Структура металла и хрупкость стальных изделий

АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНСКОЙ ССР ИНСТИТУТ МЕТАЛЛОФИЗИКИ

Ю. Я. МЕШКОВ

Г. А. ПАХАРЕНКО

СТРУКТУРА

МЕТАЛЛА

И ХРУПКОСТЬ СТАЛЬНЫХ

ИЗДЕЛИЙ

КИЕВ НАУКОВА ДУМКА 1985

УДК 539.4

Структура металла и хрупкость стальных из­ делий / Мешков Ю. Я., Пахаренко Г, А.— Киев : Наук, думка, 1985,— 268 с.

В монографии обобщены результаты оригиналь­ ных теоретических и экспериментальных исследова­ ний по физической природе хрупкого разрушения металлов, основанных на идее микроскола как фунда­ ментального явления, развивающегося на самых на­ чальных, микроскопических стадиях разрушения кри­ сталлической решетки путем чистого разрыва межатом­ ных связей. Исследовано влияние структурного со­ стояния железа, углеродистых и легированных сталей на напряжение микроскола i?Mc. Развита теория

разрушения сталей и элементов стальных изделий» находящихся в сложном напряженном состоянии или содержащих локальные концентраторы напряжений различной природы. Предложены рекомендации по рациональному снижению коэффициентов запаса проч­ ности и физически обоснованному выбору конструк­ ционных материалов с целью повышения надежно­ сти и снижения металлоемкости машин и сооруже­ ний.

Для инженеров-конструкторов, технологов-метал- ловедов и машиностроителей, научных работников в области физических проблем прочности и разрушения металлов.

Ил. 143. Табл, 31. Библиогр,: с, 259—263 (124 назв.).

Ответственный редактор Л. Н. Лариков

Рецензенты Л. В. Тихонов, Ю. В. Мильман

Редакция физико-математической литературы

© Издательство «Наукова думка», 1985

ПРЕДИСЛОВИЕ

Хрупкое разрушение металлических изделий чаще всего ассоциируется с хруп­ костью материала, из которого они изготовлены, с его недостаточно высокой пла­ стичностью или вязкостью. Несмотря на практическую важность понятия вязкос­ ти, оно еще не получило физически обоснованного определения, которое позволило бы ввести критерий достаточности этого качества. Трудность в том, что в дей­ ствительности хрупкое разрушение изделия не всегда обусловлено хрупкостью самого материала, который при контрольных испытаниях в лаборатории может обнаруживать вполне заметный уровень пластичности. Потеря необходимой пла­ стичности материала в изделии возможна по двум причинам: из-за влияния вида напряженного состояния на свойства металла и вследствие охрупчивающего воз­ действия на металл различных труднообнаруживаемых концентраторов напря­ жений. В свою очередь влияние охрупчивающих факторов существенно зависит от свойств материала. Зная закономерности этой взаимосвязи можно управлять надежностью силовых элементов конструкций и лучше объяснять природу тако­ го качества материала, как его пластичность или запас вязкости. Определяющая роль структуры металла во всех этих вопросах очевидна. Однако надлежащий учет Структурных факторов в таких задачах требует развития соответствующих моделей процессов деформирования и разрушения металлов на микроуровне, Современная дислокационная физика прочности и разрушения металлов в настоя­ щее время может сформулировать задачу разрушения в рамках количественной модели, охватывающей самый главный, критический момент нагружаемого ме­ талла — момент начала нестабильного (лавинного) роста разрушающего де­ фекта — трещины. Обычно критическую стадию в разрушении металлов приня­ то искать в зарождении и слиянии множества микротрещин в макротрещину, переходящую затем в лавинный рост. Исследования показали, что в большин­ стве случаев, в том числе и тех, когда разрушение стимулируется готовой мак­ роскопической трещиной, критическая стадия разрушения металлов реализует­ ся еще на стадии зарождения субмикротрещины дислокационного или структур­ ного происхождения.

