острый надрез, иногда прессованный. Серию образцов испытывают при различных температурах. Оценка ведется по критической температуре получения заданной доли вязкой составляющей в изломе. Второй тип образцов (рис. 2.26) был предложен Пеллини и Пьюзаком.

Рис. 2.26. Схема испытания падающим грузом:

1 – падающий груз; 2 – опорная (ограничивающая) плита; 3 – участок сварного шва на нижней стороне образца; 4 – надрез

Образцы имеют толщину от 12,7 до 25,4 мм; длину примерно 360 мм и ширину 89 мм. В центре образца делают хрупкую наплавку, по которой затем наносят надрез, чтобы обеспечить инициирование хрупкой трещины в начальный момент нагружения.

109

Испытание проводят путем ударного нагружения падающим грузом серии образцов данного материала при различных температурах. Энергия падающего груза составляет от 320 до 1740 Дж в зависимости от предела текучести материала и размера образца. Под образцом устанавливают специальный упор, ограничивающий его прогиб. После нагружения серии образцов определяют максимальную температуру, при которой трещина проходит через все сечение образца, температуру нулевой пластичности. B ряде стран эта температура принята в качестве эталонной.

Для оценки хрупкой прочности при больших скоростях деформации используют пластины размером 356 х 356 мм натурной толщины, имеющие наплавленный с одной стороны хрупкий валик с надрезом. Пластину устанавливают на круглую матрицу и на небольшом расстоянии над пластиной осуществляют взрыв. Под действием давления расширяющегося газа пластина деформируется. При вязком поведении материала происходит характерное выпучивание. При температуре нулевой пластичности и ниже пластина разрушается без выпучивания. Температурные критерии, найденные по испытаниям падающим грузом и взрывом, находят широкое применение при построении полуэмпирических диаграмм разрушения Пеллини–Пьюзака, которые показывают зависимость приложенных разрушающих напряжений от температуры для конкретных деталей (сосуды, трубопроводы и т. д.) с различными размерами дефектов.

Еще одним распространенным методом испытаний является испытание на остановку трещины. Такие испытания проводят на широких сварных плитах, широких пластинах с боковыми надрезами и др. Испытания проводят в условиях растягивающих напряжений с локальным или равномерным градиентом температур. Могут проводиться и изотермические испытания. Различные методы (Робертсона, ESSO, на двойное растяжение) отличаются друг от друга видом образцов и концентратором напряжений, а также оценочными критериями: температурой остановки трещины; температурой, при которой трещина не проходит целиком сквозь сечение при напряжении 120 МПа, и т. д.

На рис. 2.27 показан образец для испытаний по Робертсону. Образец имеет в рабочей части выступ, в котором просверлено отверстие и сделан небольшой открытый надрез. Сторона образца

110