Структура металла и хрупкость стальных изделий

Р А З Д Е Л III

МИКРОСКОЛ И ХРУПКОСТЬ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ

Г Л А В А 7

ФИЗИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ХРУПКОСТИ

ИВЯЗКОСТИ СТАЛЕЙ

ВСЛОЖНОМ НАПРЯЖЕННОМ СОСТОЯНИИ

§7.1. Физический критерий вязкого состояния

Вязким принято считать такое состояние материала, при кото­ ром разрушение наступает после заметной пластической деформации. Несмотря на простоту такого определения, степень деформации, предшествующая разрушению, строго не определена. Поэтому более простым оказывается не деформационный, а силовой критерий хруп­ кости. Можно считать, что разрушение было нехрупким, если нагру­ женный элемент разрушился при среднем номинальном напряжении

выше предела текучести: Ор >» стт. При Ор ^ <тт разрушение изделия рассматривается как макроскопически хрупкое, хотя в очаге разру­ шения могла наблюдаться значительная, но очень локализованная пластическая деформация, т. е. материал мог быть пластичным. Та­ ким образом, понятия хрупкого состояния материала и изделия из него не совпадают. Материал вязок, если напряжение разрушения образца, не содержащего макродефект, при линейном растяжении оказывается выше предела текучести. Изделие из такого материала будет обладать свойством вязкого поведения, при разрушении, если

условие Ор >> стт выполняется для данного напряженного состоя­ ния. Заметим, что здесь пока рассматриваются изделия без концент­ раторов и других неоднородностей полей напряжений. Нужна коли­ чественная мера запаса вязкости материала, которая позволяет из­ делию, находящемуся в жестком напряженном состоянии, оставаться вязким, т. е. испытывающим макроскопическую остаточную дефор­ мацию при разрушении. Такой критерий вязкости нагруженного изделия должен характеризоваться свойствами материала и опреде­ ленными показатели напряженного состояния.

Условие микроскола на пределе текучести означает, что начало разрушения совпадает с началом текучести, поэтому выражение

является критерием хрупкого состояния материала в указанном выше смысле. В случае СНС в условиях стесненной деформации для развития текучести требуется определенное перенапряжение, связан­ ное с жесткостью напряженного состояния <JiT = /0ц поэтому для

141

изделия условие хрупкости не совпа­ дает с (7.1):

Сопоставление (7.1) с (7.2) пока­ зывает, что при / > 1 хрупкое состоя­ ние изделия возможно при вязком состоянии материала ат <С /?мс.

Из (7.2) следует критерий хруп­ кости элемента изделия в СНС

>> 1). Если жесткость напряженного состояния фиксирована, т. е. задана характером приложения внеш­ них сил и не связана с зоной локальной текучести, то поскольку зна­ чения/ и KDнезависимы, между ними возможны любые соотношения. В этом случае критерий хрупкости в виде / = Кв имеет место лишь

при температуре хрупко-вязкого перехода, а в более общем случае может быть установлен лишь качественно в форме сравнения вели­ чин / и К в:

то материал вязок в данном напряженном состоянии, т. е. его теку­ честь начнется раньше, чем реализуется микроскол (7.2). Так крите­ рий микроскола на пределе текучести (ах ^ R MCи а* = ат) приводит

к простой формулировке критерия хрупкости или вязкости материа­ ла в изделии в заданном напряженном состоянии.

Критерии типа (7.4) и (7.5) впервые четко были сформулированы хотя и чисто феноменологически, Г. В. Ужиком [57].

Таким образом, коэффициент вязкости К является ключевой

механической характеристикой конструкционного материала, так как в сочетании с жесткостью напряженного состояния / позволяет сразу определить хрупким или вязким будет поведение материала в данном изделии (рис. 7.1).

