Физические основы разрушения стальных конструкций

То же можно представить иначе — умножить и раз­ делить (4.26) на d22:

хрупкости даже больше, чем однородная с более круп­ ным из имеющихся зерен (4.26). Удобнее, однако, поль­ зоваться формулой (4.27), выражающей о»р через

размер меньшего зерна d2, тогда 0кнр оказывается ниже

Пир пропорционально степени разнозернистости, т. е. отношению d2/di, где d2 < d\. Таким образом, неодно­ родность структур, проявляющаяся в наличии неравно­ прочных структурных составляющих (в соизмеримых количествах) или в явной разнозернистости, когда на­ блюдаются два типичных размера зерна, является пря­ мой причиной понижения окр и повышенной склонности

кхрупкости. Качественно вредная роль неоднородностей

вструктуре хорошо известна на практике, но теперь впервые удалось получить количественную интерпрета­ цию степени этой вредности. Становятся ясными и сред­ ства понижения степени ее вредности — если неоднород­ ности избежать не удается, то предпочтительнее менее прочную структурную составляющую (феррит) иметь в более мелком зерне, тогда как более прочную (перлит) лучше не измельчать или получить по возможности в более мягком виде (отжиг, нормализация). Наиболее резко такая структурная неоднородность проявится, если прочная составляющая получит наибольшую прочность,

т.е. будет в форме мартенсита. Подобная картина воз­ никает в структуре высокопрочных легированных ста­ лей, когда в результате нарушений технологического режима охлаждения при закалке наряду с мартенситом в структуре появляются участки бейнита или сорбита. Вредная роль наличия в структуре закаленной стали

любой стали на «хвосте» статистического распреде­ ления зерен по размеру. Для того чтобы вредная роль мелких зерен проявилась, их должно быть достаточ­ но много (ориентировочно 30-;-70%) с тем, чтобы в каж­ дой полосе скольжения обязательно оказалось мелкое зерно с неблагоприятной ориентировкой систем сколь­ жения, иначе связанное с ним перенапряжение тЭф2 не будет существенно большим, чем перенапряжение на границе одинаковых по размеру, но неблагоприятно ори­ ентированных зерен. Именно поэтому обычный стати­ стический разброс размеров зерен не столь сильно влияет на сткр, так как реальное воздействие на процесс оказывают не «хвосты» распределения, а ширина его средней части, охватывающей участок d2 и d\ с вероят­ ностью в 10% и более (рис. 4.16). Конечно, чем уже колокол распределения, тем ближе друг к другу d\ и di н тем меньше ок“р отличается от акр для среднего разме­

ра d. Поэтому повышение статистической однородности размеров зерен в структуре также является одним из полезных средств оптимизации структуры конструкцион­ ных материалов. Скоростная электротермическая обра-

212

ботка — одно из эффективных средств повышения одно­ родности структур улучшаемых машиностроительных сталей [89] (рис. 4.16).

4.4. Некоторые рекомендации по рациональным методам упрочнения изделий из высокопрочных конструкционных сталей

В предыдущем разделе, посвященном оптими­ зации структурного состояния, уже упоминались некото­ рые принципиальные пути и средства повышения кон­ струкционной надежности материалов, основанные на использовании методов термической и деформационной обработки. Однако, учитывая результаты, полученные в предыдущих разделах монографии, полезно суммировать рекомендации, вытекающие из физической теории кон­ струкционной прочности, в виде отдельного заключи­ тельного раздела, позволяющего специалисту, интере­ сующемуся лишь практическими выводами настоящей работы, получить итоговую информацию прикладного плана.

В гл. 1 при анализе современных представлений о связи структуры стали с ее прочностью, мы упомина­ ли ряд общих рекомендаций по повышению конструк­ ционной прочности, изложенных главным образом по монографии Г. В. Курдюмова, Л. М. Утевского и Р. И. Энтина [3]. Сейчас имеется возможность вернуть­ ся к наиболее важным из этих рекомендаций и рассмот­ реть их под углом зрения результатов настоящей рабо­ ты, а также дополнить их новыми соображениями.