Условия нестабильности субмикротрещин столь малых размеров, составля­ ющих обычно доли микрометров, принципиально отличаются от таковых для обыч­ ных микро- и макротрещин в том отношении, что начальный момент роста суб­ микротрещины в микрообластях осуществляется путем внутреннего скола, т. е. происходит вследствие простого разрыва атомных связей при непосредственном отделении кристаллографических плоскостей. Так возникло представление о

3

ВВЕДЕНИЕ

Разрушение металлических изделий и конструкций всегда выходило за рамки чисто технического явления, поскольку затрагивало не только производственно-экономические интересы общества, но за­ частую было связано с проблемой безопасности человека в сфере его производственно-технической деятельности. Можно сказать, что

внастоящее время проблема надежности машин и сооружений со­ временной техники носит характер социальной проблемы, нередко ограничивающей возможности общества в решении многих крупно­ масштабных уникальных проектов. Неудивительно, что решению за­ дач по выяснению природы явления разрушения металлов и сплавов

внастоящее время во всем мире уделяется огромное внимание. Эта проблема входит во многие общегосударственные программы науч­ ных исследований, активно ведется международная кооперация и ко­ ординация работ по разрушению.

Современная физическая теория прочности и разрушения метал­ лов, несмотря на несомненные достижения дислокационной теории, еще не стала инженерной наукой, поскольку затруднителен учет мно­ гих факторов, приводящих к разрушению. Действительно, чтобы теория могла объяснить причину внезапного разрушения многотон­ ной стальной конструкции при нагрузке ниже расчетной, казалось бы обеспечивающей ее нормальную несущую способность, необходим

учет всех факторов, от которых зависит прочность конструкций

впредельном состоянии. Эти факторы могут быть разнородны и изу­ чают их науки, порою плохо связанные между собой. Так, прочность металла зависит в первую очередь от прочности межатомных связей

вкристаллической решетке, исследованием природы которых зани­ мается квантово-механическая теория твердых тел [1], объясняющая на основании зонно-энергетического спектра электронов силы сцеп­ ления атомов в идеальной, т. е. бездефектной решетке, и тип кристал­ лической решетки, в которой атомы данного вида образуют устой­ чивую конфигурацию. Простейшей мерой, характеризующей силу сцепления атомов в решетке твердого тела, может служить энергия сублимации [1]. В реальных металлах кристаллическая решетка мо­ жет быть бездефектной лишь в весьма ограниченных объемах, в бло­ ках, линейные размеры которых порядка 10—103 нм (102—104 А) [2]. Наличие дефектов в решетке, в первую очередь дислокаций, сильно

5

понижает прочность реального металла, делает ее зависящей от коли­ чества дислокаций в единице объема металла (их плотности), от ха­ рактера их распределения и взаимодействия в монокристаллических областях металла, т. е. от вида внутризереыной дислокационной суб­ структуры [3, 4, 5]. Прочность также зависит от размера зерна поликристаллического металла, наличия дисперсных частиц второй фазы в матрице, их количества, формы, однородности распределения, т. е. от всех тех факторов металлургического порядка, которые изучает ме­ талловедение, включающее в свою задачу обеспечение оптимального химического состава и структурного состояния металла. Эти факторы внутреннего строения металла не рассматривает механика прочности, которая детально исследует роль макроскопических дефектов типа трещин и других факторов, вносящих возмущения в однородное рас­ пределение напряжений и деформаций в однородное изотропное упру­ го-пластическое твердое тело. Такой стык между дислокационной фи­ зикой, металловедением и механикой в настоящее время стал наиболее актуальной проблемой исследований, в которой ведущую роль зани­ мает механика разрушения (6, 7) и в частности ее область, которая непосредственно учитывает особенности структурного строения метал­ лов, так называемая структурная механика разрушения [8, 9]. Вместе с тем прочность зависит от характера распределения напряжений,; т. е. от вида напряженного состояния, что также изучает механика прочности [10]. На прочность влияют также внешние факторы: внеш­ няя среда, температура и скорость деформирования. Отметим, что последний фактор при уменьшении скорости деформирования прояв­ ляется в виде характерной временной зависимости прочности твердых тел, теоретические основы которой развиты в работах С. Н. Шуркова И его школы с позиций термофлуктуационно-кинетической природы разрушения твердых тел [11—15].