Для доказательства справедливости критерия хрупкости (7.3) и вязкости (7.5) проведены эксперименты по разрушению цилиндри-

142

Рис. 7.2. Номограмма Г. В. Ужика для расчета сопротивления отрыву R a по ис­

ческих образцов с надрезом при различных температурах с целыо изменения характеристики Къ в достаточно широких пределах. Оп­

ределялось локальное пиковое напряжение oi max на границе упруго­ пластической зоны, согласно чему представлялась возможность реа­ лизовать критерий хрупкости (7.3) в форме равенства К 3 = / [69].

Исследовалась отожженная сталь 20 в двух сериях экспериментов.

пературе хрупко-вязкого перехода были определены напряжения микроскола 7?мо для двух партий образцов: А — со средним разме­ ром зерна 93 мкм (отжиг при ИЗО °С, 1 ч), В ж = 57 даН/мм2; Б — со средним размером зерна 100 мкм (отжиг 1170 °С, 1 ч), R MC «=»

= 59 даН/мм2.

Вторая серия экспериментов проводилась на таких же цилинд­ рических образцах с кольцевым надрезом по Г. В. Ужику [57]г

A:t = 1,9, г = 0,5 мм; Б: t = 1,67, г = 0,3 мм.

Применяя метод Г. В. Ужика, по полученным значениям предела

текучести оо,2 на гладких образцах и нагрузки Р , разрушающей

образец с надрезом, с помощью номограмм определяли локальное разрушающее напряжение a imax в качестве сопротивления отрыву JRa при различных температурах испытания (рис. 7.2). Номограммы

были построены по алгоритму Г. В. Ужика для выбранной геометрии образца и надрезов.

Расчетные значения R a = crimax» полученные при различных тем­

пературах испытаний образцов с надрезами, хорошо согласуются со значением сопротивления микросколу 7?мс, определенным в пер* вой серии опытов на гладких образцах. Среднее отклонение состав­

1 4 а

считанные для каждой температуры испытания, представляют собой значения локального упругого перенапряжения Q у надреза данной

геометрии в момент разрушения. С увеличением коэффициента вяз­ кости К в, рассчитанные по данным опытов значения Gimax/oT на гра­

фике характеризуются прямой линией в хорошем соответствии с критерием хрупкого разрушения (7.3) (рис. 7.3) для партий образ­ цов с радиусами надреза 0,3 и 0,5 мм.

Предельное значение @тах, равное максимальной жесткости для дадреза радиуса 0,3 мм, достигается при —60 °С, что соответствует Кп = Дмс/нт = 59/24 » 2,5. Большего перенапряжения надрез

данной геометрии создать не может и при коэффициентах вязкости Кв > 2,5 границы упруго-пластической зоны в материале в момент

разрушения не существует, потому что все сечение в образце под яадрезом охвачено пластической деформацией. Следовательно, при Кв >■ /шах реализуется вязкое состояние материала с надрезом дан­

ной жесткости. Силовые закономерности разрушения стали в вяз­ ком состоянии будут определяться характером изменения сопротив­ ления микросколу от деформации R UC0 и измененными условиями

напряженного состояния в месте надреза, искаженного общей теку­ честью. Здесь мы переходим в область разрушений, инициируемых не на пределе текучести, а в условиях развитой пластической дефор­ мации, и критерии такого вида разрушений будут рассмотрены ниже.

144

§ 7.2. Микроскопическая природа разрушения при вязком отрыве

Понятие вязкого разрушения, подобно хрупкому, определяется неоднозначно, в зависимости от того, в каком пространственном масштабе развивается рассматриваемое явление. Как отмечалось (§ 3.1), лавинное разрушение в субмикрообластях кристалла вначале всегда идеально хрупкое, независимо от того, хрупким или вязким является макроскопическое состояние металла. Распространение растущей лавинной микро-, а тем более макротрещины по элементам микроструктуры металла практически всегда сопровождается по­ путными актами -пластической деформации и потому неизбежно яв­ ляется микровязким. Но для изделия в целом макропластическая деформация в момент разрушения может быть сосредоточена лишь в зоне концентрации напряжений. В этом случае даже вязкий металл может разрушиться квазихрупко, однако нужно помнить, что это макрохрупкость изделия, содержащего дефект, а не хрупкость мате­ риала. Если макродефекта нет, то вязкий материал (Кв >> /) обяза­