Так, на с. 204 авторы [3] приходят к предположению, что основным структурным фактором, определяющим склонность сталей со структурой мартенсита к хрупко­ му разрушению, является размер мартенситного «паке­ та». На рис. 2.16 и 2.21 это подтверждается не только качественно, но и количественно, так как аКр = 18 йм~,/г. где dM— средний размер мартенситного «пакета». Сооб­ ражения о влиянии природы и морфологии частиц вто­ рой фазы, выделяющихся при распаде мартенсита, под­ тверждаются обнаружением и доказательством сущест­ вования цементитного микромеханизма разрушения в углеродистых сталях (см. рис. 2.33), количественное

213

выражение роли цементита в разрушении стали имеют вид окР = 0,78 /ц-1/*. Отсюда же следует правомерность вывода о том, что «повышение содержания углерода нельзя рассматривать в качестве перспективного пути повышения конструктивной прочности сталей с мартен­ ситной структурой» [3].

Коснемся некоторых рекомендаций авторов [3] отно­ сительно мер, способствующих снижению склонности к хрупкому разрушению сталей в состоянии после закал­ ки и низкого отпуска.

1. Необходимо предотвратить образование в процес­ се охлаждения при закалке немартенситных продуктов превращения (феррит, перлит, бейнит), наличие кото­ рых приводит к усилению склонности к хрупкому раз­ рушению [3]. Так, содержание в стали 20ХГ 5% ферри­ та после закалки и отпуска при 250° С приводит к повышению критической температуры хрупкости при ударных испытаниях от —20 до +40° С [93]. Этот вывод прямо вытекает из влияния структурной неоднородно­ сти на акр, рассмотренного в разделе 4.3, где была при- -

2. Для высокопрочной стали особенно опасно повы­ шенное содержание вредных примесей (серы, фосфора), существенно повышающих склонность к хрупкому раз­ рушению. В стали 38ХНМ после закалки и отпуска, когда ств = 200 кгс/мм2, при содержании фосфора 0,02; 0,01 и 0,003% значения ударной вязкости образцов с трещиной атр составляют соответственно 0,7; 1,2; 2,5 кгс*м/см2 [3]. Известно, что фосфор обладает спо­ собностью концентрироваться на границах зерен и силь­ но упрочнять a-фазу в приграничных зонах. Принимая е о внимание поверхностную активность фосфора, при­ водящую к снижению поверхностной энергии ув зонах его концентрации, можно полагать, что снижение у ве­ дет к облегчению зарождения субмикротрещин у границ зерен, в результате чего акр снижается пропорциональ­ но у. Этот эффект может быть очень большим, так как имеются данные о том, что фосфор более чем на порядок может понизить величину у в железе [94]. Таким обра­ зом, причина охрупчивающего влияния вредных раство­ римых примесей состоит не в ослаблении релаксации

214

напряжений [3], а в катастрофическом падении вели­ чин Окр и Квиз-за снижения у в пограничных зонах ме­ талла (по формуле (2.33)).

3. Легирование стали рядом элементов (никель, ко­ бальт) приводит к повышению вязкости, по мнению ав­ торов [3], в результате увеличения подвижности дисло­ каций и, как следствие, облегчения релаксации «пиков» напряжений. Однако исходя из результатов работ Я. М. Потака [66], в которых была показана зависимость величины сопротивления отрыву от легирования железа целым рядом элементов, включая никель и кобальт (см. рис. 2.15), это не совсем так. Следует согласиться с выводом автора [66] о том, что для хрупкого разрушения сплавов железа легирование оказывается полезным лишь в той мере, в какой оно оказывает влияние на размер зерна или эквивалентные ему структурные эле­ менты, формирующиеся в процессах термической обра­ ботки стали. По-видимому, эффект пластифицирования стали за счет увеличения подвижности дислокаций, ко­ торый, несомненно, имеет место, играет в этом вопросе второстепенную роль.

4. Значительное уменьшение размеров аустенитного зерна и, следовательно, размеров мартенситных кристал­ лов — несомненно наиболее эффективный способ повы­ шения сопротивления хрупкому разрушению. В физиче­ ской теории это отражено в формуле акр = KPd1/^(Kp=

=18 кгс/мм3/2).Временное сопротивление стали У8 (~0,8% С)

ниже, поскольку цементитные пластинки отпущенной

т. е. практически такая сталь близка к состоянию охруп­ чивания. Действительно, так как dlt^zx 200 < 550, сталь У8 находится в закритическом структурном состоянии, где цементит контролирует разрушение. Но сталь с мень­ шим содержанием углерода (0,4% С), о таким же мелким зерном при прочности 230 кгс/мм2 обладает приемлемой пластичностью (рис. 4.17), так как пониженная толщина