Перечисление факторов, влияющих на прочность стальных изделий, свидетельствует, что между процессами, определяющими силы сцепления атомов в металле, и природой воздействия вида на­ пряженного состояния на прочность металла дистанция настолько велика, что соединить их в рамках единой теории прочности невоз- | можно. В столь сложном многоплановом явлении важно удачно вы- ?брать главное, определяющее звено механизма, занимающее ключевое место в процессе разрушения. Трудность заключается в правильном определении этого решающего звена, более того, априори нельзя даже быть уверенным в том, что такое центральное звено в явлении разру­ шения металлов существует, поскольку проблемой прочности твер­ дых тел занимаются слишком разные по содержанию самостоятельные пауки: физика, металловедение и механика. Однако узловым момен­ том, связывающим интересы этих трех наук, может и должна быть кристаллическая структура реального металла, которая составляет предмет изучения современного физического металловедения. По­

этому центральное звено данной проблемы может оказаться именно в той области явлений, где определяющую роль играют кристалличе­ ская структура конструкционного металлического материала и за­ кономерности ее изменения в процессах деформирования. Именно

6

здесь в ходе пластической деформации конгломерата разноориеитировэнных кристаллитов металла, зерен, возникают, развиваются и на­ капливаются те дефекты, которые при определенных условиях могут оказаться первоисточниками глобального разрушения всего многотон­ ного изделия. Интересным звеном в процессе разрушения является критический момент, при котором в результате структурных измене­ ний в деформируемом металле возникает дефект, теряющий под действием приложенных напряжений устойчивость и спонтанно разви­ вающийся вплоть до полного разрушения изделия. Критерий неустой­ чивости этого критического дефекта в металле и будет служить крите­ рием разрушения изделия. Вопрос состоит в том, что представляет собой такой критический дефект, какова его природа, размеры, связь со структурой металла. Видимо, именно здесь следует искать то цент­ ральное звено, о котором говорилось выше. Связь размера критиче­ ского дефекта, трещины, с приложенным внешним растягивающим напряжением для хрупкого твердого тела дал Гриффитс [16]. Но он не рассмотрел источник возникновения трещин, связь критического раз­ мера ее с природой и внутренней структурой металла. Выяснение этого является основной задачей в современной физической теории прочности, рассматривающей явление разрушения на основе учета реальной кристаллической структуры и ее изменения при деформиро­ вании металла. Существенный шаг в понимании природы разрушения железа и сталей был сделан, когда за основу механизма разрушения деформируемого поликристаллического металла приняли единичный акт перехода в неравновесную лавинную стадию роста чрезвычайно малой по своим размерам, но зато предельно острой субмикротрещи­ ны, растущей на первых порах по законам идеально хрупкого скола в бездефектной микрообласти металла. Такая модель, названная микросколом, позволила количественно вычислить размер критической трещины в его прямой связи с основными характеристиками структу­ ры металла: размером зерна и частиц цементита в стали, а также дать количественно прогнозируемое напряжение хрупкой прочности железа и стали на основе анализа их структурного состояния [17]. Нео­ жиданный вывод, следующий из модели микроскола, то, что критиче­ ское событие в разрушении металла происходит не там, где его при­ нято искать, и состоит не в слиянии хаотически возникающих микро­ трещин в одну магистральную, разрушающую. Критическую роль в разрушении поликристаллического металла играет лишь одна из множества зародышевых субмикротрещин, обычно имеющая размеры порядка десятых долей микрона, примерно V70 размера среднего диаметра зерна. Тогда критическое событие в разрушении прояв­ ляется на микроуровне явления и имеет микроскопическую природу. Отсюда становится понятна решающая роль микроструктуры метал­ ла для его прочностных и пластических свойств. В настоящей моно­ графии рассматриваются закономерности влияния структуры на ус­ ловия проявления микроскола как решающего этапа при разрушении стали.

Один из видов нарушения несущей способности изделия под нагруз­ кой — полное разрушение. Иной вид предельного состояния —