тельно разрушится лишь после заметной пластической деформации. Возникают вопросы: какое должно быть предельное значение этой пластической деформации в месте разрушения и какой микромеха­ низм начальной стадии такого вязкого разрушения. Широко распро­ странено мнение, что вязкое разрушение металлов инициируется слиянием многочисленных пор, хорошо наблюдаемых в месте буду­ щего разрыва в шейке образца [19, 25, 98] и этим принципиально отличается от хрупкого или квазихрупкого разрушения, вызывае­ мого стартом хрупкой или квазихрупкой микротрещины [18, 27].

деформированного железа и молибдена. Авторы [99] считают.эти суб­ микротрещины источниками разрушения сильнонаклепанного метал­ ла. В случае металла, предварительно деформированного до больших степеней, с этим можно согласиться, но возникает вопрос, будет ли это так, если сильная деформация металла развивается непосредст­ венно при испытании на разрушение. В первом случае действительно может наблюдаться макрохрупкое разрушение сильнонакопленного металла, для которого инициирующая роль субмикротрещины не вызывает сомнений, во втором — имеем дело с обычным вязким раз­ рушением металла в шейке, и хотя структурное состояние в момент разрыва может оказаться очень похожим, инициирующая роль суб­ микротрещин, наблюдавшихся В. В. Рыбиным, не кажется столь бес­ спорной и требует прямых доказательств.

Чтобы ответить на этот вопрос, проводились эксперименты по определению сопротивления микросколу на предварительно дефор­ мированном железе и сталях [100], о чем частично уже шла речь в § 6.1. Сталь 10, отожженная на средний размер зерна 40 мкм,-иссле­ довалась с целью определения напряжения разрушения в состоянии с различной степенью деформации. Одна партия образцов подвергалась

предварительной пластической деформации волочением до различных степеней обжатия Q = 10, 20, 30 и т. д. до 70 %. Затем каждая серия образцов с заданной деформацией Q испытывалась в интервале тем­

ператур от 20 до —196 °С с целью достижения хрупко-вязкого пере­ хода и определения критического напряжения хрупкого разрушения наклепанной стали, что по смыслу означает сопротивление микроско­ пу деформированного металла Лмсе- График изменения напряжения от степени предварительного обжатия Q приведен на рис. 7.4, кривая 1.

Вторая партия образцов этой же стали в исходном отожженном состоянии испытывалась в интервале температур от 20 до —196 °С с целью получения разрывов с различным относительным попереч­ ным сужением в шейке ф и в зависимости от этого определялось зна­ чение среднего разрушающего напряжения в шейке S ь (рис. 7.4, кривая 2). Соответствие средних значений S v и 7?мсе отмечается лишь

вится понятно, если учитывать неоднородность напряженного со­ стояния в шейке [84]. Эпюра главного нормального напряжения Oj в шейке симметрично выпуклая (рис. 7.5). Учитывая, что процесс микроскопа развивается в субмикроскопических масштабах, для его анализа нужно знать не средние, а локальные пиковые значения растягивающих напряжений aimax. Для объемного напряженного состояния в шейке crimax можно вычислить по методу Н. Н. Давиденкова [84] либо Бриджмена [85].

Значения aimax, рассчитанные по обоим методам, почти совпада-

Рнс. 7.4. Зависимость напряжения, при котором инициируется микроскол от пластической деформации:

1 — напряжение микроскопа Ямсе стали, предварительно деформированной волоче­ нием на степень Q; г — напряжение разрыва SKв шейке при испытании на растяже­

ние в области низких температур; з — вычисленные по [84] значения локального нап­ ряжения в шейке tJimax и момент разрыва.