215

рассмотрена в гл. 2. Поэтому снижение уровня микро­ напряжений в закаленных сталях средствами термиче­ ской обработки [74] или программного нагружения, вы­ полняемого с малой скорстью до напряжения ниже пре­ дела текучести [96], вполне эффективный способ повы­ шения запаса вязкости стали Кв. Так, возможность уве­ личения от от 165 до 195 кгс/мм2 при неизменных ха­ рактеристиках относительного удлинения и поперечного сужения является несомненным признаком повышения Кв [96] за счет снижения уровня внутренних напряже­ ний [см. формулу (4.17)].

Рассмотрим далее краткие рекомендации, позволяю­ щие осуществлять учет конкретного структурного со­ стояния и характеристик физики разрушения стали при инженерных расчетах прочности элементов конструкций.

Физическая теория конструкционной прочности, ос­ новные идеи которой очерчены в настоящей монографии, позволяет утверждать, что для каждого структурного состояния металла можно установить гарантированный уровень безопасного главного растягивающего напря­ жения независимо от вида напряженного состояния и

216

рассчитываемом элементе конструкции. Это напряжение, соответствующее критерию гриффитсовского распростра­ нения зародышевой трещины-микросколу, определяет­ ся в виде характеристики aKP в одноосных испытаниях как напряжение хрупкого отрыва при температуре хруп­ ко-вязкого перехода ТКр. Каков бы ни был лаборатор­ ный предел текучести — выше или ниже аКр — глобаль­ ное разрушение не наступит, если наибольшее нормаль­ ное напряжение о\ < акР, следовательно, конструкцион­ ный материал сам по себе обладает некоторой допускае­ мой величиной нормального напряжения, вытекающей из его реального структурного состояния (размера зер­ на), но не связанной с его пределом текучести. Важно подчеркнуть, что допускаемое напряжение касается толь­ ко наибольшего нормального напряжения и не относится к величинам касательных напряжений, которые опреде­ ляются при этом в соответствии с видом напряженного состояния и в сумме с внутренними напряжениями со­ вершенно безопасно могут вплотную приближаться к пределу текучести. Из критерия (2.39) следует связь между свойствами материала и предельной допустимой жесткостью напряженного состояния в элементе конст­ рукции ( Pmin), при наличии которой хрупкое разруше­ ние не реализуется:

Чем мельче зерно и чем ниже предел текучести, тем больше запас конструкционной надежности материала, т. е. тем более сильную трехосность растяжения может выдержать материал без опасности хрупкого разруше­ ния. Соотношение (4.28) дает этому выводу количест­ венную интерпретацию, что очень важно для оценки ситуации у вершины надреза, трещины и других случаев возникновения трехосного растяжения.

Из (4.28) следует оптимальное значение размера зер­ на d для заданного максимального уровня нормального напряжения в конструкции а ( при любом виде напря­ женного состояния:

(4.29)

217

Развитая теория позволяет оценить возможность воз­ никновения хрупкого разрушения в зоне действия неко­ торых локальных концентраторов напряжений, в част­ ности вблизи кольцевых выточек определенной геомет­ рической конфигурации и галтельных переходов.

Опасность хрупкого разрушения в местах неоднород­ ностей напряжений, вызванных конструктивными пере­ ходами в изделиях из сталей, особенно актуальна при работе конструкции в низкотемпературных условиях, когда запас вязкости Кв = сгКр/сгт существенно снижа­ ется в результате увеличения ат (напомним, что а,ф от температуры не зависит). В то же время как болтовые, так и сварные соединения элементов конструкций имеют предпосылки к возможности хрупкого разрушения — локальные концентрации напряжений в условиях локаль­ ной жесткости напряженного состояния могут повысить напряжение течения до критического значения aKp. Сни­ жение температуры еще больше усугубляет эту опас­ ность. Качественно в самом грубом приближении можно сказать, что в большинстве случаев изделие будет за­ щищено от неожиданности хрупкого разрушения, если при наиболее низкой температуре эксплуатации матери­ ал будет обладать не менее чем двухкратным запасом вязкости Кв > 2. Отсюда возникает целесообразность введения сдаточных испытаний металла ответственного назначения на определение предела текучести при

наименьшей температуре эксплуатации <4т1п и критиче­ ского напряжения хрупкого разрушения окр. Это позво­

лит знать критический запас вязкости материала К*в = = окр/в{т,п и на его основе рассчитывать допускаемую жесткость напряженного состояния в конструкции: (pmin)> > l/K l Принятые меры позволят повысить надежность

конструкции, сократить объем натурных и макетных ис­ пытаний в процессе доводки изделия.