7

текучесть, которая обычно является инженерным признаком наруше­ ния прочности металлического изделия. Несмотря на то что физическая природа текучести дислокационной теорией представлена более пол­ но и детально, чем разрушения, все же принципиально важный во­ прос, как влияет вид напряженного состояния на начало макротеку­ чести в металлах, остается невыясненным. В механике сопротивления материала это затруднение устраняется с помощью соответствующих гипотез предельных состояний (теории прочности), разных для хруп­ ких и пластичных материалов, либо комбинированных, обобщенных,; критериев [10]. Но даже для пластичных материалов, у которых пре­ дельное состояние возникает посредством текучести, э не разрушения, нет единого критерия начала течения. Практика свидетельствует, что одни пластичные материалы лучше подчиняются критерию Кулона (за начало текучести ответственно наибольшее касательное напряже­ ние в системе, достигающее критического значения), другие, также плаотичные, материалы — критерию Мизеса (текучесть обеспечивают критические касательные напряжения на октаэдрических площадках). Но большинство материалов обычно лишь приблизительно удовлет­ воряют одному из указанных критериев, а чаще всего напряжения текучести имеют промежуточные значения. Такая неоднозначность поведения пластичных металлов не позволяет заранее с уверенностью решать вопрос о напряжении, при котором следует ожидать текуче­ сти данного материала в интересующих нас условиях напряженного состояния. Вопрос этот важен не только для знания предельного состояния по условию текучести. Дело в том, что в критерии микроскола начало макротекучести металла является первым необходи­ мым условием, поскольку лишь пластическая деформация создает те зародышевые субмикроскопические трещины, которые в определен­ ный момент могут стать критическими, вызвать микроскол, а затем и полное разрушение. Таким образом, для полного описания явления микроскола в общем случав сложного напряженного состояния без уяснения закономерностей влияния вида напряженного состояния на начало макротекучести не обойтись. В настоящей монографии делается попытка развить физическую модель текучести поликристаллического металла с учетом его структурного состояния и вида напря­ женного состояния.

Дальнейшим шагом в понимании природы разрушения металлов должно быть уяснение взаимосвязи хрупкого и вязкого разрушения металлов. Поскольку текучесть, т. е. пластическое деформирование* является неотъемлемой составной частью микроскола, то законо­ мерен вопрос, насколько далеко в шкале пластических деформаций простирается эта основополагающая связь. Иными словами, если раз­ рушение не произошло в самом начале текучести, то сохранится ли возможность микроскола при дальнейшей пластической деформации в условиях деформационного упрочнения материала? В настоящей ра­ боте дан утвердительный ответ не только на этот вопрос, но и показа­ но, что микроскопическая природа начального этапа разрушения* вызванного действием нормальных напряжений, всегда одна и та же, независимо от того* хрупким или вязким было поведение металла при

8

Р А З Д Е Л I

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МИКРОСКОПА

Г Л А В А 1

ТЕОРИИ ХРУПКОГО РАЗРУШЕНИЯ МЕТАЛЛОВ

§ 1.1. Классификация видов разрушения

Разрушение металла — это микроскопическое в своей основе физическое явление, хотя внешне оно проявляется в механическом, ч. е. макроскопическом аспекте. Суть этого многопланового и слож­ ного явления заключается в закономерностях процессов упругого и пластического деформирования кристаллических материалов,, обладающих определенной микрокристаллической и субмикроскопи­ ческой структурой, оказывающей решающее воздействие на зарожде­ ние и развитие очагов будущего макроразрушения. В зависимости от структурного состояния и конкретных физико-механических свойств металлического материала, от внешних условий силового нагруже­ ния и от присутствия микро- и макроскопических дефектов разруше­ ние материала может настолько различаться по своему характеру,; что зачастую не удается его полностью охарактеризовать в рамках единой классификации. Поскольку всякая классификация в значи­ тельной мере условна, а проблема представляет интерес, то имеет смысл ограничиться рамками микроструктурного подхода к анализу условий разрушения как в наибольшей мере соответствующего дан­ ному предмету. В настоящее время известно, что между хрупким и вязким разрушением нет резкой границы, поскольку при всяком разрушении всегда отмечается хотя бы в небольших проявлениях пластическая деформация. В современных представлениях никакой реальный металлический материал, кроме бездефектного кристалла с идеальной решеткой, не может быть разрушен без пластической деформации, поскольку первоначальным источником разрушения на микроуровне служит субмикротрещина, зарождение которой в крис­ талле невозможно без элементарных актов пластического деформиро­ вания кристалла [18—20]. Вероятно, поэтому классификацию видов разрушения по характеру наблюдаемой в изломе картины пласти­ ческой деформации следует считать наиболее целесообразной. До­ стижения современной техники сканирующей электронной микроско­ пии сделали возможным детальный анализ тонких эффектов фрактографической картины разрушения металлов, положенный в работе [21] в основу классификации типов микромеханизмов разрушения.

Авторы [21] считают целесообразным провести классификацию микромеханизмов разрушения на основные типы по наиболее важ­ ным характеристикам — вязкости и структурному признаку разру-

10