Рис. 7.5. Эпюра распределения напряжений в наименьшем сечении шейки вязко разрушаемого образца:

So — уровень напряжения течения, равный интенсивности напряжений ст^; 5К —

среднее (номинальное) значение напряжения разрушения в наименьшем сечении шей­ ки; о, — осевое растягивающее напряжение, В момент разрыва в центре шейки:

°1тах = Ямсе-

146

Понятия вязкий и хрупкий здесь условны, поскольку относятся к од­ ному и тому же явлению, возникающему на различных этапах разви­ вающейся пластической деформации — на ранних стадиях деформа­ ции (на приделе текучести) или при больших степенях деформирова­ ния, соответствующих величинам ф « 70—75 %. При этом следует различать вязкий отрыв в шейке разрушаемого образца и пластичес­ кое разрушение, вызываемое слиянием пор в вязкую трещину, веду­ щую к последующему разрыву или срезу образца [2$, 98]. Очевидно такой механизм не имеет ничего общего с микросколом в вязкой ста­ ли и его следует выделять в класс истинно вязких разрушений, ко­ торый целесообразно называть пластическим разрывом. Этому виду разрушения соответствует английский термин rupture. В дальней­

шем такие пластические разрывы, инициируемые слиянием пор в вязкую трещину, не рассматриваются и речь пойдет лишь о вязких разрушениях, инициированных микросколом. Как следует из рис. 7.4 для обычных технических сталей механизм микроскола при вяз­ ком отрыве (dimax « i?MCe), реализуется в сталях с сужением в шей­ ке ф, достигающем не менее 70 %. Поскольку большинство конструк­ ционных сталей, имеющих ф ^ 70 %, в обычных эксплуатационных условиях могут рассматриваться как материалы, разрушающиеся по механизму микроскола, развиваемые здесь представления о природе разрушения обоснованно применимы и к ним. Важность полученного

ловых и деформационных критериях разрушения вязких материа­ лов в зонах пластической деформации, создаваемых надрезами, тре­ щинами и другими концентраторами напряжений.

§ 7.3. Расчет предельной пластичности стали при испытании на растяжение

Как было показано в предыдущем параграфе, микромеханизм начальной стадии при хрупком и вязком отрыве сталей одинаков — зарождение и развитие микроскола, что создает предпосылки к со­ зданию общей физической картины разрушения, охватывающей как хрупкие, так и вязкие состояния материала.

В процессе пластической деформации вследствие изменения струк­

дит в i?MCe, обнаруживая типичную немонотонную зависимость с мак­ симумом при степенях деформации около 50—60 %. Если на график (рис. 7.6) нанести изменения напряжения течения стали, дефор­ мированной до соответствующих степеней деформации — ое, то отношение значений R MCe и ае, взятое при каждой степени деформа­

148

ных протяжкой до заданных степеней деформации, с достижением условий их хрупко-вязкого перехода. Как показано в § 7.2, получен­ ные значения R aсе соответствуют критическим локальным напряже­

= R мсе) является пересечение кривой изменения напряжения ai тах с линией R мсе. Локальные значения Oi тах при каждом значении су­

жения в шейке ф могут быть вычислены на основе знания механики напряженного состояния в шейке, представляющей собой круговой надрез цилиндрического образца с относительно большим радиусом кривизны р. Детальный анализ напряженного состояния материала в шейке проводился Н. Н. Давиденковым и Н. И. Спиридоновой [84], а позднее Бриджменом [85].

В качестве характеристики геометрических параметров шейки удобно принять отношение радиуса поперечного сечения к радиусу кривизны в шейке в момент разрыва [84]:

Для большинства сталей х\ зависит от истинной деформации е [58]: г) = 0,92 (е — 0,1). Через этот параметр удобно выразить основные

силовые характеристики в шейке: crimax — наибольшее растягива­ ющее напряжение в осевом волокне и — интенсивность напря­ жений:

149

соответственно по Н. И. Давиденкову и Бриджмену.

Обозначив знаменатели в выражениях (7.8) и (7.10) через L, а коэффициенты при S Kв (7.11) и (7.12) через В х получим

где /ш — максимальная жесткость напряженного состояния в центре шейки. Множители В и L так же, как и жесткость / ш, могут опреде­

ляться в зависимости от параметров шейки и степени деформации аналитически в виде соотношений:

no Н. Н. Давиденкову

150