Основные выводы физической теории могут быть ис­ пользованы для формулировки рекомендаций по опти­ мизации структурного состояния высокопрочных мате­ риалов, применяемых в сложно-напряженных узлах со­ временных конструкций.

1. Рациональное измельчение действительного зерна путем легирования и оптимизации режимов скоростной

218

электротермообработки до минимально необходимого уровня ^отп, обеспечивающего заданное значение а£<окр<

2. Согласованное с donт измельчение карбидной фазы

си

ростного отпуска конструкционной стали с оптимальным для данной прочности содержанием углерода.

3. Обеспечение заданного значения предела текуче­ сти (прочности) в стали за счет усовершенствованных технологических схем термической обработки, например скоростной закалки и быстрого отпуска, а не путем увеличения содержания углерода в стали так, чтобы от­ носительный прирост предела текучести был не больше,

Аот ^ Ad

чем относительное уменьшение размера зерна: — < gj.

4. Оптимальным запасом вязкости обладает конструк­ ционный материал, у которого критическое напряжение

чивает пластическую релаксацию в зоне концентраторов напряжений со степенью жесткости напряженного состоя­

ния В= — ^ 0 ,5 . °i

5. Эффективным средством повышения окр и, следо­ вательно, критического значения конструкционной проч­

ности Ов, выше которого начинается охрупчивание и увеличенный разброс результатов испытаний (см. рис. 4.3 и 4.4), является создание оптимальной текстурованности стали, достигаемой в результате предварительной пласти­ ческой деформации в пределах 40—45% (раскатка с по­ следующим скоростным отжигом).

6. Важный резерв повышения а1ф— увеличение сте­ пени однородности структуры, и в первую очередь рав­ номерность зеренной структуры, что достигается приме­ нением скоростных методов нагрева при термообработ­ ке [88, 89].

7. Снятие микро- и макронапряжений в термообра­ ботанных изделиях приобретает первостепенную важ­ ность для материалов с неоптимизированным размером зерна, являясь в этом случае единственным резервом

219

/

/' повышения конструкционной надежности материала.

Чем мельче размер/зерна и чем выше /Св, тем менее актуальной для обеспечения конструкционной прочности изделия является проблема концентраторов напряжений микро- и макрбнапряжений.

Реализация указанных рекомендаций в ряде случаев может быть уже в настоящее время осуществлена на основе разработанных новых технологических методов термообработки сталей. Среди них наиболее эффектив­ ным и перспективным в технологии машиностроении безусловно является метод скоростной электротермиче­ ской обработки (СЭТО), теоретические и технологиче­ ские основы которого обобщены в монографиях [88, 89J. Успешное освоение СЭТО в технологической практике машиностроения позволит инженеру-технологу получить в свое распоряжение эффективное средство повышения надежности изделий, надежность, основанную на точ­ ном учете не только механики напряженного состояния конструкции, но и заранее рассчитанного оптимального структурного состояния материала.

4.5. Оценка безопасного размера микротрещин в элементах конструкций методами физики разрушения

Ниже будет показано, что микро- и макротрещины тре­ буют различных подходов при определении степени их опасности в нагруженной конструкции. Определение ве­ личины макротрещины, безопасной при данном уровне нагружения, в настоящее время осуществляется метода­ ми механики разрушения, для чего используется специ­ альная методика испытания на величину критического коэффициента интенсивности напряжений Kic [13, 14]. Методы определения К\с стандартизированы и включают сложную процедуру испытания на разрыв плоских об­ разцов с надрезом, заканчивающихся специально наве­ денной острой усталостной трещиной в условиях плоской деформации. Такая постановка опыта обеспечивает раз­ рушение образца в самых жестких условиях испытаний, следовательно, полученная характеристика К\с полно­ стью гарантирует безопасность менее острых трещин в реальных изделиях, где напряженное состояние может быть и не столь жестким. Указанный подход механики

220